JP7376376B2

JP7376376B2 - sonic controller

Info

Publication number: JP7376376B2
Application number: JP2020011405A
Authority: JP
Inventors: 宏樹田中
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2020-01-28
Filing date: 2020-01-28
Publication date: 2023-11-08
Anticipated expiration: 2040-01-28
Also published as: JP2021117135A

Description

本発明は、音波制御器に関し、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に関する。 The present invention relates to a sound wave controller, and more particularly to a sound wave controller capable of controlling the reflectance of sound waves propagating through an object.

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。 BACKGROUND OF THE INVENTION Various acoustic equipment and facilities that utilize sound waves are used, without being limited to the audible or ultrasonic range. Examples of the audio equipment include speakers, microphones, medical ultrasound equipment, nondestructive testing equipment, and marine sonar, and examples of the audio facilities include music halls. In these audio equipment and audio facilities, sound waves are efficiently transmitted or reflected from various objects depending on the purpose.

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。 For example, in marine sonar, the transmitter and receiver may be installed separately, but if the receiver is installed in front of the transmitter, during transmission, the sound waves transmitted from the transmitter can be efficiently It is desirable to transmit the light through the receiver and radiate it to the surroundings. On the other hand, during reception, it is desired to receive only the sound waves transmitted from the front side of the receiver with high sensitivity, and it is desirable to block the sound waves transmitted from the back side of the receiver and reflect the sound waves efficiently. There is a demand.

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。 Furthermore, in music halls, there is a demand for actively controlling the echoes from the walls, ceiling, floor, etc. of the room depending on the content of the performance or the arrangement of the audience in the hall. Furthermore, in the future, technologies are being devised to create acoustic patterns (acoustic displays) or acoustic mimicry by controlling the reflection and transmission of sound waves on a flat surface.

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。 It is a well-known fact from acoustic propagation theory that in the case of a simple homogeneous medium (elastic body), the reflectance and transmittance of sound waves are determined by the acoustic impedance of the elastic body, the thickness of the elastic body, and the wavelength of the sound wave. It is.

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。 In the same audio equipment and audio facility, there are cases where it is desired to change the transmittance and reflectance from time to time. Generally, when a bulk material is used as a uniform elastic body, there is a large difference between the specific acoustic impedance of the bulk material and the specific acoustic impedance of its surroundings, so by interposing a thick bulk material, it becomes difficult for sound waves to pass through. . Conversely, by interposing a thin bulk material, it becomes easier for sound waves to pass through. Therefore, it is difficult to simultaneously optimize the reflection and transmission of sound waves by an elastic body.

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。 A sonic transducer is known as a type of sonic controller that transmits and receives sound waves. Traditionally, sound transducers using piezoelectric ceramics that utilize piezoelectric phenomena were mainstream, but in recent years, acoustic devices called capacitor-type microphones or CMUT (Capacitive Micromachined Ultrasound Transducer) structures that apply semiconductor processes have become popular. It is used.

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。 For example, Patent Document 1 discloses a CMUT structure in which the frequency characteristics of an ultrasonic transducer can be changed by applying a certain voltage to an electrode installed through a cavity. There is.

特表２０１６－５３３８２５号公報Special table 2016-533825 publication

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。 As mentioned above, it is difficult in principle to control the reflection and transmission of sound waves using a bulk material that is a uniform elastic body. At a minimum, the bulk material must have a certain specific acoustic impedance and thickness for efficient reflection. Therefore, a problem arises in which it becomes difficult to secure an installation location or the weight increases.

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。 Although there are methods for changing the transmission and reception characteristics of a sound wave transducer, there is a problem in that the reflectance and transmittance of sound waves propagating through an object cannot be actively and efficiently controlled. If it were possible to actively change the reflectance and transmittance of sound waves propagating through an object using a small or thin sound wave controller, applications in a wider range of fields could be expected. Therefore, the development of such a sound wave controller is desired, and the construction of a technology that improves the performance of the sound wave controller so that the reflectance and transmittance of sound waves can be controlled with high precision is desired. It is also desired to improve the performance of audio equipment using sonic controllers.

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。 Other objects and novel features will become apparent from the description herein and the accompanying drawings.

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。 A brief overview of typical embodiments disclosed in this application will be as follows.

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。 In one embodiment, a sonic controller includes a membrane structure having a first electrode, a first substrate having a second electrode, surrounded by the membrane structure and the first substrate, and comprising: a membrane structure having a first electrode; The device includes a gap layer located between the second electrode and a DC power source electrically connected to the first electrode and the second electrode. Here, the voltage applied from the DC power source to the first electrode has a polarity opposite to the voltage applied from the DC power source to the second electrode, and the voltage applied from the DC power source to the first electrode and the second electrode is opposite in polarity to the voltage applied from the DC power source to the second electrode. By adjusting the voltage applied to each of the membrane structures, the reflectance of sound waves in the membrane structure is controlled.

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。 According to one embodiment, a sound wave controller with good performance can be provided. Furthermore, the performance of audio equipment can be improved.

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。FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining a specific problem in the first embodiment. 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。FIG. 3 is an explanatory diagram of basic physical phenomena used in the first embodiment. 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。FIG. 3 is an explanatory diagram of basic physical phenomena used in the first embodiment. 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。FIG. 3 is an explanatory diagram of basic physical phenomena used in the first embodiment. 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。FIG. 3 is an explanatory diagram of basic physical phenomena used in the first embodiment. 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。FIG. 3 is an explanatory diagram of basic physical phenomena used in the first embodiment. 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。FIG. 3 is an explanatory diagram of basic physical phenomena used in the first embodiment. 実施の形態１における音波制御器を示す断面図である。1 is a sectional view showing a sonic controller in Embodiment 1. FIG. 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。FIG. 2 is a detailed cross-sectional view showing the sonic controller in Embodiment 1. FIG. 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。7 is a graph showing the relationship between the reflectance and frequency of sound waves in Embodiment 1. FIG. 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。7 is a graph showing the relationship between the reflectance and frequency of sound waves in Embodiment 1. FIG. 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。7 is a graph showing the relationship between the reflectance and frequency of sound waves in Embodiment 1. FIG. 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。7 is a graph showing the relationship between the reflectance and frequency of sound waves in Embodiment 1. FIG. 変形例１における音波制御器を示す断面図である。7 is a cross-sectional view showing a sonic controller in Modification 1. FIG. 変形例２における音波制御器を示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing a sonic controller in Modification 2. 変形例３における音波制御器を示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing a sonic controller in Modification 3. 実施の形態２における海洋ソナーを示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a marine sonar according to a second embodiment. 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。FIG. 3 is a cross-sectional view of a main part of a part of an ocean sonar according to a second embodiment. 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。FIG. 7 is a cross-sectional view showing an acoustic display in Embodiment 3. 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。FIG. 7 is a plan view showing an acoustic display in Embodiment 3. 実施の形態４における音波制御器を示す断面図である。FIG. 7 is a sectional view showing a sonic controller in Embodiment 4. 変形例４における音波制御器を示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing a sonic controller in Modification 4. 変形例５における音波制御器を示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing a sonic controller in modification 5. 実施の形態５における音波制御器を示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing a sonic controller in Embodiment 5.

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。 Hereinafter, embodiments will be described in detail based on the drawings. In addition, in all the drawings for explaining the embodiment, members having the same function are given the same reference numerals, and repeated explanation thereof will be omitted. Furthermore, in the following embodiments, descriptions of the same or similar parts will not be repeated in principle unless particularly necessary.

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。 Furthermore, in the drawings describing the embodiments, hatching may be added even in plan views, and hatching may be omitted even in cross-sectional views, in order to make the configuration easier to understand.

（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。 (Embodiment 1)
First, specific problems in the first embodiment will be explained using FIG. 1. In FIG. 1, a marine sonar 200 is illustrated as an acoustic device that uses sound waves.

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。 As shown in FIG. 1, marine sonar 200 includes a plurality of receivers 1 and transmitters 2. Each of the plurality of receivers 1 has a receiving circuit for receiving sound waves, and the transmitter 2 has a transmitting circuit for transmitting sound waves.

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。 A plurality of receivers 1 are arranged around a transmitter 2 in an array as a plurality of independent channels, with the transmitter 2 at the center. The transmitter 2 transmits sound waves to the surroundings, and the sound waves transmitted from the transmitter 2 are transmitted to a certain object. By receiving the sound waves reflected by the object with the receiver 1, it becomes possible to know the presence of the object.

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。 Among the sound waves transmitted from the transmitter 2, a part becomes a transmitted wave (transmission sound wave) SW1 that passes through the receiver 1, and another part becomes a reflected wave (transmission sound wave) SW2 that is reflected by the receiver 1. During transmission, the transmitted wave SW1 needs to pass through the receiver 1, but in order to transmit the transmitted wave SW1 to the surroundings more efficiently within the limited consumable energy, it is necessary to transmit the reflected wave SW2. It is necessary to suppress the occurrence. Therefore, the receiver 1 is usually thin and has a structure through which sound waves can easily pass through.

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。 On the other hand, during reception, it is efficient to selectively receive only the reception sound waves SW3 propagated from the front side of the receiver 1. However, the sound waves received by the receiver 1 include a back reflected wave (received sound wave) SW4 that passes through the receiver 1, is reflected by the transmitter 2, and reaches the receiver 1, and other waves existing on the back side. This includes backside transmitted waves (received sound waves) SW5 that have passed through the receiver 1.

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。 In this case, a situation occurs in which the received sound wave SW3 from the front side cannot be distinguished from the back reflected wave SW4 and the back transmitted wave SW5 from the back side. Therefore, there is a problem that object information cannot be obtained with high precision. Therefore, a technique is required that efficiently transmits sound waves through the receiver 1 during transmission and efficiently reflects sound waves from the back side of the receiver 1 during reception.

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。 Next, basic physical phenomena used in the first embodiment will be explained using FIGS. 2A, 2B, 3A, 3B, 4A, and 4B.

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。 FIG. 2A is a cross-sectional view showing the reflection and transmission of sound waves in a bulk material that is an elastic body, and FIG. 2B is a graph showing the relationship between reflectance and frequency. In FIG. 2A or 2B, the symbol z ₁ is the characteristic acoustic impedance of the bulk material, the symbol z ₀ and the symbol z ₂ are the characteristic acoustic impedance of the substance external to the bulk material, and the symbol D is the thickness of the bulk material. be. The frequency f is expressed as the division of the phase velocity c of the sound wave and the wavelength λ of the sound wave (f=c/λ).

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）。 When the sound wave SW6 is incident on the bulk material, part of the sound wave SW6 becomes a reflected wave SW7, and the other part becomes a transmitted wave SW8. In addition, when the thickness D of the bulk material is infinite (D=∞), that is, when the thickness D is sufficiently thicker than the wavelength λ of the frequency of interest (λ<<D), the reflectance R is as follows: It is expressed by the equation (1). Transmittance T is expressed by the following equation (2). Note that here, assuming a situation like underwater, it is assumed that the characteristic acoustic impedance z ₂ is equal to the characteristic acoustic impedance z ₀ (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。 R = (z ₁ - z ₀ )/(z ₁ +z ₀ ) (1)
T=1-R=2z ₁ /(z ₁ +z ₀ ) (2)
As shown in FIG. 2B, when the thickness D of the bulk material is infinite (D=∞), there is no frequency dependence and the reflectance R is a constant value. On the other hand, when the thickness D is finite (D≠∞), that is, when the thickness D is not sufficiently thicker than the wavelength λ of the frequency of interest, the sound wave SW6 is not reflected in the low frequency band, and the transmitted wave SW8 is Becomes transparent through bulk materials. In other words, in a region where the wavelength is long, the reflectance is low, and the transmitted wave SW8 comes to pass through the bulk material. Therefore, when the material of the bulk material is determined, the transmittance T and reflectance R of the sound wave SW6 can only be controlled by the thickness D with respect to the wavelength λ, and are constant values.

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。 Furthermore, the "frequency of interest" expressed in this application means the frequency of the sound waves that one wants to use, and the "frequency band of interest" means the range of frequencies of the sound waves that one wants to use. For example, the frequency band of interest used in ocean sonar, which is an acoustic device in the present application, is from several kHz to several hundred kHz. However, since the frequency band of interest differs depending on the application, the frequency band of interest is appropriately designed according to the application.

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。 FIG. 3A is a cross-sectional view showing a structure including a substrate 13 having a bulk material, a thin plate-like film structure 11, and a gap layer 12 surrounded by these. FIG. 3B is a graph showing the relationship between reflectance and frequency. Note that the thickness D in FIG. 3A is the thickness of the above structure, and is equivalent to the thickness D in FIG. 2A. Further, the gap layer 12 includes a cavity and a gas or liquid existing in the cavity.

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。 In the membrane structure 11, a standing wave is excited at a certain frequency, and when the standing wave has a large amplitude, the membrane structure 11 vibrates. This frequency is called the resonant frequency f _res . The resonant frequency f _res is determined by the shape, material, thickness, etc. of the membrane structure 11, and a plurality of resonant frequencies exist depending on various vibration modes.

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。 When the sound wave SW6 is incident on the membrane structure 11, a force is applied to the membrane structure 11 located around the gap layer 12, so that part of the energy is transmitted as a transmitted wave SW8, and the other part of the energy is transmitted as a transmitted wave SW8. It is reflected as a reflected wave SW7. In this case, since the sound wave SW6 becomes a standing wave at the resonance frequency f _res of the membrane structure 11, the energy at that frequency is confined in the membrane structure 11. As a result, in the film structure 11 in contact with the gap layer 12, the transmitted wave SW8 becomes difficult to propagate, and most of its energy is reflected as a reflected wave SW7.

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。 That is, as shown in FIG. 3B, near the resonant frequency f _res of the film structure 11, the reflectance R becomes large regardless of the material and thickness D of the bulk material. In other words, the reflectance R becomes large even when the thickness D is sufficiently smaller than the wavelength λ.

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。 FIG. 4A is a cross-sectional view showing a state in which the membrane structure 11 shown in FIG. 3A is in contact with the substrate 13. FIG. 4B is a graph showing the relationship between reflectance and frequency.

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。 As mentioned above, the resonant frequency f _res of the membrane structure 11 also depends on its shape. As shown in FIG. 4A, when the membrane structure 11 and the substrate 13, which were facing each other with the gap layer 12 in between, come into contact with each other, the overall resonant frequency shifts to the high frequency side. Therefore, when the sound wave SW6 is incident, the resonant frequency exhibiting a high reflectance also moves to the high frequency side. That is, as shown in FIG. 4B, the resonant frequency f _res0 in the state of FIG. 3A moves to the resonant frequency f _res1 in the state of FIG. 4A. Therefore, the reflected wave SW7 generated near the resonant frequency f _res1 before the membrane structure 11 and the substrate 13 come into contact is hardly generated after the contact, and most of the sound wave SW6 is transferred to the membrane structure 11 as a transmitted wave SW8. Transparent.

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。 The first embodiment utilizes the above phenomenon to provide a sound wave controller that can actively control the reflectance and transmittance of sound waves.

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。 FIG. 5 is a sectional view showing the sonic controller 100 in the first embodiment, and shows the states of the sonic controller 100 when the sound wave SW6 is reflected and when it is transmitted. FIG. 6 is a detailed cross-sectional view of the sonic controller 100. FIG. 7 is a graph showing the relationship between reflectance and frequency.

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。 The acoustic wave controller 100 in the first embodiment is used in various acoustic devices such as a speaker, a microphone, a medical ultrasonic device, a non-destructive testing device, a marine sonar, or an acoustic display.

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。 As shown in FIG. 5, the sonic controller 100 includes a membrane structure 11 having an electrode 14, a substrate 13 having an electrode 15, a gap layer 12 located between the membrane structure 11 and the substrate 13, and a direct current A power source 16 is provided. The membrane structure 11, the gap layer 12, and the substrate 13 constitute a CMUT structure. Further, FIG. 5 shows how the sound wave SW6 is incident from the membrane structure 11 side.

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。 As shown in FIG. 6, the substrate 13 is made of a laminated structure including, for example, a semiconductor substrate SUB, an insulating film IF1, an electrode 15, and an insulating film IF2. The semiconductor substrate SUB is made of a semiconductor material such as silicon. The insulating film IF1 is formed on the semiconductor substrate SUB, and is made of silicon oxide, for example. The electrode 15 is formed on the insulating film IF1, and is made of a conductive film such as aluminum, titanium, or tungsten. The insulating film IF2 is formed on the electrode 15 and is made of silicon oxide, for example.

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。 Note that the laminated structure of the substrate 13 is not limited to the above configuration, and may include other insulating films and other conductive films as long as they are made of materials through which sound waves can pass. Further, in the laminated structure of the substrate 13, for example, the formation of the insulating film IF2 may be omitted.

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。 The film structure 11 is, for example, a stacked structure including an insulating film IF3, an electrode 14, and an insulating film IF4. The insulating film IF3 is formed on the insulating film IF2, and is made of silicon oxide, for example. The electrode 14 is formed on the insulating film IF3, and is made of a conductive film such as aluminum, titanium, or tungsten. The insulating film IF4 is formed on the electrode 14 and is made of silicon nitride, for example.

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。 Note that the laminated structure of the membrane structure 11 is not limited to the above configuration, and may include other insulating films and other conductive films as long as they are made of materials through which sound waves can pass. Further, in the stacked structure of the film structure 11, the formation of the insulating film IF3 or the insulating film IF4 may be omitted, for example.

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。 Although the thickness of the semiconductor substrate SUB, each insulating film, and each conductive film is not particularly limited, here, the thickness of the substrate 13 is greater than the thickness of the film structure 11 facing with the gap layer 12 in between. It's also thicker. Note that the thickness referred to here is the thickness in the stacking direction of the film structure 11, the gap layer 12, and the substrate 13.

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。 Gap layer 12 is surrounded by membrane structure 11 and substrate 13 . Specifically, the gap layer 12 includes a cavity surrounded by the membrane structure 11 and the substrate 13, and a gas existing in the cavity. The gas is, for example, an inert gas such as nitrogen gas or air. Note that a liquid may exist in the cavity of the gap layer 12 instead of the gas.

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。 Further, in FIG. 6, there are locations where the insulating film IF3 is in contact with the insulating film IF2 and locations where the insulating film IF3 is spaced apart from the insulating film IF2. A portion where the insulating film IF3 and the insulating film IF2 are spaced apart from each other and surrounded by the insulating film IF2 and the insulating film IF3 constitutes the gap layer 12.

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。 Further, the gap layer 12 is provided between the electrode 14 and the electrode 15. Although not shown here, the gap layer 12 is provided at a position overlapping the electrode 14 and the electrode 15 in a plan view perpendicular to the stacking direction of the film structure 11, the gap layer 12, and the substrate 13. Therefore, the electric field generated between the electrode 14 and the electrode 15 is generated inside the gap layer 12.

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。 As shown in FIG. 5, the DC power supply 16 is provided outside the membrane structure 11 and the substrate 13, and is electrically connected to the electrodes 14 and 15. The DC power supply 16 has a terminal 16a and a terminal 16b for supplying a positive voltage or a negative voltage, the terminal 16a is electrically connected to the electrode 14 via a conductive film such as wiring, and the terminal 16b is It is electrically connected to the electrode 15 via a conductive film such as wiring. Therefore, it is possible to apply a positive voltage or a negative voltage to the terminals 16a and 16b.

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。 Note that either the terminal 16a or the terminal 16b may be on the positive voltage side or may be on the negative voltage side. That is, a positive voltage may be applied to the electrode 14 and a negative voltage may be applied to the electrode 15, or a negative voltage may be applied to the electrode 14 and a positive voltage may be applied to the electrode 15.

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。 Further, the DC power supply 16 is a power supply that can change the magnitude of the voltage not only at a constant voltage but also at a desired voltage. Although not shown here, the DC power supply 16 is electrically connected to a control circuit that controls whether voltage can be applied to the electrodes 14 and 15. Furthermore, the magnitude of the voltage applied to the electrodes 14 and 15 is also controlled by the control circuit.

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。 “At the time of reflection” in FIG. 5 indicates the state of the sound wave controller 100 when the sound wave SW6 is reflected in the membrane structure 11, and “at the time of transmission” in FIG. The state of the sonic controller 100 is shown. Note that the thickness of the sound wave controller 100 is designed so that the sound wave SW6 can be sufficiently transmitted. That is, the thickness of the acoustic wave controller 100 corresponds to the thickness D in FIG. 3B, and is preferably smaller than the wavelength λ in the frequency band of interest.

「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。 The "reflection" state and the "transmission" state are controlled using a certain threshold potential difference ΔVth as a boundary. Here, the state "at the time of reflection" is a case where the absolute value of the potential difference between the voltage applied to the electrode 14 and the voltage applied to the electrode 15 is smaller than the absolute value of the threshold potential difference ΔVth, and the state "at the time of transmission" The state is a case where the absolute value of the potential difference between the voltage applied to the electrode 14 and the voltage applied to the electrode 15 is greater than or equal to the absolute value of the threshold potential difference ΔVth. Note that when comparing the magnitudes of voltages or potential differences in this application, unless there is a special reason, the magnitudes are compared as absolute values.

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。 When a voltage is applied from the DC power source 16 to the electrodes 14 and 15, the electrostatic force generated between the electrodes 14 and 15 causes the substrate 13 and the membrane structure 11 to attract each other, resulting in a relatively thin layer. The membrane structure 11 is displaced more than the substrate 13 and approaches the surface of the substrate 13. Then, when the potential difference between the voltage applied to the electrode 14 and the voltage applied to the electrode 15 exceeds the threshold potential difference ΔVth, the membrane structure 11 comes into contact with the substrate 13. In this manner, by adjusting the voltage applied from the DC power supply 16, the contact between the membrane structure 11 and the substrate 13 can be controlled, and the reflectance of sound waves in the membrane structure 11 can be controlled.

「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。 During "reflection", the voltage applied from the DC power supply 16 to the electrodes 14 and 15 is adjusted so that the film structure 11 and the substrate 13 facing each other with the gap layer 12 in between are separated.

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。 For example, during "reflection", a first voltage with a small absolute value is applied from the DC power supply 16 to the electrode 14, a second voltage with a small absolute value is applied from the DC power supply 16 to the electrode 15, and the first voltage and the second voltage are applied to the electrode 14. The absolute value of the voltage potential difference ΔVdc1a becomes smaller than the absolute value of the threshold potential difference ΔVth. Alternatively, during "reflection", no voltage is applied from the DC power supply 16 to the electrodes 14 and 15. Note that the first voltage applied to the electrode 14 and the second voltage applied to the electrode 15 have opposite polarities. Further, the potential difference ΔVdc1a has a smaller absolute value than the potential difference ΔVdc1b, which will be described later.

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。 Here, as shown in FIG. 7, when the resonant frequency of the membrane structure 11 at this time is f _res0 , the sound wave SW6 is high in the membrane structure 11 because the reflectance is high near the resonant frequency f _res0 . Reflect with efficiency.

「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。 During "transmission", the voltage applied from the DC power supply 16 to the electrodes 14 and 15 is adjusted so that the membrane structure 11 and the substrate 13, which were facing each other with the gap layer 12 in between, come into contact with each other.

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。 For example, in the "transmission state", a third voltage with a large absolute value is applied from the DC power supply 16 to the electrode 14, a fourth voltage with a large absolute value is applied from the DC power supply 16 to the electrode 15, and the third voltage and the fourth voltage are applied to the electrode 14. The absolute value of the voltage potential difference ΔVdc1b becomes greater than or equal to the absolute value of the threshold potential difference ΔVth. Note that the third voltage applied to the electrode 14 and the fourth voltage applied to the electrode 15 have opposite polarities. Further, the potential difference ΔVdc1b has a larger absolute value than the above-described potential difference ΔVdc1a.

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。 Here, as shown in FIG. 7, the resonant frequency moves from f _res0 to f _res1 . Since the reflectance is low near the resonance frequency f _res0 , the thinner the sound wave controller 100 is, the more efficiently the sound wave SW6 is transmitted through the membrane structure 11.

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。 As described above, according to the first embodiment, it is possible to provide the sound wave controller 100 that can actively change the reflectance and transmittance of sound waves. Furthermore, as described above, the reflectance and transmittance of the sound wave SW6 are controlled with high accuracy by adjusting the voltage of the DC power supply 16, so that it is possible to provide the sound wave controller 100 with good performance.

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。 Further, the DC power supply 16 in the first embodiment is a power supply whose voltage level can be changed. Therefore, the resonant frequency band can be adjusted.

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。 For example, as described above, the highly efficient reflection band during reflection is determined by the resonant frequency of the membrane structure 11. In a CMUT structure, the resonant frequency depends on the membrane structure 11 and the magnitude of the potential difference between the voltage applied to electrode 14 and the voltage applied to electrode 15. For example, the larger the potential difference, the more the resonance frequency moves to a lower frequency band. FIG. 8 shows this situation.

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。 As shown in FIG. 8, when a voltage larger than that shown in FIG. 7 is applied from the DC power supply 16 to the electrodes 14 and 15 during reflection, the potential difference between these is smaller than the threshold potential difference ΔVth and smaller than the potential difference ΔVdc1a. Also, the potential difference ΔVdc2a becomes large. In this case, the resonant frequency f _res0 moves to the lower frequency side. In this way, since the reflection band can be adjusted relatively freely, the sound wave controller 100 can deal with sound waves having various wavelengths.

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。 Further, the contact area between the membrane structure 11 and the substrate 13 during transmission can be controlled by a DC voltage, and the resonance frequency during contact is also determined according to this contact area. Therefore, by controlling the magnitude of the DC voltage, it is possible to control the reflection band with high efficiency. FIG. 9 shows this situation.

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。 As shown in FIG. 9, when a voltage larger than that shown in FIG. 7 is applied from the DC power supply 16 to the electrodes 14 and 15 during transmission, the potential difference between them is greater than or equal to the threshold potential difference ΔVth, and The potential difference ΔVdc2b is larger than the potential difference ΔVdc1b. In this case, the contact area between the membrane structure 11 and the substrate 13 increases. Then, the resonant frequency f _res1 moves to the high frequency side. In this way, since the transmission band can be adjusted relatively freely, the sound wave controller 100 can handle sound waves having various wavelengths.

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。 In addition, in the frequency characteristics shown in FIGS. 7, 8, and 9, the resonant frequency of the membrane structure 11 is the lowest fundamental mode (low-order exemplified by Maud). However, in reality, the resonant frequency of the membrane structure 11 has vibration modes including a low-order mode and a high-order mode higher than the low-order mode.

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。 FIG. 10 shows a frequency characteristic including a resonant frequency f _res0 of a low-order mode and a resonant frequency f _res2 of the next higher-order mode. In the first embodiment, both a low-order mode and a high-order mode can be used for transmission and reflection of sound waves in the membrane structure 11.

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。 Further, in the above description, only the two-dimensional cross-sectional structure of the acoustic wave controller 100 was shown, but what is important is the resonance frequency of the membrane structure 11. Therefore, as long as the resonance frequency can be controlled, various shapes can be applied to the planar shape of the film structure 11 in a plan view perpendicular to the lamination direction of the film structure 11, gap layer 12, and substrate 13, such as a rectangular shape. shape, circular or close-packed hexagonal.

（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。 (Modified example 1, modified example 2)
Modification 1 and Modification 2 of Embodiment 1 will be described below. FIG. 11 is a sectional view showing a sonic controller 100 in a first modification, and FIG. 12 is a sectional view showing a sonic controller 100 in a second modification.

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。 In FIG. 5, an electrode 14 was provided inside the membrane structure 11, and an electrode 15 was provided inside the substrate 13. However, if the membrane structure 11 can be deformed by electrostatic force, the formation positions of the electrodes 14 and 15 can be changed individually.

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。 For example, as shown in FIG. 11, electrode 14 and electrode 15 may be exposed in gap layer 12. More specifically, referring to FIG. 6, electrode 14 may be formed on insulating film IF2, and electrode 15 may be formed under insulating film IF3. Moreover, the electrode exposed in the gap layer 12 may be both the electrode 14 and the electrode 15, or only one of them may be exposed.

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。 Note that during transmission, the electrode 14 and the electrode 15 are in direct contact with each other, but by providing a resistive element on the electrode 14 side, for example, even if these contact, it is possible to suppress the flow of a large current.

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。 Further, as shown in FIG. 12, the electrode 14 may be located at the farthest point from the gap layer 12 so as to be exposed to the outside of the membrane structure 11. More specifically, referring to FIG. 6, the electrode 14 may be formed on the insulating film IF4.

（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。 (Modification 3)
Another modification example 3 of the first embodiment will be described below. FIG. 13 is a sectional view showing the sonic controller 100 in Modification 3.

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。 FIG. 5 illustrates a case where the sound wave SW6 is incident from the membrane structure 11 side. As shown in FIG. 13, even when the sound wave SW6 is incident from the substrate 13 side, by applying an appropriate voltage to the electrodes 14 and 15, the reflectance and transmission of the sound wave SW6 can be improved in the membrane structure 11. rate can be controlled.

（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。 (Embodiment 2)
Ocean sonar 200 according to the second embodiment will be described below using FIGS. 14 and 15. Note that in the following description, differences from Embodiment 1 will be mainly explained. FIG. 14 is a sectional view showing the ocean sonar 200, and FIG. 15 is an enlarged sectional view of a main part of the area surrounded by a broken line in FIG. In addition, in FIG. 15, illustration of the electrode 14, the electrode 15, and the DC power supply 16 of the sonic controller 100 is omitted in order to make the drawing easier to read.

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。 Marine sonar 200 is an acoustic device using sonic controller 100 in the first embodiment. As shown in FIG. 14, marine sonar 200 includes a plurality of receivers 1 and transmitters 2. Each of the plurality of receivers 1 has a receiving circuit for receiving sound waves, and the transmitter 2 has a transmitting circuit for transmitting sound waves. The acoustic wave controller 100 is provided between the transmitter 2 and each of the plurality of receivers 1.

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。 Please refer to the explanation of FIG. 1 for the functions of each of the plurality of receivers 1 and transmitters 2, and the transmitted and received sound waves handled by these.

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。 As shown in "At the time of transmission" in FIG. 15, at the timing of transmitting the transmission sound wave SW1 from the transmitter 2 to the surroundings, the potential difference between the voltage applied to the electrode 14 and the voltage applied to the electrode 15 is determined as the threshold potential difference ΔVth. By making the above adjustments, the film structure 11 and the substrate 13 are brought into contact. Since the transmitted sound wave SW1 passes through the sound wave controller 100 with high efficiency, loss of the transmitted sound wave SW1 is suppressed.

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。 As shown in "At the time of reception" in FIG. 15, at the timing of receiving the received sound wave SW3 propagated from the front surface of the receiver 1, the potential difference between the voltage applied to the electrode 14 and the voltage applied to the electrode 15 is By adjusting the potential difference to be smaller than the threshold potential difference ΔVth, the membrane structure 11 and the substrate 13 are separated. The back reflected wave SW4 and the back transmitted wave SW5 that enter from the back side of the receiver 1 are reflected with high efficiency on the membrane structure 11, so that the received sound wave SW3, the back reflected wave SW4, and the back transmitted wave SW5 are Problems that make it difficult to distinguish can be suppressed.

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。 As described above, the marine sonar 200 equipped with the sonic wave controller 100 can efficiently transmit the sound waves through the receiver 1 when transmitting, and can efficiently reflect the sound waves from the back side of the receiver 1 when receiving. , the performance of the ocean sonar 200, which is an acoustic device, can be improved.

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。 Further, in FIG. 15, the substrate 13 is located on the receiver 1 side, and the membrane structure 11 is located on the transmitter 2 side. Here, whether a sound wave is incident from the membrane structure 11 side as shown in FIG. 5 or a sound wave is incident from the substrate 13 side as shown in FIG. Reflectance and transmittance can be controlled.

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。 However, in the sound wave controller 100, the reflectance of sound waves is actively controlled by the relatively thin film structure 11. Therefore, by locating the film structure 11 near the back reflected wave SW4 and the back transmitted wave SW5, the back reflected wave SW4 and the back transmitted wave SW5 can be reflected with higher efficiency.

（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。 (Embodiment 3)
The acoustic display 300 according to the third embodiment will be described below with reference to FIGS. 16 and 17. Note that in the following description, differences from Embodiment 1 will be mainly explained. FIG. 16 is a cross-sectional view of the acoustic display 300, and FIG. 17 is a plan view of the acoustic display 300 in a plan view perpendicular to the stacking direction of the acoustic wave controller 100 and the attenuation layer 17. In addition, in FIG. 16, in order to make the drawing easier to read, illustrations or symbols of the sonic controller 100 other than the membrane structure 11 are omitted.

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。 Acoustic display 300 is an audio device using sonic controller 100 in the first embodiment. As shown in FIG. 16, the acoustic display 300 includes a plurality of attenuating layers 17 and a plurality of acoustic wave controllers 100. Each of the plurality of damping layers 17 has the property of reducing the amplitude of sound waves propagating therein.

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。 A plurality of sound wave controllers 100 are provided on the surfaces of the plurality of attenuation layers 17, respectively. The reflectance of the sound wave SW9 incident on one attenuation layer 17 is individually controlled by one sound wave controller 100 provided on the surface thereof. Therefore, the plurality of attenuation layers 17 are recognized as a two-dimensional array in plan view, and constitute an acoustic pattern as shown in FIG. 17. In FIG. 17, a pattern similar to the alphabet "H" is illustrated as an acoustic pattern.

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。 As described above, the sound wave controller 100 can actively control the reflectance and transmittance of the sound wave SW9 incident on the attenuation layer 17. Therefore, the performance of the acoustic display 300, which is an audio device, can be improved.

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。 Although the plurality of damping layers 17 are illustrated as separate layers in FIGS. 16 and 17, the plurality of damping layers 17 may be one integrated damping layer. In that case, a set of multiple regions corresponding to multiple acoustic wave controllers 100 can also be recognized as an integrated attenuation layer. That is, the plurality of damping layers 17 in the third embodiment are each an individual damping layer or a plurality of regions of one damping layer.

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。 Moreover, in FIG. 16, the relatively thin film structure 11 is located near the sound wave SW9. That is, each substrate 13 of the plurality of sound wave controllers 100 is located on the attenuation layer 17 side. Therefore, the sound wave SW9 can be reflected with higher efficiency.

（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。 (Embodiment 4)
The sonic controller 100 according to the fourth embodiment will be described below using FIG. 18. Note that in the following description, differences between Embodiment 1 and Embodiment 2 will be mainly explained. FIG. 18 is a sectional view showing the sonic controller 100 according to the fourth embodiment.

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。 In the second embodiment, the sonic wave controller 100 in the first embodiment is provided as a separate structure from the receiver 1 and the transmitter 2, and is provided between the transmitter 2 and the receiver 1. The sonic controller 100 in the fourth embodiment includes a receiver 1 and is integrated with the receiver 1.

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。 As shown in FIG. 18, the receiver 1 according to the fourth embodiment includes a membrane structure 21 having an electrode 24, a substrate 23 having an electrode 25, and a gap layer 22 located between the membrane structure 21 and the substrate 23. , a DC power supply 26 and a receiving circuit 27. The receiver 1 has a CMUT structure substantially similar to that of the sonic controller 100, and the receiver 1 and the sonic controller 100 are individually controlled by different DC power supplies 16 and 26, respectively.

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。 The membrane structure 21 and the substrate 23 are made of a laminated structure in which the insulating films and conductive films used in the membrane structure 11 and the substrate 13 are applied and laminated as appropriate. The gap layer 22 is surrounded by the membrane structure 21 and the substrate 23, and, like the gap layer 12, is composed of a cavity and a gas or liquid existing in the cavity.

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。 Further, the substrate 23 includes a semiconductor substrate similar to the semiconductor substrate SUB of the substrate 13. In the fourth embodiment, the sonic controller 100 and the receiver 1 are integrated by bonding the substrate 13 and the substrate 23. Specifically, the semiconductor substrate SUB of the substrate 13 and the semiconductor substrate of the substrate 23 are bonded.

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。 Further, the receiver 1 is formed on the substrate 23 and includes a receiving circuit 27 for receiving the sound wave SW3. Receiving circuit 27 is electrically connected to electrode 24 and DC power supply 26 . Specifically, the receiving circuit 27 includes a semiconductor element formed on the semiconductor substrate of the substrate 23 and a wiring layer electrically connected to the semiconductor element, and the wiring layer is connected to the semiconductor element through the electrode 24. and is electrically connected to a DC power source 26.

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。 Even in the sound wave controller 100 integrated with the receiver 1, the reflectance and transmittance of sound waves can be actively controlled. Therefore, during transmission, the transmitted sound wave SW1 can be transmitted, and during reception, the back reflected wave SW4 and the back transmitted wave SW5 can be efficiently reflected, and the received sound wave SW3 can be received.

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。 In addition, although the receiver 1 of CMUT structure was illustrated in Embodiment 4, the receiver 1 may be comprised from a well-known piezoelectric element, for example instead of a CMUT structure.

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。 Furthermore, in Embodiment 4, the structure in FIG. 18 is described as the sonic controller 100 including the receiver 1, but the structure in FIG. It can also be said that it is 1.

（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。 (Modification 4)
A fourth modification of the fourth embodiment will be described below. FIG. 19 is a cross-sectional view showing the sonic controller 100 in Modified Example 4.

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。 As shown in FIG. 19, the sonic wave controller 100 in Modification 4 includes not only a receiving circuit 27 but also a transmitting circuit 28. That is, the sonic controller 100 is integrated with the transceiver 3 that includes the receiving circuit 27 and the transmitting circuit 28 .

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。 The structure of the transceiver 3 in Modification 4 is almost the same as the structure in FIG. 18 except that a transmitting circuit 28 is formed.

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。 Further, the transceiver 3 is formed on the substrate 23 and includes a transmitting circuit 28 for transmitting the sound wave SW1. Transmission circuit 28 is electrically connected to DC power supply 26 via electrode 24 and electrode 25 . Specifically, the transmitting circuit 28 includes a semiconductor element formed on the semiconductor substrate of the substrate 23 and a wiring layer electrically connected to the semiconductor element, and the wiring layer includes the electrode 24 and the electrode. It is electrically connected to a DC power supply 26 via 25.

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。 During transmission, a sound wave SW1 is transmitted from the front side of the transceiver 3, but a sound wave with a certain amount of energy is also emitted from the back side of the transceiver 3, and a reflected wave SW10 of the sound wave is returned. Furthermore, during reception, there are a back reflected wave SW4 and a back transmitted wave SW5, as in the previous explanation.

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。 Even in the sound wave controller 100 integrated with such a transceiver 3, the reflectance and transmittance of sound waves can be actively controlled. Therefore, at the time of transmission, the reflected wave SW10 can be reflected efficiently, so that it is possible to suppress the reflected wave SW10 from being mixed with the sound wave SW1. At the time of reception, the back reflected wave SW4 and the back transmitted wave SW5 are efficiently reflected, and the received sound wave SW3 can be received.

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。 Furthermore, in Modification 4, it is explained that the structure in FIG. It can also be rephrased as .

（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。 (Modification 5)
Another modification example 5 of the fourth embodiment will be described below. FIG. 20 is a sectional view showing a sonic controller 100 in Modification 5.

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。 In FIGS. 18 and 19, the substrate 13 and the substrate 23 are bonded, and specifically, the semiconductor substrate SUB of the substrate 13 and the semiconductor substrate of the substrate 23, which are made of the same semiconductor material, are bonded.

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。 As shown in FIG. 20, in modification 5, an intervening layer 18 is provided between the substrate 13 and the substrate 23, and the substrate 13 and the substrate 23 are bonded via the intervening layer 18. The intervening layer 18 is provided to more stably bring the semiconductor substrate SUB of the substrate 13 and the semiconductor substrate of the substrate 23 into close contact. The intervening layer 18 only needs to be made of a material through which sound waves can pass, and is made of, for example, a conductive film such as an aluminum film, or an insulating film such as a silicon oxide film or a resin film.

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。 Further, in the above-mentioned modification 4 as well, the intervening layer 18 may be provided between the substrate 13 and the substrate 23.

（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。 (Embodiment 5)
The sonic wave controller 100 according to the fifth embodiment will be described below using FIG. 21. Note that in the following description, differences from Embodiment 1 will be mainly explained. FIG. 21 is a cross-sectional view showing the sonic controller 100 according to the fifth embodiment. In addition, in FIG. 21, illustration of the electrode 14, the electrode 15, and the DC power supply 16 of the sonic controller 100 is omitted in order to make the drawing easier to read.

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。 As shown in FIG. 21, the sonic controller 100 according to the fifth embodiment has a plurality of CMUT structures including a membrane structure 11, a gap layer 12, and a substrate 13. Each of the plurality of CMUT structures is provided with a plurality of gap layers 12 in the left and right direction, and the CMUT structure including the plurality of gap layers 12 is vertically arranged by joining the film structures 11 and substrates 13 to each other. Laminated in the direction.

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。 Further, the upper gap layer 12 having a CMUT structure and the lower gap layer 12 having a CMUT structure are arranged with a wide interval in the left-right direction. That is, in the vertical and horizontal directions, the position of the upper gap layer 12 is shifted from the position of the lower gap layer 12.

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。 Note that the above-mentioned vertical direction is the lamination direction of the film structure 11, the gap layer 12, and the substrate 13, and the above-mentioned left-right direction is a direction perpendicular to the lamination direction.

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。 By shifting the positions of the plurality of gap layers 12, some of the back reflected waves SW4 are reflected at the film structure 11 in contact with the lower gap layer 12, while other back reflected waves SW4 are reflected by the upper gap layer 12. It is reflected at the membrane structure 11 that is in contact with. Therefore, the back reflected wave SW4 can be reflected in stages. In other words, the back reflected wave SW4 can be attenuated in stages. Further, the same effect can be obtained even when the back surface transmitted wave SW5 is used instead of the back surface reflected wave SW4.

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。 In this way, in the fifth embodiment, the sonic wave controller 100 can also function as an attenuator.

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。 Although the present invention has been specifically described above based on the embodiments thereof, the present invention is not limited to the above embodiments, and various changes can be made without departing from the gist thereof.

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。 For example, in the above embodiment, the film structure 11 and the substrate 13 formed of a plurality of insulating films and a plurality of conductive films are illustrated, but the structure of each of the film structure 11 and the substrate 13 is limited to these. Not done. The membrane structure 11 and the substrate 13 may be formed using a plastic or resin film, and may be formed, for example, by joining a plate-shaped plastic plate and a bent plastic plate.

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 1 Receiver 2 Transmitter 3 Transmitter/receiver 11 Membrane structure 12 Gap layer 13 Substrate 14 Electrode 15 Electrode 16 DC power supply 16a, 16b Terminal 17 Attenuation layer 18 Intervening layer 21 Membrane structure 22 Gap layer 23 Substrate 24 Electrode 25 Electrode 26 DC Power supply 27 Receiving circuit 28 Transmitting circuit 100 Sound wave controller 200 Marine sonar 300 Acoustic display SW1 Transmitted wave (transmitted sound wave)
SW2 Reflected wave (transmitted sound wave)
SW3 Front transmitted wave (received sound wave)
SW4 Back reflected wave (received sound wave)
SW5 Back transmitted wave (received sound wave)
SW6 Sound wave SW7 Reflected wave SW8 Transmitted wave SW9 Sound wave SW10 Reflected wave

Claims

a membrane structure having a first electrode;
a first substrate having a second electrode;
a gap layer surrounded by the membrane structure and the first substrate and located between the first electrode and the second electrode;
a DC power supply electrically connected to the first electrode and the second electrode;
a second substrate bonded to the first substrate;
a receiving circuit formed on the second substrate;
Equipped with
The voltage applied from the DC power source to the first electrode has a polarity opposite to the voltage applied from the DC power source to the second electrode,
By adjusting the voltages applied from the DC power supply to the first electrode and the second electrode, the reflectance of the sound wave in the membrane structure is controlled,
When reflecting a first sound wave in the membrane structure having a first resonant frequency, the membrane structure and the first substrate facing each other with the gap layer in between are separated;
When transmitting the first sound wave through the membrane structure, the first resonance frequency of the membrane structure is increased by bringing the membrane structure and the first substrate, which were facing each other through the gap layer, into contact with each other. , to a second resonant frequency different from the first resonant frequency ;
The receiving circuit is a sound wave controller that receives the first sound wave .

The sonic controller according to claim 1,
When reflecting the first sound wave in the membrane structure, a first voltage is applied from the DC power source to the first electrode, and a second voltage having a polarity opposite to the first voltage is applied from the DC power source to the second electrode. is applied, and the absolute value of the potential difference between the first voltage and the second voltage is smaller than the absolute value of a threshold potential difference, or no voltage is applied from the DC power supply to the first electrode and the second electrode. ,
When the first sound wave is transmitted through the membrane structure, a third voltage having an absolute value larger than the first voltage is applied from the DC power source to the first electrode, and a third voltage whose absolute value is larger than the first voltage is applied from the DC power source to the second electrode. A fourth voltage having a polarity opposite to that of the third voltage and having a larger absolute value than the second voltage is applied, and the absolute value of the potential difference between the third voltage and the fourth voltage is equal to or greater than the absolute value of the threshold potential difference. A sonic controller.

The sonic controller according to claim 1,
The DC power source is a sonic controller in which the voltage level can be changed.

The sonic controller according to claim 1,
The first resonant frequency and the second resonant frequency of the membrane structure have vibration modes including a low-order mode and a high-order mode, and the transmission or reflection of the first sound wave in the membrane structure has a low A sonic controller that can be used in both next-order and higher-order modes.

The sonic controller according to claim 1 ,
A sound wave controller, further comprising a transmission circuit formed on the second substrate and configured to transmit the first sound wave.

The sonic controller according to claim 1 ,
further comprising an intervening layer provided between the first substrate and the second substrate,
The first substrate and the second substrate are bonded to each other via the intervening layer.

The sonic controller according to claim 1,
The gap layer is configured by a cavity surrounded by the membrane structure and the first substrate, and a gas existing in the cavity.

The sonic controller according to claim 1,
The gap layer is a sound wave controller including a cavity surrounded by the membrane structure and the first substrate, and a liquid existing in the cavity.