JP2005210172A - 振動板集積基体、音響電気変換素子、音響電気変換システム及び振動板集積基体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】１枚の集積基体で複数の音源方向を特定する音響電気変換素子、この素子の要素となる振動板集積基体、この素子を用いた音響電気変換システム、及びこの素子の製造方法を提供する。
【解決手段】 同一の振動板集積基体上に、音圧により振動し、回折格子をそれぞれ有する複数の振動板Ｘ₁〜Ｘ_５を備える。これらの複数の振動板Ｘ₁〜Ｘ_５の主面の方向は、互いに異なる。
【選択図】 図１

Description

本発明は音響電気変換素子に係り、更には、この音響電気変換素子の要素となる振動板集積基体、この音響電気変換素子を用いた音響電気変換システム、及びこの音響電気変換素子の製造方法に関する。

鋭い指向性を有するマイクロフォンに光マイクロフォンと称せられる音響電気変換素子が知られている。光マイクロフォンは振動板の裏面に電極等音波の到来を遮断する要素を必要としないため、横方向からの音波をキャンセルし、横方向からの音波に対し感度を示さないという特徴がある。

又、複数のコンデンサマイクロフォンを用い、その遅延和を利用することで単一指向性を実現するマイクロフォンアレイ技術や、本来は密閉されている容器の一部にパイプを増設して振動板の後ろに外気を供給し、前方からの音波を遅れて振動板の背面に到達させてその分だけ「速度型」の動作を持たせ、全体として「単一指向性」の動作をさせる手法も提案されている。

更に、発光強度分布が同心円状にほぼ均一な垂直表面発光型発光素子と、その周辺に同心円状に受光素子とを配置した構造を採用し、複数の受光素子からの出力を差動信号としてその差分を検出して出力とする光マイクロフォンも提案されている（特許文献１参照。）。特許文献１に記載された発明では、単一の受光素子を用いて出力信号とした場合に比べて発光素子の温度変化や駆動電流変化等による影響を低減させ、安定な信号出力を得ている。
特開２００１−１６９３９４号公報

従来の指向性マイクロフォンは振動板と正対した方向のみの音源を特定するのに優れているが、振動板と正対した方向以外からの音源を特定するのが困難であった。このため、音源が複数存在する音場で、音源をそれぞれ分離して収音するには、各音源に対応したマイクロフォンが複数個必要になり、システムが巨大化し、コストの増大につながる。

本発明は１枚の集積基体で、複数の音源方向を特定することが可能な音響電気変換素子、この音響電気変換素子の要素となる振動板集積基体、この音響電気変換素子を用いた音響電気変換システム、及びこの音響電気変換素子の製造方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の第１の特徴は、回折格子をそれぞれ有し、音圧により振動する複数の振動板を備える振動板集積基体であって、複数の振動板は、主面が振動板集積基体の主面と平行な振動板と、主面が振動板集積基体の主面に対して傾いている振動板とを含む振動板集積基体であることを要旨とする。

本発明の第２の特徴は、（イ）回折格子をそれぞれ有し、音圧により振動し、且つ、主面の方向が互いに異なる複数の振動板と、（ロ）回折格子のそれぞれに光を照射する複数の光源と、（ハ）回折格子で回折した光をそれぞれ検知し電気信号に変換する複数の光検出器とを備え、複数の振動板の変位をそれぞれ電気信号に変換する音響電気変換素子であることを要旨とする。

本発明の第３の特徴は、（イ）回折格子をそれぞれ有し、音圧により振動し、且つ、主面の方向が互いに異なる複数の振動板と、（ロ）回折格子のそれぞれに光を照射する複数の光源と、（ハ）回折格子で回折した光をそれぞれ検知し電気信号に変換する複数の光検出器と、（ニ）複数の光検出器が出力する時系列信号を周波数軸の信号に変換するフーリエ変換手段とを備え、複数の振動板の変位を、対応する複数の音源毎のスペクトルに変換し、複数の音源を同定する音響電気変換システムであることを要旨とする。

本発明の第４の特徴は、（イ）基板の表面に、固定枠、この固定枠に接続された固定梁、この固定枠に一端を接続した複数の弾性梁、この弾性梁を介して固定枠に両持ち梁構造で支持された第１振動板、この弾性梁を介して固定枠に片持ち梁構造で支持された第２振動板を形成する工程と、（ロ）第１及び第２振動板に、それぞれ回折格子を形成する工程と、
第１及び第２振動板の底部にそれぞれ空洞を形成する工程と、（ハ）第２振動板を接続する弾性梁を、第２振動板の自重で撓ませ、第２振動板の主面を基板の表面に対して斜めとなし、第２振動板の弾性梁で支持されない側の端部を基板の一部に付着させる工程とを含むを振動板集積基体の製造方法であることを要旨とする。

本発明によれば、１枚の集積基体で、複数の音源方向を特定することが可能な音響電気変換素子、この音響電気変換素子の要素となる振動板集積基体、この音響電気変換素子を用いた音響電気変換システム、及びこの音響電気変換素子の製造方法を提供することができる。

次に、図面を参照して、本発明の第１〜第３の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

又、以下に示す第１〜第３の実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る振動板集積基体は、図１に示すように、固定枠１１の内部に、５枚の振動板Ｘ₁〜Ｘ₅を配置して板状の集積基体を構成している。固定枠１１は、その周囲を支持枠１０で支持されている。中央の振動板（第１振動板）Ｘ₅は、振動板集積基体の主面に平行な主面を有し、４本の弾性梁（バネ）２３ａ〜２３ｄによって矩形額縁状のアンカー１３に接続されている。ここで、「振動板集積基体の主面」とは、図１の鳥瞰図に現れている固定枠１１の上面に平行な面である。矩形額縁状のアンカー１３は、固定枠１１に４本の固定梁１２ａ〜１２ｄで固定されているが、広義にはアンカー１３も固定梁の一類型である。固定梁１２ａ〜１２ｄは、矩形（正方形）の固定枠１１の対角線方向に伸延するリッジ状の梁である。

中央の振動板（第１振動板）Ｘ₅以外の振動板（第２振動板）Ｘ₁，Ｘ₂，Ｘ₃，Ｘ₄は、それぞれ固定梁１２ａ〜１２ｄとアンカー１３との接続部から、それぞれ２本の弾性梁（バネ）２１ａ，２２ｂ；２１ｂ，２２ｃ；２１ｃ，２２ｄ；２１ｄ，２２ａによって接続され、振動板集積基体の主面に斜めな主面を有する振動板である。

固定枠１１は、例えば、図７に示すように、単結晶Ｓｉからなる支持基板４１上に順に堆積された埋め込み絶縁膜４２，単結晶Ｓｉ層４３，保護膜４４から構成されている。アンカー１３及び固定梁１２ａ〜１２ｄは、それぞれ、埋め込み絶縁膜４２，単結晶Ｓｉ層４３，保護膜４４から構成されている。振動板Ｘ₁〜Ｘ₅も、同様に、埋め込み絶縁膜４２，単結晶Ｓｉ層４３，保護膜４４からなる積層構造である。更に、弾性梁２３ａ〜２３ｄ；２１ａ，２２ｂ；２１ｂ，２２ｃ；２１ｃ，２２ｄ；２１ｄ，２２ａは、埋め込み絶縁膜４２，単結晶Ｓｉ層４３，保護膜４４からから構成されている。

図５〜図７を用いて、後述するが、半導体集積回路の製造プロセスを用いて、周囲の４枚の振動板Ｘ₁，Ｘ₂，Ｘ₃，Ｘ₄の下部に空洞（キャビティ）Ｑ₁，Ｑ₂，Ｑ₃，Ｑ₄を形成すると、４枚の振動板Ｘ₁，Ｘ₂，Ｘ₃，Ｘ₄は、弾性梁（バネ）２１ａ，２２ｂ；２１ｂ，２２ｃ；２１ｃ，２２ｄ；２１ｄ，２２ａにより片側の端のみ支持されているため、弾性梁２１ａ，２２ｂ；２１ｂ，２２ｃ；２１ｃ，２２ｄ；２１ｄ，２２ａが無い方の端は、自重で下降する。このとき、４枚の振動板Ｘ₁，Ｘ₂，Ｘ₃，Ｘ₄のそれぞれの下降した側の端と固定枠１１の内壁面とを意図的に付着（スティッキング）による貼り付きを発生させることで、実質的な両持ち梁と等価な構造（擬似的な両持ち梁構造）の振動板Ｘ₁，Ｘ₂，Ｘ₃，Ｘ₄を形成している。

ＭＥＭＳデバイスの可動部が周囲の基板等に付着（スティッキング）して動かなくなるスティッキング現象は、一般的なＭＥＭＳデバイスの寿命を制限する大きな要因の一つとして対策検討されている。例えば、マイクロミラーアレイ装置において、傾いたマイクロミラーが何かの拍子にランディング面に付着して戻らなくなってしまう現象等がスティッキング現象として問題になっている。スティッキング現象の原因はＭＥＭＳデバイス製造時の洗浄過程における水分であり、基板・可動部の間に入った水分が乾燥するときに表面張力などにより互いを引き付けスティッキング現象にいたるといわれている。特に、スティッキング現象により、一度付着した可動部を修復することはできない場合が殆どである。第１の実施の形態に係る振動板集積基体では、積極的に付着（スティッキング）現象を利用している。

これらの４枚の振動板Ｘ₁，Ｘ₂，Ｘ₃，Ｘ₄は、振動板集積基体の主面に対して斜角を有しているため、振動板集積基体の主面に対して斜め方向の音波に対して感度を有する。一方、中央の振動板Ｘ₅は、振動板集積基体の主面の法線方向の方位からの音源からの音圧に対して大きく変動し感度を示す。ここで、固定梁１２ａ〜１２ｄとアンカー１３との接続部と接続されている弾性梁２１ａ，２２ｂ；２１ｂ，２２ｃ；２１ｃ，２２ｄ；２１ｄ，２２ａの本数は、設計レベルで可変でき、図１に示した２本に限定されるものではない。

図１の振動板Ｘ₁〜Ｘ₅に設けられる透過型の回折格子は、図２（ａ）に示す２次元回折格子でも、図２（ｂ）に示す１次元回折格子でも構わない。図２（ａ）では、振動板Ｘ₁〜Ｘ₅に、それぞれマトリクス状に配置される複数の穴（貫通孔）Ｈ_i-1,1，・・・・・，Ｈ_i,1，Ｈ_1,2，Ｈ_1,3，・・・・・，Ｈ_i+2,6により２次元回折格子を構成する例を示している。又、図２（ｂ）では、振動板Ｘ₁〜Ｘ₅に、それぞれ周期的に配置される複数の貫通溝（スリット）Ｇ₁，Ｇ₂，Ｇ₃，・・・・・，Ｇ₆により、１次元回折格子を構成する例を示している。

本発明の第１の実施の形態に係る電気音響変換素子は、図３に示すように、音圧により振動し、主面の方向が互いに異なる５枚の振動板Ｘ₁〜Ｘ₅と、振動板Ｘ₁〜Ｘ₅の回折格子に光を照射する５つの光源ＬＤ_１〜ＬＤ_５と、回折格子で回折した光を検知し電気信号に変換する５つの光検出器ＰＤ_１〜ＰＤ₅とを備えた多方向同定光マイクロフォンである。

主面の方向が互いに異なる５枚の振動板Ｘ₁〜Ｘ₅を収納し、固定した固定枠１１は、支持枠１０で支持され、筐体上部側壁３１ａと筐体下部側壁３１ｂとの間に固定されている。５つの光源ＬＤ_１〜ＬＤ_５は、筐体上部側壁３１ａの上端に配置された筐体天板３９に配列されている。筐体天板３９は、中央部に音波が入射可能な上部開口部３７を備え、５つの光源ＬＤ_１〜ＬＤ_５は、上部開口部３７を囲むように、筐体天板３９上の異なる位置に２次元的に配列されている。図３に示す第１の実施の形態に係る電気音響変換素子においては、光源ＬＤ_１〜ＬＤ_５より照射された光が５枚の振動板Ｘ₁〜Ｘ₅の主面の中央部近傍にそれぞれ入射するように、光源ＬＤ_１〜ＬＤ_５のそれぞれの光学軸が調整されている。光学軸の調整は、光源ＬＤ_１〜ＬＤ_５のマウントの角度により設定可能である。

５つの光検出器ＰＤ_１〜ＰＤ₅は、筐体下部側壁３１ｂの下端に配置された筐体底板（実装基板）３２上に配列されている。筐体底板３２は、中央部に音波が入射可能な底部開口部３５を備え、５つの光検出器ＰＤ_１〜ＰＤ₅は、底部開口部３５を囲むように、筐体底板３２上の２次元空間的に異なる位置に配列されている。図３においては、５枚の振動板Ｘ₁〜Ｘ₅を透過した光が、光検出器ＰＤ_１〜ＰＤ₅にそれぞれ入射するように、光検出器ＰＤ_１〜ＰＤ₅の位置が光学的に調整されている。即ち、振動板Ｘ₁〜Ｘ₅に設けられた透過型の回折格子による回折角を考慮して、光検出器ＰＤ_１〜ＰＤ₅の位置が決定されている。筐体底板３２上には、更に５つの光源ＬＤ_１〜ＬＤ_５及び５つの光検出器ＰＤ_１〜ＰＤ₅の駆動・制御回路３３ａ〜３３ｄが配置されている。図示を省略しているが、５つの光源ＬＤ_１〜ＬＤ_５の駆動・制御回路３３ａ〜３３ｄを、別途、筐体天板３９上に配置しても構わない。

図３に示す光検出器ＰＤ_１〜ＰＤ₅には、フォトダイオードアレイ等のイメージセンサを用いるのが好ましい。即ち、光検出器ＰＤ_１〜ＰＤ₅は、光強度の違いを検出するのではなく、回折像の２次元的な像の検出により、主面の方向が互いに異なる５枚の振動板Ｘ₁〜Ｘ₅の変位の検出を行う。このため、フォトダイオードアレイＰＤ_１〜ＰＤ₅は、回折像を漏れなく検知できるように、回折光に対して十分に広いエリアが確保されている。

第１の実施の形態に係る電気音響変換素子においては、主面の方向が互いに異なる５枚の振動板Ｘ₁〜Ｘ₅には透過型の回折格子が形成されているので、５つの光源ＬＤ_１〜ＬＤ_５から照射された光波は、それぞれ対応する回折格子Ｘ₁〜Ｘ₅を透過しながら回折し、５つのフォトダイオードアレイＰＤ_１〜ＰＤ₅の面上で回折像をもたらす。そして、振動板Ｘ₁〜Ｘ₅の変位を回折像として光学的に光検出器ＰＤ_１〜ＰＤ₅で検出し、更にこれを図４のように、電気信号に変換する。

図３に示す第１の実施の形態に係る電気音響変換素子においては、振動板集積基体の主面に対して正対した振動板（第１振動板）Ｘ₅の他に、同一振動板集積基体上で様々な方位に角度をもった振動板（第２振動板）Ｘ₁〜Ｘ₄を複数（４枚）配置し、対応する光源ＬＤ_１〜ＬＤ_５、光検出器ＰＤ_１〜ＰＤ₅によって個別に振動板Ｘ₁〜Ｘ₅の振動変位を検出する。それぞれの光検出器ＰＤ_１〜ＰＤ₅において、最大の出力が得られた光検出器ＰＤ_１〜ＰＤ₅に対応した振動板Ｘ₁〜Ｘ₅の主面の法線の延長線上に、それぞれ対応する音源を同定することが可能になる。

更に、第１の実施の形態に係る電気音響変換素子によれば、各振動板Ｘ₁〜Ｘ₅の振動変位を個別に検出するため、音源が多数存在する音場においても、クリアな音を抽出することが可能になる。

図４は本発明の第１の実施の形態に係る電気音響変換システムの構成を示すブロック図で、これにより、複数の振動板Ｘ₁〜Ｘ_nの変位検出の様子を示したものである。ｎ＝５の場合が、図３に例示した５枚の振動板Ｘ₁〜Ｘ₅を用いた電気音響変換素子に相当するが、ｎ＝５の場合に限定されず、ｎは、２以上の任意の値に設計可能である。このため、図４では、より一般化し、振動板Ｘ₁〜Ｘ_nで示している。

図４（ａ）に示す電気音響変換システムでは、ｎ個の音源（音波）Ｓ₁〜Ｓ_nに対応して、ｎ枚の振動板Ｘ₁〜Ｘ_nが用意されている。そして、振動板Ｘ₁〜Ｘ_nのそれぞれに対応してｎ個の光源ＬＤ_１〜ＬＤ_n、ｎ個の光検出器ＰＤ_１〜ＰＤ_n、ｎ個の増幅器Ａ_１〜Ａ_nが、互いに独立したｎ個の並列回路を構成するように接続されており、ｎ個の並列回路の出力は、単一のフーリエ変換手段に入力される。図４（ａ）では、フーリエ変換手段の一例として、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）アナライザが用いられている。ＦＦＴアナライザは、離散フーリエ変換に関連する変換を高速に実行するフーリエ変換手段であり、ｎ個の増幅器Ａ_１〜Ａ_nが出力する時系列信号を周波数軸の信号に変換する。ＦＦＴアナライザは、一般には、ローパスフィルタ、ＡＤ変換器、ＦＦＴ演算回路及び表示部等から構成される。ｎ個の増幅器Ａ_１〜Ａ_nが出力する連続的信号電圧を、ある一定時間間隔で信号をサンプリングし、ＡＤ変換器で、ＡＤ（アナログ―ディジタル）変換した後、ＦＦＴ演算回路によりＦＦＴ演算を行う。なお、この際に原信号には存在しない周波数成分が現れるエイリアシング現象を防ぐため、サンプリングの前にローパスフィルタを使用する。ＦＦＴ演算回路でＦＦＴ処理された信号は、１つの周波数スペクトルｆ_Σに合成し集約する。図４（ａ）に示すシステムによれば、音源が多数（ｎ個）存在する音場でも、各音源からのそれぞれの音波Ｓ₁〜Ｓ_nを明瞭に、同定し、収録できる。

図４（ｂ）に示す電気音響変換システムも図４（ａ）に示したシステムと同様に、ｎ個の音源（音波）Ｓ₁〜Ｓ_nに対応して、ｎ枚の振動板Ｘ₁〜Ｘ_nが用意されている。そして、振動板Ｘ₁〜Ｘ_nのそれぞれに対応してｎ個の光源ＬＤ_１〜ＬＤ_n、ｎ個の光検出器ＰＤ_１〜ＰＤ_n、ｎ個の増幅器Ａ_１〜Ａ_nが、互いに独立したｎ個の並列回路を構成するように接続されている。しかし、図４（ｂ）では、ｎ個の並列回路から個別に（パラレルに）複数のフーリエ変換手段（ＦＦＴアナライザ）ＦＦＴ_１〜ＦＦＴ_nに出力される。それぞれのフーリエ変換手段（ＦＦＴアナライザ）ＦＦＴ_１〜ＦＦＴ_nは、ｎ個の増幅器Ａ_１〜Ａ_nが出力する時系列信号をそれぞれ周波数軸の信号に変換し、それぞれ周波数スペクトルｆ_１〜ｆ_nを出力する。図４（ｂ）に示すシステムによれば、音源が多数（ｎ個）存在する音場でも、各音源からの音波Ｓ₁〜Ｓ_nに対応した複数（ｎ個）の周波数スペクトルｆ_１〜ｆ_nを、それぞれ、同定し、明瞭に収録できる。

図４に示す第１の実施の形態に係る電気音響変換システムにおいて、振動板集積基体の主面に対して正対した振動板（第１振動板）を、例えば振動板Ｘ_nと仮定すると、同一振動板集積基体上で様々な方位に角度をもった他の振動板（第２振動板）Ｘ₁〜Ｘ_(n-1)を（ｎ−１）枚配置し、対応する光源ＬＤ_１〜ＬＤ_n、光検出器ＰＤ_１〜ＰＤ_nによって個別に振動板Ｘ₁〜Ｘ_nの振動変位を検出する。それぞれの光検出器ＰＤ_１〜ＰＤ_nの出力をフーリエ変換し、最大の周波数スペクトルｆ_１〜ｆ_nの強度が得られた光検出器ＰＤ_１〜ＰＤ_nに対応する振動板Ｘ₁〜Ｘ_nの主面の法線の延長線上に対応する音源があることを同定することが可能になる。

更に、第１の実施の形態に係る電気音響変換システムによれば、各振動板Ｘ₁〜Ｘ_nの振動変位を個別に検出するため、音源が多数（ｎ個）存在する音場においても、クリアな音を抽出することが可能になる。

以上のように、第１の実施の形態に係る電気音響変換システムによれば、１枚の振動板集積基体で、多方位（ｎ方位）からの音波Ｓ₁〜Ｓ_nを検出することが可能になり、低コスト・省スペースの多方向同定光マイクロフォンシステムを提供することが可能になる。

図５〜図７を用いて、図１に示した本発明の第１の実施の形態に係る振動板集積基体の製造方法を説明する。なお、以下に述べる振動板集積基体の製造方法は、一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により、実現可能であることは勿論である。

（イ）まず、単結晶Ｓｉからなる支持基板４１上に埋め込み絶縁膜（ＳＯＩ酸化膜）４２、単結晶Ｓｉ層（ＳＯＩ層）４３が順次積層された、いわゆるＳＯＩ基板を準備する。 次に、図５（ａ）に示すように、ＳＯＩ基板上にシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂膜）或いはシリコン窒化膜（Ｓｉ₃Ｎ₄膜）等の保護膜４４をＣＶＤ法等で堆積する。シリコン酸化膜（ＳｉＯ₂膜）は、熱酸化で形成しても良く、ＴＥＯＳのＣＶＤや塗布等でも良い。

（ロ）次にフォトレジスト膜（以下において、単に「フォトレジスト」という。）を保護膜４４の表面にスピン塗布する。そして、フォトリソグラフィー技術により、フォトレジストをパターニングする。そして、このフォトレジストをマスクとして、ＲＩＥ法等により保護膜４４をエッチングする。その後、フォトレジストを除去し、ＲＩＥ法等によりパターニングされた保護膜４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｌ，４４ｍ，４４ｑ，４４ｒをマスクとして、ＲＩＥ法等により単結晶Ｓｉ層４３を分離して、図５（ｂ）に示すように、第１振動板Ｘ₅及び第２振動板Ｘ₁，Ｘ₃の領域を定義する単結晶Ｓｉ層４３ｃ，４３ｂ，４３ａを切り出す（紙面の手前及び奥には、図示を省略した振動板（第２振動板）Ｘ₂及びＸ_４の領域も切り出される。）。このとき、図５（ｂ）に示すように、保護膜４４ｌ，４４ｍの下には、同様に、単結晶Ｓｉ層４３ｌ，４３ｍが分離され、アンカー（固定梁）１３が形成される。更に、図５（ｂ）に示すように、保護膜４４ｑ，４４ｒの下には、同様に、単結晶Ｓｉ層４３ｑ，４３ｒが分離され、固定枠１１に相当するパターンが形成される。なお、断面図には現れていないが、図１に示す弾性梁（バネ）２３ａ〜２３ｄ；２１ａ，２２ｂ；２１ｂ，２２ｃ；２１ｃ，２２ｄ；２１ｄ，２２ａのパターンも形成される。即ち、ＳＯＩ基板の表面に、固定枠１１、この固定枠１１に接続された固定梁１３；１１ａ〜１１ｄ、この固定枠１１に一端を接続した複数の弾性梁２３ａ〜２３ｄ；２１ａ，２２ｂ；２１ｂ，２２ｃ；２１ｃ，２２ｄ；２１ｄ，２２ａ、この弾性梁２３ａ〜２３ｄ；２１ａ，２２ｂ；２１ｂ，２２ｃ；２１ｃ，２２ｄ；２１ｄ，２２ａを介して固定枠１１に両持ち梁構造で支持された第１振動板Ｘ₅、この弾性梁２３ａ〜２３ｄ；２１ａ，２２ｂ；２１ｂ，２２ｃ；２１ｃ，２２ｄ；２１ｄ，２２ａを介して固定枠１１に片持ち梁構造で支持された第２振動板Ｘ₁〜Ｘ₄とが形成される。

（ハ）その後、新たなフォトレジストを保護膜４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｌ，４４ｍ，４４ｑ，４４ｒの表面にスピン塗布する。即ち、フォトリソグラフィー技術及びＲＩＥ法等を用いて、図５（ｃ）に示すように、保護膜４４ａ，４４ｂ，４４ｃ、単結晶Ｓｉ層４３ａ，４３ｂ，４３ｃ及び埋め込み絶縁膜４２を選択的に、且つ連続的に、ＲＩＥ法若しくはＥＣＲイオンエッチング法等によりエッチング除去して、第１振動板Ｘ₅及び第２振動板Ｘ₁〜Ｘ₄の表面に透過型の２次元回折格子を構成する微細な穴Ｈ_i1、Ｈ_i2、・・・・・、Ｈ_i6を形成する（図６参照。）。その後、フォトレジストを除去する。回折格子は２次元回折格子に限定されず、図２（ｂ）に示すような１次元の回折格子でも良い。

（ニ）微細な穴Ｈ_i1、Ｈ_i2、・・・・・、Ｈ_i6を形成した後、熱酸化により、微細な穴Ｈ_i1、Ｈ_i2、・・・・・、Ｈ_i6の側壁に露出した単結晶Ｓｉ層４３ａ，４３ｂ，４３ｃの表面に、図６に示すように、エッチング保護膜４８として、シリコン酸化膜を形成する。図６では、第１振動板Ｘ₅の全領域及び第２振動板Ｘ₁及びＸ₃の一部の領域しか示していないが、紙面の手前及び奥に存在する図示を省略した第２振動板Ｘ₂及びＸ_４の領域における微細な穴Ｈ_i1、Ｈ_i2、・・・・・、Ｈ_i6の側壁に露出した単結晶Ｓｉ層の表面にも同様に、エッチング保護膜４８が形成される。

（ホ）その後、その後、新たなフォトレジストを第１振動板Ｘ₅及び第２振動板Ｘ₁〜Ｘ₄の表面にスピン塗布する。フォトリソグラフィー技術により、振動板Ｘ₁〜Ｘ₅のそれぞれの領域の表面を露出する窓部を形成する。この窓部は、微細な穴Ｈ_i1、Ｈ_i2、・・・・・、Ｈ_i6の配列の全体を含む開口部である。そして、このフォトレジストをマスクとして、指向性の高いＲＩＥ等により、窓部に露出した振動板Ｘ₁〜Ｘ₅の底部に形成されたエッチング保護膜４８を選択的に除去する。この結果、それぞれの振動板Ｘ₁〜Ｘ₅の微細な穴Ｈ_i1、Ｈ_i2、・・・・・、Ｈ_i6の底部には、単結晶Ｓｉからなる支持基板４１が露出する。

（ヘ）そして、それぞれの第１振動板Ｘ₅及び第２振動板Ｘ₁〜Ｘ₄の微細な穴Ｈ_i1、Ｈ_i2、・・・・・、Ｈ_i6を介して、単結晶Ｓｉの異方性エッチャント、例えばテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）等の薬液を導入し、支持基板４１の選択的な異方性エッチングを行えば、図９（ａ）に示すように、空洞（キャビティ）Ｑ₅が第１振動板Ｘ₅の下部に、空洞（キャビティ）Ｑ₁，Ｑ₃が第２振動板Ｘ₁，Ｘ₃の下部に、それぞれ形成される。同様に、図示を省略した第２振動板Ｘ₂及びＸ_４の下部には、図示を省略した空洞Ｑ₂及びＱ_４が形成される。この結果、ＳＯＩ基板の主表面に平行な振動板（第１振動板）Ｘ₅は、アンカー（固定梁）１３に４本の弾性梁で支持された両持ち梁の構造になる。一方、第２振動板Ｘ₁，Ｘ₃（及び、図示を省略した第２振動板Ｘ₂及びＸ_４）は、一方の端のみアンカー（固定梁）１３と弾性梁２１ａ，２２ｂ；２１ｂ，２２ｃ；２１ｃ，２２ｄ；２１ｄ，２２ａで連結しているため、エッチングが進行すると反対側の端がフリー（自由端）になり、弾性梁２１ａ，２２ｂ；２１ｂ，２２ｃ；２１ｃ，２２ｄ；２１ｄ，２２ａが撓む。ここで、フリーな振動板（第２振動板）Ｘ₁〜Ｘ₄の端部（端面）を自重で下降させ、異方性エッチングによって得られた空洞Ｑ₁〜Ｑ₄に露出したＳｉの壁とを図９（ｂ）に示すように、付着（スティッキング）させる。つまり、支持基板４１の一部である空洞Ｑ₁〜Ｑ₄の壁がストッパーとなって、４枚の第２振動板Ｘ₁〜Ｘ₄の下降した方の端部を支えることになる。この結果、実質、両持ち梁の振動板（第２振動板）Ｘ₁〜Ｘ₄が実現し、第２振動板Ｘ₁〜Ｘ₄の主面は、ＳＯＩ基板の表面（主面）に対して、斜めになる。

（ト） 最終的に、支持基板４１を裏面からエッチングし、空洞部４７を形成することで、本発明の第１の実施の形態に係る振動板集積基体が完成する。図１に示すように、マイクロフォンの固定枠１１の内部には、主面の方向が互いに異なる５枚の振動板Ｘ₁〜Ｘ₅が形成される。

以上のように、本発明の第１の実施の形態に係る振動板集積基体の製造方法によれば、支持基板４１の選択的な異方性エッチングの際生じる膜の応力とスティッキング（付着）現象を利用して、振動板集積基体の主面に対して斜めに、擬似的な両持ち梁構造のダイアフラム（第２振動板）Ｘ₁〜Ｘ₄が形成される。即ち、振動板集積基体の主面に対して正対した第１振動板Ｘ₅の他に、同一振動板集積基体上で様々な方位に主面の角度をもった第２振動板Ｘ₁〜Ｘ₄を、複数（４枚）配置した振動板集積基体が簡単に製造できる。

（第２の実施の形態）
第１の実施の形態では、透過型の回折格子を有する振動板Ｘ₁〜Ｘ₅を備えた振動板集積基体及びこれを用いた電気音響変換素子等について説明した。本発明の第２の実施の形態においては、図８に示すような、反射型の回折格子を有する振動板Ｘ₁〜Ｘ₅を備えた振動板集積基体及びこれを用いた電気音響変換素子について説明する。

第１の実施の形態と同様に、第２の実施の形態に係る反射型の回折格子は、図８（ａ）に示す２次元回折格子でも、図８（ｂ）に示す１次元回折格子でも構わないことは勿論である。図８（ａ）では、振動板Ｘ₁〜Ｘ₅に、それぞれマトリクス状に配置される複数の一定深さの穴（凹部）Ｈ_i-1,1，・・・・・，Ｈ_i,1，Ｈ_1,2，Ｈ_1,3，・・・・・，Ｈ_i+2,6により２次元回折格子を構成する例を示している。又、図８（ｂ）では、振動板Ｘ₁〜Ｘ₅に、それぞれ周期的に配置される一定深さの複数のＵ溝Ｇ₁，Ｇ₂，Ｇ₃，・・・・・，Ｇ₆により、１次元回折格子を構成する例を示している。

そして、本発明の第２の実施の形態に係る電気音響変換素子は、図９に示すように、音圧により振動し、主面の方向が互いに異なる５枚の反射型の回折格子を有する振動板Ｘ₁〜Ｘ₅と、振動板Ｘ₁〜Ｘ₅の回折格子に光を照射する５つの光源ＬＤ_１〜ＬＤ_５と、回折格子で回折した光を検知し電気信号に変換する５つの光検出器ＰＤ_１〜ＰＤ₅とを備えた多方向同定光マイクロフォンである。

主面の方向が互いに異なる５枚の振動板Ｘ₁〜Ｘ₅を収納し、固定した固定枠１１は、支持枠１０で支持され、筐体側壁３１の上端に固定されている。図９に示した５枚の振動板Ｘ₁〜Ｘ₅は、それぞれ、図８（ａ）に示す２次元回折格子若しくは図８（ｂ）に示す１次元回折格子であるが、図９では、これらの反射型の回折格子面は下向きである（図９では、模式的に回折格子面が上向きであるかのように図示されているが、これは回折格子をイメージさせるための意図であり、現実には、穴（凹部）Ｈ_i-1,1，・・・・・，Ｈ_i,1，Ｈ_1,2，Ｈ_1,3，・・・・・，Ｈ_i+2,6が形成された回折格子面は下向きであり、図９には平らな底面が現れる。）。

５つの光源ＬＤ_１〜ＬＤ_５及び５つの光検出器ＰＤ_１〜ＰＤ₅は、それぞれ筐体側壁３１の下端に配置された筐体底板（実装基板）３２上に配列されている。筐体底板（実装基板）３２は、中央部に底部開口部３５を備え、５つの光源ＬＤ_１〜ＬＤ_５及び５つの光検出器ＰＤ_１〜ＰＤ₅は、底部開口部３５を囲むように、筐体底板３２上に配列されている。図９においては、２次元空間的に異なる位置に配置された５つの光源ＬＤ_１〜ＬＤ_５が、光源ＬＤ_１〜ＬＤ_５より照射された光が、主面の方向が互いに異なる５枚の振動板Ｘ₁〜Ｘ₅にそれぞれ入射可能なように光学軸が調整されている。更に、５枚の振動板Ｘ₁〜Ｘ₅で反射した光が、光検出器ＰＤ_１〜ＰＤ₅にそれぞれ入射可能なように、光学的に調整されて、光検出器ＰＤ_１〜ＰＤ₅が配置されている。筐体底板３２上には、更に５つの光源ＬＤ_１〜ＬＤ_５及び５つの光検出器ＰＤ_１〜ＰＤ₅の駆動・制御回路３３ａ〜３３ｄが配置されている。

図９に示す光検出器ＰＤ_１〜ＰＤ₅には、第１の実施の形態に係る電気音響変換素子と同様に、フォトダイオードアレイ等のイメージセンサを用いるのが好ましい。第２の実施の形態に係る電気音響変換素子においては、主面の方向が互いに異なる５枚の振動板Ｘ₁〜Ｘ₅には反射型の回折格子が形成されているので、５つの光源ＬＤ_１〜ＬＤ_５から照射された光波は、それぞれ対応する回折格子Ｘ₁〜Ｘ₅で反射し、５つのフォトダイオードアレイＰＤ_１〜ＰＤ₅の面上で回折像をもたらす。そして、反射型回折格子を備え、主面の方向が互いに異なる５枚の振動板Ｘ₁〜Ｘ₅の変位を光学的に光検出器ＰＤ_１〜ＰＤ₅で検出し、更に、第１の実施の形態に係る電気音響変換素子で説明した図４と同様なシステムを用いて、電気信号に変換する。第２の実施の形態に係る電気音響変換素子によれば、１枚の振動板集積基体で、多方位からの音波Ｓ₁〜Ｓ_nを検出することが可能になり、低コスト・省スペースの電気音響変換素子を提供することが可能になる。

本発明の第２の実施の形態の変形例（第１変形例）に係る電気音響変換素子は、図１０に示すように、音圧により振動し、主面の方向が互いに異なる５枚の振動板Ｘ₁〜Ｘ₅と、振動板Ｘ₁〜Ｘ₅の回折格子に光を照射する５つの光源ＬＤ_１〜ＬＤ_５と、回折格子で回折した光を検知し電気信号に変換する５つの光検出器ＰＤ_１〜ＰＤ₅とを備えた多方向同定光マイクロフォンである点で、図９に示した構成と同様である。

但し、主面の方向が互いに異なる５枚の振動板Ｘ₁〜Ｘ₅を収納し、固定した固定枠１１は、支持枠１０で支持され、筐体上部側壁３１ａと筐体下部側壁３１ｂとの間に固定されている点が図９とは異なる点である。筐体天板３９は、中央部に上部開口部３７を備えている。

５つの光源ＬＤ_１〜ＬＤ_５、５つの光検出器ＰＤ_１〜ＰＤ₅、及びこれらの光源ＬＤ_１〜ＬＤ_５，光検出器ＰＤ_１〜ＰＤ₅の駆動・制御回路３３ａ〜３３ｄが筐体底板（実装基板）３２上に配列されている点は、図９の構成と同様であり、重複した説明を省略する。

第２の実施の形態の変形例に係る電気音響変換素子も、図９と同様に、主面の方向が互いに異なる５枚の振動板Ｘ₁〜Ｘ₅が反射型の回折格子が形成されているので、光源ＬＤ_１〜ＬＤ_５から照射された光波は、それぞれ対応する回折格子Ｘ₁〜Ｘ₅で反射し、フォトダイオードアレイＰＤ_１〜ＰＤ₅の面上で回折像をもたらす。そして、反射型回折格子を備え、主面の方向が互いに異なる５枚の振動板Ｘ₁〜Ｘ₅の変位を光学的に光検出器ＰＤ_１〜ＰＤ₅で検出し、更にこれを図４と同様なシステムを用いて、電気信号に変換できる。

図１０に示した第２の実施の形態の変形例に係る電気音響変換素子によっても、１枚の振動板集積基体で、多方位からの音波Ｓ₁〜Ｓ_nを検出することが可能になり、低コスト・省スペースの電気音響変換素子を提供することが可能になる。

本発明の第２の実施の形態の他の変形例（第２変形例）に係る電気音響変換素子として、図１０に示す構成において、筐体天板３９の下面に、５つの光源ＬＤ_１〜ＬＤ_５、５つの光検出器ＰＤ_１〜ＰＤ₅及びこれらの光源ＬＤ_１〜ＬＤ_５，光検出器ＰＤ_１〜ＰＤ₅のそれぞれの駆動・制御回路３３ａ〜３３ｄを配列して多方向同定光マイクロフォンを構成しても良い。この場合は、図１０に示した５枚の振動板Ｘ₁〜Ｘ₅の回折格子面は上向きである。このような、筐体天板３９の下面に光源ＬＤ_１〜ＬＤ_５及び光検出器ＰＤ_１〜ＰＤ₅を配置した構成でも、光源ＬＤ_１〜ＬＤ_５より照射された光が、主面の方向が互いに異なる５枚の振動板Ｘ₁〜Ｘ₅にそれぞれ入射可能なように光学軸を調整し、振動板Ｘ₁〜Ｘ₅で反射した光が、光検出器ＰＤ_１〜ＰＤ₅にそれぞれ入射可能なように、光学的に調整すれば、図１０に示す構成と同様な動作が可能である。

（第３の実施の形態）
既に、第１の実施の形態に係る電気音響変換素子の図４の説明で、振動板Ｘ₁〜Ｘ_nの枚数はｎ＝５の場合に限定されないことを述べた。第３の実施の形態に係る振動板集積基体においては、ｎ＝９の場合について、説明する。即ち、図１１に示すように、第３の実施の形態に係る振動板集積基体は、３×３のマトリクス状に配列された９枚の振動板Ｘ₁〜Ｘ₉を有する。

図１１では、中央の振動板Ｘ₉は振動板集積基体の主面に対して正対して形成され４本の弾性梁２１によって接続されている。この中央の振動板Ｘ₉は、振動板集積基体の主面と正対した方位からの音源からの音圧に対して大きく変動し感度を示す。

中央の振動板Ｘ₉以外の振動板Ｘ₁〜Ｘ₈はアンカー（固定梁）１２ｐ，１２ｑ，１２ｒ，１２ｓから２点で接続している片持ち梁形状を形成している。半導体集積回路の製造プロセスと同様な加工プロセスを用いて、振動板Ｘ₁〜Ｘ₉の下部に空洞を形成すると、周辺の８枚の振動板Ｘ₁〜Ｘ₈は、弾性梁２１による片持ち梁構造のため、弾性梁２１に接続されていない側の端部は下降する。このとき、弾性梁２１の撓みにより下降した側の端部と振動板集積基体の主面との間に、意図的に付着（スティッキング）を発生させることで擬似的な両持ち梁構造の振動板Ｘ₁〜Ｘ₈を形成する。

周辺の８枚の振動板Ｘ₁〜Ｘ₈は、振動板集積基体の主面に対して斜角を有しているため、斜め方向の音波に対して感度を有する。ここで、アンカー（固定梁）１２ｐ〜１２ｓと接続されている弾性梁２１の本数は、設計レベルで可変でき、中央の振動板Ｘ₉に対し４本、周辺の８枚の振動板Ｘ₁〜Ｘ₈に対し２本というのは、必須の事項ではなく、設計仕様に応じて他の本数をフレキシブルに採用可能である。

図１１に示した第３の実施の形態の変形例に係る電気音響変換素子によっても、１枚の振動板集積基体で、９つの方位からの音波Ｓ₁〜Ｓ₉を検出することが可能になり、低コスト・省スペースの電気音響変換素子を提供することが可能になる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１〜第３の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

図１２は、斜角を有す振動板（第２振動板）Ｘ₃の自由端とＳｉの異方性エッチングによってもたらされた固定枠１１の内壁の壁とが付着（スティッキング）した状態を模式的に示したものである。図１２に示すように、振動板Ｘ₃の自由端とＳｉとの付着の精度と強度を向上させるため、振動板Ｘ₃の自由端側に、図１２にあるように接触面積を増やすための接触部材１９を付加して擬似的な両持ち梁構造を実現しても良い。同様に、第１の実施の形態に係る振動板集積基体の他の振動板Ｘ₁，Ｘ₂，Ｘ₄の自由端側に、図１２の接触部材１９を付加して、擬似的な両持ち梁構造を実現しても良い。更に、第２及び第３の実施の形態においても、図１２に示した接触部材１９を傾斜している振動板に付加しても良い。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明の第１の実施の形態に係る振動板集積基体の構造の概略を説明する模式的な鳥瞰図である。 図１のそれぞれの振動板に設けられる、透過型の回折格子の構造の概略を説明する模式的な鳥瞰図である。 本発明の第１の実施の形態に係る電気音響変換素子の構造の概略を説明する模式的な鳥瞰図である。 本発明の第１の実施の形態に係る電気音響変換システムにおいて、各音源からの、それぞれの音波を同定する構成の概略を説明するブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係る振動板集積基体の製造方法を説明する模式的な工程断面図である（その１）。 本発明の第１の実施の形態に係る振動板集積基体の製造方法を説明する模式的な工程断面図である（その２）。 本発明の第１の実施の形態に係る振動板集積基体の製造方法を説明する模式的な工程断面図である（その３）。 本発明の第２の実施の形態に係る振動板集積基体のそれぞれの振動板に設けられる、反射型の回折格子の構造の概略を説明する模式的な鳥瞰図である。 本発明の第２の実施の形態に係る電気音響変換素子の構造の概略を説明する模式的な鳥瞰図である。 本発明の第２の実施の形態の変形例に係る電気音響変換素子の構造の概略を説明する模式的な鳥瞰図である。 本発明の第３の実施の形態に係る振動板集積基体の構造の概略を説明する模式的な平面図である。 本発明の他の実施の形態に係る振動板集積基体の構造の一部を説明する模式的な鳥瞰図である。

符号の説明

１０…支持枠
１１…固定枠
１２ａ〜１２ｄ…固定梁
１３…アンカー（固定梁）
１９…接触部材
２１；２１ａ，２２ｂ；２１ｂ，２２ｃ；２１ｃ，２２ｄ；２１ｄ，２２ａ；２３ａ〜２３ｄ…弾性梁
３１…筐体側壁
３１ａ…筐体上部側壁
３１ｂ…筐体下部側壁
３２…筐体底板
３３ａ〜３３ｄ…制御回路
３５…底部開口部
３７…上部開口部
３９…筐体天板
４１…支持基板
４２…絶縁膜
４３，４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｌ，４３ｍ，４３ｑ，４３ｒ…単結晶Ｓｉ層（ＳＯＩ層）
４４，４４ａ，４４ｂ，４４ｃ、４４ｌ，４４ｍ，４４ｑ，４４ｒ…保護膜
４７…空洞部
４８…エッチング保護膜
Ａ_１〜Ａ_n…増幅器
Ｇ₁，Ｇ₂，Ｇ₃，・・・・・，Ｇ₆…溝（スリット又はＵ溝）
Ｈ_i-1,1，・・・・・，Ｈ_i,1，Ｈ_1,2，Ｈ_1,3，・・・・・，Ｈ_i+2,6… 穴（貫通孔又は凹部）
Ｑ₁，Ｑ₅，Ｑ₃…空洞（キャビティ）
Ｓ₁〜Ｓ_n…音波
Ｘ₁〜Ｘ_n…振動板（回折格子）
ｆ_Σ，ｆ_１〜ｆ_n…周波数スペクトル
ＦＦＴ，ＦＦＴ_１〜ＦＦＴ_n…高速フーリエ変換（ＦＦＴ）アナライザ
ＬＤ_１〜ＬＤ_n、…光源
ＰＤ_１〜ＰＤ_n…光検出器

Claims (6)

1. 回折格子をそれぞれ有し、音圧により振動する複数の振動板を備える振動板集積基体であって、前記複数の振動板は、
   主面が前記振動板集積基体の主面と平行な振動板と、
   主面が前記振動板集積基体の主面に対して傾いている振動板
   とを含むことを特徴とする振動板集積基体。
2. 音圧により振動しない固定梁と、
   該固定梁に一端を接続した複数の弾性梁
   とを更に備え、前記複数の振動板は、前記複数の弾性梁を介して前記固定梁に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の振動板集積基体。
3. 前記固定梁を固定する固定枠を更に備え、
   前記傾いている振動板は、一端を前記弾性梁の他端に接続し、多端を前記固定枠の一部に付着していることを特徴とする請求項２に記載の振動板集積基体。
4. 回折格子をそれぞれ有し、音圧により振動し、且つ、主面の方向が互いに異なる複数の振動板と、
   前記回折格子のそれぞれに光を照射する複数の光源と、
   前記回折格子で回折した光をそれぞれ検知し電気信号に変換する複数の光検出器
   とを備え、前記複数の振動板の変位をそれぞれ電気信号に変換することを特徴とする音響電気変換素子。
5. 回折格子をそれぞれ有し、音圧により振動し、且つ、主面の方向が互いに異なる複数の振動板と、
   前記回折格子のそれぞれに光を照射する複数の光源と、
   前記回折格子で回折した光をそれぞれ検知し電気信号に変換する複数の光検出器と、
   前記複数の光検出器が出力する時系列信号を周波数軸の信号に変換するフーリエ変換手段
   とを備え、前記複数の振動板の変位を、対応する複数の音源毎のスペクトルに変換し、前記複数の音源を同定することを特徴とする音響電気変換システム。
6. 基板の表面に、固定枠、該固定枠に接続された固定梁、該固定枠に一端を接続した複数の弾性梁、該弾性梁を介して前記固定枠に両持ち梁構造で支持された第１振動板、該弾性梁を介して前記固定枠に片持ち梁構造で支持された第２振動板を形成する工程と、
   前記第１及び第２振動板に、それぞれ回折格子を形成する工程と、
   前記第１及び第２振動板の底部にそれぞれ空洞を形成する工程と、
   前記第２振動板を接続する弾性梁を、前記第２振動板の自重で撓ませ、前記第２振動板の主面を前記基板の表面に対して斜めとなし、前記第２振動板の前記弾性梁で支持されない側の端部を前記基板の一部に付着させる工程
   とを含むことを特徴とする振動板集積基体の製造方法。
   

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