JP2021117135A - 音波制御器および音響機器 - Google Patents

Abstract

【課題】音波の反射率および透過率を能動的、且つ、効率的に制御する。【解決手段】音波制御器１００は、電極１４を有する膜構造体１１と、電極１５を有する基板１３と、膜構造体１１および基板１３に囲まれ、且つ、電極１４と電極１５との間に位置するギャップ層１２と、電極１４および電極１５に電気的に接続された直流電源１６とを備える。直流電源１６から電極１４および電極１５へ印加される電圧をそれぞれ調整することで、膜構造体１１における音波ＳＷ６の反射率が制御される。【選択図】図５

Description

本発明は、音波制御器および音響機器に関し、特に、物体を伝搬する音波の反射率を制御可能な音波制御器、および、その音波制御器を用いた音響機器に関する。

可聴域または超音波領域に限定されることなく、音波を利用する様々な音響機器および音響施設が利用されている。上記音響機器の例として、スピーカー、マクロフォン、医療用超音波装置、非破壊検査装置または海洋ソナーなどがあり、上記音響施設の例として、音楽ホールなどがある。これらの音響機器および音響施設では、目的に応じて、様々な物体に対して音波を効率的に透過または反射させることが行なわれる。

例えば、海洋ソナーでは、送信器および受信器が別々に設置される場合があるが、送信器の前方に受信器が設置される場合、送信時では、送信器から送信される音波を、効率的に受信器を透過させて周囲に放射させることが望まれる。一方で、受信時では、受信器の前面側から伝達される音波のみを高感度に受信することが望まれ、受信器の背面側から伝達される音波を遮断し、音波を効率的に反射したいという要求がある。

また、音楽ホールでは、演奏の内容またはホールの観客の配置などによって、室内の壁、天井および床などからの反響音を能動的に制御したいという要求がある。また、将来的には、音波の反射および透過を平面上において制御することで、音響的な模様を作り出す技術（音響ディスプレイ）または音響上の擬態などが考案されている。

単純な均質媒質（弾性体）の場合、音波の反射率および透過率は、弾性体の音響インピーダンス、弾性体の厚さおよび音波の波長によって決定されるという事は、音響伝搬理論から周知の事実である。

同じ音響機器および音響施設においては、その時々で透過率および反射率を変化させたい場合がある。一般的に、均一な弾性体としてバルク材料が用いられる場合、バルク材料の固有音響インピーダンスと周囲の固有音響インピーダンスとの差が大きいので、厚いバルク材料を介在させることで、音波が透過し難くなる。逆に、薄いバルク材料を介在させることで、音波が透過し易くなる。従って、弾性体によって音波の反射および透過を同時に最適化することは、困難である。

音波の送受信を行う音波制御器の一種として、音波トランスデューサが知られている。従来では、圧電現象を利用した圧電セラミクスを用いた音波トランスデューサが主流であったが、近年では、コンデンサ型のマイクロフォン、または、半導体プロセスを応用したＣＭＵＴ（Capacitive Micromachined Ultrasound Transducer）構造と呼ばれる音響デバイスが用いられている。

例えば、特許文献１には、空洞部を介して設置された電極に、ある一定の電圧を印加することで、超音波トランデューサとしての周波数特性を変化させることが可能なＣＭＵＴ構造が開示されている。

特表２０１６−５３３８２５号公報

上述のように、均一な弾性体であるバルク材料を用いて、音波の反射および透過を制御することは、原理的に困難である。少なくとも、効率的な反射を行うためには、バルク材料が一定の固有音響インピーダンスおよび厚さを有している必要がある。それ故、設置場所の確保が困難となる問題、または、重量の増加という問題が発生する。

音波トランスデューサの送受信特性を変化させる方法は存在するが、物体を伝搬する音波の反射率および透過率を、能動的、且つ、効率的に制御することができないという課題がある。仮に、小型または薄い音波制御器によって、物体を伝搬する音波の反射率および透過率を能動的に変化させることが可能となれば、より広い分野における応用が期待できる。従って、そのような音波制御器の開発が望まれ、音波の反射率および透過率を精度良く制御できるように、音波制御器の性能を向上させる技術の構築が望まれる。また、音波制御器を用いた音響機器の性能を向上させることが望まれる。

その他の目的および新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになる。

本願において開示される実施の形態のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

一実施の形態における音波制御器は、第１電極を有する膜構造体と、第２電極を有する第１基板と、前記膜構造体および前記第１基板に囲まれ、且つ、前記第１電極と前記第２電極との間に位置するギャップ層と、前記第１電極および前記第２電極に電気的に接続された直流電源と、を備える。ここで、前記直流電源から前記第１電極へ印加される電圧は、前記直流電源から前記第２電極へ印加される電圧と逆極性であり、前記直流電源から前記第１電極および前記第２電極へ印加される電圧をそれぞれ調整することで、前記膜構造体における音波の反射率が制御される。

一実施の形態によれば、性能の良い音波制御器を提供できる。また、音響機器の性能を向上させることができる。

実施の形態１における具体的な課題を説明するための断面図である。 実施の形態１で利用される基本的な物理現象の説明図である。 実施の形態１で利用される基本的な物理現象の説明図である。 実施の形態１で利用される基本的な物理現象の説明図である。 実施の形態１で利用される基本的な物理現象の説明図である。 実施の形態１で利用される基本的な物理現象の説明図である。 実施の形態１で利用される基本的な物理現象の説明図である。 実施の形態１における音波制御器を示す断面図である。 実施の形態１における音波制御器を示す詳細な断面図である。 実施の形態１における音波の反射率および周波数の関係を示すグラフである。 実施の形態１における音波の反射率および周波数の関係を示すグラフである。 実施の形態１における音波の反射率および周波数の関係を示すグラフである。 実施の形態１における音波の反射率および周波数の関係を示すグラフである。 変形例１における音波制御器を示す断面図である。 変形例２における音波制御器を示す断面図である。 変形例３における音波制御器を示す断面図である。 実施の形態２における海洋ソナーを示す断面図である。 実施の形態２における海洋ソナーの一部を示す要部断面図である。 実施の形態３における音響ディスプレイを示す断面図である。 実施の形態３における音響ディスプレイを示す平面図である。 実施の形態４における音波制御器を示す断面図である。 変形例４における音波制御器を示す断面図である。 変形例５における音波制御器を示す断面図である。 実施の形態５における音波制御器を示す断面図である。

以下、実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。

また、実施の形態を説明する図面においては、構成を分かり易くするために、平面図であってもハッチングを付す場合もあるし、断面図であってもハッチングを省略する場合もある。

（実施の形態１）
まず、図１を用いて、実施の形態１における具体的な課題について説明する。図１には、音波を利用する音響機器として、海洋ソナー２００が例示されている。

図１に示されるように、海洋ソナー２００は、複数の受信器１および送信器２を備える。複数の受信器１の各々は、音波を受信するための受信回路を有し、送信器２は、音波を送信するための送信回路を有する。

複数の受信器１は、送信器２を中心として、送信器２の周囲に複数の独立チャネルとしてアレイ化されて配置されている。送信器２は周囲に音波を送信し、送信器２から送信された音波はある物体に伝達される。上記物体で反射した音波を受信器１によって受信することで、上記物体の存在などを把握することが可能となる。

送信器２から送信された音波のうち、一部が受信器１を透過する透過波（送信音波）ＳＷ１となり、他の一部が受信器１で反射する反射波（送信音波）ＳＷ２となる。送信時において、透過波ＳＷ１が受信器１を透過する必要があるが、限られた消費可能なエネルギーの中で、透過波ＳＷ１をより効率的に周囲に送信するためには、反射波ＳＷ２の発生を抑制する必要がある。それ故、通常、受信器１は薄く構成され、音波が透過しやすい構造となっている。

一方で、受信時において、受信器１の前面側から伝搬される受信音波ＳＷ３のみを、選択的に受信することが効率的である。しかしながら、受信器１が受信する音波には、受信器１を透過し、送信器２で反射して受信器１に到達する背面反射波（受信音波）ＳＷ４、および、背面側に存在する他の受信器１を透過した背面透過波（受信音波）ＳＷ５などが含まれる。

そうすると、前面側からの受信音波ＳＷ３と、背面側からの背面反射波ＳＷ４および背面透過波ＳＷ５との区別がつかない状況が発生する。それ故、高精度に物体の情報が取得できないという問題がある。従って、送信時には受信器１を効率的に透過させ、受信時には受信器１の背面側からの音波を効率的に反射させる技術が求められる。

次に、図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａおよび図４Ｂを用いて、実施の形態１で利用される基本的な物理現象について説明する。

図２Ａは、弾性体であるバルク材料における音波の反射および透過を示す断面図であり、図２Ｂは、反射率および周波数の関係を示すグラフである。図２Ａまたは図２Ｂにおいて、符号ｚ_１はバルク材料の固有音響インピーダンスであり、符号ｚ_０および符号ｚ_２はバルク材料の外部の物質の固有音響インピーダンスであり、符号Ｄはバルク材料の厚さである。周波数ｆは、音波の位相速度ｃおよび音波の波長λの除算（ｆ＝ｃ／λ）で表される。

バルク材料に対して音波ＳＷ６が入射した場合、音波ＳＷ６のうち、一部が反射波ＳＷ７となり、他の一部が透過波ＳＷ８となる。また、反射率Ｒは、バルク材料の厚さＤが無限である場合（Ｄ＝∞）、すなわち、厚さＤが関心周波数の波長λよりも十分厚い場合（λ＜＜Ｄ）には、以下の式（１）で表される。透過率Ｔは、以下の式（２）で表される。なお、ここでは、海中のような状況を想定し、固有音響インピーダンスｚ_２が固有音響インピーダンスｚ_０と等しいとする（ｚ_２＝ｚ_０）。

Ｒ ＝（ｚ_１−ｚ_０）／（ｚ_１＋ｚ_０） （１）
Ｔ＝１−Ｒ ＝２ｚ_１／（ｚ_１＋ｚ_０） （２）
図２Ｂに示されるように、バルク材料の厚さＤが無限（Ｄ＝∞）である場合、周波数依存性はなく、反射率Ｒは一定値となる。一方で、厚さＤが有限である場合（Ｄ≠∞）、すなわち、厚さＤが関心周波数の波長λよりも十分厚くない場合、低周波帯では音波ＳＷ６が反射せず、透過波ＳＷ８がバルク材料を透過するようになる。言い換えれば、波長が長い領域では反射率が低く、透過波ＳＷ８がバルク材料を透過するようになる。従って、バルク材料の材料が決定している場合、音波ＳＷ６の透過率Ｔおよび反射率Ｒは、波長λに対して厚さＤでしか制御できず、一定値となる。

また、本願で表現される「関心周波数」とは、利用したい音波の周波数を意味し、「関心周波数帯域」とは、利用したい音波の周波数の範囲を意味する。例えば、本願における音響機器である海洋ソナーなどで用いられる関心周波数帯域は、数ｋＨｚ〜数百ｋＨｚである。ただし、関心周波数帯域は用途によって異なるので、関心周波数帯域はその用途に合わせて適宜設計される。

図３Ａは、バルク材料を有する基板１３と、薄い板状の膜構造体１１と、これらに囲まれたギャップ層１２とからなる構造体を示す断面図である。図３Ｂは、反射率および周波数の関係を示すグラフである。なお、図３Ａにおける厚さＤは、上記構造体の厚さであり、図２Ａにおける厚さＤと同等である。また、ギャップ層１２は、空洞部と、空洞部に存在する気体または液体によって構成されている。

膜構造体１１では、ある周波数にて定在波が励起され、定在波が大振幅となった時に、膜構造体１１が振動する。この周波数を共振周波数ｆ_ｒｅｓと呼ぶ。共振周波数ｆ_ｒｅｓは、膜構造体１１の形状、材質および厚さなどで決定され、様々な振動モードによって複数の共振周波数が存在する。

膜構造体１１に音波ＳＷ６が入射した場合、ギャップ層１２の周囲に位置する膜構造体１１に力が加わることで、一部のエネルギーは透過波ＳＷ８として透過し、他の一部のエネルギーは反射波ＳＷ７として反射する。この場合、膜構造体１１の共振周波数ｆ_ｒｅｓでは、音波ＳＷ６は定在波となるので、その周波数のエネルギーは膜構造体１１に閉じ込められる。その結果、ギャップ層１２に接する膜構造体１１において、透過波ＳＷ８は伝搬し難くなり、そのエネルギーの多くが反射波ＳＷ７として反射する。

すなわち、図３Ｂに示されるように、膜構造体１１の共振周波数ｆ_ｒｅｓの付近では、反射率Ｒは、バルク材の材質および厚さＤに依存せず、大きくなる。言い換えれば、反射率Ｒは、厚さＤが波長λよりも十分小さい場合であっても、大きくなる。

図４Ａは、図３Ａに示される膜構造体１１が基板１３に接触している状態を示す断面図である。図４Ｂは、反射率および周波数の関係を示すグラフである。

上述のように、膜構造体１１の共振周波数ｆ_ｒｅｓはその形状にも依存する。図４Ａに示されるように、ギャップ層１２を介して対向していた膜構造体１１および基板１３が接触することで、その共振周波数は全体的に高周波側に移動する。従って、音波ＳＷ６が入射した際に、高い反射率を示す共振周波数も高周波側に移動する。すなわち、図４Ｂに示されるように、図３Ａの状態である共振周波数ｆ_ｒｅｓ０から図４Ａの状態である共振周波数ｆ_ｒｅｓ１へ移動する。それ故、膜構造体１１および基板１３が接触する前に共振周波数ｆ_ｒｅｓ１付近で発生した反射波ＳＷ７は、接触後においてほぼ発生せず、音波ＳＷ６の大部分が透過波ＳＷ８として膜構造体１１を透過する。

実施の形態１では、上記現象を利用して、音波の反射率および透過率を能動的に制御できる音波制御器を提供する。

図５は、実施の形態１における音波制御器１００を示す断面図であり、音波ＳＷ６の反射時および透過時におけるそれぞれの音波制御器１００の状態を示している。図６は、音波制御器１００を示す詳細な断面図である。図７は、反射率および周波数の関係を示すグラフである。

実施の形態１における音波制御器１００は、例えばスピーカー、マクロフォン、医療用超音波装置、非破壊検査装置、海洋ソナーまたは音響ディスプレイのような様々な音響機器に用いられる。

図５に示されるように、音波制御器１００は、電極１４を有する膜構造体１１、電極１５を有する基板１３、膜構造体１１と基板１３との間に位置するギャップ層１２、および、直流電源１６を備える。膜構造体１１、ギャップ層１２および基板１３によってＣＭＵＴ構造が構成されている。また、図５では、膜構造体１１側から音波ＳＷ６が入射する様子が示されている。

図６に示されるように、基板１３は、例えば、半導体基板ＳＵＢ、絶縁膜ＩＦ１、電極１５および絶縁膜ＩＦ２を含む積層構造体からなる。半導体基板ＳＵＢは、例えばシリコンのような半導体材料からなる。絶縁膜ＩＦ１は、半導体基板ＳＵＢ上に形成され、例えば酸化シリコンからなる。電極１５は、絶縁膜ＩＦ１上に形成され、例えばアルミニウム、チタンまたはタングステンのような導電性膜からなる。絶縁膜ＩＦ２は、電極１５上に形成され、例えば酸化シリコンからなる。

なお、基板１３の積層構造体は、上記構成に限られず、音波が透過可能な物質であれば、他の絶縁膜および他の導電性膜を含んでいてもよい。また、基板１３の積層構造体は、例えば絶縁膜ＩＦ２の形成が省略されていてもよい。

膜構造体１１は、例えば、絶縁膜ＩＦ３、電極１４および絶縁膜ＩＦ４を含む積層構造体からなる。絶縁膜ＩＦ３は、絶縁膜ＩＦ２上に形成され、例えば酸化シリコンからなる。電極１４は、絶縁膜ＩＦ３上に形成され、例えばアルミニウム、チタンまたはタングステンのような導電性膜からなる。絶縁膜ＩＦ４は、電極１４上に形成され、例えば窒化シリコンからなる。

なお、膜構造体１１の積層構造体は、上記構成に限られず、音波が透過可能な物質であれば、他の絶縁膜および他の導電性膜を含んでいてもよい。また、膜構造体１１の積層構造体は、例えば絶縁膜ＩＦ３または絶縁膜ＩＦ４の形成が省略されていてもよい。

半導体基板ＳＵＢ、各絶縁膜および各導電性膜の各々の厚さは、特に限定されないが、ここでは基板１３の厚さが、ギャップ層１２を介して対向している膜構造体１１の厚さよりも厚くなっている。なお、ここで言う厚さとは、膜構造体１１、ギャップ層１２および基板１３の積層方向における厚さである。

ギャップ層１２は、膜構造体１１および基板１３によって囲まれている。具体的には、ギャップ層１２は、膜構造体１１および基板１３によって囲まれた空洞部と、上記空洞部に存在する気体とによって構成されている。上記気体は、例えば窒素ガスのような不活性ガスまたは空気である。なお、ギャップ層１２の上記空洞部には、上記気体に代えて液体が存在していてもよい。

また、図６では、絶縁膜ＩＦ３が絶縁膜ＩＦ２に接触している箇所と、絶縁膜ＩＦ３が絶縁膜ＩＦ２から離間している箇所とが存在する。絶縁膜ＩＦ３および絶縁膜ＩＦ２が互いに離間し、絶縁膜ＩＦ２および絶縁膜ＩＦ３によって囲まれた箇所が、ギャップ層１２を構成している。

また、ギャップ層１２は、電極１４と電極１５との間に設けられている。ここでは図示を省略するが、ギャップ層１２は、膜構造体１１、ギャップ層１２および基板１３の積層方向に対して垂直な平面視において、電極１４および電極１５に重なる位置に設けられる。従って、電極１４と電極１５との間で発生する電界は、ギャップ層１２の内部に発生する。

図５に示されるように、直流電源１６は、膜構造体１１および基板１３の外部に設けられ、電極１４および電極１５に電気的に接続されている。直流電源１６は、正電圧または負電圧を供給するための端子１６ａおよび端子１６ｂを有し、端子１６ａは、配線などの導電性膜を介して電極１４に電気的に接続され、端子１６ｂは、配線などの導電性膜を介して電極１５に電気的に接続されている。従って、端子１６ａおよび端子１６ｂに、正電圧または負電圧を印加させることが可能となっている。

なお、端子１６ａおよび端子１６ｂの何れかが、正電圧側でもよいし、負電圧側でもよい。すなわち、電極１４に正電圧を印加させ、且つ、電極１５に負電圧を印加させてもよいし、電極１４に負電圧を印加させ、且つ、電極１５に正電圧を印加させてもよい。

また、直流電源１６は、一定の電圧のみだけでなく、所望の電圧となるように、電圧の大きさを変更可能な電源である。ここでは図示はしないが、直流電源１６は、電極１４および電極１５への電圧印加の可否を制御する制御回路に、電気的に接続されている。また、電極１４および電極１５へ印加する電圧の大きさも、上記制御回路によって制御される。

図５の「反射時」は、膜構造体１１において音波ＳＷ６を反射させる場合の音波制御器１００の状態を示し、図５の「透過時」は、膜構造体１１において音波ＳＷ６を透過させる場合の音波制御器１００の状態を示している。なお、音波ＳＷ６が十分に透過できるように、音波制御器１００の厚さは設計されている。すなわち、音波制御器１００の厚さは、図３Ｂにおける厚さＤに相当し、関心周波数帯域における波長λよりも小さいことが望ましい。

「反射時」の状態と「透過時」の状態とは、ある一定の閾値電位差ΔＶｔｈを境界として制御される。ここでは、「反射時」の状態は、電極１４に印加される電圧および電極１５に印加される電圧の電位差の絶対値が、閾値電位差ΔＶｔｈの絶対値よりも小さい場合であり、「透過時」の状態は、電極１４に印加される電圧および電極１５に印加される電圧の電位差の絶対値が、閾値電位差ΔＶｔｈの絶対値以上の場合である。なお、本願で電圧または電位差の大きさを比較する場合、特別な理由が無い限り、その大きさは絶対値として比較されることを意味する。

直流電源１６から電極１４および電極１５へ電圧を印加した場合、電極１４と電極１５との間に発生する静電気力によって、基板１３と膜構造体１１とが互いに引き合い、相対的に厚さの薄い膜構造体１１が基板１３よりもより大きく変位し、基板１３の表面に近づいていく。そして、電極１４に印加された電圧および電極１５に印加された電圧の電位差が、閾値電位差ΔＶｔｈ以上になると、膜構造体１１は基板１３に接触する。このように、直流電源１６から印加される電圧を調整することで、膜構造体１１と基板１３との接触を制御し、膜構造体１１における音波の反射率を制御することができる。

「反射時」では、ギャップ層１２を介して対向している膜構造体１１および基板１３が離間するように、直流電源１６から電極１４および電極１５へ印加される電圧が調整される。

例えば、「反射時」では、直流電源１６から電極１４へ絶対値の小さい第１電圧が印加され、直流電源１６から電極１５へ絶対値の小さい第２電圧が印加され、第１電圧および第２電圧の電位差ΔＶｄｃ１ａの絶対値が閾値電位差ΔＶｔｈの絶対値よりも小さくなる。または、「反射時」では、直流電源１６から電極１４および電極１５へ電圧が印加されない。なお、電極１４へ印加される第１電圧と、電極１５へ印加される第２電圧とは、互いに逆極性である。また、電位差ΔＶｄｃ１ａは、後述の電位差ΔＶｄｃ１ｂよりも絶対値の小さい電位差である。

ここで、図７に示されるように、このときの膜構造体１１の共振周波数がｆ_ｒｅｓ０である場合、共振周波数ｆ_ｒｅｓ０付近では、反射率が高いので、音波ＳＷ６は膜構造体１１において高効率で反射する。

「透過時」では、ギャップ層１２を介して対向していた膜構造体１１および基板１３が接触するように、直流電源１６から電極１４および電極１５へ印加される電圧が調整される。

例えば、「透過時」では、直流電源１６から電極１４へ絶対値の大きい第３電圧が印加され、直流電源１６から電極１５へ絶対値の大きい第４電圧が印加され、第３電圧および第４電圧の電位差ΔＶｄｃ１ｂの絶対値が閾値電位差ΔＶｔｈの絶対値以上になる。なお、電極１４へ印加される第３電圧と、電極１５へ印加される第４電圧とは、互いに逆極性である。また、電位差ΔＶｄｃ１ｂは、上述の電位差ΔＶｄｃ１ａよりも絶対値の大きい電位差である。

ここで、図７に示されるように、共振周波数がｆ_ｒｅｓ０からｆ_ｒｅｓ１へ移動する。共振周波数ｆ_ｒｅｓ０付近では、反射率が低いので、音波制御器１００の厚さが小さくなるほど、膜構造体１１において音波ＳＷ６は高効率で透過する。

以上のように、実施の形態１によれば、音波の反射率および透過率を能動的に変化させることが可能な音波制御器１００を提供できる。また、上述のように、音波ＳＷ６の反射率および透過率は、直流電源１６の電圧調整によって精度良く制御されるので、性能の良い音波制御器１００を提供できる。

また、実施の形態１における直流電源１６は、電圧の大きさを変更可能な電源である。それ故、共振周波数の帯域を調整することができる。

例えば、上述のように、反射時の高効率な反射帯域は、膜構造体１１の共振周波数によって決定される。ＣＭＵＴ構造において、共振周波数は、膜構造体１１と、電極１４に印加された電圧および電極１５に印加された電圧の電位差の大きさとに依存する。例えば、上記電位差が大きいほど共振周波数は低周波帯域へ移動する。図８には、その様子が示されている。

図８に示されるように、反射時において、直流電源１６から電極１４および電極１５へ図７よりも大きな電圧を印加した場合、これらの電位差は、閾値電位差ΔＶｔｈよりも小さく、且つ、電位差ΔＶｄｃ１ａよりも大きな電位差ΔＶｄｃ２ａとなる。この場合、共振周波数ｆ_ｒｅｓ０が低周波側へ移動する。このように、反射帯域を比較的自由に調整することができるので、音波制御器１００は、様々な波長を有する音波に対応できる。

また、透過時における膜構造体１１および基板１３の接触面積は、直流電圧によって制御することができ、この接触面積に応じて接触時の共振周波数も決定される。従って、直流電圧の大きさを制御することで、反射帯域を高効率で制御することが可能となる。図９には、その様子が示されている。

図９に示されるように、透過時において、直流電源１６から電極１４および電極１５へ図７よりも大きな電圧を印加した場合、これらの電位差は、閾値電位差ΔＶｔｈ閾値電位差ΔＶｔｈ以上であり、且つ、電位差ΔＶｄｃ１ｂよりも大きな電位差ΔＶｄｃ２ｂとなる。この場合、膜構造体１１および基板１３の接触面積が増加する。そうすると、共振周波数ｆ_ｒｅｓ１が高周波側へ移動する。このように、透過帯域を比較的自由に調整することができるので、音波制御器１００は、様々な波長を有する音波に対応できる。

また、図７、図８および図９に示した周波数特性では、膜構造体１１の共振周波数は、無数に存在する膜構造体１１の共振周波数のうち、最も低次の基本波モード（低次モード）によって例示されていた。しかしながら、実際には、膜構造体１１の共振周波数は、低次モード、および、低次モードよりも高次の高次モードを含む振動モードを有する。

図１０には、低次モードの共振周波数ｆ_ｒｅｓ０と、その次の高次モードの共振周波数ｆ_ｒｅｓ２とを含む周波数特性が示されている。実施の形態１において、膜構造体１１における音波の透過および反射には、低次モードおよび高次モードの何れも利用可能である。

また、上述の説明において、音波制御器１００について、二次元の断面構造のみが示されていたが、重要なのは膜構造体１１の共振周波数である。従って、共振周波数が制御できる限りにおいて、膜構造体１１、ギャップ層１２および基板１３の積層方向に対して垂直な平面視における膜構造体１１の平面形状は、様々な形状を適用でき、例えば矩形状、円形状または最密六角形状である。

（変形例１、変形例２）
以下に、実施の形態１の変形例１および変形例２を説明する。図１１は、変形例１における音波制御器１００を示す断面図であり、図１２は、変形例２における音波制御器１００を示す断面図である。

図５では、膜構造体１１の内部に電極１４が設けられ、基板１３の内部に電極１５が設けられていた。しかしながら、静電気力による膜構造体１１の変形が可能であれば、電極１４および電極１５の形成位置は、それぞれ個別に変更可能である。

例えば、図１１に示されるように、電極１４および電極１５がギャップ層１２において露出されていてもよい。より詳細には、図６を参照して、電極１４が絶縁膜ＩＦ２上に形成されていてもよく、電極１５が絶縁膜ＩＦ３下に形成されていてもよい。また、ギャップ層１２において露出される電極は、電極１４および電極１５の両方であってもよいし、何れか一方だけであってもよい。

なお、透過時において、電極１４および電極１５が直接接触するが、例えば電極１４側に抵抗素子を設けることで、これらが接触した場合でも、大きな電流が流れることを抑制できる。

また、図１２に示されるように、膜構造体１１の外部に露出するように、電極１４がギャップ層１２から最も遠い箇所に位置していてもよい。より詳細には、図６を参照して、電極１４が絶縁膜ＩＦ４上に形成されていてもよい。

（変形例３）
以下に、実施の形態１の他の変形例３を説明する。図１３は、変形例３における音波制御器１００を示す断面図である。

図５では、膜構造体１１側から音波ＳＷ６が入射した場合を例示した。図１３に示されるように、基板１３側から音波ＳＷ６が入射した場合であっても、電極１４および電極１５に適切な電圧を印加することで、膜構造体１１において音波ＳＷ６の反射率および透過率を制御することができる。

（実施の形態２）
以下に図１４および図１５を用いて、実施の形態２における海洋ソナー２００を説明する。なお、以下の説明では、実施の形態１との相違点を主に説明する。図１４は、海洋ソナー２００を示す断面図であり、図１５は、図１４において破線で囲まれた領域を拡大した要部断面図である。なお、図１５では、図面を見易くするために、音波制御器１００のうち電極１４、電極１５および直流電源１６の図示を省略している。

海洋ソナー２００は、実施の形態１における音波制御器１００を用いた音響機器である。図１４に示されるように、海洋ソナー２００は、複数の受信器１および送信器２を備える。複数の受信器１の各々は、音波を受信するための受信回路を有し、送信器２は、音波を送信するための送信回路を有する。音波制御器１００は、送信器２と、複数の受信器１の各々との間に設けられている。

複数の受信器１および送信器２の各々の機能と、これらで扱われる送信音波および受信音波については、図１の説明を参照されたい。

図１５の「送信時」に示されるように、送信器２から送信音波ＳＷ１を周囲に送信するタイミングにおいて、電極１４に印加された電圧および電極１５に印加された電圧の電位差を、閾値電位差ΔＶｔｈ以上に調整することで、膜構造体１１と基板１３とを接触させる。送信音波ＳＷ１は、音波制御器１００を高効率で透過するので、送信音波ＳＷ１の損失が抑制される。

図１５の「受信時」に示されるように、受信器１の前面から伝搬される受信音波ＳＷ３を受信するタイミングにおいて、電極１４に印加された電圧および電極１５に印加された電圧の電位差を、閾値電位差ΔＶｔｈよりも小さく調整することで、膜構造体１１と基板１３とを離間させる。受信器１の背面側から侵入してくる背面反射波ＳＷ４および背面透過波ＳＷ５は、膜構造体１１において高効率で反射するので、受信音波ＳＷ３と、背面反射波ＳＷ４および背面透過波ＳＷ５との区別がつかなくなるような不具合が抑制できる。

以上のように、音波制御器１００を搭載した海洋ソナー２００によって、送信時には受信器１を効率的に透過させ、受信時には受信器１の背面側からの音波を効率的に反射させることができるので、音響機器である海洋ソナー２００の性能を向上させることができる。

また、図１５では、基板１３が受信器１側に位置し、且つ、膜構造体１１が送信器２側に位置している。ここで、図５のように膜構造体１１側から音波が入射した場合、または、図９のように基板１３側から音波が入射した場合の何れであっても、膜構造体１１において音波の反射率および透過率を制御することはできる。

しかしながら、音波制御器１００では、相対的に厚さの薄い膜構造体１１によって、音波の反射率を能動的に制御している。それ故、背面反射波ＳＷ４および背面透過波ＳＷ５の近くに膜構造体１１が位置していることで、背面反射波ＳＷ４および背面透過波ＳＷ５をより高効率で反射させることができる。

（実施の形態３）
以下に図１６および図１７を用いて、実施の形態３における音響ディスプレイ３００を説明する。なお、以下の説明では、実施の形態１との相違点を主に説明する。図１６は、音響ディスプレイ３００を示す断面図であり、図１７は、音波制御器１００および減衰層１７の積層方向に対して垂直な平面視における音響ディスプレイ３００の平面図である。なお、図１６では、図面を見易くするために、音波制御器１００のうち膜構造体１１以外の図示または符号を省略している。

音響ディスプレイ３００は、実施の形態１における音波制御器１００を用いた音響機器である。図１６に示されるように、音響ディスプレイ３００は、複数の減衰層１７と、複数の音波制御器１００とを備える。複数の減衰層１７の各々は、その内部を伝搬する音波の振幅を減少させる性質を有する。

複数の減衰層１７の表面には、それぞれ複数の音波制御器１００が設けられている。一つの減衰層１７に入射される音波ＳＷ９の反射率は、その表面に設けられた一つの音波制御器１００によって個別に制御される。従って、複数の減衰層１７は、平面視における二次元的なアレイとして認識され、図１７に示されるような音響的な模様を構成する。図１７では、音響的な模様として、英字の「Ｈ」に類似した模様が例示されている。

以上のように、音波制御器１００によって、減衰層１７に入射される音波ＳＷ９の反射率および透過率を能動的に制御できる。従って、音響機器である音響ディスプレイ３００の性能を向上させることができる。

なお、図１６および図１７では、複数の減衰層１７がそれぞれ個別の層として図示されているが、複数の減衰層１７は、一体化した一つの減衰層であってもよい。その場合、複数の音波制御器１００に対応する複数の領域の集合を、一体化した減衰層として認識することもできる。すなわち、実施の形態３における複数の減衰層１７は、それぞれ個別の減衰層であるか、一つの減衰層の複数の領域である。

また、図１６では、相対的に厚さの薄い膜構造体１１が、音波ＳＷ９の近くに位置している。すなわち、複数の音波制御器１００の各々の基板１３が、減衰層１７側に位置している。それ故、音波ＳＷ９をより高効率で反射させることができる。

（実施の形態４）
以下に図１８を用いて、実施の形態４における音波制御器１００を説明する。なお、以下の説明では、実施の形態１および実施の形態２との相違点を主に説明する。図１８は、実施の形態４における音波制御器１００を示す断面図である。

実施の形態２では、実施の形態１における音波制御器１００は、受信器１および送信器２とは別の構造体として設けられ、送信器２と受信器１との間に設けられていた。実施の形態４における音波制御器１００は、受信器１を備え、受信器１と一体化している。

図１８に示されるように、実施の形態４における受信器１は、電極２４を有する膜構造体２１、電極２５を有する基板２３、膜構造体２１と基板２３との間に位置するギャップ層２２、直流電源２６および受信回路２７を備える。受信器１は、音波制御器１００とほぼ同様なＣＭＵＴ構造によって構成され、受信器１および音波制御器１００は、それぞれ異なる直流電源１６および直流電源２６によって、個別に制御される。

膜構造体２１および基板２３は、膜構造体１１および基板１３に使用されている各絶縁膜および各導電性膜を適用し、それらを適宜積層させた積層構造体からなる。ギャップ層２２は、膜構造体２１および基板２３によって囲まれ、ギャップ層１２と同様に、空洞部と、上記空洞部に存在する気体または液体とによって構成されている。

また、基板２３は、基板１３の半導体基板ＳＵＢと同様な半導体基板を備える。実施の形態４では、基板１３および基板２３が接合されることで、音波制御器１００および受信器１が一体化している。具体的には、基板１３の半導体基板ＳＵＢと、基板２３の半導体基板とが接合されている。

また、受信器１は、基板２３上に形成され、且つ、音波ＳＷ３を受信するための受信回路２７を有する。受信回路２７は、電極２４および直流電源２６に電気的に接続されている。具体的には、受信回路２７は、基板２３の半導体基板に形成された半導体素子と、上記半導体素子上に電気的に接続された配線層とによって構成され、上記配線層は、電極２４を介して直流電源２６に電気的に接続されている。

このような受信器１と一体化した音波制御器１００においても、音波の反射率および透過率を能動的に制御できる。従って、送信時には、送信音波ＳＷ１を透過させることができ、受信時には、背面反射波ＳＷ４および背面透過波ＳＷ５を効率的に反射させ、受信音波ＳＷ３を受信することができる。

なお、実施の形態４では、ＣＭＵＴ構造の受信器１を例示したが、受信器１は、ＣＭＵＴ構造でなく、例えば公知の圧電素子によって構成されていてもよい。

また、実施の形態４では、図１８の構造体は、受信器１を備えた音波制御器１００であると説明しているが、図１８の構造体は、音波制御器１００を備えた受信器１であると言い換えることもできる。

（変形例４）
以下に、実施の形態４の変形例４を説明する。図１９は、変形例４における音波制御器１００を示す断面図である。

図１９に示されるように、変形例４における音波制御器１００は、受信回路２７だけでなく、送信回路２８も備えている。すなわち、音波制御器１００は、受信回路２７および送信回路２８を備えた送受信器３と一体化している。

変形例４における送受信器３の構造は、送信回路２８が形成されている点を除き、図１８の構造体とほぼ同じである。

また、送受信器３は、基板２３上に形成され、且つ、音波ＳＷ１を送信するための送信回路２８を有する。送信回路２８は、電極２４および電極２５を介して直流電源２６に電気的に接続されている。具体的には、送信回路２８は、基板２３の半導体基板に形成された半導体素子と、上記半導体素子上に電気的に接続された配線層とによって構成され、上記配線層は、電極２４および電極２５を介して直流電源２６に電気的に接続されている。

送信時では、送受信器３の前面側から音波ＳＷ１を送信するが、送受信器３の背面側にも一定のエネルギーを有する音波が放射され、その音波の反射波ＳＷ１０が返ってくる。また、受信時では、これまでの説明と同様に、背面反射波ＳＷ４および背面透過波ＳＷ５が存在する。

このような送受信器３と一体化した音波制御器１００においても、音波の反射率および透過率を能動的に制御できる。従って、送信時には、反射波ＳＷ１０を効率的に反射させることができるので、音波ＳＷ１に反射波ＳＷ１０が混在することを抑制できる。受信時には、背面反射波ＳＷ４および背面透過波ＳＷ５を効率的に反射させ、受信音波ＳＷ３を受信することができる。

また、変形例４では、図１９の構造体は、送受信器３を備えた音波制御器１００であると説明しているが、図１９の構造体は、音波制御器１００を備えた送受信器３であると言い換えることもできる。

（変形例５）
以下に、実施の形態４の他の変形例５を説明する。図２０は、変形例５における音波制御器１００を示す断面図である。

図１８および図１９では、基板１３および基板２３が接合され、具体的には、同じ半導体材料である基板１３の半導体基板ＳＵＢおよび基板２３の半導体基板が接合されていた。

図２０に示されるように、変形例５では、基板１３と基板２３との間に介在層１８が設けられ、基板１３および基板２３は、介在層１８を介して接合されている。介在層１８は、基板１３の半導体基板ＳＵＢと基板２３の半導体基板とを、より安定して密着させるために設けられている。介在層１８は、音波が透過できる材料で構成されていればよく、例えば、アルミニウム膜のような導電性膜、または、酸化シリコン膜若しくは樹脂膜のような絶縁膜からなる。

また、上述の変形例４でも、基板１３と基板２３との間に介在層１８を設けてもよい。

（実施の形態５）
以下に図２１を用いて、実施の形態５における音波制御器１００を説明する。なお、以下の説明では、実施の形態１との相違点を主に説明する。図２１は、実施の形態５における音波制御器１００を示す断面図である。なお、図２１では、図面を見易くするために、音波制御器１００のうち電極１４、電極１５および直流電源１６の図示を省略している。

図２１に示されるように、実施の形態５における音波制御器１００は、膜構造体１１、ギャップ層１２および基板１３によって構成されるＣＭＵＴ構造を複数有する。複数のＣＭＵＴ構造の各々は、左右方向に複数のギャップ層１２を備えており、複数のギャップ層１２を備えたＣＭＵＴ構造が、互いの膜構造体１１および基板１３が接合されることで、上下方向に対して積層されている。

また、上層のＣＭＵＴ構造のギャップ層１２と、下層のＣＭＵＴ構造のギャップ層１２とは、左右方向おいて間隔を広げて配置されている。すなわち、上下方向および左右方向において、上層のギャップ層１２の位置は、下層のギャップ層１２の位置とずれている。

なお、上述の上下方向とは、膜構造体１１、ギャップ層１２および基板１３の積層方向であり、上述の左右方向とは、上記積層方向と直交する方向である。

複数のギャップ層１２の位置をずらすことで、一部の背面反射波ＳＷ４は、下層のギャップ層１２に接する膜構造体１１において反射するが、他の背面反射波ＳＷ４は、上層のギャップ層１２に接する膜構造体１１において反射する。従って、背面反射波ＳＷ４を段階的に反射させることができる。言い換えれば、背面反射波ＳＷ４を段階的に減衰させることができる。また、背面反射波ＳＷ４の代わりに、背面透過波ＳＷ５の場合でも同様の効果がある。

このように、実施の形態５では、音波制御器１００を減衰器として機能させることもできる。

以上、本発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、上記実施の形態では、複数の絶縁膜および複数の導電性膜によって形成された膜構造体１１および基板１３を例示したが、膜構造体１１および基板１３の各々の構造は、それらに限定されない。膜構造体１１および基板１３は、プラスチックまたは樹脂膜などを用いて形成されていてもよく、例えば板状のプラスチック板と屈曲加工されたプラスチック板とを接合させることで形成されていてもよい。

１ 受信器
２ 送信器
３ 送受信器
１１ 膜構造体
１２ ギャップ層
１３ 基板
１４ 電極
１５ 電極
１６ 直流電源
１６ａ、１６ｂ 端子
１７ 減衰層
１８ 介在層
２１ 膜構造体
２２ ギャップ層
２３ 基板
２４ 電極
２５ 電極
２６ 直流電源
２７ 受信回路
２８ 送信回路
１００ 音波制御器
２００ 海洋ソナー
３００ 音響ディスプレイ
ＳＷ１ 透過波（送信音波）
ＳＷ２ 反射波（送信音波）
ＳＷ３ 前面透過波（受信音波）
ＳＷ４ 背面反射波（受信音波）
ＳＷ５ 背面透過波（受信音波）
ＳＷ６ 音波
ＳＷ７ 反射波
ＳＷ８ 透過波
ＳＷ９ 音波
ＳＷ１０ 反射波

Claims (15)

1. 第１電極を有する膜構造体と、
   第２電極を有する第１基板と、
   前記膜構造体および前記第１基板に囲まれ、且つ、前記第１電極と前記第２電極との間に位置するギャップ層と、
   前記第１電極および前記第２電極に電気的に接続された直流電源と、
   を備え、
   前記直流電源から前記第１電極へ印加される電圧は、前記直流電源から前記第２電極へ印加される電圧と逆極性であり、
   前記直流電源から前記第１電極および前記第２電極へ印加される電圧をそれぞれ調整することで、前記膜構造体における音波の反射率が制御される、音波制御器。
2. 請求項１に記載の音波制御器において、
   前記膜構造体において音波を反射させる場合、前記ギャップ層を介して対向している前記膜構造体および前記第１基板は離間し、
   前記膜構造体において音波を透過させる場合、前記ギャップ層を介して対向していた前記膜構造体および前記第１基板は接触している、音波制御器。
3. 請求項２に記載の音波制御器において、
   前記膜構造体において音波を反射させる場合、前記直流電源から前記第１電極へ第１電圧が印加され、前記直流電源から前記第２電極へ前記第１電圧と逆極性の第２電圧が印加され、前記第１電圧および前記第２電圧の電位差の絶対値が閾値電位差の絶対値よりも小さくなる、または、前記直流電源から前記第１電極および前記第２電極へ電圧が印加されず、
   前記膜構造体において音波を透過させる場合、前記直流電源から前記第１電極へ前記第１電圧よりも絶対値の小さい第３電圧が印加され、前記直流電源から前記第２電極へ前記第３電圧と逆極性であり、且つ、前記第２電圧よりも絶対値の小さい第４電圧が印加され、前記第３電圧および前記第４電圧の電位差の絶対値が前記閾値電位差の絶対値以上となる、音波制御器。
4. 請求項１に記載の音波制御器において、
   前記直流電源は、電圧の大きさを変更可能な電源である、音波制御器。
5. 請求項１に記載の音波制御器において、
   前記膜構造体の共振周波数は、低次モードおよび高次モードを含む振動モードを有し、前記膜構造体における音波の透過または反射には、低次モードおよび高次モードの何れも利用可能である、音波制御器。
6. 請求項１に記載の音波制御器において、
   第２基板と、前記第２基板上に形成され、且つ、音波を受信するための受信回路とを更に備え、
   前記第１基板および前記第２基板は、接合されている、音波制御器。
7. 請求項６に記載の音波制御器において、
   前記第２基板上に形成され、且つ、音波を送信するための送信回路を更に備える、音波制御器。
8. 請求項６に記載の音波制御器において、
   前記第１基板と前記第２基板との間に設けられた介在層を更に有し、
   前記第１基板および前記第２基板は、前記介在層を介して接合されている、音波制御器。
9. 請求項１に記載の音波制御器において、
   前記膜構造体、前記ギャップ層および前記第１基板によって構成されるＣＭＵＴ構造を複数有し、
   複数の前記ＣＭＵＴ構造は、第１ＣＭＵＴ構造および第２ＣＭＵＴ構造を含み、
   前記膜構造体、前記ギャップ層および前記第１基板の積層方向、および、前記積層方向と直交する方向において、前記第１ＣＭＵＴ構造の前記ギャップ層の位置は、前記第２ＣＭＵＴ構造の前記ギャップ層の位置とずれている、音波制御器。
10. 請求項１に記載の音波制御器において、
    前記ギャップ層は、前記膜構造体および前記第１基板に囲まれた空洞部と、前記空洞部に存在する気体とによって構成されている、音波制御器。
11. 請求項１に記載の音波制御器において、
    前記ギャップ層は、前記膜構造体および前記第１基板に囲まれた空洞部と、前記空洞部に存在する液体とによって構成されている、音波制御器。
12. 請求項１に記載の音波制御器を用いた音響機器において、
    音波を送信するための送信回路を有する送信器と、
    音波を受信するための受信回路を有する受信器と、
    を備え、
    前記音波制御器は、前記送信器と前記受信器との間に設けられる、音響機器。
13. 請求項１２に記載の音響機器おいて、
    前記膜構造体が前記送信器側に位置し、且つ、前記第１基板が前記受信器側に位置している、音響機器。
14. 請求項１に記載の音波制御器を用いた音響機器において、
    複数の減衰層を備え、
    前記複数の減衰層の表面には、それぞれ複数の前記音波制御器が設けられ、
    一つの前記減衰層に入射される音波の反射率は、その表面に設けられた一つの前記音波制御器によって個別に制御される、音響機器。
15. 請求項１４に記載の音響機器おいて、
    複数の前記音波制御器の各々の前記第１基板は、前記減衰層側に位置している、音響機器。

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