TWI627866B - 揚聲器裝置及揚聲器裝置之製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明之陣列揚聲器裝置(1A)中，於具有均等厚度之基板上，依序積層分別具有均等厚度之基材層(11)、第1電極層(12)、壓電元件層(13)及第2電極層(14)而構成之振動子(20)排列於基板之一面。於基板，在與振動子(20)對應之位置設置有孔，該孔將藉由經由第1電極層(12)、第2電極層(14)被施加電壓訊號之振動子(20)之振動而產生之音波輸出於基板之厚度方向。於孔之內周壁形成有於基板之厚度方向重複凹凸之扇形凹口(S)。

Description

揚聲器裝置及揚聲器裝置之製造方法
本發明係關於一種揚聲器裝置及揚聲器裝置之製造方法。
以往已揭示一種排列有壓電振動子之揚聲器裝置，該壓電振動子輻射藉由振動而產生之音波(例如參照專利文獻1)。根據該揚聲器裝置，以使自基板之高度或方向儘量一致之方式將複數個壓電振動子以儘量壓抵於支承構件之狀態黏結安裝於基板。由此，可減少自各壓電振動子輻射之音波之方向之不均及相位偏移而提高指向性。
[先行技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2013-157740號公報
於如上述般之揚聲器裝置中，各壓電振動子自基板之高度或方向之均勻性取決於壓電振動子之壓抵程度。然而，由於壓抵程度存在不均，因此難以於微米級使壓電振動子之形狀及大小或方向均勻而提高指向 性。
本發明係鑒於上述實際情況而完成者，其目的在於提供一種可實現更高之指向性之揚聲器裝置及揚聲器裝置之製造方法。
為了達成上述目的，本發明之第1形態之陣列揚聲器裝置具備：基板，其具有均等厚度；及振動子，其係由分別具有均等厚度之基材層、第1電極層、壓電元件層及第2電極層依序積層而構成，且排列於上述基板之一面；於上述基板之另一面，在與上述振動子對應之位置設置有孔，該孔將藉由經由上述第1電極層、上述第2電極層被施加電壓訊號之上述振動子之振動而產生之音波輸出於上述基板之厚度方向，於上述孔之內周壁形成有於上述基板之厚度方向重複凹凸之扇形凹口。
該情況下，亦可為，上述陣列揚聲器裝置具備：共振子，其與上述振動子之振動共振而使輸出於上述基板之厚度方向之音波接近於與上述基板平行之平面；及安裝部，其設置於上述孔之中心，且供安裝上述共振子；於上述安裝部之外周壁形成有與形成於上述孔之內周壁之扇形凹口對向之扇形凹口。
亦可為如下，即，上述孔及上述安裝部均為圓柱狀，上述安裝部係與上述孔配置為同心狀，上述共振子為朝向上述振動子而前端變細之圓錐狀之形狀，且與上述 孔及上述安裝部配置為同心。
亦可為上述第2電極層為圓形狀，且與上述孔、上述安裝部及上述共振子配置為同心。
亦可為如下，即，上述振動子具備複數個，且上述孔設置於與上述複數個振動子之各者對應之位置。
亦可為上述振動子排列於上述基板上之正方形狀格子之交點。
亦可為於以1個振動子為中心之圓之圓周上均等配置有周圍之振動子。
亦可為以相互鄰接之3個振動子位於上述基板上之正三角形之頂點之方式排列上述振動子。
於遍鋪複數個上述基板之情況下，亦可為如下，即，於與鄰接之其他基板之外緣相接之外緣，設置有與上述其他基板之凹凸之外緣嚙合之凹凸，且以橫跨上述基板間而鄰接之3個振動子位於與上述正三角形全等之正三角形之頂點之方式，於上述外緣之凸部分設置有上述振動子。
亦可為上述陣列揚聲器裝置具備：第1外部端子，其係上述第1電極層之外部端子；配線圖案，其以將構成排列於上述基板之一面之上述振動子之上述第2電極層電性連接之方式形成於上述基板上；及第2外部端子，其係上述配線圖案之外部端子；上述第1外部端子， 於遍鋪複數個上述基板之情況下，設置於與設置於鄰接之其他基板之第1外部端子對向之上述基板上之位置，上述第2外部端子，於遍鋪複數個上述基板之情況下，設置於與設置於鄰接之其他基板之第2外部端子對向之上述基板上之位置。
亦可為上述陣列揚聲器裝置以於上述基板之一面露出之上述壓電元件層之一部分固定於固定對象。
亦可為上述陣列揚聲器裝置以配置於避開上述第2電極層而形成之二維格子之交點之圓形狀或矩形狀之部分固定於上述固定對象。
亦可為上述陣列揚聲器裝置以避開上述第2電極層而形成之部分整體固定於上述固定對象。
亦可為上述陣列揚聲器裝置以避開上述第2電極層而形成之二維格子狀之部分固定於上述固定對象。
本發明之第2形態之陣列揚聲器裝置之製造方法包含：於作為SOI(Silicon On Insulator)基板之活性層之基材層上成膜第1電極層之步驟；於上述第1電極層之上成膜壓電元件層之步驟；於上述壓電元件層之上成膜上述第2電極層之步驟；將由上述基材層、上述第1電極層、上述壓電元件層及上述第2電極層構成之振動子藉由蝕刻而形成於上述基板之一面之步驟；及翻轉上述基板，藉由相對上述基板之另一面之深挖蝕刻而於與上述振動子對應之位置形成孔，該孔將藉由經由上述第1電極層、上述第2電極 層被施加電壓訊號之上述壓電元件層之振動而產生之音波輸出於上述基板之厚度方向之步驟。
根據本發明，使用半導體製造技術於基板上形成振動子、及將藉由振動子之振動而產生之音波輸出於基板之厚度方向之孔。由此，可提高由振動子及孔構成之揚聲器之形狀、大小及方向之均勻性。其結果，可實現更高之指向性。
1A、1B、1C、1D、1E、1F、1G、1H、1I、1J、1K、1L、1M‧‧‧陣列揚聲器裝置
2‧‧‧基板
3‧‧‧揚聲器部
4‧‧‧孔
5‧‧‧安裝部
10A‧‧‧支承層
10B‧‧‧BOX層
11‧‧‧基材層
12‧‧‧第1電極層
12A‧‧‧外部端子
13‧‧‧壓電元件層
14‧‧‧第2電極層
14A‧‧‧配線圖案
14B‧‧‧外部端子
15‧‧‧杯形體
16‧‧‧保護膜
17‧‧‧遮罩
20‧‧‧振動子
30‧‧‧聲音訊號輸出部
31‧‧‧訊號調變部
40、41、42、43、44‧‧‧固定部
S‧‧‧扇形凹口
圖1A係本發明之實施形態1之陣列揚聲器裝置之立體圖。
圖1B係圖1A之陣列揚聲器裝置之俯視圖。
圖2係圖1B之陣列揚聲器裝置之A-A剖面圖。
圖3係將揚聲器部放大而表示之剖面立體圖。
圖4係表示連接於陣列揚聲器裝置之訊號系統之方塊圖。
圖5A係表示被施加電壓之情況下之振動子之動作(其1)之圖。
圖5B係表示被施加電壓之情況下之振動子之動作(其2)之圖。
圖6係表示設置於揚聲器部之扇形凹口之剖面圖。
圖7A係表示陣列揚聲器裝置之指向性(其1)之指向特性圖。
圖7B係表示陣列揚聲器裝置之指向性(其2)之指向特性圖。
圖8係表示陣列揚聲器裝置之製造步驟之流程圖。
圖9A係SOI晶圓之剖面圖。
圖9B係表示積層有第1電極層之情況之圖。
圖9C係表示積層有壓電元件層之情況之圖。
圖10A係表示壓電元件層已圖案化之情況之圖。
圖10B係表示成膜有第2電極層之情況之圖。
圖10C係表示第2電極層已圖案化之情況之圖。
圖11A係表示翻轉基板且底面受保護之情況之圖。
圖11B係表示於基板上形成有用於深挖蝕刻之遮罩之情況之圖。
圖11C係表示已進行深挖蝕刻之情況之圖。
圖12A係表示已對基板蝕刻之情況之圖。
圖12B係表示已對BOX層蝕刻之情況之圖。
圖12C係表示安裝有杯形體之情況之圖。
圖13係本發明之實施形態2之陣列揚聲器裝置之立體圖。
圖14A係圖13之陣列揚聲器裝置之指向特性圖(其1)。
圖14B係圖13之陣列揚聲器裝置之指向特性圖(其2)。
圖15係本發明之實施形態3之陣列揚聲器裝置之立體圖。
圖16A係圖15之陣列揚聲器裝置之指向特性圖(其1)。
圖16B係圖15之陣列揚聲器裝置之指向特性圖(其2)。
圖17係本發明之實施形態4之陣列揚聲器裝置之立體圖。
圖18A係圖17之陣列揚聲器裝置之指向特性圖(其1)。
圖18B係圖17之陣列揚聲器裝置之指向特性圖(其2)。
圖19係本發明之實施形態5之陣列揚聲器裝置之立體圖。
圖20A係圖19之陣列揚聲器裝置之指向特性圖(其1)。
圖20B係圖19之陣列揚聲器裝置之指向特性圖(其2)。
圖21A係本發明之實施形態6之陣列揚聲器裝置之俯視圖。
圖21B係本發明之實施形態6之陣列揚聲器裝置之仰視圖。
圖22A係遍鋪有複數個之圖21A之陣列揚聲器裝置之俯視圖。
圖22B係遍鋪有複數個之圖21B之陣列揚聲器裝置之仰視圖。
圖23A係本發明之實施形態7之陣列揚聲器裝置之俯視圖。
圖23B係本發明之實施形態7之陣列揚聲器裝置之仰視圖。
圖24A係遍鋪有複數個之圖23A之陣列揚聲器裝置之俯視圖。
圖24B係遍鋪有複數個之圖23B之陣列揚聲器裝置之仰視圖。
圖25A係本發明之實施形態8之陣列揚聲器裝置之俯視圖。
圖25B係本發明之實施形態8之陣列揚聲器裝置之仰視圖。
圖26A係遍鋪有複數個之圖25A之陣列揚聲器裝置之俯視圖。
圖26B係遍鋪有複數個之圖25B之陣列揚聲器裝置之仰視圖。
圖27A係表示陣列揚聲器裝置之固定方法(其1)之圖。
圖27B係圖27A之陣列揚聲器裝置之指向特性圖(其1)。
圖27C係圖27A之陣列揚聲器裝置之指向特性圖(其2)。
圖28A係表示陣列揚聲器裝置之固定方法(其2)之圖。
圖28B係圖28A之陣列揚聲器裝置之指向特性圖(其1)。
圖28C係圖28A之陣列揚聲器裝置之指向特性圖(其2)。
圖29A係表示陣列揚聲器裝置之固定方法(其3)之圖。
圖29B係圖29A之陣列揚聲器裝置之指向特性圖(其1)。
圖29C係圖29A之陣列揚聲器裝置之指向特性圖(其2)。
圖30A係表示陣列揚聲器裝置之固定方法(其4)之圖。
圖30B係圖30A之陣列揚聲器裝置之指向特性圖(其1)。
圖30C係圖30A之陣列揚聲器裝置之指向特性圖(其2)。
圖31A係表示陣列揚聲器裝置之固定方法(其5)之圖。
圖31B係圖31A之陣列揚聲器裝置之指向特性圖(其1)。
圖31C係圖31A之陣列揚聲器裝置之指向特性圖(其2)。
以下，參照圖式對本發明之實施形態進行詳細說明。
實施形態1.
首先，對本發明之實施形態1進行說明。
如圖1A及圖1B所示般，陣列揚聲器裝置1A具備裝置整體之支承基板即基板2、及以2列2行排列於基板2上之複數個揚聲器部3。各揚聲器部3將基板2之厚度方向、即+Z方向設為音波之輸出方向。各揚聲器部3係使用半導體製造技術即MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術以相同形狀及大小、相同方向製造而成，具有較高之指向性。再者，音波除包含聲音、音樂聲之外，還包含超音波。
基板2係具有均等厚度之正方形狀之平板，例如由矽(Si)等形成。基板2之厚度例如為500μm左右。
如圖1B所示般，揚聲器部3於基板2上分別排列於與基板2相似之正方形之頂點。因此，X軸方向上之揚聲器部3之配置間隔與Y軸方向上之揚聲器部3之配置間隔相同。
於與各揚聲器部3對應之位置設置有孔4。各孔4為圓柱狀， 將利用揚聲器部3產生之音波輸出於基板2之厚度方向。於各孔4之中心設置有用以安裝下述之杯形體15之安裝部5。安裝部5為與孔4配置為同心狀之圓柱狀之構件。
如圖1B之A-A剖面即圖2所示般，基板2由SOI(Silicon On Insulator)基板形成，該SOI基板由支承層10A、BOX(Buried Oxide)層10B及基材層11構成。支承層10A由矽(Si)形成，厚度例如為525μm。BOX層10B由氧化矽膜(SiO2)形成，厚度例如為數μm。基材層11由矽(Si)形成。基材層11亦稱為Si活性層，厚度例如為150μm。SOI基板係用於製造半導體者，各層之厚度均勻。
如圖2所示般，陣列揚聲器裝置1A除具備支承層10A、安裝部5、BOX層10B、及基材層11以外，還具備第1電極層12、壓電元件層13、第2電極層14、及杯形體15。圖2中，自下向上依序積層有第2電極層14、壓電元件層13、第1電極層12、基材層11、BOX層10B及支承層10A(安裝部5)。第2電極層14、壓電元件層13、第1電極層12、基材層11、BOX層101B及支承層10A(安裝部5)各自之厚度均勻。
第1電極層12由鉑、金等導電性構件形成，其厚度為1μm以下。該第1電極層12形成於整個基板2。
壓電元件層13由藉由施加電壓而電伸縮之壓電材料形成，其厚度為數μm。壓電元件層13當被施加電壓訊號時伸縮。作為壓電材質，例如採用鈦酸鋯酸鉛(Pb(Zr，Ti)O3：PZT)等。
第2電極層14由鉑、金等導電性構件形成，其厚度為1μm以下。該第2電極層14設置於每一揚聲器部3。第2電極層14為圓形狀， 孔4係與安裝部5及杯形體15配置為同心。
本實施形態中，如圖3所示般，依序積層分別具有均等厚度之基材層11、第1電極層12、壓電元件層13及第2電極層14而構成振動子20。振動子20安裝於基板2之一面(-Z面)側。揚聲器部3係於該振動子20之上安裝有BOX層10B、支承層10A(包含安裝部5)及杯形體15而構成。
杯形體15係與振動子20之振動共振而使輸出於基板2之厚度方向之音波之波面接近於與基板2平行之平面之共振子。杯形體15隨著孔4變深而前端變細。換言之，成為朝向振動子20而前端變細之圓錐狀之形狀，與孔4及安裝部5配置為同心。杯形體15例如由鋁或鋁合金形成，共振頻率為40kHz。40kHz附近之頻帶係處於人之可聽頻帶之外而不會對音響造成影響之頻帶。
在揚聲器部3連接有供給與播放之聲音對應之電壓訊號之訊號系統。訊號系統如圖4所示般具備聲音訊號輸出部30、及訊號調變部31。
聲音訊號輸出部30輸出與使陣列揚聲器裝置1A播放之聲音對應之電壓訊號。該電壓訊號之頻率為可聽頻帶。
訊號調變部31對從聲音訊號輸出部30輸出之電壓訊號以特定之調變頻率調變。作為特定之調變頻率，使用杯形體15之共振頻率即40kHz附近之頻率。作為訊號調變部31之調變方式，例如使用AM調變(振幅調變)。
已利用訊號調變部31調變之電壓訊號作為第2電極層14與 第1電極層12之間之電壓訊號被施加至振動子20。根據該電壓訊號，振動子20振動從而產生音波。
例如，如圖5A所示般，當對第2電極層14施加正電壓，且對第1電極層12施加負電壓時，壓電元件層13如箭頭所示般於XY方向伸展。然而，由於基材層11不伸展，因此振動子20向-Z方向彎曲為凸狀。
另一方面，如圖5B所示般，當對第2電極層14施加負電壓，且對第1電極層12施加正電壓時，壓電元件層13如箭頭所示般於XY方向收縮。然而，由於基材層11不伸縮，因此振動子20向+Z方向彎曲為凸狀。
再者，根據壓電元件層13之極性，亦存在相對於所施加之電壓所產生之伸縮變得相反之情況。該情況下，振動子20向與圖5A及圖5B所示之方向相反之方向彎曲。
上述電壓訊號為重複正負而振動之訊號，振動子20根據該電壓訊號重複圖5A及圖5B之狀態而振動。藉由該振動而產生音波。
孔4設置於與振動子20對應之位置。藉由經由第1電極層12、第2電極層14被施加電壓訊號之振動子20之振動而產生之音波沿基板2之厚度方向於孔4中前進。此時，安裝於安裝部5之杯形體15與振動子20之振動共振，將藉由振動子20之振動而產生之音波自球面波轉換為具有與XY面平行之波面之平面波。利用杯形體15轉換了波面之音波(平面波)自孔4輸出並向+Z方向前進。
此外，基板2之孔4如下述般藉由深挖蝕刻而形成。於孔4之內周壁如圖6所示般，形成有於基板2之厚度方向重複凹凸之扇形凹口S。扇形凹口S為對應於深挖蝕刻中之蝕刻之重複而形成之深度方向之凹 凸，其個數取決於下述之蝕刻重複次數。與形成於孔4之內周璧之扇形凹口S對向地於安裝部5之外周壁亦形成有扇形凹口S。
如圖7A所示般，於已使電壓訊號之調變頻率為40kHz之情況下之指向特性中，+Z方向(0度之方向)之峰變得尖銳。此表示指向性變高。其原因在於，各揚聲器藉由半導體製造技術而以形狀、大小相同，且方向亦相同之方式形成。
又，如圖7B所示般，於已使電壓訊號之調變頻率為43.6kHz之情況下之指向特性中，+Z方向之峰變得更尖銳。此表示指向性變得更高。認為其原因在於陣列揚聲器裝置1A整體之共振頻率接近43.6kHz。
接下來，對陣列揚聲器裝置1A之製造方法進行說明。陣列揚聲器裝置1A如上述般使用MEMS技術製造而成。
於製造陣列揚聲器裝置1A時，如圖8所示般，首先準備SOI晶圓(步驟S1)。如圖9A所示般，SOI基板為具有積層構造之基板，且為內含氧化膜之晶圓，該積層構造由如下部分構成，即：由半導體基板構成之支承基板(支承層10A)；支承基板上之埋入氧化膜即BOX層(成為BOX層10B)；及BOX層上之半導體層即矽(SOI)層(基材層11)。
SOI晶圓按如下順序形成。首先，藉由離子注入將氧分子自矽晶體表面埋入至厚度均勻之矽塊晶圓，並利用高熱使矽晶體氧化而於矽晶體中形成氧化矽絕緣膜。然後，與另一片未加工之厚度均勻之晶圓塊以彼此表面貼合後，將先前之晶圓剝離而製成SOI晶圓。剝離厚度藉由自氧化膜對深部預先注入之氫離子距表面之距離而控制，剝離面藉由化學機械研磨(CMP)而受到表面精加工。如此，形成與支承層10A、BOX層10B 及基材層11對應之部分之厚度均勻之SOI晶圓。
其次，於SOI晶圓之活性層(基材層11)之上，例如藉由使用濺鍍裝置之濺鍍法而成膜第1電極層12(步驟S2)。圖9B中表示於基材層11之上成膜有第1電極層12之狀況。
接下來，例如藉由使用濺鍍裝置之濺鍍法，成膜PZT膜即壓電元件層13(步驟S3)。圖9C中表示於第1電極層12之上成膜有壓電元件層13之狀況。
其次，藉由光微影法而進行壓電元件層13之圖案化(步驟S4)。此處，壓電元件層13之四角藉由蝕刻而除去，以使第1電極層12自除去之部分露出之方式將壓電元件層13圖案化。
更具體而言，使用塗佈機等於壓電元件層13上塗佈光阻，且將壓電元件層13之形狀之圖案藉由曝光裝置轉印於光阻上。所轉印之圖案利用顯影液等顯影，且經蝕刻裝置蝕刻，從而完成壓電元件層13之圖案化。由此，如圖10A所示般，於第1電極層12之四角形成有外部端子12A。
其次，藉由使用濺鍍裝置之濺鍍法而於壓電元件層13之上成膜第2電極層14(步驟S5)。如圖10B所示般，第2電極層14成膜於壓電元件層13及第1電極層12之一部分之上。
其次，利用光微影法將第2電極層14圖案化(步驟S6)。此處，第2電極層14之周邊藉由蝕刻而除去，將第2電極層14圖案化，於與振動子20對應之位置形成有第2電極層14。
更具體而言，使用塗佈機等於第2電極層14上塗佈光阻，第2電極層14之形狀之圖案藉由曝光裝置而轉印於光阻。所轉印之圖案利 用顯影液等顯影，且經蝕刻裝置蝕刻，從而完成圖案化，從而形成第2電極層14。由此，如圖10C所示般，形成圓形狀之第2電極層14。
其次，翻轉基板2而進行活性層(基材層11)側之保護(步驟S7)。此時，如圖11A所示般，於成為下側之第1電極層12、壓電元件層13及第2電極層14之上形成保護膜16。
其次，形成深挖蝕刻用之遮罩17並安裝於支承層10A之上(步驟S8)。該遮罩17使用例如石英(SiO2)。由此，如圖11B所示般，將僅於形成有支承層10A及安裝部5之區域開設有孔之遮罩17設置於支承層10A上。
其次，對支承層10A進行深挖蝕刻(步驟S9)。深挖蝕刻亦稱為波希製程(BOSCH Process)。於波希製程中，藉由將等向性蝕刻、保護膜形成(鈍化)、及異向性蝕刻重複進行多次，而如圖11C所示般形成有較深(縱橫比高)之孔4，並且形成有安裝部5。於該過程中，於孔4之內周璧、及安裝部5之外周壁形成有扇形凹口(凹坑)S。
於等向性蝕刻中，例如使用SF6氣體。藉由自該SF6氣體產生之F系自由基而蝕刻未被遮罩17覆蓋之支承層10A之部分(孔4之部分)。
又，於保護膜形成中，使用C4F8電漿，C4F8沈積為保護膜。由此，於包含孔4之支承層10A整體形成有保護膜。
又，於異向性蝕刻中，將F系之反應性離子(F+離子)高速碰撞於孔4之底部，藉此將形成於等向性蝕刻之底部之保護膜除去。
於該已除去保護膜之部分再次進行等向性蝕刻，使孔4於深度方向擴展。藉由重複該步驟而推進深挖蝕刻。當深度到達至BOX層10B 時，結束深挖蝕刻。再者，扇形凹口S之間距或凹凸之深度可藉由調整各步驟中之反應時間等來決定。
其次，除去覆蓋於活性層(基材層11)側之保護膜16(步驟S10)。由此，揚聲器部3周邊之剖面成為圖12A所示之狀態。
其次，將成為深挖蝕刻之終止部之孔4底面之BOX層10B，藉由使用蝕刻裝置之蝕刻而除去(步驟S11)。由此，揚聲器部3周邊之剖面成為圖12B所示之狀態。
其次，將杯形體(共振子)15藉由黏結劑而安裝於安裝部5(步驟S12)。由此，揚聲器部3之周邊成為圖12C所示之狀態。此後，對SOI晶圓進行切晶而切割為正方形狀。由此，陣列揚聲器裝置1A大致完成。
如上述般，陣列揚聲器裝置1A中，複數個揚聲器部3係積層均勻厚度之層而形成。由此，各揚聲器部3之大小及形狀或方向大致相同。因此，只要對各揚聲器部3輸入相同之電壓訊號，則所產生之音波均會朝向相同方向輸出。其結果，可實現更高之指向性。
如以上詳細說明般，根據本實施形態，使用半導體製造技術而於基板2上形成振動子20、及將藉由振動子20之振動而產生之音波輸出於基板2之厚度方向之孔4。由此，可提高由振動子20及孔4構成之揚聲器部3之形狀、大小及方向之均勻性。其結果，可減少自各揚聲器部3輸出之音波之方向之不均或相位差而實現更高之指向性。
又，根據本實施形態，亦可使陣列揚聲器裝置1A薄膜化。例如，可使陣列揚聲器裝置1A整體之厚度為600μm左右。
實施形態2.
接下來，對本發明之實施形態2進行說明。如圖13所示般，本實施形態2之陣列揚聲器裝置1B具備9個揚聲器部3(振動子20)。9個揚聲器部3(振動子20)配置於正方形狀格子之交點上。於本實施形態中，亦於各揚聲器部3之安裝部5安裝有杯形體15。
本實施形態中，X軸方向及Y軸方向之揚聲器部3之排列間隔均勻。因此，陣列揚聲器裝置1B產生之音波於基板2之厚度方向均勻，可實現較高之指向性。
圖14A中表示使電壓訊號之調變頻率為40kHz時之指向特性，圖14B中表示使電壓訊號之調變頻率為43.6kHz時之指向特性。如圖14A及圖14B所示般，該實施形態之陣列揚聲器裝置1B亦係+Z方向之峰變得尖銳。又，使調變頻率為接近陣列揚聲器裝置1B整體之共振頻率之43.6kHz時，+Z方向之峰變得尖銳。
實施形態3.
其次，對本發明之實施形態3進行說明。如圖15所示般，本實施形態3之陣列揚聲器裝置1C與上述實施形態2同樣地具備9個揚聲器部3(振動子20)，但未於揚聲器部3安裝杯形體15。
即便於該情況下，如圖16A(調變頻率40kHz)及圖16B(調變頻率45.4kHz)所示般，基板2之厚度方向之音波之指向性亦變得極其尖銳。此處，使調變頻率為接近陣列揚聲器裝置1C整體之共振頻率之45.4kHz時，+Z方向之峰變大。
實施形態4.
接下來，對本發明之實施形態4進行說明。如圖17所示般，本實施形態4之陣列揚聲器裝置1D具備7個揚聲器部3(振動子20)。於以1個揚聲器部3(振動子20)為中心之圓之圓周上，均等配置有周圍之剩餘之揚聲器部3(振動子20)。
即便於該情況下，如圖18A(調變頻率40kHz)及圖18B(調變頻率37.6kHz)所示般，基板2之厚度方向(+Z方向)之音波之指向性亦變得極其尖銳。
實施形態5.
接下來，對本發明之實施形態5進行說明。如圖19所示般，本實施形態5之陣列揚聲器裝置1E之基板2成為圓形狀。於以1個揚聲器部3(振動子20)為中心之圓之圓周上均等配置有剩餘之揚聲器部3(振動子20)之方面與上述實施形態4相同。
於該情況下，如圖20A(調變頻率40kHz)及圖20B(調變頻率38.2kHz)所示般，基板2之厚度方向之音波之指向性亦變得極其尖銳。此處，使調變頻率為接近陣列揚聲器裝置1E整體之共振頻率之頻率38.2kHz之情況下之指向性變得尖銳。
實施形態6.
接下來，對本發明之實施形態6進行說明。如圖21A所示般，於本實施形態6之陣列揚聲器裝置1F中，於基板2上排列有27個揚聲器部3(振動子20)。於本實施形態6之陣列揚聲器裝置1F中，如圖21B所示般，以相互鄰接之3個揚聲器部3(振動子20)位於基板2上之正三角形之頂點之方式排列揚聲器部3(振動子20)。
如圖21B所示般，於陣列揚聲器裝置1F之底面，於壓電元件層13上之與振動子20對應之位置形成有圓形狀之第2電極層14，且該第2電極層14連接著連結第2電極層14間之配線圖案14A。配線圖案14A與設置於基板2之四角之外部端子14B連接。該外部端子14B與圖4之訊號調變部31連接，經由外部端子14B、配線圖案14A而對第2電極層14施加電壓訊號。
如圖21B所示般，在XY面內，由於鄰接之揚聲器部3(振動子20)之間之距離均等，因此可進一步提高音波向基板2之厚度方向之指向性。
於該陣列揚聲器裝置1F中，如圖22A所示般，可將揚聲器部3朝向相同方向而於XY面遍鋪複數個基板2。如此一來，可使整體音量更大。該情況下，如圖22B所示般，於遍鋪有複數個基板2之情況下，外部端子12A係設置於與設置於鄰接之其他基板2之外部端子12A對向之基板2上之位置(基板2之四角)。
同樣地，於遍鋪有複數個基板2之情況下，外部端子14B係設置於與設置於鄰接之其他基板2之外部端子14B對向之基板2上之位置(基板2之四角)。若將該等外部端子12A、14B於基板2間使用跨接線等電性連接，則可橫跨基板2間而構建壓電元件層13之並聯電路。由此，可簡化用以傳輸電壓訊號之電路。
實施形態7.
接下來，對本發明之實施形態7進行說明。如圖23A所示般，於本實施形態7之陣列揚聲器裝置1G中，於基板2上排列有25個揚聲器部3。揚 聲器部3排列於基板2上之正方形狀格子之交點。
如圖23B所示般，於陣列揚聲器裝置1G之-Z面中，於壓電元件層13上之與振動子20對應之位置形成有圓形狀之第2電極層14，且該第2電極層14連接著連結第2電極層14間之配線圖案14A。配線圖案14A連接於外部端子14B。於該外部端子14B連接有圖4之訊號調變部31，經由外部端子14B、配線圖案14A而對第2電極層14施加電壓訊號。
於XY面內，由於在X軸方向及Y軸方向鄰接之揚聲器部3(振動子20)之距離均等，因此可進一步提高音波向基板2之厚度方向之指向性。
於該陣列揚聲器裝置1G中，如圖24A所示般，可使揚聲器部3朝向相同方向而於XY面遍鋪複數個基板2。如此一來，可使整體音量更大。該情況下，如圖24B所示般，於遍鋪有複數個基板2之情況下，外部端子12A係設置於與設置於鄰接之其他基板2之外部端子12A對向之基板2上之位置(基板2之四角)。
同樣地，於遍鋪有複數個基板2之情況下，外部端子14B係設置於與設置於鄰接之其他基板2之外部端子14B對向之基板2上之位置(基板2之四角)。若將鄰接之基板2之外部端子12A、14B彼此利用跨接線等連接，則可橫跨基板2間而構建壓電元件層13之並聯電路。因此，可簡化用以傳輸電壓訊號之電路。
實施形態8.
接下來，對本發明之實施形態8進行說明。如圖25A及圖25B所示般，於本實施形態8之陣列揚聲器裝置1H排列有30個揚聲器部3。於本實施形 態8之陣列揚聲器裝置1H中，以相互鄰接之3個揚聲器部3(振動子20)位於基板2上之正三角形之頂點之方式排列揚聲器部3(振動子20)。
本實施形態中，如圖26A所示般於遍鋪有複數個基板2之情況下，於與鄰接之其他基板2之外緣相接之外緣，設置有與其他基板2之凹凸之外緣嚙合之凹凸。又，本實施形態中，以橫跨基板2間而鄰接之3個揚聲器部3(振動子20)位於與配置於1個基板2上之鄰接之3個揚聲器部3(振動子20)所形成之正三角形全等之正三角形之頂點之方式，於外緣之凸部分設置有揚聲器部3(振動子20)。
如圖25B及圖26B所示般，於遍鋪有複數個基板2之情況下，外部端子12A係設置於與設置於鄰接之其他基板2之外部端子12A對向之基板2上之位置(四角)。同樣地，於遍鋪有複數個基板2之情況下，外部端子14B係設置於與設置於鄰接之其他基板2之外部端子14B對向之基板2上之位置(基板2外緣之中點及凹凸之角部)。可將鄰接之基板2之外部端子14B彼此利用跨接線等連接，而構建橫跨基板2間之壓電元件層13之並聯電路。因此，可簡化用以對複數個陣列揚聲器裝置1H傳輸電壓訊號之電路。
如此，揚聲器部3(振動子20)之配置間隔橫跨鄰接之複數個基板2而均等，因此可使音量變大，並且可提高指向性。
實施形態9.
接下來，對本發明之實施形態9進行說明。本實施形態9之陣列揚聲器裝置於將裝置固定於固定對象之部分具有特徵。固定對象有金屬製(例如鋁或黃銅)、樹脂製之台座等。
如圖27A所示般，本實施形態9之陣列揚聲器裝置1I中，於在基板2之一面(-Z面)露出之壓電元件層13之一部分形成有固定部40。本實施形態之陣列揚聲器裝置1I中，固定部40配置於避開第2電極層14而形成之二維格子之交點。各固定部40之形狀為圓形狀。陣列揚聲器裝置1H係以該固定部40藉由黏結劑或螺固而固定於固定對象。
圖27B表示使電壓訊號之調變頻率為40kHz時之指向特性，圖27C中表示使電壓訊號之調變頻率為陣列揚聲器裝置1I整體之共振頻率即39.6kHz時之指向特性。如圖27B及圖27C所示般，聲音向+Z方向之指向性極其尖銳。
實施形態10.
接下來，對本發明之實施形態10進行說明。本實施形態10之陣列揚聲器裝置於將裝置固定於固定對象之部分具有特徵。
如圖28A所示般，本實施形態10之陣列揚聲器裝置1J係於在基板2之一面(-Z面)露出之壓電元件層13之一部分形成有固定部41。本實施形態之陣列揚聲器裝置1J中，固定部41配置於避開第2電極層14而形成之二維格子之交點。各固定部41之形狀為矩形狀。陣列揚聲器裝置1J係以該固定部41藉由黏結劑等黏結且固定於固定對象。
圖28B表示使電壓訊號之調變頻率為40kHz時之指向特性，圖28C中表示使電壓訊號之調變頻率為陣列揚聲器裝置1J整體之共振頻率即39.6kHz時之指向特性。如圖28B及圖28C所示般，聲音向+Z方向之指向性變得尖銳。使調變頻率為39.6kHz之圖28C中之峰變得稍尖銳。
實施形態11.
接下來，對本發明之實施形態11進行說明。本實施形態之陣列揚聲器裝置於將裝置固定於固定對象之部分具有特徵。
如圖29A所示般，本實施形態之陣列揚聲器裝置1K中，於在基板2之一面露出之壓電元件層13之一部分形成有固定部42。固定部42覆蓋避開第2電極層14而形成之壓電元件層13之整體。固定部42與第2電極層14之間設置有少許裕度。
圖29B表示使電壓訊號之調變頻率為40kHz時之指向特性，圖29C表示使電壓訊號之調變頻率為陣列揚聲器裝置1K整體之共振頻率即39.6kHz時之指向特性。如圖29B及圖29C所示般，聲音向+Z方向之指向性變得極其尖銳。使調變頻率為39.6kHz時之峰變得稍尖銳。
實施形態12.
接下來，對本發明之實施形態12進行說明。本實施形態12之陣列揚聲器裝置於將裝置固定於固定對象之部分具有特徵。
如圖30A所示般，本實施形態之陣列揚聲器裝置1L中，於在基板2之一面(-Z面)露出之壓電元件層13之一部分形成有固定部43，固定部43黏結並固定於固定對象。固定部43成為避開第2電極層14而形成之正方形格子狀。
圖30B表示使聲音訊號之調變頻率為40kHz時之指向特性，圖30C中表示使聲音訊號之調變頻率為陣列揚聲器裝置1L整體之共振頻率即37kHz時之指向特性。如圖30B及圖30C所示般，聲音向+Z方向之指向性變得極其尖銳。使調變頻率為37kHz時之峰變得尖銳。
實施形態13.
接下來，對本發明之實施形態13進行說明。本實施形態13之陣列揚聲器裝置於將裝置固定於固定對象之部分具有特徵。
如圖31A所示般，本實施形態13之陣列揚聲器裝置1M中，於在基板2之一面露出之壓電元件層13之一部分形成有固定部44，固定部44黏結並固定於固定對象。固定部44形成於避開第2電極層14而形成之正方形格子狀之交點，其形狀為圓形狀。固定部44之大小係以與第2電極層14之間隙(裕度)為最小限度而儘量變大。
圖31B中表示使電壓訊號之調變頻率為40kHz時之指向特性，圖31C中表示使電壓訊號之調變頻率為陣列揚聲器裝置1M整體之共振頻率即40.6kHz時之指向特性。如圖31B及圖31C所示般，聲音向+Z方向之指向性變得極其尖銳。
若對固定方法不同之陣列揚聲器裝置1I~1M之指向特性分別加以比較，則於藉由上述實施形態9之陣列揚聲器裝置1J之固定部40而固定於固定對象之情況下，可獲得所輸出之聲音之指向性最高之結果。
對於上述各實施形態之陣列揚聲器裝置之製造方法之各步驟中所使用之具體加工方法，例如各層之成膜、圖案化、蝕刻方法等可適當變更。例如，可根據所使用之材料而採用適於該材料之向半導體晶圓上之成膜方法。
上述陣列揚聲器裝置之1A~1M之各種材質及尺寸僅為例示，並不限定於此。其尺寸可根據所安裝之各種機器而適當調整。
上述各施形態中壓電材料設為PZT，但亦可使用其他壓電材料。可為BaTiO3、PbTiO3等其他壓電材料，亦可使用水晶或鈮酸鋰等壓電 單晶。又，亦可使用氧化鋅(ZnO)、偏二氟乙烯、三氟乙烯聚合物等壓電高分子膜。
上述各實施形態中，孔4為圓形狀，但亦可為矩形等其他形狀。安裝部5、杯形體15只要能將音波之波面轉換為平面波，則亦可為多邊形等其他形狀。
上述各實施形態中，使聲音訊號之調變方式為AM調變，但亦可採用FM方式(頻率調變方式)。
上述各施形態中，將使用MEMS技術製造之對象設為單體之揚聲器部3陣列化而成之陣列揚聲器裝置，但並不限定於此。本發明之揚聲器裝置亦可為僅具有1個揚聲器1之裝置。
本發明可於不脫離本發明之廣義之精神與範圍內採用各種實施形態及變化。又，上述實施形態係用以說明本發明者，並非為限定本發明之範圍者。即，本發明之範圍並非由實施形態而由申請專利範圍表示。而且，於申請專利範圍內及與其同等之發明之含義之範圍內實施的各種變化可視為屬於本發明之範圍內。
再者，本案主張以2015年12月25日申請之日本專利申請案2015-254860號為基礎之優先權，於本說明書中以參照之形式引入日本專利申請案2015-254860號之說明書、申請專利範圍、及整體圖式。
[產業上之可利用性]
本發明可應用於安裝在智慧型手機等便攜機器等各種電氣機器而產生需要較高指向性之聲音等之揚聲器。

Claims (14)

  1. 一種揚聲器裝置，其具備：基板，其具有均等厚度；振動子，其係由分別具有均等厚度之基材層、第1電極層、壓電元件層及第2電極層依序積層而構成，且排列於上述基板之一面；共振子，其與上述振動子之振動共振而使輸出於上述基板之厚度方向之音波接近於與上述基板平行之平面；及安裝部，其供安裝上述共振子；於上述基板之另一面，在與上述振動子對應之位置設置有孔，該孔將藉由經由上述第1電極層、上述第2電極層被施加電壓訊號之上述振動子之振動而產生之音波輸出於上述基板之厚度方向，於上述孔之內周壁形成有於上述基板之厚度方向重複凹凸之扇形凹口，上述安裝部設置於上述孔之中心，於上述安裝部之外周壁形成有與形成於上述孔之內周壁之扇形凹口對向之扇形凹口。
  2. 如申請專利範圍第1項之揚聲器裝置，其中，上述孔及上述安裝部均為圓柱狀，上述安裝部係與上述孔配置為同心狀，上述共振子為朝向上述振動子而前端變細之圓錐狀之形狀，且與上述孔及上述安裝部配置為同心。
  3. 如申請專利範圍第2項之揚聲器裝置，其中，上述第2電極層為圓形狀，且與上述孔、上述安裝部及上述共振子配置為同心。
  4. 如申請專利範圍第1項之揚聲器裝置，其中上述振動子具備複數個，上述孔設置於與上述複數個振動子之各者對應之位置。
  5. 如申請專利範圍第4項之揚聲器裝置，其中，上述振動子排列於上述基板上之正方形狀格子之交點。
  6. 如申請專利範圍第4項之揚聲器裝置，其中，於以1個振動子為中心之圓之圓周上均等配置有周圍之振動子。
  7. 如申請專利範圍第4項之揚聲器裝置，其中，以相互鄰接之3個振動子位於上述基板上之正三角形之頂點之方式排列上述振動子。
  8. 如申請專利範圍第7項之揚聲器裝置，其中，於遍鋪複數個上述基板之情況下，於與鄰接之其他基板之外緣相接之外緣，設置有與上述其他基板之凹凸之外緣嚙合之凹凸，且以橫跨上述基板間而鄰接之3個振動子位於與上述正三角形全等之正三角形之頂點之方式，於上述外緣之凸部分設置有上述振動子。
  9. 如申請專利範圍第1項之揚聲器裝置，其具備：第1外部端子，其係上述第1電極層之外部端子；配線圖案，其以將構成排列於上述基板之一面之上述振動子之上述第2電極層電性連接之方式形成於上述基板上；及第2外部端子，其係上述配線圖案之外部端子；上述第1外部端子，於遍鋪複數個上述基板之情況下，設置於與設置於鄰接之其他基板之第1外部端子對向之上述基板上之位置，上述第2外部端子，於遍鋪複數個上述基板之情況下，設置於與設置於鄰接之其他基板之第2外部端子對向之上述基板上之位置。
  10. 如申請專利範圍第4項之揚聲器裝置，其中，以於上述基板之一面露出之上述壓電元件層之一部分固定於固定對象。
  11. 如申請專利範圍第10項之揚聲器裝置，其中，以配置於避開上述第2電極層而形成之二維格子之交點之圓形狀或矩形狀之部分固定於上述固定對象。
  12. 如申請專利範圍第10項之揚聲器裝置，其中，以避開上述第2電極層而形成之部分整體固定於上述固定對象。
  13. 如申請專利範圍第10項之揚聲器裝置，其中，以避開上述第2電極層而形成之二維格子狀之部分固定於上述固定對象。
  14. 一種揚聲器裝置之製造方法，其包含：於作為SOI(Silicon On Insulator)基板之活性層之基材層上成膜第1電極層之步驟；於上述第1電極層之上成膜壓電元件層之步驟；於上述壓電元件層之上成膜第2電極層之步驟；將由上述基材層、上述第1電極層、上述壓電元件層及上述第2電極層構成之振動子藉由蝕刻而形成於上述基板之一面之步驟；及翻轉上述基板，藉由對上述基板之另一面之深挖蝕刻而於與上述振動子對應之位置形成孔及設置於上述孔之中心之安裝部之步驟，該孔將藉由經由上述第1電極層、上述第2電極層被施加電壓訊號之上述壓電元件層之振動而產生之音波輸出於上述基板之厚度方向，共振子與上述振動子之振動共振而使輸出於上述基板之厚度方向之音波接近於與上述基板平行之平面；及於上述安裝部安裝上述共振子之步驟；於上述安裝部之外周壁形成有與形成於上述孔之內周壁之扇形凹口對向之扇形凹口。
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