JP3884444B2 - 音響電気変換システム - Google Patents

Description

本発明は、音圧によって振動する振動板の変位を、光を用いて検出する音響電気変換システムに関し、特に、振動板を変調する音響電気変換システムに関する。

マイクロフォンは、一般に、ダイナミックマイクロフォン、コンデンサマイクロフォン、光マイクロフォンの３つに分類される。ダイナミックマイクロフォンは、一般的にもっとも知られているマイクであり、人の耳の鼓膜に相当する振動板と、振動板の中央に取り付けられたボイスコイルと、そのボイスコイルを挟むように位置する磁石とから構成される。すなわち、ダイナミックマイクロフォンは、ダイナミックスピーカーと同様な構造を有し、音響信号から電気信号への変換、すなわちダイナミックスピーカーとは逆の信号変換工程により機能する。このようにダイナミックマイクロフォンは、きわめて簡単な構造であるため、気候条件に関する制約も少なく取り扱いが容易である。しかしながら、ダイナミックマイクロフォンは、振動板であるダイアフラムに重いボイスコイルを接合した構造を有するため、より小さなサイズで実現することが困難であり、また、感度が低く、周波数特性の両端で感度が極端に落ちる傾向があるという欠点を有する。

コンデンサマイクロフォンは、サイズおよび感度に関するダイナミックマイクロフォンの欠点を克服したマイクロフォンである。コンデンサマイクロフォンは、コンデンサを構成する２つの金属板の一方をダイアフラムとして置き換えた構造を有し、音圧によるダイアフラムの振動変位を静電容量の変動として検出する。コンデンサマイクロフォンは、ダイナミックマイクロフォンのようにボイスコイルが不要であり、振動板は１枚の軽くて薄い板により実現されるため、周波数特性が非常に優れている。しかしながら、湿度に非常に弱いという欠点を有しており、指向性および耐雑音性の点でも改良の余地がある。

これに対し、光マイクロフォンは、ダイナミックマイクロフォンおよびコンデンサマイクロフォンの欠点を克服する、優れたマイクロフォンとして注目されている。光マイクロフォンは、音圧によって振動する振動板と、振動板に光を照射する光源と、振動板から反射された光の強度の変化を振動板の振動変位として検出する光検出器と、から構成される。このように、光マイクロフォンは、振動板と振動変位を検出する光検出系とが完全に独立した系であるため、非常に雑音に強い。また、光検出器から出力される信号を負帰還信号として光源に入力し、これにより感度を調節することができる光マイクロフォンも提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。

特開２００１−２４４８５４号公報 特開２００１−１１９７８４号公報 特開２００１−１１９７８５号公報

しかしながら、従来の光マイクロフォンにおいて、特定の周波数帯域の音波に対する感度を上昇させるには、光検出器によって検出された信号に対して、周波数フィルタリング処理や増幅処理を行う必要があった。そのような処理を実現するための付加的な機構（例えば、フィルタ回路、増幅回路、ソフトウェア演算処理）は、マイクロフォンを搭載する携帯電話などの電子機器において、回路規模の増大や処理負荷の増大を招いていた。

特許文献１〜３に提案されている光マイクロフォンは、指向性を向上させる観点から光源の光照射量を制御するものであり、フィルタリング機能を提供するものではない。そのため、これら提案された光マイクロフォンであっても、上記したような付加的な機構が必要となる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、音信号に対するフィルタリング機能および増幅機能を簡単な回路の追加によって実現することができる音響電気変換システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる音響電気変換システムは、空洞および第１の導電層を有する基板と、第２の導電層を有し、前記空洞の上方に位置して音圧により振動する振動板と、を具備する音響電器変換素子と、前記第１の導電層と前記第２の導電層との間に、前記振動板を能動的に振動させるための駆動電圧を印加する駆動手段と、前記振動板の上面に光を照射する光源と、前記駆動電圧による能動的な振動と音圧による受動的な振動とが重畳された前記振動板の振動に応じて前記振動板の上面を反射した光を検出し、検出した結果を検出信号として出力する光検出器と、前記検出信号から音信号を生成する信号処理手段と、
を備えることを特徴とする。

本発明にかかる音響電気変換システムは、振動板と基板との間に電圧を印加することによって、振動板を能動的に振動させることができ、音信号に対するフィルタリング機能や増幅機能を提供することができる。

以下に、本発明にかかる音響電気変換素子および音響電気変換システムの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。但し、図面は模式的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは現実のものとは異なる。また、図面の相互間において同じ部分を指す場合であっても、互いの寸法や比率が異なって示されている部分もある。

（実施の形態１）
実施の形態１にかかる音響電気変換素子は、振動板に導電層が形成されていることを特徴とする。特に、実施の形態１では、音響電気変換素子と信号処理部とで構成される音響電気変換システムによって、振動板とそれを支持する支持基板との間に、振動板の変位に相当する音信号に応じた電圧が印加される。

図１は、実施の形態１にかかる音響電気変換素子を備えた音響電気変換システムの概略図である。図１において、音響電気変換システム１００は、音響電気変換素子１０と信号処理部３によって構成され、音響電気変換素子１０は、音波感知素子１と光検出部２とによって構成される。音波感知部１は、支持基板１１と、支持基板１１上に設けられた固定部１２ａ，１２ｂと、音圧によって振動する振動板１４と、振動板１４と固定部１２ａ，１２ｂとをそれぞれ接続する弾性接続部１３ａ，１３ｂと、を備えて構成される。振動板１４と支持基板１１の間には、空洞１６が形成されており、振動板１４の下面は、支持基板１１の上面と対向している。すなわち、振動板１４は、弾性接続部１３ａ，１３ｂによって懸架されており、音波を受けることによって、振動板１４の厚み方向として定義される上下方向に振動することができる。

また、振動板１４には、導電層１５が形成されている。導電層１５は、振動板１４の下面に近い位置に形成されることが好ましい。さらに、振動板１４の上面には、回折格子が設けられていることが好ましい。

支持基板１１は、導電性の基板であり、半導体集積回路の形成に用いられる汎用的なシリコン基板を用いることができる。固定部１２ａ，１２ｂ、振動板１４、弾性接続部１３ａ，１３ｂ、空洞１６もまた、半導体集積回路を形成する技術を用いて形成することができる。すなわち、半導体集積回路を形成する材料を用い、周知の成膜工程、フォトリソグラフィ工程、およびエッチング工程によって、音波検知素子１を作製することが可能である。なお、導電層１５および支持基板１１は、それぞれに接続された配線を介して、音波感知素子１の周辺回路と電気的に接続可能である。なお、支持基板１１は、その内部や表面に、導電性の層を有していれば、それ自体が導電性を示さなくてもよい。この場合、その導電性の層が周辺回路と接続される。

光検出部２は、光源２０と光検出器３０を備えて構成される。光源２０は、高指向性の発光素子であり、好ましくは半導体レーザである。光源２０は、振動板１４の上面、好ましくはその上面の中央付近を斜め上方から照射することのできる位置に配置される。光源２０から照射された光２１は、振動板１４の上面で反射される。光検出器３０は、この反射光を受光できる位置に配置され、例えば、２分割フォトディテクタやイメージセンサである。

振動板１４は、上述したように、音圧によって振動することにより、その上下位置が変動する。よって、その変動に応じて、振動板１４の上面に達した光の位置もその上面の面内において変動する。また、反射光の光路も変動する。反射光の光路の変動は、光検出器３０において光の強度分布の変化として検出され、検出信号として光検出器３０から出力される。

光検出器３０から出力された検出信号は、音響電気変換素子１０の外部の信号処理部３に入力される。信号処理部３は、信号処理回路４０を有し、信号処理回路４０は、検出信号を音信号に変換する。また、信号処理部３は、電圧制御発振器（ＶＣＯ：Voltage Controlled Oscillator）５０を有しており、信号処理回路４０から出力された制御信号に基づいて、所定のバイアス電圧Ｖ_bに任意の周波数の信号を重畳した駆動電圧Ｖ_pを出力する。この駆動電圧Ｖ_pは、振動板１４に形成された導電層１５と支持基板１１との間に印加される。この駆動電圧Ｖ_pによって、導電層１５と支持基板１１との間に静電気力が生じ、導電層１５は支持基板１１へと引っ張られる。結果的に、導電層１５を有する振動板１４が、駆動電圧Ｖ_pに重畳された周波数に応じて振動する。換言すれば、音圧によって受動的に振動する振動板１４を、さらに、その振動周波数に応じた周波数で能動的に振動させることができる。

導電層１５が振動板１４の下面に形成されている場合、振動板１４が支持基板１１へ引っ張りつけられるしきい電圧Ｖ_thは次式で表される。
Ｖ_th＝√（８ｋｄ³／２７Ａεε₀ ） ・・・（１）
ここで、ｄは振動板１４の下面と支持基板１１の上面との間の距離を示し、ｋは振動板１４のバネ定数を示し、Ａは振動板１４の下面の面積を示す。また、ε₀＝８．８５４×１０^-12 （Ｎ／ｍ）、εは空気の比誘電率であり、１とする。

この際、振動板１４と支持基板１１との間に生じる静電気力は次式で表される。
Ｆ_e＝Ａεε₀ Ｖ²／２ｄ² ・・・（２）

よって、振動板１４と支持基板１１との間に印加するバイアス電圧Ｖ_bは、上記（１）式で表されるしきい電圧Ｖ_th以上である必要がある。図２−１〜図２−３は、音圧による受動的な振動板１４の振動と、駆動電圧Ｖ_pの印加による能動的な振動板１４の振動との関係を説明するための図である。図２−１は、振動板１４が受ける音圧の例を示し、図２−２は、その音圧による振動板１４の振動を検出した結果（すなわち検出信号）に基づいて生成される駆動電圧Ｖ_pの例を示す。図２−２に示す駆動電圧Ｖ_pは、バイアス電圧Ｖ_bに、検出信号から得られた音信号と同じ周波数成分が重畳された信号である。特に、この駆動電圧Ｖ_pを構成する周波数成分は、振幅も音信号と同様に変動している。

図２−２に示す駆動電圧Ｖ_pが導電層１５と支持基盤１１との間に印加されることによって、振動板１４は、図２−２に示す波形のように能動的に振動する。振動板１４は、この能動的な振動に加え、音圧によっても振動する。振動板１４が図２−２に示すような波形によって能動的に振動している間、再度、振動板１４が図２−１に示す周波数成分を有する音波を受けると、その周波数成分を有する振動が強められる。この強められた振動は、光検出器３０および信号処理回路４０によって、増幅された音信号として処理される。すなわち、増幅回路を設けずとも、音響電気変換素子１０と信号処理部３によって、音信号の増幅機能を発現することができる。特に、図２−２では、音圧に応じて駆動信号電圧Ｖ_pの振幅も変動するため、大きな音圧はより大きな音信号として増幅される。

図２−３は、図２−１に示す音圧によって振動板１４の振動を検出した結果（すなわち検出信号）に基づいて生成される駆動電圧Ｖ_pの他の例を示す。図２−３に示す駆動電圧Ｖ_pは、図２−１に示した音圧と同様な周波数成分を有するが、その振幅は一定である。よって、この駆動電圧Ｖ_pが導電層１５と支持基盤１１との間に印加されると、図２−１に示す周波数成分を有する音圧を一定の増幅率で増幅することができる。

上述した増幅は、振動板の振動の位相と音圧の位相が一致したときに実現する。逆に、振動板の振動の位相と音圧の位相が逆である場合には、能動的な振動板の振動と音圧とは打ち消し合い、感度が低下する。この特性を生かして、音圧の位相情報を検出することができる。音圧の位相は、音響電気変換素子１０と音源との間の距離に依存するので、例えば、音響電気変換素子１０の左右から音波を受ける場合と、音響電気変換素子１０の上方から音波を受ける場合とでは位相差が異なる。１波長程度の位相差を上述した機能を利用し検出することで、音源の位置を特定することが可能となる。様々な音源が混在する音場において、抽出すべき音源の位置を特定することは、音声認識技術で有用な機能を果たす。

次に、音波感知素子１の具体的な構造を説明する。ここでは、特に、振動板の上面に回折格子が設けられた例を示す。図３は、その音波感知素子の断面図である。図３において、音波感知素子１１０は、支持基板１１１の上に、埋め込み絶縁層１１２、素子分離絶縁層１１３、層間絶縁層１１４、導電層１３１、およびパッシベーション層１１５が順次積層された多層構造を有している。支持基板１１１は単結晶シリコンで形成され、埋め込み絶縁層１１２はＳＯＩ（Silicon On Insulator）酸化膜で形成され、素子分離絶縁層１１３はＴＥＯＳ（Tetraethoxyorthosilicate）酸化膜で形成される。また、層間絶縁層１１４はシリコン酸化膜で形成され、導電層１３１はアルミニウムで形成され、パッシベーション層１１５は窒化シリコン膜で形成される。

支持基板１１１には空洞１１６が形成されている。上記多層構造のうち、この空洞１１６の周縁であり且つ支持基板１１１の上面に位置する部分によって固定部１０４ａ，１０４ｂが構成される。具体的には、固定部１０４ａ，１０４ｂは、埋め込み絶縁層１１２、素子分離絶縁層１１３、層間絶縁層１１４、およびパッシベーション層１１５によって構成される。

上記多層構造のうち、空洞１１６の中央上方に位置する部分によって、振動板１０２が構成される。具体的には、固定部１０４ａ，１０４ｂは、埋め込み絶縁層１１２、素子分離絶縁層１１３、層間絶縁層１１４、導電層１３１、およびパッシベーション層１１５によって構成される。特に、振動板１０２を構成するパッシベーション層１１５は、回折格子１３０を構成している。導電層１３１は、この回折格子１３０の内部に配置される。

上記多層構造のうち、空洞１１６の側面上方に位置する部分によって、弾性接続部１０５ａ，１０５ｂが構成される。具体的には、弾性接続部１０５ａ，１０５ｂは、埋め込み絶縁層１１２、素子分離絶縁層１１３、および層間絶縁層１１４によって構成される。また、弾性接続部１０５ａ，１０５ｂを構成する素子分離絶縁層１１３の内部には、それぞれポリシリコン接続体１２１ａ，１２１ｂが形成されている。弾性接続部１０５ａ，１０５ｂは、振動板１０３を空洞１１６上で懸架するために、振動板１０２を、固定部１０４ａ，１４０ｂに接続する。

固定部１０４ａと弾性接続部１０５ａの間と、弾性接続部１０５ａと振動板１０２の間と、弾性接続部１０５ｂと振動板１０２の間と、固定部１０４ｂと弾性接続部１０５ｂの間には、上面から空洞１１６へと貫通する孔Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４がそれぞれ形成されている。これら孔は、空洞１１６を形成するためのエッチャント投入路として機能する。

図４−１および図４−２は、回折格子１３０の例を示す図である。図４−１は、回折格子１３０が２次元格子として形成された例を示した鳥瞰図であり、図４−２は、回折格子１３０が１次元格子として形成された例を示した鳥瞰図である。図４−１に示すように、回折格子１３０が２次元格子である場合、導電層１３１もまた２次元格子状に形成される。図４−２に示すように、回折格子１３０が複数の１次元格子１３０ａ〜１３０ｇで形成される場合、導電層１３１もまた格子１３１ａのように、複数の直線として形成される。光源２０から照射された光が、振動板１０２上の回折格子１３０に入射すると、回折光となって光検出器３０に自己結像する。すなわち、回折格子１３０を設けることによって、光検出部２において、光源２０から照射された光や振動板１０２から反射された光を任意の方向に導くためのレンズ、光ファイバ、光ガイドなどの光学部品が不要となる。

図５は、図３に示した音波感知素子１１０の平面図である。図５において、Ｘ−Ｘ線に沿った断面図が図３に相当する。振動板１０２は、固定部１０４ａ，１０４ｂに、２本の折れ曲がり形状の弾性接続部１０５ａ，１０５ｂを介して懸架される。また、導電層１３１の一部は、固定部１０４ａに設けられた接続端子１４０と電気的に接続されるように、弾性接続部１０５ａ上にパターニングされている。この接続端子１４０は、電圧制御発振器５０に接続される。

以下に、図３に示した音響電気変換素子１１０の製造方法を説明する。特にここでは、信号処理回路４０や電圧制御発振器５０などの周辺回路を、音響電気変換素子１１０と同一の基板（すなわち支持基板１１１）上に形成する例を説明する。

まず、支持基板１１１上に、埋め込み絶縁層１１２および単結晶シリコン層（ＳＯＩ層）１１９が順次積層された、ＳＯＩ基板を準備する（図６−１）。 次に、単結晶シリコン層１１９を、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）等の周知のエッチング工程によって選択的に除去する。この選択的除去によって、周辺回路形成領域のみに単結晶シリコン層１１９が残留する（図示せず）。次に、素子分離絶縁層１１３を、化学気相堆積（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）法等の周知の成膜工程によって形成し、その表面を、化学的機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）法等の周知の平坦化工程によって平坦化する（図６−２）。この平坦化工程によって、図示しない周辺回路形成領域が素子分離絶縁層１１３で囲まれる。

次に、素子分離絶縁層１１３のうち、ポリシリコン接続体１２１ａ，１２１ｂが形成される部分を、ＲＩＥ法等の周知のエッチング工程によって選択的に除去し、溝１２０ａ，１２０ｂを形成する（図６−３）。なお、この溝１２０ａ，１２０ｂの形成工程において、周辺回路を形成するのに必要なパターニングも行なわれる。

次に、周知の成膜工程、フォトリソグラフィ工程、エッチング工程によって、周辺回路に必要なポリシリコン配線パターンを形成する。ポリシリコン接続体１２１ａ，１２１ｂは、これら工程の際に、溝１２０ａ，１２０ｂ内に埋め込まれる（図６−４）。

次に、素子分離絶縁層１１３の表面に、周知の成膜工程によって、層間絶縁層１１４を形成し、その表面を上記同様の平坦化工程により平坦化する（図６−５）。なお、層間絶縁層１１４は、上記したポリシリコン配線パターンの上にも形成される。次に、導電層１３１となる金属材料を、スパッタリング等の周知の成膜工程により層間絶縁層１１４上に形成し（図６−６）、フォトリソグラフィ工程およびエッチング工程によってパターニングする（図６−７）。これにより、回折格子１３０と同様の形状の導電層１３１が得られる。

次に、層間絶縁層１１４上と導電層１３１上に、ＣＶＤ法等の周知の成膜工程、フォトリソグラフィ工程、およびエッチング工程によって、パターニングされたパッシベーション層１１５を形成する（図６−８）。このパッシベーション層１１５のパターニングにより、固定部１０４ａ，１０４ｂの一部と、回折格子１３０が得られる。

次に、フォトリソグラフィ工程およびＲＩＥ法やＥＣＲ（Electron Circular Resonator）イオンエッチング法等の周知のエッチング工程によって、層間絶縁層１１４、素子分離絶縁層１１３、および埋め込み絶縁層１１２を貫通する孔Ｈ１〜Ｈ４を形成する（図６−９）。換言すれば、振動板１０２を貫通する孔Ｈ１〜Ｈ４を形成する。

最後に、支持基板１１１に対して異方性エッチングを行なうために、孔Ｈ１〜Ｈ４に、ＴＭＡＨ（tetramethylammonium hydroxide）等のエッチャントを投入する。これにより、支持基板１１１に空洞部１１６が形成される（図６−１０）。以上の工程によって、図３に示した音響電気変換素子１１０が得られる。

なお、図６−９に示した工程において、回折格子１３０の格子間に、層間絶縁層１１４、素子分離絶縁層１１３、および埋め込み絶縁層１１２を貫通する孔を形成し、それら孔からエッチャントを投入してもよい。図７は、この工程によって得られた音響電気変換素子の断面図である。図７に示す音響電気変換素子２１０において、回折格子１３０の格子間には孔Ｈ１１〜Ｈ１８が形成されている。このように、エッチャントの投入路を増やすことによって、空洞１１６をより短時間で形成することができる。

以上に説明したように、実施の形態１にかかる音響電気変換素子１０は、振動板１４に導電層１５が形成されている。よって、その音響電気変換素子１０を備えた音響電気変換システム１００において、音響電気変換素子１０の導電層１５と導電性の支持基板１１との間に、所定の電圧を印加することによって、振動板１４を能動的に振動させることができる。特に、実施の形態１では、その所定の電圧は、光検出された振動板１４の振動周期に基づいて生成される。これにより、増幅回路を用いずとも、音信号を増幅させることができ、音信号のための信号処理系への負荷を軽減することができる。

（実施の形態２）
つぎに、実施の形態２にかかる音響電気変換システムについて説明する。実施の形態２にかかる音響電気変換システムは、実施の形態１にかかる音響電気変換素子と、信号処理回路と、音響電気変換素子の振動板とそれを支持する支持基板との間に所定の周波数の電圧を印加する振動板駆動部と、を備えることを特徴としている。

図８は、実施の形態２にかかる音響電気変換システムの概略図である。なお、図８において、図１と共通する部分には同一の符号を付している。図８に示す音響電気変換システム３００は、音波感知素子１と、光検出部２と、光検出部２から出力された検出信号を音信号に変換する信号処理回路３０１と、音響感知素子１の振動板１４と支持基板１１との間に所定の駆動電圧を印加する振動板駆動部３０２と、を備えて構成される。

すなわち、実施の形態２にかかる音響電気変換システム３００は、音響変換電気素子１０に接続される周辺回路、すなわち、信号処理回路３０１および振動板駆動部３０２が、図１に示した音響電気変換システム１００と異なる。

光検出器３０から出力された検出信号は、信号処理回路３０１に入力され、音信号に変換される。振動板駆動部３０２は、電圧制御発振器３５０と制御信号生成回路３６０を備えている。電圧制御発振器３５０は、制御信号生成回路３６０から出力された制御信号に基づいて、所定のバイアス電圧Ｖ_bに任意の周波数の信号を重畳した駆動電圧Ｖ_pを出力する。この駆動電圧Ｖ_pは、振動板１４に形成された導電層１５と支持基板１１との間に印加され、振動板１４を能動的に振動させる。制御信号生成回路３６０から出力された制御信号は、電圧制御発振器３５０を特定の単一周波数で発振させるための特定の電圧値である。すなわち、振動板１４と支持基板１１との間に印加される駆動電圧Ｖ_pは、信号処理回路３０１において得られた音信号とは無関係な周波数で発振する。これにより、振動板１４を所望の周波数で振動させることができる。

図９−１〜図９−３は、音圧による受動的な振動板１４の振動と、駆動電圧Ｖ_pの印加による能動的な振動板１４の振動との関係を説明するための図である。図９−１は、電圧制御発振器３５０から出力される駆動電圧Ｖ_pの例であり、この駆動電圧Ｖ_pは周波数ｆａで発振する。また、図９−２は、振動板１４が受ける音圧の例を示し、図９−３は、駆動電圧Ｖ_pによって能動的に振動している振動板１４が図９−２に示す音圧を受けた際に、信号処理回路３０１で得られる音信号の例を示す。図９−３に示す音信号では、図９−２に示す音圧のうち、周波数ｆａを有する信号成分が強調され、他の周波数を有する信号成分は弱まっている。すなわち、フィルタ回路を設けずとも、音響電気変換素子１０と信号処理回路３０１、振動板駆動部３０２によって、音信号のフィルタ機能を発現することができる。なお、電圧制御発振器３５０を、特定の単一周波数ではなく、特定の範囲の周波数で順次発振させることによって、バンドパスフィルタの機能を発現させることもできる。

以上に説明したように、実施の形態２にかかる音響電気変換システム３００は、音響電気変換素子１０の振動板１４を所望の周波数で能動的に振動させることができる。これにより、フィルタ回路を設けずとも、音信号をフィルタリングすることができ、音信号のための信号処理系への負荷を軽減することができる。

また、あらかじめ収録した音声の信号で振動板を駆動させることもできる。これにより本人の音声を特徴付ける周波数成分を増大させることができ、音響電気変換システム３００を音声認識のようなシステムとして活用することも可能である。

なお、実施の形態１において、振動板１４上に形成される回折格子１３０は、単純な２次元格子または１次元格子であるが、２次元格子を構成する各凹部にマス部が付加された回折格子を用いてもよい。半導体ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術によって作製されたセンサは、微細構造を有することから、一般的に、高い周波数領域の信号を検出する素子として用いられる。可聴帯域で感度を持たせるため、ダイアフラムの共振周波数を下げる手法として、バネ定数を低くする、あるいはマスの質量を高くする処置を講じられている。機械的信頼性を考慮するとバネを柔らかくするよりも、マスの質量を大きくするのがよい。図１０−１および図１０−２は、回折格子が形成された振動板５０２において、２次元格子を構成する各凹部内に、質量を付加するための付加マス部として振動子Ｘ_i,jを形成した構造を示している。

図１０−１に示す振動板５０２は、額縁状の固定枠５１と、この固定枠５１に両端部を固定され、行方向及びこの行方向に直交する列方向にそれぞれ延伸し、額縁状の固定部５１が囲む空間に格子を構成するように配置された複数の固定梁５２と、各凹部に配置された複数の振動子Ｘ_i,j（ｉ＝１〜３，ｊ＝１〜３）と、複数の振動子Ｘi,jのそれぞれと固定梁５２とを接続する弾性梁ｈａ_i,j，ｈｂ_i,j，ｈｃ_i,j，ｈｄ_i,j（ｉ＝１〜３，ｊ＝１〜３）とを備える。すなわち、それぞれ、一枚の主マスとなるダイアフラム状の振動子Ｘ_i,jは、４本の弾性梁ｈａ_i,j，ｈｂ_i,j，ｈｃ_i,j，ｈｄ_i,jによって固定梁５２と連結されている。なお、４本の弾性梁ｈａ_i,j，ｈｂ_i,j，ｈｃ_i,j，ｈｄ_i,jは、それぞれ小型の副マスとして機能する。なお、固定梁５２は、弾性接続部５０５ａ，５０５ｂ，５０５ｃ，５０５ｄによって、固定部５１と連結されている。

図１０−２に示すように、この振動板５０２には、共振周波数が異なる３つのエレメント、すなわち、固定梁５２のエッジｅ_aと、振動子Ｘ_i,jのエッジｅ_bと、弾性梁ｈａ_i,j，ｈｂ_i,j，ｈｃ_i,j，ｈｄ_i,jのエッジｅ_cとが存在する。これにより、広帯域の周波数を、一枚の振動板５０２で構築することが可能となる。すなわち、それぞれのエッジｅ_a，ｅ_b，ｅ_cの関係する質量を考慮すると、エッジｅ_a，ｅ_b，ｅ_cの各共振周波数ｆ_a0，ｆ_b0，ｆ_c0は、ｆ_a0＜ｆ_b0＜ｆ_c0の関係を満たす。センサ面上では、３種類の異なる配列で並ぶ回折像が現れるが、一番変位の大きな回折像を検出に用いることで、任意の周波数に追随できる。

本発明は、上述したような特定の実施形態に限定されるものではなく、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。すなわち、本発明にかかる実施の形態は、添付の特許請求の範囲およびその均等物にかかる発明の要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

以上のように、本発明にかかる音響電気変換システムは、音センサや光マイクロフォンを構成する素子として有用である。

実施の形態１にかかる音響電気変換素子を備えた音響電気変換システムの概略図である。 振動板が受ける音圧の例を示す図である。 音圧による振動板の振動を検出した結果に基づいて生成される駆動電圧の例を示す図である。 音圧による振動板の振動を検出した結果に基づいて生成される駆動電圧の他の例を示す図である。 実施の形態１にかかる音響電気変換素子を構成する音波感知素子の断面図である。 振動板に形成される回折格子の例を示す鳥瞰図である。 振動板に形成される回折格子の他の例を示す鳥瞰図である。 図３に示した音波感知素子の平面図である。 音波感知素子を製造する工程において準備されたＳＯＩ基板を、その断面図によって示した図である。 音波感知素子を製造する工程のうち、素子分離絶縁層を形成する工程を、その断面図によって示した図である。 音波感知素子を製造する工程のうち、ポリシリコン接続体が埋め込まれる溝を形成する工程を、その断面図によって示した図である。 音波感知素子を製造する工程のうち、ポリシリコン接続体を形成する工程を、その断面図によって示した図である。 音波感知素子を製造する工程のうち、層間絶縁層を形成する工程を、その断面図によって示した図である。 音波感知素子を製造する工程のうち、導電層となる金属材料を形成する工程を、その断面図によって示した図である。 音波感知素子を製造する工程のうち、導電層を形成する工程を、その断面図によって示した図である。 音波感知素子を製造する工程のうち、パッシベーション層を形成する工程を、その断面図によって示した図である。 音波感知素子を製造する工程のうち、振動板を貫通する孔を形成する工程を、その断面図によって示した図である。 音波感知素子を製造する工程のうち、空洞部を形成する工程を、その断面図によって示した図である。 実施の形態１にかかる音響電気変換素子を構成する音波感知素子の他の例の断面図である。 実施の形態２にかかる音響電気変換システムの概略図である。 電圧制御発振器から出力される駆動電圧の例を示す図である。 振動板が受ける音圧の例を示す図である。 駆動電圧によって能動的に振動している振動板が図９−２に示す音圧を受けた際に、信号処理回路で得られる音信号の例を示す図である。 マス部が付加された回折格子を示す図である。 図１０−１に示した回折格子の振動子を説明するための図である。

符号の説明

１，１１０，２１０ 音波感知素子
２ 光検出部
３ 信号処理部
１０ 音響電気変換素子
１１，１１１ 支持基板
１２ａ，１２ｂ，１０４ａ，１０４ｂ 固定部
１３ａ，１３ｂ，１０５ａ，１０５ｂ，５０５ａ〜５０５ｄ 弾性接続部
１４，１０２，５０２ 振動板
１５，１３１，１３１ａ 導電層
１６，１１６ 空洞
２０ 光源
３０ 光検出器
４０，３０１ 信号処理回路
５０，３５０ 電圧制御発振器
５１ 固定枠
５２ 固定梁
１００ 音響電気変換システム
１１２ 埋め込み絶縁層
１１３ 素子分離絶縁層
１１４ 層間絶縁層
１１５ パッシベーション層
１１９ 単結晶シリコン層
１２１ａ，１２１ｂ ポリシリコン接続体
１３０，１３０ａ〜１３０ｇ 回折格子
１４０ 接続端子
３０２ 振動板駆動部
３６０ 制御信号生成回路
Ｈ１〜Ｈ４，Ｈ１１〜Ｈ１８ 孔
Ｘ_i,j 振動子

Claims (4)

1. 空洞および第１の導電層を有する基板と、第２の導電層を有し、前記空洞の上方に位置して音圧により振動する振動板と、を具備する音響電器変換素子と、
   前記第１の導電層と前記第２の導電層との間に、前記振動板を能動的に振動させるための駆動電圧を印加する駆動手段と、
   前記振動板の上面に光を照射する光源と、
   前記駆動電圧による能動的な振動と音圧による受動的な振動とが重畳された前記振動板の振動に応じて前記振動板の上面を反射した光を検出し、検出した結果を検出信号として出力する光検出器と、
   前記検出信号から音信号を生成する信号処理手段と、
   を備えることを特徴とする音響電気変換システム。
2. 前記振動板は、その上面に、前記振動板の上面を反射した光の光路を前記光検出器へと向けるための回折格子を有していることを特徴とする請求項１に記載の音響電気変換システム。
3. 前記駆動手段は、前記駆動電圧を前記検出信号に同調する電圧となるように生成することで、前記音圧の音波に対して増幅作用をもたらすことを特徴とする請求項１または２に記載の音響電気変換システム。
4. 前記駆動手段は、前記駆動電圧を所定の周波数成分を有するように生成することで、前記音圧の音波に対してフィルタリング作用をもたらすことを特徴とする請求項１または２に記載の音響電気変換システム。

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