JP2023098056A - Speaker and manufacturing method thereof - Google Patents

Abstract

To provide a speaker capable of preventing air to leak on a diaphragm side to suppress reduction in sound pressures, and allowing miniaturization of the speaker and reduction in manufacturing costs; and provide a method of manufacturing the speaker.SOLUTION: A speaker comprises: a support 11 that includes a back cavity 23 having a front opening 23 thereon; an actuator 12 that is fixed to a periphery part 23b of the front opening 23a, the actuator being provided so as to be allowed to vibrate in the back cavity 23 in a thickness direction; a diaphragm 13 that is disposed to face the actuator 12, the diaphragm having a vibration part 13a at the center, a stationary part 13b around the vibration part 13a, and a flexible part 13c between the vibration part 13a and the stationary part 13b; a connection part 14 that connects the stationary part 13b and the periphery part 23b; and a coupling part 15 that couples the actuator 12 and the vibration part 13a. A part covering the back cavity 23 from the periphery part 23b of the front opening 23a to the diaphragm 13 is sealed.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、スピーカーおよびスピーカーの製造方法に関する。 The present invention relates to loudspeakers and loudspeaker manufacturing methods.

従来、イヤホンやヘッドホンに使用される小型のスピーカーとして、PZT（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電体から成るアクチュエータを利用した圧電MEMSスピーカーが開発されている。この圧電MEMSスピーカーは、消費電力が低い、変位精度が高い、発生力が大きい、応答性が高い、長時間駆動が可能であるという特徴を有している。 Conventionally, piezoelectric MEMS speakers using an actuator made of a piezoelectric material such as PZT (lead zirconate titanate) have been developed as small speakers used in earphones and headphones. This piezoelectric MEMS speaker has the features of low power consumption, high displacement accuracy, large generated force, high responsiveness, and the ability to be driven for a long time.

圧電MEMSスピーカーとして、例えば、三角形の圧電カンチレバーから成る４つの振動板を有し、これらの振動板を四角形になるよう配置した構造を有するもの（例えば、非特許文献１参照）や、円形の振動板と、それを囲むよう配置された圧電カンチレバーとを有し、圧電カンチレバーがばねの役割をしながら振動板を駆動するもの（例えば、非特許文献２参照）、支持体の凹部の開口を塞ぐよう設けられた圧電アクチュエータと、周辺部が支持体に固体され、アクチュエータの支持体とは反対側に配置された振動板と、アクチュエータと共に振動板が振動するよう、アクチュエータと振動板の中央部とを連結した連結部材とを有するもの（例えば、特許文献１参照）がある。 As a piezoelectric MEMS speaker, for example, one having four diaphragms made of triangular piezoelectric cantilevers and having a structure in which these diaphragms are arranged in a square (see, for example, Non-Patent Document 1), or a circular vibration It has a plate and a piezoelectric cantilever arranged to surround it, and the piezoelectric cantilever drives the diaphragm while acting as a spring (see, for example, Non-Patent Document 2), closing the opening of the recess of the support. a piezoelectric actuator having a peripheral portion fixed to a support and disposed on the opposite side of the actuator from the support; and a central portion of the actuator and the diaphragm such that the diaphragm vibrates with the actuator. (see, for example, Patent Document 1).

F. Stoppel, A. Mannchen, F. Niekiel, D. Beer, T. Giese, and B. Wagner, “New Integrated Fullrange MEMS Speaker for In-Ear Application”, MEMS 2018, 2018, p.1068-1071F. Stoppel, A. Mannchen, F. Niekiel, D. Beer, T. Giese, and B. Wagner, “New Integrated Fullrange MEMS Speaker for In-Ear Applications”, MEMS 2018, 2018, p.1068-1071 H. H. Cheng, S. C. Lo, Y. J. Wang, Y. C. Chen, W. C. Lai, M. L. Hsieh, M. Wu, W. Fang, “Piezoelectric Microspeaker Using Novel Driving Approach and Electrode Design for Frequency Range Improvement”, 2020 IEEE 33rd International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), 2020, p.513-516H. H. Cheng, S. C. Lo, Y. J. Wang, Y. C. Chen, W. C. Lai, M. L. Hsieh, M. Wu, W. Fang, “Piezoelectric Microspeaker Using Novel Driving Approach and Electrode Design for Frequency Range Improvement”, 2020 IEEE 33rd International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), 2020, p.513-516

米国特許第９９８００５１号明細書U.S. Pat. No. 9,980,051

しかしながら、非特許文献１および２に記載の圧電MEMSスピーカーは、圧電カンチレバーが振動したとき、各カンチレバー間に隙間が発生するため、空気が漏れてしまい、音圧が低下してしまうという課題があった。また、特許文献１に記載の圧電MEMSスピーカーは、電磁駆動方式のダイナミックスピーカーに類似した構成であり、空気が漏れる問題はないものの、圧電アクチュエータと振動板とを個々に組み立てなくてはならず、小型化および低コスト化に限界があるという課題があった。 However, the piezoelectric MEMS speakers described in Non-Patent Documents 1 and 2 have a problem that when the piezoelectric cantilevers vibrate, gaps are generated between the cantilevers, allowing air to leak and reducing the sound pressure. rice field. In addition, the piezoelectric MEMS speaker described in Patent Document 1 has a configuration similar to an electromagnetically driven dynamic speaker, and there is no problem of air leakage. There is a problem that there is a limit to miniaturization and cost reduction.

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、振動板側での空気の漏れを防いで音圧の低下を抑えることができると共に、小型化が可能で、製造コストの低減を図ることができるスピーカーおよびスピーカーの製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made by paying attention to such problems, and it is possible to prevent the leakage of air on the diaphragm side and suppress the decrease in sound pressure, and at the same time, it is possible to reduce the size and reduce the manufacturing cost. It is an object of the present invention to provide a loudspeaker and a method for manufacturing the loudspeaker.

上記目的を達成するために、本発明に係るスピーカーは、少なくとも一方の表面に開口が形成されたバックキャビティを有する支持体と、板状を成し、前記開口を覆うよう前記開口の周縁部に固定され、前記バックキャビティで厚み方向に振動可能に設けられたアクチュエータと、板状を成し、前記アクチュエータに対向するよう配置され、中央に設けられた振動部と、前記振動部との間に間隔をあけて前記振動部の周囲に設けられた固定部と、前記振動部が前記固定部に対して厚み方向に振動可能に、前記振動部と前記固定部との間に設けられた可撓部とを有する振動板と、前記支持体と前記振動板との間の空間の周囲を囲うよう、前記固定部と前記支持体の前記開口の周縁部とを接続した接続部と、前記アクチュエータと共に前記振動部が振動するよう、前記アクチュエータと前記振動部とを連結した連結部とを有し、前記支持体の前記開口の周縁部から前記振動板までの前記バックキャビティを覆う部分が閉塞されており、前記アクチュエータが圧電体を有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, a speaker according to the present invention includes a support having a back cavity with an opening formed on at least one surface thereof, and a plate-like support having a peripheral edge portion of the opening so as to cover the opening. Between an actuator fixed and provided so as to be able to vibrate in the thickness direction in the back cavity, a vibrating portion having a plate shape, disposed in the center so as to face the actuator, and the vibrating portion a fixed portion provided around the vibrating portion with a space therebetween; a connecting portion connecting the fixing portion and the peripheral portion of the opening of the support so as to surround the space between the support and the diaphragm; and the actuator. A connecting portion connecting the actuator and the vibrating portion is provided so that the vibrating portion vibrates, and a portion covering the back cavity from the peripheral portion of the opening of the support to the diaphragm is closed. and the actuator has a piezoelectric body.

本発明に係るスピーカーは、アクチュエータを振動させることにより、連結部を介して振動板の振動部が振動し、音を発生することができる。本発明に係るスピーカーは、支持体の開口の周縁部から振動板までのバックキャビティを覆う部分が閉塞されており、支持体の開口の周縁部から振動板までの間に、バックキャビティが外部に通じる隙間がないため、振動板側での空気の漏れを防ぐことができ、音圧の低下を抑えることができる。 The speaker according to the present invention can generate sound by vibrating the vibrating portion of the diaphragm through the connecting portion by vibrating the actuator. In the speaker according to the present invention, the portion covering the back cavity from the peripheral edge of the opening of the support to the diaphragm is closed, and the back cavity is exposed to the outside between the peripheral edge of the opening of the support and the diaphragm. Since there is no communication gap, it is possible to prevent air from leaking from the diaphragm side, thereby suppressing a drop in sound pressure.

本発明に係るスピーカーは、支持体と接続部とがＳｉから成ることが好ましい。この場合、主要な構造をＳｉ基板またはＳＯＩ基板を利用して製造することができるため、小型化することができ、製造コストの低減を図ることができる。本発明に係るスピーカーは、より小型化するために、接続部の外周の大きさが、支持体の開口の周縁部の外周の大きさ以下であることが好ましい。また、振動板は、アクチュエータの支持体とは反対側に配置されていることが好ましい。 Preferably, in the speaker according to the present invention, the support and the connecting portion are made of Si. In this case, since the main structure can be manufactured using a Si substrate or an SOI substrate, the size can be reduced, and the manufacturing cost can be reduced. In order to further reduce the size of the speaker according to the present invention, it is preferable that the size of the outer periphery of the connecting portion is equal to or less than the size of the outer periphery of the peripheral portion of the opening of the support. Also, the diaphragm is preferably arranged on the side opposite to the support of the actuator.

本発明に係るスピーカーは、主に可聴域の音波を発生することが好ましい。なお、可聴域は、人によって異なるが、およそ２０Ｈｚ～２０ｋＨｚである。また、本発明に係るスピーカーは、ＭＥＭＳデバイスであることが好ましい。この場合、例えば、イヤホンやヘッドホンに使用することができる。また、本発明に係るスピーカーは、その各部の寸法を変更することによって、主に超音波を発生することもでき、例えば、指向性スピーカー、障害物センサー、レンジファインダーなどに使用することもできる。 Preferably, the speaker according to the present invention mainly generates sound waves in the audible range. The audible range varies from person to person, but is approximately 20 Hz to 20 kHz. Also, the speaker according to the present invention is preferably a MEMS device. In this case, it can be used for earphones and headphones, for example. In addition, the speaker according to the present invention can mainly generate ultrasonic waves by changing the dimensions of each part, and can be used, for example, as a directional speaker, an obstacle sensor, a range finder, etc.

本発明に係るスピーカーで、アクチュエータは、圧電体としてPZT等を有していることが好ましい。また、振動部は、例えば、Ｓｉ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇなど、硬く、音波の伝搬速度が大きい材料を有していることが好ましい。この場合、振動板の分割振動を抑制することができ、高い周波数領域でも忠実な音を再生することができる。振動部は、特に、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇと比べて、硬く、音波の伝搬速度が大きいＳｉ層を有していることが好ましい。 In the speaker according to the present invention, the actuator preferably has PZT or the like as the piezoelectric material. Moreover, it is preferable that the vibrating portion is made of a material such as Si, Ti, Al, Mg, which is hard and has a high propagation speed of sound waves. In this case, the divided vibration of the diaphragm can be suppressed, and faithful sound can be reproduced even in a high frequency range. The vibrating portion preferably has a Si layer that is harder than Ti, Al, and Mg and has a high propagation speed of sound waves.

また、可撓部は、樹脂製の薄膜から成ることが好ましい。また、その薄膜が、振動部も覆っていることが好ましい。この場合、薄膜を構成する樹脂は、Ｓｉ等と比べて内部損失が大きく、この薄膜が振動板およびアクチュエータの振動を減衰させることにより、平らな周波数特性が得られ、幅広い音域を実現することができる。薄膜は、特に、パリレンやポリイミドから成ることが好ましい。なお、薄膜を振動部に強固に固定するために、前記振動部は、前記一方の表面に形成された１または複数の固定用溝を有し、前記薄膜は、前記固定用溝に食い込んで前記振動部の前記一方の表面に固定されていることが好ましい。また、より強固に固定するために、各固定用溝は、開口部の幅よりも内部の幅の方が大きくなるよう形成されていてもよい。 Moreover, it is preferable that the flexible portion is made of a resin thin film. Moreover, it is preferable that the thin film also covers the vibrating portion. In this case, the resin that makes up the thin film has a larger internal loss than Si or the like, and this thin film attenuates the vibration of the diaphragm and actuator, resulting in flat frequency characteristics and a wide sound range. can. The thin film is particularly preferably made of parylene or polyimide. In order to firmly fix the thin film to the vibrating portion, the vibrating portion has one or a plurality of fixing grooves formed on the one surface, and the thin film bites into the fixing grooves to form the It is preferably fixed to the one surface of the vibrating portion. Further, each fixing groove may be formed so that the inner width is larger than the width of the opening in order to fix it more firmly.

本発明に係るスピーカーで、前記アクチュエータは、固定端が前記開口の周縁部に固定され、自由端が前記開口の中央部で互いに向かい合わせに配置された１対または複数対のカンチレバーを有しており、前記連結部は、Ｓｉから成り、前記カンチレバーの自由端と前記振動部とを連結していてもよい。この場合、連結部をアクチュエータの支持体と一緒に形成することができる。 In the loudspeaker according to the present invention, the actuator has a pair or a plurality of pairs of cantilevers having fixed ends fixed to the periphery of the opening and free ends facing each other at the center of the opening. The connecting portion may be made of Si and connect the free end of the cantilever and the vibrating portion. In this case, the coupling can be formed together with the support of the actuator.

本発明に係るスピーカーは、後方カバーを有し、前記バックキャビティは、前記支持体の他方の表面に後方側開口を有し、前記後方カバーは、前記後方側開口を覆うよう設けられ、前記バックキャビティと外部とを連通する１または複数の音響調整孔を有していることが好ましい。この場合、振動板が振動する際に、バックキャビティに対して、音響調整孔を通って空気が出入りする。このとき、音響調整孔の管路抵抗が振動板の振動のダンピングに影響を与えるため、音響調整孔の長さや径の大きさ、個数を調整することにより、振動板の振動のダンピングを調整することができる。 The speaker according to the present invention has a rear cover, the back cavity has a rear opening on the other surface of the support, the rear cover is provided to cover the rear opening, and the back It is preferable to have one or a plurality of sound adjustment holes that communicate the cavity with the outside. In this case, when the diaphragm vibrates, air enters and exits the back cavity through the sound adjustment holes. At this time, since the pipeline resistance of the acoustic adjustment holes affects the damping of the vibration of the diaphragm, the damping of the vibration of the diaphragm is adjusted by adjusting the length, diameter, and number of the acoustic adjustment holes. be able to.

本発明に係るスピーカーの製造方法は、本発明に係るスピーカーを製造するためのスピーカーの製造方法であって、前記アクチュエータと前記支持体とを、Ｓｉ基板またはＳＯＩ基板から成る第１の基板上に形成し、前記振動板と前記接続部とを、Ｓｉ基板またはＳＯＩ基板から成る第２の基板上に形成した後、前記第１の基板と前記第２の基板とを接合することを特徴とする。 A speaker manufacturing method according to the present invention is a speaker manufacturing method for manufacturing the speaker according to the present invention, wherein the actuator and the support are formed on a first substrate made of a Si substrate or an SOI substrate. forming the vibration plate and the connecting portion on a second substrate made of a Si substrate or an SOI substrate, and then bonding the first substrate and the second substrate. .

本発明に係るスピーカーの製造方法は、本発明に係るスピーカーを好適に製造することができる。本発明に係るスピーカーの製造方法によれば、Ｓｉ基板またはＳＯＩ基板を用い、半導体・ＭＥＭＳ加工技術によってスピーカーを製造することができるため、スピーカーを小型化することができ、製造コストの低減を図ることができる。なお、第２の基板上には、振動板と接続部とに加えて、連結部を形成してもよい。 The speaker manufacturing method according to the present invention can suitably manufacture the speaker according to the present invention. According to the method for manufacturing a speaker according to the present invention, a speaker can be manufactured using a Si substrate or an SOI substrate and semiconductor/MEMS processing technology, so that the speaker can be miniaturized and the manufacturing cost can be reduced. be able to. Note that a connecting portion may be formed on the second substrate in addition to the diaphragm and the connecting portion.

本発明に係るスピーカーの製造方法は、前記振動板を形成するとき、前記第２の基板の一方の表面の、中央部および周囲部との間の前記可撓部に対応する位置に溝を形成した後、前記溝の上に樹脂製の薄膜を形成し、前記薄膜が自己支持されるよう、前記第２の基板の他方の表面から、少なくとも前記中央部と前記周囲部との間に対応する前記第２の基板の部分を除去することにより、コルゲーションから成る前記可撓部を形成してもよい。この場合、薄膜から成るコルゲーションの可撓部を、比較的容易に形成することができる。 In the method of manufacturing a speaker according to the present invention, when forming the diaphragm, a groove is formed on one surface of the second substrate at a position corresponding to the flexible portion between the central portion and the peripheral portion. After that, a resin thin film is formed on the groove, and the thin film is formed on the other surface of the second substrate at least between the central portion and the peripheral portion so that the thin film is self-supporting. The flexible portion may be formed of corrugations by removing portions of the second substrate. In this case, it is possible to relatively easily form the flexible portion of the corrugation made of a thin film.

本発明に係るスピーカーの製造方法は、前記薄膜を、蒸着、化学的気相堆積法、スプレーコート法、またはスピンコート法により形成することが好ましい。この場合、製造するスピーカーがＭＥＭＳデバイスであっても、パリレンやポリイミド等の樹脂から成る薄膜を、比較的容易に形成することができる。また、本発明に係るスピーカーの製造方法は、ドライエッチングまたはレーザー加工により、前記後方カバーに前記音響調整孔を形成してもよい。この場合、比較的容易に音響調整孔を形成することができる。 In the speaker manufacturing method according to the present invention, the thin film is preferably formed by vapor deposition, chemical vapor deposition, spray coating, or spin coating. In this case, even if the speaker to be manufactured is a MEMS device, a thin film made of resin such as parylene or polyimide can be formed relatively easily. Further, in the speaker manufacturing method according to the present invention, the sound adjustment hole may be formed in the rear cover by dry etching or laser processing. In this case, the sound adjustment holes can be formed relatively easily.

本発明によれば、振動板側での空気の漏れを防いで音圧の低下を抑えることができると共に、小型化が可能で、製造コストの低減を図ることができるスピーカーおよびスピーカーの製造方法を提供することができる。 According to the present invention, a loudspeaker and a loudspeaker manufacturing method are provided, which can prevent air leakage from the diaphragm side to suppress a decrease in sound pressure, can be made compact, and can reduce the manufacturing cost. can provide.

本発明の実施の形態のスピーカーの縦断面を示す端面図である。1 is an end view showing a longitudinal section of a speaker according to an embodiment of the invention; FIG. 本発明の実施の形態のスピーカーの製造方法のうち、アクチュエータから支持体にかけての構造の製造方法を示す（ａ）～（ｆ）断面図である。8A to 8F are cross-sectional views showing a method of manufacturing a structure from an actuator to a support in a method of manufacturing a speaker according to an embodiment of the present invention; FIG. 本発明の実施の形態のスピーカーの製造方法のうち、振動板から接続部および連結部にかけての構造の製造方法を示す（ａ）～（ｉ）断面図である。10A to 10I are cross-sectional views showing the method of manufacturing the structure from the diaphragm to the connecting portion and the connecting portion in the method of manufacturing the speaker according to the embodiment of the present invention; FIG. 本発明の実施の形態のスピーカーの製造方法により製造されたスピーカーの、（ａ）アクチュエータの平面図、（ｂ）振動板の平面図、（ｃ）振動板の底面図である。FIG. 3A is a plan view of an actuator, (b) is a plan view of a diaphragm, and (c) is a bottom view of a diaphragm of a speaker manufactured by a method of manufacturing a speaker according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態のスピーカーの、振動変位の周波数特性を示すグラフである。5 is a graph showing frequency characteristics of vibration displacement of the speaker according to the embodiment of the present invention; 本発明の実施の形態のスピーカーの、音響測定の測定装置の全体構成を示す側面図である。1 is a side view showing the overall configuration of a measuring device for acoustic measurement of a speaker according to an embodiment of the present invention; FIG. 本発明の実施の形態のスピーカーの、音響測定結果を示す（ａ）ＳＰＬ、（ｂ）ＴＨＤ＋Ｎ（ノイズ）の周波数特性を示すグラフである。It is a graph which shows the frequency characteristic of (a) SPL, (b) THD+N (noise) which shows the sound measurement result of the speaker of embodiment of this invention.

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図７は、本発明の実施の形態のスピーカーおよびスピーカーの製造方法を示している。
図１に示すように、スピーカー１０は、支持体１１とアクチュエータ１２と振動板１３と接続部１４と連結部１５と後方カバー１６とを有している。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION An embodiment of the present invention will be described below based on the drawings.
1 to 7 show a loudspeaker and a loudspeaker manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1 , the speaker 10 has a support 11 , an actuator 12 , a diaphragm 13 , a connecting portion 14 , a connecting portion 15 and a rear cover 16 .

支持体１１は、正方形の枠状を成し、内側に正方形のバックキャビティ２３を有している。バックキャビティ２３は、支持体１１の一方の表面に形成された前方側開口２３ａと、他方の表面に形成された後方側開口２３ｃとを有している。 The support 11 has a square frame shape and has a square back cavity 23 inside. The back cavity 23 has a front opening 23a formed on one surface of the support 11 and a rear opening 23c formed on the other surface.

アクチュエータ１２は、バックキャビティ２３の前方側開口２３ａをほぼ塞ぐよう設けられた、板状の複数対のカンチレバー２５を有している。各対のカンチレバー２５は、固定端２５ａが、対向する前方側開口２３ａの周縁部２３ｂに固定され、自由端２５ｂが前方側開口２３ａの中央部で互いに向かい合わせになるよう配置されている。カンチレバー２５の各対は、各カンチレバー２５の伸張方向に対して横方向に並んで配置されている。各カンチレバー２５は、バックキャビティ２３で厚み方向に振動可能になっている。アクチュエータ１２は、各カンチレバー２５の表面に、圧電体薄膜２６を有している。なお、具体的な一例では、圧電体はPZTから成っている。また、支持体１１およびアクチュエータ１２は、Ｓｉ基板またはＳＯＩ基板上に一体的に形成されている。 The actuator 12 has a plurality of pairs of plate-like cantilevers 25 which are provided so as to substantially block the front side opening 23 a of the back cavity 23 . Each pair of cantilevers 25 is arranged such that the fixed ends 25a are fixed to the peripheral edge portions 23b of the opposed front side openings 23a, and the free ends 25b face each other at the central portions of the front side openings 23a. Each pair of cantilevers 25 is arranged side by side in the direction transverse to the extension direction of each cantilever 25 . Each cantilever 25 can vibrate in the thickness direction in the back cavity 23 . The actuator 12 has a piezoelectric thin film 26 on the surface of each cantilever 25 . In one specific example, the piezoelectric body is made of PZT. Also, the support 11 and the actuator 12 are integrally formed on the Si substrate or the SOI substrate.

振動板１３は、正方形の板状を成し、アクチュエータ１２の支持体１１とは反対側に、アクチュエータ１２との間に間隔をあけて、アクチュエータ１２に対向するよう配置されている。振動板１３は、バックキャビティ２３の前方側開口２３ａよりも大きい形状を成している。振動板１３は、中央に設けられた振動部１３ａと、振動部１３ａとの間に間隔をあけて振動部１３ａの周囲に設けられた固定部１３ｂと、振動部１３ａと固定部１３ｂとの間に設けられた可撓部１３ｃとを有している。振動部１３ａは、正方形状を成し、大きさがバックキャビティ２３の前方側開口２３ａよりもやや小さく形成されている。可撓部１３ｃは、振動部１３ａから固定部１３ｂにかけての断面形状が波状（コルゲーション）を成し、その波の山や谷が、振動部１３ａの周囲に沿って伸びるよう形成されている。振動板１３は、可撓部１３ｃにより、振動部１３ａが固定部１３ｂに対して厚み方向に容易に振動できるよう設けられている。 The vibration plate 13 has a square plate shape and is arranged on the opposite side of the actuator 12 from the support 11 with a gap therebetween so as to face the actuator 12 . The diaphragm 13 has a shape larger than the front opening 23 a of the back cavity 23 . The diaphragm 13 includes a vibrating portion 13a provided in the center, a fixed portion 13b provided around the vibrating portion 13a with a space between the vibrating portion 13a, and a portion between the vibrating portion 13a and the fixed portion 13b. and a flexible portion 13c. The vibrating portion 13 a has a square shape and is slightly smaller in size than the front opening 23 a of the back cavity 23 . The flexible portion 13c has a corrugated cross-sectional shape from the vibrating portion 13a to the fixed portion 13b, and the peaks and troughs of the corrugation extend along the periphery of the vibrating portion 13a. The vibrating plate 13 is provided so that the vibrating portion 13a can easily vibrate in the thickness direction with respect to the fixed portion 13b by the flexible portion 13c.

なお、具体的な一例では、振動部１３ａは、Ｓｉ層と、Ｓｉ層の表面を覆う、Ｓｉよりも柔らかい樹脂製の薄膜とから成っている。振動部１３ａは、樹脂製の薄膜がＳｉ層からはがれるのを防ぐよう、Ｓｉ層の表面に複数の固定用溝を有し、樹脂製の薄膜がその固定用溝に食い込んで固定されている。固定用溝は、入口が狭く、奥が広い断面を有しており、これによって樹脂製の薄膜が振動部１３ａに機械的に引っかかるようになっている。可撓部１３ｃは、樹脂製の薄膜のみから成り、自己支持されている。樹脂製の薄膜は、例えば、パリレンやポリイミド等である。なお、固定部１３ｂも、振動部１３ａと同様に、固定用溝を有するＳｉ層と、その固定用溝に食い込んで固定された樹脂製の薄膜とから成っていてもよい。 In a specific example, the vibrating portion 13a is composed of a Si layer and a resin thin film that covers the surface of the Si layer and is softer than Si. The vibrating portion 13a has a plurality of fixing grooves on the surface of the Si layer so as to prevent the resin thin film from peeling off from the Si layer, and the resin thin film is fixed by biting into the fixing grooves. The fixing groove has a cross section with a narrow entrance and a wide depth, so that the resin thin film is mechanically caught on the vibrating portion 13a. The flexible portion 13c is made of only a thin resin film and is self-supporting. The resin thin film is, for example, parylene or polyimide. Note that the fixed portion 13b may also be composed of a Si layer having a fixing groove and a resin thin film fixed by biting into the fixing groove, similarly to the vibrating portion 13a.

接続部１４は、支持体１１の前方側開口２３ａの周縁部２３ｂと固定部１３ｂとを接続している。接続部１４は、支持体１１の上面と振動板１３との間の空間の周囲を囲うよう設けられている。 The connection portion 14 connects the peripheral portion 23b of the front opening 23a of the support 11 and the fixing portion 13b. The connecting portion 14 is provided so as to surround the space between the upper surface of the support 11 and the diaphragm 13 .

連結部１５は、アクチュエータ１２と共に振動部１３ａが振動するよう、アクチュエータ１２の各カンチレバー２５の自由端２５ｂと振動部１３ａとを連結している。連結部１５は、接続部１４と同じ長さを有している。なお、具体的な一例では、振動板１３、接続部１４および連結部１５は、Ｓｉ基板またはＳＯＩ基板上に一体的に形成されている。 The connecting portion 15 connects the free end 25 b of each cantilever 25 of the actuator 12 and the vibrating portion 13 a so that the vibrating portion 13 a vibrates together with the actuator 12 . The connecting portion 15 has the same length as the connecting portion 14 . In a specific example, diaphragm 13, connecting portion 14 and connecting portion 15 are integrally formed on a Si substrate or an SOI substrate.

後方カバー１６は、アクチュエータ１２を保持する支持体１１に対して、振動板１３とは反対側に設けられ、バックキャビティ２３の後方側開口２３ｃを覆うよう設けられている。後方カバー１６は、バックキャビティ２３と外部とを連通する音響調整孔２４を有しており、音響調整孔２４の寸法や個数を調整することで、スピーカー１０の振動特性を調整するようになっている。また、必要に応じて、バックキャビティ２３に対向させて、後方カバーに凸部または凹部を設けることで、振動板１３の後方の体積を変化させ、スピーカー１０の音響性能を調整可能になっていてもよい。図１に示す具体的な一例では、音響調整孔２４は１つであるが、複数であってもよい。 The rear cover 16 is provided on the side opposite to the diaphragm 13 with respect to the support 11 holding the actuator 12 , and is provided so as to cover the rear side opening 23 c of the back cavity 23 . The rear cover 16 has an acoustic adjustment hole 24 that communicates the back cavity 23 with the outside. By adjusting the dimensions and number of the acoustic adjustment holes 24, the vibration characteristics of the speaker 10 can be adjusted. there is In addition, if necessary, by providing a convex portion or a concave portion in the rear cover facing the back cavity 23, the volume behind the diaphragm 13 can be changed, and the acoustic performance of the speaker 10 can be adjusted. good too. Although one sound adjustment hole 24 is provided in the specific example shown in FIG. 1, a plurality of sound adjustment holes may be provided.

スピーカー１０は、本発明の実施の形態のスピーカーの製造方法により、好適に製造することができる。具体的には、以下のようにして製造することができる。まず、図２に示すように、アクチュエータ１２と支持体１１とから成る構造を作製する。ＳＯＩウエハの両面に、SiO₂層３４（厚み 1μm）を成膜したものを用い（図２（ａ）参照）、デバイス層３１の側のSiO₂層３４の上に、順番に下部電極層（Bottom electrode）３５、PZT層３６（厚み 5μm）、上部電極層（Top electrode）３７を成膜する（図２（ｂ）参照）。具体的な一例では、ＳＯＩウエハは、Siのデバイス層３１（厚み 15μm）、SiO₂のBOX層３２（厚み 1μm）、Siの基板層３３（厚み 350μm）から成っている。また、下部電極層３５は、密着層としてのTi（厚み 20 nm）、Pt（厚み 200 nm）、PZT層の下地層としてのSRO（SrRuO₃；厚み 5 nm）から成り、上部電極層３７は、密着層としてのTi（厚み 20 nm）、Pt（厚み 150 nm）から成っている。 The speaker 10 can be suitably manufactured by the speaker manufacturing method of the embodiment of the present invention. Specifically, it can be manufactured as follows. First, as shown in FIG. 2, a structure consisting of an actuator 12 and a support 11 is produced. A SiO ₂ layer 34 (thickness 1 μm) was formed on both sides of an SOI wafer (see FIG. ₂ (a)), and a lower electrode layer ( Bottom electrode) 35, PZT layer 36 (thickness 5 μm), and top electrode layer (Top electrode) 37 are formed (see FIG. 2(b)). In a specific example, the SOI wafer consists of a Si device layer 31 (15 μm thick), a SiO ₂ BOX layer 32 (1 μm thick), and a Si substrate layer 33 (350 μm thick). The lower electrode layer 35 consists of Ti (thickness 20 nm) and Pt (thickness 200 nm) as an adhesion layer, and SRO (SrRuO ₃ ; thickness 5 nm) as an underlying layer of the PZT layer. , Ti (thickness 20 nm) and Pt (thickness 150 nm) as adhesion layers.

次に、上部電極層３７をイオンビームミリングでエッチングし、所定の形状にパターニングする（図２（ｃ）参照）。続いて、PZT層３６をＲＩＥ（反応性イオンエッチング）でドライエッチングし、所定の形状にパターニングする（図２（ｄ）参照）。このとき同時に、下部電極パッドを露出させる。具体的な一例では、PZT層３６のPZTは、スタンレー電気株式会社製のもの（最大絶縁破壊電圧：50 V）を用いている。次に、同じマスクパターンを用いて、イオンビームミリングで下部電極パッド以外の部分の下部電極層３５を、ＲＩＥでSiO₂層３４を、ＤＲＩＥ（深掘りＲＩＥ）でデバイス層３１をエッチングする（図２（ｅ）参照）。これにより、各カンチレバー２５を形成することができる。次に、基板層３３の側から、ＲＩＥで基板層３３の側のSiO₂層３４を、ＤＲＩＥで基板層３３を、ＲＩＥでBOX層３２をエッチングする（図２（ｆ）参照）。これにより、支持体１１のバックキャビティ２３が形成され、カンチレバー２５が可動状態になる。 Next, the upper electrode layer 37 is etched by ion beam milling and patterned into a predetermined shape (see FIG. 2(c)). Subsequently, the PZT layer 36 is dry-etched by RIE (reactive ion etching) and patterned into a predetermined shape (see FIG. 2(d)). At this time, the lower electrode pads are exposed at the same time. As a specific example, the PZT of the PZT layer 36 is made by Stanley Electric Co., Ltd. (maximum dielectric breakdown voltage: 50 V). Next, using the same mask pattern, the lower electrode layer 35 except for the lower electrode pad is etched by ion beam milling, the SiO ₂ layer 34 is etched by RIE, and the device layer 31 is etched by DRIE (deep RIE) (Fig. 2(e)). Thereby, each cantilever 25 can be formed. Next, from the substrate layer 33 side, the SiO ₂ layer 34 on the substrate layer 33 side is etched by RIE, the substrate layer 33 is etched by DRIE, and the BOX layer 32 is etched by RIE (see FIG. 2(f)). Thereby, the back cavity 23 of the support 11 is formed, and the cantilever 25 becomes movable.

次に、図３に示すように、振動板１３から接続部１４および連結部１５にかけての構造を作製する。基体としてＳＯＩウエハを用い（図３（ａ）参照）、デバイス層４１の中央部およびその周囲部を、ＲＩＥでエッチングして、それぞれ複数の固定用溝２７を形成する（図３（ｂ）参照）。このとき、各固定用溝２７を、開口部の幅よりも内部の幅の方が大きくなるよう形成する。次に、デバイス層４１の中央部と周囲部との間を、ＤＲＩＥでエッチングして、中央部の周囲に沿って複数の溝２８を形成する（図３（ｃ）参照）。具体的な一例では、ＳＯＩウエハは、Siのデバイス層４１（厚み 20μm）、SiO₂のBOX層４２（厚み 0.5μm）、Siの基板層４３（厚み 500μm）から成っている。また、各固定用溝２７は、内部の幅が10μm、深さが5μmである。各溝２８は、幅が100μmである。 Next, as shown in FIG. 3, the structure from the diaphragm 13 to the connecting portion 14 and the connecting portion 15 is produced. An SOI wafer is used as a substrate (see FIG. 3(a)), and a central portion and a peripheral portion of the device layer 41 are etched by RIE to form a plurality of fixing grooves 27 (see FIG. 3(b)). ). At this time, each fixing groove 27 is formed so that the inner width is larger than the width of the opening. Next, the portion between the central portion and the peripheral portion of the device layer 41 is etched by DRIE to form a plurality of grooves 28 along the circumference of the central portion (see FIG. 3(c)). In a specific example, the SOI wafer consists of a Si device layer 41 (20 μm thick), a SiO ₂ BOX layer 42 (0.5 μm thick), and a Si substrate layer 43 (500 μm thick). Each fixing groove 27 has an internal width of 10 μm and a depth of 5 μm. Each groove 28 is 100 μm wide.

次に、ＳＯＩウエハの基板層４３の裏面に、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）を材料としたＣＶＤにより、SiO₂層４４を堆積し、そのSiO₂層４４をＲＩＥでエッチングして、接続部１４および連結部１５に対応するマスクをパターニングする（図３（ｄ）参照）。さらに、図示はしていないが、振動部１３ａに対応するマスクをフォトレジストによって形成する。このマスクを用いて、基板層４３をＤＲＩＥで所定の深さ（100μm）にエッチングし、フォトレジストマスクを除去する（図３（ｅ）参照）。次に、密着度を上げるために、シランカップリング剤によりデバイス層４１の表面を処理した後、デバイス層４１の表面に樹脂製の薄膜２９を形成する（図３（ｆ）参照）。このとき、各固定用溝２７の内側および各溝２８の内側も覆うよう、薄膜２９を形成する。具体的な一例では、パレリンＣから成る薄膜２９を、10μmの厚みで形成した。なお、薄膜２９としてポリイミドを用いる場合には、スプレーコート法により形成することができる。 Next, a SiO 2 layer 44 is deposited on the back surface of the substrate layer 43 _{of the SOI wafer by CVD using TEOS (tetraethoxysilane) as a material, and the SiO 2 layer} 44 is etched by RIE to form the connection portion 14 and the connection portion 14 . A mask corresponding to the connecting portion 15 is patterned (see FIG. 3D). Furthermore, although not shown, a mask corresponding to the vibrating portion 13a is formed of photoresist. Using this mask, the substrate layer 43 is etched to a predetermined depth (100 μm) by DRIE, and the photoresist mask is removed (see FIG. 3(e)). Next, in order to increase the degree of adhesion, after the surface of the device layer 41 is treated with a silane coupling agent, a resin thin film 29 is formed on the surface of the device layer 41 (see FIG. 3(f)). At this time, the thin film 29 is formed so as to cover the inner side of each fixing groove 27 and the inner side of each groove 28 as well. In a specific example, a thin film 29 made of parerin C was formed with a thickness of 10 μm. When polyimide is used as the thin film 29, it can be formed by a spray coating method.

次に、基板層４３の裏側から、BOX層４２が露出するまで、基板層４３をＤＲＩＥでエッチングし（図３（ｇ）参照）、さらに各溝２８の底を覆った薄膜２９が露出するよう、BOX層４２をＲＩＥでエッチングし（図３（ｈ）参照）、さらに各溝２８の側面を覆った薄膜２９が露出するよう、各溝２８の間のデバイス層４１をＤＲＩＥでエッチングする（図３（ｉ）参照）。これにより、中央部のデバイス層４１およびBOX層４２から成る振動部１３ａ、中央部の基板層４３およびSiO₂層４４から成る連結部１５、周囲部のデバイス層４１およびBOX層４２から成る固定部１３ｂ、周囲部の基板層４３およびSiO₂層４４から成る接続部１４、中央部と周囲部との間の薄膜２９が露出した可撓部１３ｃを形成することができる。なお、このとき、接続部１４の外周の大きさが、支持体１１の前方側開口２３ａの周縁部２３ｂの外周の大きさ以下になっている。 Next, the substrate layer 43 is etched from the back side of the substrate layer 43 by DRIE until the BOX layer 42 is exposed (see FIG. 3(g)). , the BOX layer 42 is etched by RIE (see FIG. 3(h)), and the device layer 41 between the grooves 28 is etched by DRIE so that the thin film 29 covering the side surface of each groove 28 is exposed (FIG. 3(h)). 3(i)). As a result, the vibrating portion 13a comprising the central device layer 41 and the BOX layer 42, the connecting portion 15 comprising the central substrate layer 43 and the _SiO2 layer 44, and the fixing portion comprising the peripheral device layer 41 and the BOX layer 42 are formed. 13b, connecting portion 14 consisting of peripheral substrate layer 43 and SiO ₂ layer 44, and flexible portion 13c in which thin film 29 between the central portion and the peripheral portion is exposed. At this time, the size of the outer circumference of the connecting portion 14 is equal to or less than the size of the outer circumference of the peripheral edge portion 23b of the front side opening 23a of the support 11. As shown in FIG.

次に、図２で作製したアクチュエータ１２から支持体１１にかけての構造と、図３で作製した振動板１３から接続部１４および連結部１５にかけての構造とを組み合わせる。フリップチップボンダ装置を用い、そのステージの上に、図３で作製した振動板１３から接続部１４および連結部１５にかけての構造を、薄膜２９を下にし、接続部１４および連結部１５のSiO₂層４４を上にして固定し、SiO₂層４４の表面に接着剤を付ける。次に、図２で作製したアクチュエータ１２から支持体１１にかけての構造を、基板層４３の側のSiO₂層３４を上にし、アクチュエータ１２を下にして持ち上げる。次に、連結部１５をアクチュエータ１２の位置に、接続部１４を支持体１１の前方側開口２３ａの周縁部２３ｂの位置に合わせるよう位置調整を行った後、各構造を接着剤で接着する。具体的な一例では、接着剤は、エポキシ系の接着剤であるJBウェルドである。また、この接着剤を用いる場合には、各構造をくっつけた状態で、0.2Ｎの力を１時間かけた後、フリップチップボンダ装置から取り出して、室温で２４時間おくことにより、接着が完了する。 Next, the structure from the actuator 12 to the support 11 produced in FIG. 2 is combined with the structure from the vibration plate 13 to the connecting portion 14 and the coupling portion 15 produced in FIG. Using a flip chip bonder, the structure from the vibration plate 13 to the connecting portion 14 and the connecting portion 15 fabricated in _FIG. The layer 44 is fixed face up and the surface of the SiO ₂ layer 44 is glued. Next, the structure from the actuator 12 to the support 11 fabricated in FIG. 2 is lifted with the SiO ₂ layer 34 on the substrate layer 43 side facing up and the actuator 12 facing down. Next, positional adjustment is performed so that the connecting portion 15 is aligned with the position of the actuator 12, and the connecting portion 14 is aligned with the position of the peripheral portion 23b of the front side opening 23a of the support 11. Then, each structure is bonded with an adhesive. In one specific example, the adhesive is JB Weld, which is an epoxy adhesive. When this adhesive is used, after applying a force of 0.2 N for 1 hour while each structure is attached, the structure is taken out from the flip chip bonder and left at room temperature for 24 hours to complete the bonding. .

なお、上記の実施例では、図２で作製したアクチュエータ１２から支持体１１にかけての構造と、図３で作製した振動板１３から接続部１４および連結部１５にかけての構造を、１デバイス単位でＳＯＩ基板から切り出し、フリップチップボンダ装置を用いて接合しているが、複数の構造が形成された２対のＳＯＩ基板を接合して、複数のデバイスの組立てを一括して行ってもよい。この場合、フリップチップボンダ装置の代わりにウエハボンダ装置を用いる。また、２対のＳＯＩ基板を接合後、個別のデバイスに切り分ける。 In the above embodiment, the structure from the actuator 12 to the support 11 fabricated in FIG. 2 and the structure from the vibration plate 13 to the connecting portion 14 and the coupling portion 15 fabricated in FIG. Although the substrates are cut out and bonded using a flip-chip bonder, it is also possible to bond two pairs of SOI substrates on which a plurality of structures are formed and assemble a plurality of devices at once. In this case, a wafer bonder is used instead of the flip chip bonder. Also, after bonding two pairs of SOI substrates, they are cut into individual devices.

次に、接着した構造を、振動板１３を上にして、プリント基板の穴の上に載せ、上部電極層３７および下部電極層３５を、ワイヤ・ボンディングによりＡｌワイヤでプリント基板に電気的に接続する。次に、支持体１１の後方側開口２３ｃを覆うよう、音響調整孔２４が形成されたプラスチック板を、プリント基板の反対側から取り付ける。こうして、スピーカー１０を製造することができる。なお、ここでは、プリント基板およびプラスチック板が、後部カバー１６を成している。また、複数の音響調整孔２４を比較実験できるようにプラスチック板を用いたが、音響調整孔２４の寸法と個数が決まれば、それを予めプリント基板またはそれに代わる基板、例えば、Ｓｉ基板、ガラス基板、セラミック基板に形成しておいてもよい。音響調整孔２４は、例えば、機械加工、ドライエッチングまたはレーザー加工により形成される。 The bonded structure is then placed over the holes in the printed circuit board with the diaphragm 13 facing up, and the upper electrode layer 37 and the lower electrode layer 35 are electrically connected to the printed circuit board with Al wires by wire bonding. do. Next, a plastic plate in which the sound adjustment holes 24 are formed is attached from the opposite side of the printed circuit board so as to cover the rear opening 23c of the support 11. As shown in FIG. Thus, the speaker 10 can be manufactured. Note that the printed circuit board and the plastic plate form the rear cover 16 here. Also, a plastic plate is used so that a plurality of sound adjustment holes 24 can be compared and tested, but once the dimensions and number of the sound adjustment holes 24 are determined, it is prepared in advance on a printed circuit board or an alternative substrate such as a Si substrate or a glass substrate. , may be formed on a ceramic substrate. The acoustic adjustment holes 24 are formed by machining, dry etching, or laser processing, for example.

スピーカー１０は、アクチュエータ１２を振動させることにより、連結部１５を介して振動板１３の振動部１３ａが振動し、音を発生することができる。スピーカー１０は、アクチュエータ１２が支持体１１の前方側開口２３ａを完全には覆っていないが、振動板１３がその上を完全に覆っているため、振動板１３の側での空気の漏れを防ぐことができ、音圧の低下を抑えることができる。また、スピーカー１０は、ＳＯＩ基板を用いて、半導体・ＭＥＭＳ加工技術によって小型に製造されており、しかも大量生産によって製造コストを低減することができる。なお、ＳＯＩ基板の代わりにＳｉ基板を用いてもよい。 By vibrating the actuator 12, the speaker 10 vibrates the vibrating portion 13a of the diaphragm 13 via the connecting portion 15, and can generate sound. In the speaker 10, the actuator 12 does not completely cover the front opening 23a of the support 11, but the diaphragm 13 completely covers it, preventing air leakage on the diaphragm 13 side. It is possible to suppress the decrease in sound pressure. In addition, the speaker 10 is manufactured in a small size by using an SOI substrate and semiconductor/MEMS processing technology, and mass production can reduce the manufacturing cost. A Si substrate may be used instead of the SOI substrate.

スピーカー１０は、音響調整孔２４を有しているため、振動板１３が振動する際に、バックキャビティ２３に対して、音響調整孔２４を通って空気が出入りする。このとき、音響調整孔２４の管路抵抗が振動板１３の振動のダンピングに影響を与えるため、音響調整孔２４の長さや径の大きさ、個数を調整することにより、振動板１３の振動のダンピングを調整することができる。 Since the speaker 10 has the sound adjustment hole 24 , air enters and exits the back cavity 23 through the sound adjustment hole 24 when the diaphragm 13 vibrates. At this time, since the pipeline resistance of the acoustic adjustment holes 24 affects the damping of the vibration of the diaphragm 13, the vibration of the diaphragm 13 can be reduced by adjusting the length, diameter, and number of the acoustic adjustment holes 24. Damping can be adjusted.

スピーカー１０は、振動部１３ａのＳｉ層を覆う樹脂製の薄膜２９が、内部損失が大きく、振動板１３およびアクチュエータ１２の振動を減衰させることができるため、平らな周波数特性が得られ、幅広い音域を実現することができる。また、スピーカー１０は、振動板１３の振動部１３ａおよび固定部１３ｂで、Ｓｉ層に形成された各固定用溝２７の内側を覆うよう薄膜２９が形成されているため、薄膜２９を各固定用溝２７でＳｉ層に食い込ませて固定することができる。また、各固定用溝２７が、開口部の幅よりも内部の幅の方が大きくなるよう形成されており、各固定用溝２７の内側を覆った薄膜２９が、開口部で引っかかるため、薄膜２９がＳｉ層から外れにくく、薄膜２９をより強固にＳｉ層に固定することができる。 In the speaker 10, the resin thin film 29 covering the Si layer of the vibrating part 13a has a large internal loss and can damp the vibration of the diaphragm 13 and the actuator 12, so that a flat frequency characteristic can be obtained and a wide sound range can be obtained. can be realized. Further, in the speaker 10, the thin film 29 is formed so as to cover the inside of each fixing groove 27 formed in the Si layer at the vibrating portion 13a and the fixing portion 13b of the diaphragm 13. The groove 27 can be made to bite into the Si layer and fixed. In addition, each fixing groove 27 is formed so that the inner width is larger than the width of the opening, and the thin film 29 covering the inner side of each fixing groove 27 is caught by the opening. 29 is less likely to come off the Si layer, and the thin film 29 can be more firmly fixed to the Si layer.

スピーカー１０は、主に可聴域の音波を発生することでき、例えば、イヤホンやヘッドホンに使用することができる。また、スピーカー１０は、その各部の寸法を変更することによって、主に超音波を発生することもでき、例えば、指向性スピーカー、障害物センサー、レンジファインダーなどに使用することもできる。 The speaker 10 can mainly generate sound waves in the audible range, and can be used for earphones and headphones, for example. In addition, the speaker 10 can mainly generate ultrasonic waves by changing the dimensions of each part, and can be used as a directional speaker, an obstacle sensor, a range finder, etc., for example.

［スピーカー１０の製造］
本発明の実施の形態のスピーカーの製造方法により実際に製造したスピーカー１０の、アクチュエータ１２および振動板１３を、図４に示す。図４（ａ）に示すように、アクチュエータ１２は、３対のカンチレバー２５と、各カンチレバー２５の表面に設けられたPZTから成る圧電体薄膜２６と、２つの板バネ２５ｃとを有している。各板バネ２５ｃは、隣り合う各対のカンチレバー２５の自由端２５ｂ、すなわち隣り合う４つのカンチレバー２５の自由端２５ｂの間に設けられ、それぞれ周りの４つのカンチレバー２５の自由端２５ｂが接続されている。また、アクチュエータ１２は、下部電極３５と上部電極３７とを有している。アクチュエータ１２は、正方形であり、周囲が7 mm×7 mmであり、３対のカンチレバー２５の外形（振動する範囲）が4 mm×4 mmである。 [Manufacture of speaker 10]
FIG. 4 shows actuator 12 and diaphragm 13 of speaker 10 actually manufactured by the speaker manufacturing method of the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4A, the actuator 12 has three pairs of cantilevers 25, a piezoelectric thin film 26 made of PZT provided on the surface of each cantilever 25, and two leaf springs 25c. . Each leaf spring 25c is provided between the free ends 25b of each pair of adjacent cantilevers 25, that is, between the free ends 25b of four adjacent cantilevers 25, and the free ends 25b of the four surrounding cantilevers 25 are connected to each other. there is The actuator 12 also has a lower electrode 35 and an upper electrode 37 . The actuator 12 has a square shape with a circumference of 7 mm×7 mm, and the external dimensions (oscillating range) of the three pairs of cantilevers 25 are 4 mm×4 mm.

図４（ｂ）に示すように、振動板１３は、正方形であり、アクチュエータ１２とは反対側の表面全体が薄膜２９のパレリンで覆われており、空気漏れを防ぐようになっている。振動板１３は、固定部１３ｂの外形が5 mm×5 mmであり、振動部１３ａの大きさが3 mm×3 mmである。図４（ｃ）に示すように、振動板１３は、アクチュエータ１２の側の表面の、固定部１３ｂおよび振動部１３ａにＳｉ層が設けられており、可撓部１３ｃは、薄膜２９のパレリンのみから成っている。 As shown in FIG. 4(b), the diaphragm 13 is square, and the entire surface opposite to the actuator 12 is covered with a thin film 29 of parelin to prevent air leakage. The vibration plate 13 has a fixing portion 13b with an outer shape of 5 mm×5 mm and a vibrating portion 13a with a size of 3 mm×3 mm. As shown in FIG. 4(c), the diaphragm 13 has a Si layer on the fixed portion 13b and the vibrating portion 13a on the surface on the side of the actuator 12, and the flexible portion 13c is composed only of the thin film 29 of parelin. consists of

図４（ａ）および（ｃ）に示すように、スピーカー１０は、２本の連結部１５（図４（ｃ）中の連結位置１３ｄ）を有し、各連結部１５が、それぞれアクチュエータ１２の各板バネ２５ｃと振動部１３ａとを連結するよう、互いに間隔をあけて配置されている。板バネ２５ｃを介することにより、各カンチレバー２５から振動部１３ａに対して、振動部１３ａの厚み方向のピストン型振動を伝達することができる。 As shown in FIGS. 4(a) and 4(c), the speaker 10 has two connecting portions 15 (connecting position 13d in FIG. 4(c)), and each connecting portion 15 connects the actuator 12 to the The plate springs 25c and the vibrating portion 13a are spaced apart from each other so as to connect the plate springs 25c and the vibrating portion 13a. Through the leaf spring 25c, the piston-type vibration in the thickness direction of the vibrating portion 13a can be transmitted from each cantilever 25 to the vibrating portion 13a.

また、スピーカー１０は、支持体１１のバックキャビティ２３の前方側開口２３ａの大きさが4 mm×4 mmで、バックキャビティ２３の深さが0.35 mmである。また、各カンチレバー２５から振動板１３までの距離が0.5 mmである。また、音響調整孔２４の直径が1 mm、長さが2 mmである。 Further, in the speaker 10, the size of the front side opening 23a of the back cavity 23 of the support 11 is 4 mm×4 mm, and the depth of the back cavity 23 is 0.35 mm. Also, the distance from each cantilever 25 to the diaphragm 13 is 0.5 mm. Also, the acoustic adjustment hole 24 has a diameter of 1 mm and a length of 2 mm.

［シミュレーション解析］
図４に示すスピーカー１０をモデルにして、解析シミュレーションソフト「Femtet（登録商標；ムラタソフトウェア株式会社製）」を用いて、静的解析および共振解析を行った。解析では、各カンチレバー２５を構成するＳｉのデバイス層４１の厚みを15μmとし、10 Vの電圧を加えた。その結果、静的解析では、振動部１３ａの中心での変位は、12.8μmであった。また、共振解析では、全部で８つの共振モードが得られ、最低共振周波数f₀が3094 Hzであった。 [Simulation analysis]
Using the speaker 10 shown in FIG. 4 as a model, static analysis and resonance analysis were performed using analysis simulation software "Femtet (registered trademark; manufactured by Murata Software Co., Ltd.)". In the analysis, the thickness of the Si device layer 41 constituting each cantilever 25 was set to 15 μm, and a voltage of 10 V was applied. As a result, static analysis showed that the displacement at the center of the vibrating portion 13a was 12.8 μm. Also, in the resonance analysis, a total of 8 resonance modes were obtained, and the lowest resonance frequency f ₀ was 3094 Hz.

［周波数特性の測定］
図４に示すスピーカー１０を用いて、振動変位の周波数特性を測定した。振動の測定にはレーザードップラー速度計を用い、測定した速度値を変位に変換した。測定では、1 Vpp（オフセット 0.5 V）の電圧をかけ、測定周波数の範囲を可聴域の20 Hz～20 kHzとした。測定結果を、図５に示す。図５に示すように、最低共振周波数f₀は4.2 kHzであり、そのときの変位（Displacement）は9.2μmであった。 [Measurement of frequency characteristics]
Using the speaker 10 shown in FIG. 4, the frequency characteristics of vibration displacement were measured. A laser Doppler velocimeter was used to measure vibration, and the measured velocity was converted to displacement. In the measurement, a voltage of 1 Vpp (offset 0.5 V) was applied, and the measurement frequency range was audible range of 20 Hz to 20 kHz. The measurement results are shown in FIG. As shown in FIG. 5, the lowest resonance frequency f ₀ was 4.2 kHz, and the displacement at that time was 9.2 μm.

［音響測定］
図４に示すスピーカー１０を用いて、音響測定を行った。図６に示すように、測定では、無響室５１の内部に、カプラ５２（DB 2012；ブリュエル・ケアー社製）付きイヤーシミュレータマイク５３（タイプ 4195；ブリュエル・ケアー社製）を設置し、振動板１３をマイク５３に向けて、スピーカー１０をカプラ５２の上に固定した。スピーカー１０は、後方カバー１６のプリント基板の位置で、粘土５４で密封した。また、無響室５１の外に配置されたオーディオアナライザ５５（APx555；オーディオプレシジョン社製）を、スピーカー１０およびマイク５３に接続した。また、オーディオアナライザ５５には、測定結果を表示するために、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）５６を接続した。 [Acoustic measurement]
Acoustic measurements were performed using the speaker 10 shown in FIG. As shown in Fig. 6, in the measurement, an ear simulator microphone 53 (type 4195; manufactured by Brüel & Kjær) with a coupler 52 (DB 2012; manufactured by Brüel & Kjær) was installed inside an anechoic chamber 51, and vibration The speaker 10 was fixed on the coupler 52 with the plate 13 facing the microphone 53 . The speaker 10 was sealed with clay 54 at the printed circuit board location on the rear cover 16 . An audio analyzer 55 (APx555; manufactured by Audio Precision Co., Ltd.) placed outside the anechoic chamber 51 was connected to the speaker 10 and the microphone 53 . A personal computer (PC) 56 was connected to the audio analyzer 55 to display the measurement results.

測定では、オーディオアナライザ５５により、交流電圧およびバイアスのための直流電圧をスピーカー１０に印加して音を発生させ、マイク５３で受け取った音圧信号を、オーディオアナライザ５５に送った。さらに、得られた音圧信号から、オーディオアナライザ５５でＳＰＬ（Sound Pressure Level；音圧レベル）およびＴＨＤ（Total Harmonic Distortion；全高調波歪）を計算し、その計算結果をパーソナルコンピュータ５６のモニタに出力した。なお、ＳＰＬは、音の大きさを表し、測定される振動の変位速度が大きいほど、値が大きくなる。また、ＴＨＤは、発生する音の歪の程度を表し、駆動周波数の音波に比べて二次、三次などの高調波、およびノイズがどれだけ発生しているのかを示すものであり、値が小さいほど歪が小さいことを表している。 In the measurement, an AC voltage and a DC voltage for biasing were applied to the speaker 10 by the audio analyzer 55 to generate sound, and a sound pressure signal received by the microphone 53 was sent to the audio analyzer 55 . Furthermore, from the obtained sound pressure signal, the audio analyzer 55 calculates SPL (Sound Pressure Level) and THD (Total Harmonic Distortion), and displays the calculation results on the monitor of the personal computer 56. output. The SPL represents the loudness of sound, and the value increases as the displacement velocity of the measured vibration increases. THD indicates the degree of distortion of the generated sound, and indicates how much secondary, tertiary, etc. harmonics and noise are generated compared to the sound wave of the drive frequency, and the value is small. The smaller the distortion, the smaller the value.

音響測定では、2 Vpp（オフセット 1 V）、5 Vpp（オフセット 2.5 V）、10 Vpp（オフセット 5 V）、15 Vpp（オフセット 7.5 V）の４パターンの電圧を印加した。また、測定周波数の範囲を、可聴域の20 Hz～20 kHzとした。各パターンでの音響測定結果を、図７（ａ）および（ｂ）に示す。 In the acoustic measurement, voltages of four patterns of 2 Vpp (offset 1 V), 5 Vpp (offset 2.5 V), 10 Vpp (offset 5 V), and 15 Vpp (offset 7.5 V) were applied. In addition, the measurement frequency range was set to 20 Hz to 20 kHz, which is the audible range. Acoustic measurement results for each pattern are shown in FIGS. 7(a) and 7(b).

図７（ａ）に示すように、ＳＰＬは、印加電圧が大きくなるほど、値が大きくなっていることが確認された。例えば、15 Vppを印加したとき、6.1 kHzで最大値123.3 dBが得られ、可聴域の20 Hz～20 kHzの範囲では、70 dB以上になることが確認された。また、2 Vppを印加したとき、5.7 kHzで最大値103.3 dBが得られ、50 Hz～20 kHzの範囲では、60 dB以上になることが確認された。また、いずれの印加電圧でも、概ね200 Hz～2 kHzの範囲で、ＳＰＬの値がほぼ一定になっていることが確認された。これらの結果から、スピーカー１０は、MEMSスピーカーとしては、大きい音圧が得られているといえる。なお、4.2 kHzの最低共振周波数f₀および、その整数倍の周波数の付近で、ＳＰＬの値がピークを有していることも確認された。 As shown in FIG. 7A, it was confirmed that the SPL value increased as the applied voltage increased. For example, when 15 Vpp was applied, a maximum value of 123.3 dB was obtained at 6.1 kHz, and it was confirmed to be 70 dB or more in the audible range of 20 Hz to 20 kHz. Also, when 2 Vpp was applied, the maximum value of 103.3 dB was obtained at 5.7 kHz, and it was confirmed to be 60 dB or more in the range of 50 Hz to 20 kHz. Moreover, it was confirmed that the SPL value was almost constant in the range of approximately 200 Hz to 2 kHz at any applied voltage. From these results, it can be said that the speaker 10 can obtain a large sound pressure as a MEMS speaker. It was also confirmed that the SPL value has peaks near the lowest resonance frequency f ₀ of 4.2 kHz and its integer multiples.

図７（ｂ）に示すように、ＴＨＤ＋Ｎ（ノイズ）は、印加電圧が小さいほど、値が小さくなる傾向があることが確認された。また、いずれの印加電圧でも、40 Hz～1.4 kHzの範囲で、ＴＨＤの値が概ね10％以下になることが確認された。また、例えば、2 Vppおよび5 Vppを印加したとき、100 Hz～13 kHzの範囲のほとんどで、5％以下になることが確認された。また、2 Vppを印加したとき、100 Hz～14 kHzの範囲で、10％以下になることが確認された。これらの結果から、スピーカー１０は、幅広い音域で低歪な音質を実現可能であるといえる。なお、4.2 kHzの最低共振周波数f₀の半分の周波数f₀/2の付近で、ＴＨＤの値がピークを有していることも確認されたが、これはf₀/2付近でスピーカーを駆動したとき、その２倍の高調波が共振周波数f₀付近に発生したためである。 As shown in FIG. 7B, it was confirmed that THD+N (noise) tends to decrease as the applied voltage decreases. Moreover, it was confirmed that the THD value was approximately 10% or less in the range of 40 Hz to 1.4 kHz at any applied voltage. Also, it was confirmed that, for example, when 2 Vpp and 5 Vpp were applied, it was 5% or less in most of the range from 100 Hz to 13 kHz. In addition, when 2 Vpp was applied, it was confirmed that it became 10% or less in the range of 100 Hz to 14 kHz. From these results, it can be said that the speaker 10 can realize low-distortion sound quality in a wide sound range. It was also confirmed that the THD value has a peak near f ₀ /2, which is half the lowest resonance frequency _{f 0} of 4.2 kHz. This is because a harmonic twice as large as that was generated near the resonance frequency _f0 .

１０ スピーカー
１１ 支持体
２３ バックキャビティ
２３ａ 前方側開口
２３ｂ 周縁部
２３ｃ 後方側開口
１２ アクチュエータ
２５ カンチレバー
２５ａ 固定端
２５ｂ 自由端
２５ｃ 板バネ
２６ 圧電体薄膜
１３ 振動板
１３ａ 振動部
１３ｂ 固定部
１３ｃ 可撓部
１３ｄ 連結位置
２７ 固定用溝
２８ 溝
２９ （樹脂製の）薄膜
１４ 接続部
１５ 連結部
１６ 後方カバー
２４ 音響調整孔

３１、４１ デバイス層
３２、４２ BOX層
３３、４３ 基板層
３４、４４ SiO₂層
３５ 下部電極層（下部電極）
３６ PZT層
３７ 上部電極層（上部電極）

５１ 無響室
５２ カプラ
５３ （イヤーシミュレータ）マイク
５４ 粘土
５５ オーディオアナライザ
５６ パーソナルコンピュータ


REFERENCE SIGNS LIST 10 Speaker 11 Support 23 Back cavity 23a Front opening 23b Peripheral edge 23c Rear opening 12 Actuator 25 Cantilever 25a Fixed end 25b Free end 25c Leaf spring 26 Piezoelectric thin film 13 Diaphragm 13a Vibrating portion 13b Fixed portion 13c Flexible portion 13d Connection position 27 Fixing groove 28 Groove 29 Thin film (made of resin) 14 Connection part 15 Connection part 16 Rear cover 24 Sound adjustment hole

31, 41 device layer 32, 42 BOX layer 33, 43 substrate layer 34, 44 SiO ₂ layer 35 lower electrode layer (lower electrode)
36 PZT layer 37 Upper electrode layer (upper electrode)

51 anechoic chamber 52 coupler 53 (ear simulator) microphone 54 clay 55 audio analyzer 56 personal computer

Claims (12)

少なくとも一方の表面に開口が形成されたバックキャビティを有する支持体と、
板状を成し、前記開口を覆うよう前記開口の周縁部に固定され、前記バックキャビティで厚み方向に振動可能に設けられたアクチュエータと、
板状を成し、前記アクチュエータに対向するよう配置され、中央に設けられた振動部と、前記振動部との間に間隔をあけて前記振動部の周囲に設けられた固定部と、前記振動部が前記固定部に対して厚み方向に振動可能に、前記振動部と前記固定部との間に設けられた可撓部とを有する振動板と、
前記支持体と前記振動板との間の空間の周囲を囲うよう、前記固定部と前記支持体の前記開口の周縁部とを接続した接続部と、
前記アクチュエータと共に前記振動部が振動するよう、前記アクチュエータと前記振動部とを連結した連結部とを有し、
前記支持体の前記開口の周縁部から前記振動板までの前記バックキャビティを覆う部分が閉塞されており、
前記アクチュエータが圧電体を有することを
特徴とするスピーカー。 a support having a back cavity with an opening formed in at least one surface;
an actuator having a plate shape, fixed to the periphery of the opening so as to cover the opening, and provided to vibrate in the thickness direction in the back cavity;
A vibrating portion having a plate shape and arranged to face the actuator and provided in the center; a fixing portion provided around the vibrating portion with a space between the vibrating portion; a diaphragm having a flexible portion provided between the vibrating portion and the fixed portion so that the portion can vibrate in the thickness direction with respect to the fixed portion;
a connecting portion connecting the fixing portion and the peripheral portion of the opening of the support so as to surround the space between the support and the diaphragm;
a connecting portion connecting the actuator and the vibrating portion such that the vibrating portion vibrates together with the actuator;
A portion covering the back cavity from the peripheral edge of the opening of the support to the diaphragm is closed,
A speaker, wherein the actuator has a piezoelectric body. 前記支持体と前記接続部とがＳｉから成ることを特徴とする請求項１記載のスピーカー。 2. The speaker according to claim 1, wherein said support and said connecting portion are made of Si. 前記接続部の外周の大きさが、前記支持体の前記開口の周縁部の外周の大きさ以下であることを特徴とする請求項１または２記載のスピーカー。 3. The speaker according to claim 1, wherein the size of the outer periphery of said connecting portion is equal to or less than the size of the outer periphery of the peripheral portion of said opening of said support. 前記振動板は、前記振動部がＳｉ層を有し、前記可撓部が樹脂製の薄膜から成ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のスピーカー。 4. The speaker according to claim 1, wherein the vibrating portion of the diaphragm has a Si layer, and the flexible portion is made of a resin thin film. 前記振動板は、前記薄膜が前記振動部の一方の表面を覆っていることを特徴とする請求項４記載のスピーカー。 5. The speaker according to claim 4, wherein said diaphragm covers one surface of said vibrating portion with said thin film. 前記振動部は、前記一方の表面に形成された１または複数の固定用溝を有し、
前記薄膜は、前記固定用溝に食い込んで前記振動部の前記一方の表面に固定されていることを
特徴とする請求項５記載のスピーカー。 The vibrating portion has one or more fixing grooves formed on the one surface,
6. The speaker according to claim 5, wherein the thin film bites into the fixing groove and is fixed to the one surface of the vibrating portion. 前記アクチュエータは、固定端が前記開口の周縁部に固定され、自由端が前記開口の中央部で互いに向かい合わせに配置された１対または複数対のカンチレバーを有しており、
前記連結部は、Ｓｉから成り、前記カンチレバーの自由端と前記振動部とを連結していることを
特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のスピーカー。 The actuator has a pair or a plurality of pairs of cantilevers whose fixed ends are fixed to the periphery of the opening and whose free ends are arranged facing each other at the center of the opening,
The speaker according to any one of claims 1 to 6, wherein the connecting portion is made of Si and connects the free end of the cantilever and the vibrating portion. 後方カバーを有し、
前記バックキャビティは、前記支持体の他方の表面に後方側開口を有し、
前記後方カバーは、前記後方側開口を覆うよう設けられ、前記バックキャビティと外部とを連通する１または複数の音響調整孔を有していることを
特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のスピーカー。 having a rear cover,
the back cavity has a rear opening on the other surface of the support;
8. The rear cover is provided to cover the rear side opening, and has one or a plurality of sound adjustment holes communicating between the back cavity and the outside. Speakers as described in section. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載のスピーカーを製造するためのスピーカーの製造方法であって、
前記アクチュエータと前記支持体とを、Ｓｉ基板またはＳＯＩ基板から成る第１の基板上に形成し、
前記振動板と前記接続部とを、Ｓｉ基板またはＳＯＩ基板から成る第２の基板上に形成した後、
前記第１の基板と前記第２の基板とを接合することを
特徴とするスピーカーの製造方法。 A speaker manufacturing method for manufacturing the speaker according to any one of claims 1 to 8,
forming the actuator and the support on a first substrate made of a Si substrate or an SOI substrate;
After forming the diaphragm and the connecting portion on a second substrate made of a Si substrate or an SOI substrate,
A method of manufacturing a speaker, comprising bonding the first substrate and the second substrate. 前記振動板を形成するとき、前記第２の基板の一方の表面の、中央部および周囲部との間の前記可撓部に対応する位置に溝を形成した後、前記溝の上に樹脂製の薄膜を形成し、
前記薄膜が自己支持されるよう、前記第２の基板の他方の表面から、少なくとも前記中央部と前記周囲部との間に対応する前記第２の基板の部分を除去することにより、コルゲーションから成る前記可撓部を形成することを
特徴とする請求項９記載のスピーカーの製造方法。 When forming the diaphragm, after forming a groove on one surface of the second substrate at a position corresponding to the flexible portion between the central portion and the peripheral portion, a resin-made diaphragm is formed on the groove. to form a thin film of
corrugating by removing from the other surface of the second substrate at least a portion of the second substrate corresponding between the central portion and the peripheral portion such that the thin film is self-supporting; 10. The method of manufacturing a speaker according to claim 9, wherein the flexible portion is formed. 前記薄膜を、蒸着、化学的気相堆積法、スプレーコート法、またはスピンコート法により形成することを特徴とする請求項１０記載のスピーカーの製造方法。 11. The method of manufacturing a speaker according to claim 10, wherein the thin film is formed by vapor deposition, chemical vapor deposition, spray coating, or spin coating. 請求項８記載のスピーカーを製造するためのスピーカーの製造方法であって、
ドライエッチングまたはレーザー加工により、前記後方カバーに前記音響調整孔を形成することを
特徴とする請求項９乃至１１のいずれか１項に記載のスピーカーの製造方法。 A speaker manufacturing method for manufacturing the speaker according to claim 8,
12. The method of manufacturing a speaker according to claim 9, wherein the acoustic adjustment hole is formed in the rear cover by dry etching or laser processing.

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