JP7219525B2 - トランスデューサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、トランスデューサ装置に関し、特にハイパスフィルタを備えたトランスデューサ装置に関する。

近年スマートフォン等のマイクロフォンとしてＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を用いたマイクロフォンが多く使われている。また、ＭＥＭＳマイクロフォンに限らず、その他のＭＥＭＳ素子が様々な分野で急速に普及してきている。

この種のＭＥＭＳ素子の多くは、音響圧力等による振動板の振動変位を対向する固定板との容量変化としてとらえ、電気信号に変換して出力する容量素子である。しかし容量素子は、振動板と固定板との間隙の空気の流動によって生じる音響抵抗のために、信号雑音比の改善が限界になりつつある。

そこで、圧電材料からなる薄膜（圧電膜）で構成される振動板の歪みにより音響圧力等を電圧変化として取り出すことができる圧電素子が注目されている。

従来の圧電膜からなるＭＥＭＳ素子の断面図を図６に示す。図６に示すように、シリコン基板からなる支持基板１上に、絶縁膜２を介して多層構造の圧電膜３ａ、３ｂが支持固定されており、圧電膜３ａは上下から電極４ａと電極４ｂにより、圧電膜３ｂは電極４ｂと電極４ｃによりそれぞれ挟み込まれた構造となっている。支持基板１の一部は、例えば円形状に除去されてバックチャンバー５が形成され、残された支持基板１に圧電膜３ａ、３ｂの周縁部が支持固定されている。バックチャンバー５上の圧電膜３ａ、３ｂが振動板となる。

この種のＭＥＭＳ素子の動作について説明すると、音響圧力等を受けて圧電膜３ａが歪むと、横圧電効果によりその内部に分極が起こり、電極４ａに接続する配線金属７ａと、電極４ｂに接続する配線金属７ｂから電圧信号を取り出すことが可能となる。同様に圧電膜３ｂが歪むとその内部に分極が起こり、電極４ｃに接続する配線金属７ａと、電極４ｂに接続する配線金属７ｂから電圧信号を取り出すことが可能となる。この振動板は、図７に示すように形成されたスリット６によって複数の領域に区画され、それぞれの振動板の変位に基づき出力電圧が出力される。なお図７では、配線金属７ａ、７ｂの記載は省略している。この種のＭＥＭＳ素子は特許文献１に開示されている。

このような構造のＭＥＭＳ素子を用いてトランスデューサ装置を形成した例を図８および図９に示す。図８に示すトランスデューサ装置は、実装基板１０上にＭＥＭＳ素子１１、ＭＥＭＳ素子１１から出力される信号を処理する集積回路１２が実装され、実装基板１０上には蓋部１３が接合されている。また蓋部１３には、ＭＥＭＳ素子１１に音圧等が伝搬するように信号入力孔１４を形成されている。集積回路１２の表面は樹脂１５で覆い保護されている。

また信号入力孔１４は、蓋部１３に設ける代わりに、図９に示すようにＭＥＭＳ素子１１のバックチャンバー５に連通するように実装基板１０に設ける場合もある。

ところで圧電膜を用いたＭＥＭＳ素子１１は、圧電膜の厚さを薄くすると超音波領域の信号を送受信することが可能となる。例えば、一般的な圧電材料であるＰＺＴでは、圧電膜の厚さを２０μｍ程度とすると８０ＭＨｚの超音波が送受信可能となる。

そこで超音波マイクロフォン装置を形成し、例えば工場で使用される機械の動作音に含まれる超音波領域の音をモニタリングすることで、機械の予兆保全を行うことが可能となる。

しかし、予兆保全のために超音波マイクロフォンを使用する場合、１００Ｈｚ～１０ｋＨｚ程度の可聴音域の音は雑音となる。予兆保全の対象とする機械が設置されている工場では、会話ができないほどの環境雑音が発生している場合がある。一般に環境雑音の大きさは、周波数に反比例し、あるいは周波数の二乗に反比例しており、低周波程大きいことが知られている。これは、本来モニタリングしたい超音波領域の信号と比較して雑音が大きいことを示しており、予兆保全のために超音波マイクロフォンを使用するためには、ハイパスフィルタが必須であることがわかる。

特表２０１４－５１４２１４号公報

従来のトランスデューサ装置を超音波マイクロフォンとして使用する場合等、ハイパスフィルタが必要となる。本発明はこのような実状に鑑み、追加の電子部品を用いることなく、ハイパスフィルタを備えたトランスデューサ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本願請求項１に係るトランスデューサ装置は、バックチャンバーを備えた支持基板と該支持基板に固定された振動膜とを備えたＭＥＭＳ素子と、前記ＭＥＭＳ素子を搭載する実装基板と、該実装基板と接合して前記ＭＥＭＳ素子を覆う蓋部と、前記ＭＥＭＳ素子のバックチャンバーにより形成されたコンデンサと、前記実装基板と前記蓋部との間の空間内で、あるいは前記空間の内側と外側とで、前記空間の内側あるいは外側の気体が流れる抵抗孔により形成された抵抗とを備え、前記コンデンサと前記抵抗とで形成されたハイパスフィルタを備え、入力信号が前記ハイパスフィルタを通過して出力されるトランスデューサ装置において、前記蓋部に形成された入力信号が入力する信号入力孔と、前記実装基板に前記ＭＥＭＳ素子の支持基板が接合し、前記実装基板の一部に形成された凹状部と前記支持基板とからなり、前記バックチャンバーの内側と外側とを連通する前記抵抗孔となる貫通孔とを備えたことを特徴とする。

本発明のトランスデューサ装置は、追加の電子部品を用いず、従来のトランスデューサ装置を構成する部材に抵抗孔を形成することのみで、ハイパスフィルタを付加することができ、低コストのトランスデューサ装置を提供することができる。

特に振動膜を圧電膜で形成するトランスデューサ装置は、超音波領域の信号を送受信することができ、雑音となる低周波領域の雑音が低減でき、超音波マイクロフォンとしての用途の拡大が期待できるという利点がある。

本発明の第１の実施例のトランスデューサ装置を説明する図である。 本発明のハイパスフィルタを説明する図である。 本発明の第２の実施例のトランスデューサ装置を説明する図である。 本発明の第３の実施例のトランスデューサ装置を説明する図である。 本発明の第４の実施例のトランスデューサ装置を説明する図である。 従来の圧電膜からなるＭＥＭＳ素子の断面図である。 従来の圧電膜からなるＭＥＭＳ素子の説明図である。 従来のトランスデューサ装置の説明図である。 従来の別のトランスデューサ装置の説明図である。

本発明のトランスデューサ装置は、ＭＥＭＳ素子のバックチャンバーにより形成されたコンデンサと、ＭＥＭＳ素子の支持基板等に形成された抵抗孔による抵抗とで、ハイパスフィルタが形成されていることを特徴とする。以下、本発明の実施例について、詳細に説明する。

まず、本発明の第１の実施例のトランスデューサ装置について説明する。図１に示すように第１の実施例のトランスデューサ装置は、実装基板１０上にＭＥＭＳ素子１１、ＭＥＭＳ素子１１から出力される信号を処理する集積回路１２が実装されている。実装基板１０上には蓋部１３が接合され、蓋部１３にはＭＥＭＳ素子１１に音圧等が伝搬するように信号入力孔１４を形成されている。集積回路１２の表面は樹脂１５で覆い保護されている。特に本実施例では、ＭＥＭＳ素子１１の支持基板１の一部に抵抗孔１６が形成されている。

この抵抗孔１６は、実装基板１０と蓋部１３と間の空間内で、バックチャンバー５の内側と外側を連通するように形成されている。この抵抗孔１６の大きさは、音圧等の入力信号が信号入力孔１４から入射し、ＭＥＭＳ素子１１の振動板１７が振動する際、バックチャンバー５の内側と外側の気体が流れることで生じる抵抗が、後述するハイパスフィルタを構成する所望の値となるようにする。具体的には、抵抗孔１６の断面積や長さを適宜設定する。

なお、図１に示すＭＥＭＳ素子は、従来例で説明したＭＥＭＳ素子と異なり、スリット６が形成されていない例を示している。特に超音波マイクロフォンとして使用する場合、振動膜の厚さを薄くする必要があるので、スリットの無い形状とするのが好ましい。しかしスリットを形成することも可能で、この場合スリットを通してバックチャンバー５の内側と外側が流れることで生じる抵抗も生じるので、この抵抗と抵抗孔１６との両方の抵抗の抵抗値を考慮する必要がある。以下で説明する実施例についても同様である。

一方、実装基板１０、支持基板１および振動板１７で囲まれてバックチャンバー５は、所望の容量値を有するコンデンサとなる。このコンデンサの容量値も、バックチャンバー５の大きさや、支持基板１および振動板１７を構成する材料を適宜設定することで、所望の値とすることができる。

このように構成すると、コンデンサと抵抗により、等価的にハイパスフィルタが構成されている信号伝送経路を通り電圧信号が出力されることになる。

図２は、本発明のハイパスフィルタの説明図である。コンデンサの容量値Ｃｂと抵抗の抵抗値Ｒｈを信号の伝送経路に挿入することで、ハイパスフィルタを構成することができることがわかる。ここで、コンデンサの容量値Ｃｂと抵抗の抵抗値Ｒｈを適宜設定することで、所望のカットオフ周波数に設定可能となる。

次に第２の実施例について説明する。上記第１の実施例では、抵抗孔１６を支持基板１に形成した場合について説明したが、図３に示すように実装基板１０の一部を凹状に除去して抵抗孔１６としても、上記第１の実施例同様、蓋部１３に形成した信号入力孔１４から入力した信号が出力信号として出力される信号の伝送経路にハイパスフィルタを挿入する構造とすることができる。この場合、抵抗孔の幅や長さ、深さ等を調整することで所望の抵抗値とすることができる。

次に第３の実施例について説明する。上記第１および第２の実施例では、抵抗孔１６の両方の開口が実装基板１０と蓋部１３の間の空間に配置するように形成していたが、図４に示すように実装基板１０を貫通する形状の抵抗孔１６とし、一方の開口部は実装基板１０と蓋部１３の間の空間の外側に開口するようにしても、上記第１、第２の実施例同様、蓋部１３に形成した信号入力孔１４から入力した信号が出力信号として出力される信号の伝送経路にハイパスフィルタを挿入する構造とすることができる。なおこの場合、抵抗孔１６の抵抗値が設計通りの値とする必要があり、抵抗孔１６の外部に露出する開口が閉鎖されるような実装形態とならないよう留意する必要がある。

次に第４の実施例について説明する。上記第１乃至第３の実施例では、信号入力孔１４を蓋部１３に形成した例を説明したが、図５に示すように実装基板１０に信号入力孔１４を形成しても良い。ＭＥＭＳ素子１１のバックチャンバー５が信号入力孔１４に対向するように配置する。

一方抵抗孔１６を蓋部１３を貫通するように形成し、一方の開口部は実装基板１０と蓋部１３の空間の外側に開口するようにする。このように形成しても、上記第１乃至第３の実施例同様、実装基板１０に形成した信号入力孔１４から入力した信号が出力信号として出力される信号の伝送経路にハイパスフィルタを挿入する構造とすることができる。この場合も、抵抗孔１６の抵抗値が設計通りの値とする必要があり、抵抗孔１６の外部に露出する開口部が狭窄等されないよう留意する必要がある。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものでないことは言うまでもない。例えば、抵抗孔の数は、１個に限らず複数個配置して良い。また抵抗孔は、支持基板や実装基板に限らず、振動板に配置して、入力信号がハイパスフィルタを通過して出力される構成とすることも可能である。さらに圧電型トランスデューサ装置に限らず、容量型のトランスデューサ装置に適用することも可能である。

１： 支持基板、２：絶縁膜、３：圧電膜、４:電極、５:バックチャンバー、６：スリット、７：配線金属、１０：実装基板、１１：ＭＥＭＳ素子、１２：集積回路、１３：蓋部、１４：信号入力孔、１５：樹脂、１６：抵抗孔、１７：振動板

Claims (1)

1. バックチャンバーを備えた支持基板と該支持基板に固定された振動膜とを備えたＭＥＭＳ素子と、前記ＭＥＭＳ素子を搭載する実装基板と、該実装基板と接合して前記ＭＥＭＳ素子を覆う蓋部と、
   前記ＭＥＭＳ素子のバックチャンバーにより形成されたコンデンサと、
   前記実装基板と前記蓋部との間の空間内で、あるいは前記空間の内側と外側とで、前記空間の内側あるいは外側の気体が流れる抵抗孔により形成された抵抗とを備え、
   前記コンデンサと前記抵抗とで形成されたハイパスフィルタを備え、入力信号が前記ハイパスフィルタを通過して出力されるトランスデューサ装置において、
   前記蓋部に形成された入力信号が入力する信号入力孔と、
   前記実装基板に前記ＭＥＭＳ素子の支持基板が接合し、前記実装基板の一部に形成された凹状部と前記支持基板とからなり、前記バックチャンバーの内側と外側とを連通する前記抵抗孔となる貫通孔とを備えたことを特徴とするトランスデューサ装置。

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