特許ウォッチ

公開番号2025077776
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-05-19
出願番号2023190231
出願日2023-11-07
発明の名称トランスデューサ及び音響トランスデューサ
出願人ローム株式会社
代理人個人,個人,個人,個人
主分類H04R 17/00 20060101AFI20250512BHJP(電気通信技術)
要約【課題】振動膜1の短手方向(Y方向)の曲げモードBFを長手方向(X方向)の曲げモードM1、M2、M3に対して相対的に抑制する。
【解決手段】トランスデューサ100は、単結晶シリコンからなり、長手方向(X方向)の少なくとも一の端部1aが固定端である振動膜1と、振動膜1の固定端1aが連結された膜支持部2と、振動膜1の主面1Aに配置された圧電素子3とを有する。主面1A及び長手方向(X方向)は、単結晶シリコンの{011}面及び<100>方向、または{011}面を{011}面内の任意の軸周りに-20°以上20°以下の範囲で回転させた結晶面、及び回転前の<100>方向に相当する結晶方位である。
【選択図】図1B
特許請求の範囲【請求項１】
単結晶シリコンからなり、長手方向の少なくとも一の端部が固定端である振動膜と、
前記振動膜の前記固定端が連結された膜支持部と、
前記振動膜の主面に配置された圧電素子と、を有し、
前記主面及び前記長手方向は、前記単結晶シリコンの｛０１１｝面及び＜１００＞方向、または前記｛０１１｝面を前記｛０１１｝面内の任意の軸周りに－２０°以上２０°以下の範囲で回転させた結晶面、及び回転前の前記＜１００＞方向に相当する結晶方位である、トランスデューサ。
続きを表示（約 760 文字）【請求項２】
前記主面及び前記長手方向は、前記単結晶シリコンの｛０１１｝面及び＜１００＞方向、または前記｛０１１｝面を前記｛０１１｝面内の任意の軸周りに－１０°以上１０°以下の範囲で回転させた結晶面、及び回転前の前記＜１００＞方向に相当する結晶方位である、請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項３】
前記主面及び前記長手方向は、前記単結晶シリコンの｛０１１｝面及び＜１００＞方向、または前記｛０１１｝面を前記｛０１１｝面内の任意の軸周りに－５°以上５°以下の範囲で回転させた結晶面、及び回転前の前記＜１００＞方向に相当する結晶方位である、請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項４】
前記長手方向の他方の端部は自由端である、請求項１記載のトランスデューサ。
【請求項５】
前記長手方向の両方の端部が固定端である、請求項１記載のトランスデューサ。
【請求項６】
微小電気機械システムにより構成された、請求項１記載のトランスデューサ。
【請求項７】
前記振動膜に伝わる振動によって前記圧電素子に加わる圧力を電圧信号へ変換する、請求項１記載のトランスデューサ。
【請求項８】
前記圧電素子に電圧信号を入力して前記圧電素子を変形させることによって、前記振動膜に振動を発生させる、請求項１記載のトランスデューサ。
【請求項９】
請求項７記載のトランスデューサであって、可聴域の音波又は超音波を前記振動膜の振動へ変換する、音響トランスデューサ。
【請求項１０】
請求項８記載のトランスデューサであって、前記振動膜の振動を可聴域の音波又は超音波へ変換する、音響トランスデューサ。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、トランスデューサ及び音響トランスデューサに関する。
続きを表示（約 2,700 文字）【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、変位可能に構成された膜体部を備えるMEMS（Micro Electro Mechanical System）であって、圧電素子を用いて膜体部の変位を制御又は検知するトランスデューサを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
国際公開第２０２２／１１８５７５号
【０００４】
［概要］
トランスデューサを含む全ての構造体は、特定の振動数において構造体の振動を増大させる共振モードを有している。共振時には振動膜が大きく変位して振動膜に大きな応力が加わるため、トランスデューサが破損する恐れがある。特に、平面視において振動膜の長手方向に交差する短手方向の変位に起因する振動膜の破損が実用上問題となることが多い。
【０００５】
本開示の目的は、振動膜の短手方向の変位量を長手方向の変位量に対して相対的に抑制したトランスデューサ及び音響トランスデューサを提供することにある。
【０００６】
上述した課題を解決するために、本開示の一態様は、単結晶シリコンからなり、長手方向の少なくとも一の端部が固定端である振動膜と、振動膜の固定端が連結された膜支持部と、振動膜の主面に配置された圧電素子とを有するトランスデューサである。振動膜の主面及び長手方向は、単結晶シリコンの｛０１１｝面及び＜１００＞方向、または｛０１１｝面を｛０１１｝面内の任意の軸周りに－２０°以上２０°以下の範囲で回転させた結晶面、及び回転前の＜１００＞方向に相当する結晶方位である。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
図１Ａは、実施形態に係るトランスデューサ１００の構成を示す平面図である。
図１Ｂは、実施形態に係るトランスデューサ１００の構成を示す断面図である。
図２Ａは、他の実施形態に係る、長手方向の両端（１ａ、１ｂ’）が固定端である両持ち梁構造のトランスデューサ１０１の構成を示す平面図である。
図２Ｂは、他の実施形態に係る、長手方向の両端（１ａ、１ｂ’）が固定端である両持ち梁構造のトランスデューサ１０１の構成を示す断面図である。
図３は、曲げ１次モードＭ１、曲げ２次モードＭ２、及び曲げ３次モードＭ３で共振している時の振動膜１の変位形状を示すグラフである。
図４は、バタフライモードＢＦで共振している時の振動膜１の変位形状を示すコンター図である。
図５は、単結晶シリコンの単位格子における（００１）面を示す模式図である。
図６Ａは、比較例に係る振動膜１の長手方向（Ｘ方向）、短手方向（Ｙ方向）及び膜厚方向（Ｚ方向）のヤング率（Young’s modulus）（Ｅｘ、Ｅｙ、Ｅｚ）をそれぞれ示すグラフである。
図６Ｂは、比較例に係る振動膜１のポアソン比（Poisson’s ratio）（Ｖｙｚ、Ｖｚｘ、Ｖｘｙ）を示すグラフである。
図６Ｃは、比較例に係る、長手方向の実効的なヤング率（Ｅｘ’）に対する短手方向の実効的なヤング率（Ｅｙ’）の割合（Ｅｙ’／Ｅｘ’）を示すグラフである。
図７は、単結晶シリコンの単位格子における（０１１）面を示す模式図である。
図８Ａは、実施形態に係る振動膜１の長手方向（Ｘ方向）、短手方向（Ｙ方向）及び膜厚方向（Ｚ方向）のヤング率（Young’s modulus）（Ｅｘ、Ｅｙ、Ｅｚ）をそれぞれ示すグラフである。
図８Ｂは、実施形態に係る振動膜１のポアソン比（Poisson’s ratio）（Ｖｙｚ、Ｖｚｘ、Ｖｘｙ）を示すグラフである。
図８Ｃは、実施形態に係る、長手方向の実効的なヤング率（Ｅｘ’）に対する短手方向の実効的なヤング率（Ｅｙ’）の割合（Ｅｙ’／Ｅｘ’）を示すグラフである。
図９は、様々な結晶面及び結晶方位における、曲げ１次モードＭ１の正規化後の最大変位量（1st bending／Static）を示すグラフである。
図１０は、様々な結晶面及び結晶方位における、曲げ２次モードＭ２の正規化後の最大変位量（2nd bending／Static）を示すグラフである。
図１１は、様々な結晶面及び結晶方位における、曲げ３次モードＭ３の正規化後の最大変位量（3rd bending／Static）を示すグラフである。
図１２は、様々な結晶面及び結晶方位における、バタフライモードＢＦの正規化後の最大変位量（Butterfly／Static）を示すグラフである。
【０００８】
［詳細な説明］
以下、複数の実施形態に係わるトランスデューサ及び音響トランスデューサについて、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下で説明する実施形態は、包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の設置位置及び接続形態は、一例であり、本開示に限定する主旨ではない。また、以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。さらに、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率と異なる場合がある。また、以下の実施形態及びその変形例には、同様の構成要素が含まれている場合があり、同様の構成要素には共通の符号を付与し、重複する説明を省略する。
【０００９】
図１Ａは、実施形態に係るトランスデューサ１００の構成を示す平面図である。図１Ｂは、実施形態に係るトランスデューサ１００の構成を示す断面図である。図１Ｂの断面図は、図１ＡのＡ－Ａ’切断面に沿ったトランスデューサ１００の断面を示す。
【００１０】
図１Ａ及び図１Ｂに示すように、実施形態に係るトランスデューサ１００は、振動膜１と、膜支持部２と、圧電素子３とを有する。振動膜１は、可撓性のある薄膜であり、単結晶シリコンからなる。振動膜１は、カンチレバー構造を有する。すなわち、振動膜１の長手方向（Ｘ方向）の一方の端部１ａが固定端であり、他方の端部１ｂが自由端である。振動膜１の平面形状は特に限定されないが、例えば、図１Ａに示すように方形状の形状を有する。この場合、固定端１ａは、４辺の内の１つの辺に位置し、自由端１ｂは、この１つの辺と向かい合う辺に位置する。
（【００１１】以降は省略されています）

関連特許