JP2022091026A - 音波スピーカ - Google Patents

Abstract

【課題】広帯域の音波を放射する音波スピーカを小型化すること。【解決手段】音波スピーカ１０は、複数の圧電膜２１と、振動部３０と、支持体４０を備えている。振動部３０は、圧電膜２１の伸縮にともなって振動する複数の振動領域３１を有している。支持体４０は、主面４０ａに開口して振動領域３１に隣接し、主面４０ａにおける開口面積が互いに異なることで、共振周波数が互いに異なるように振動領域３１を規定する複数の空洞部４１を有している。そして、開口面積が最大の空洞部４１により規定される振動領域３１である第１振動領域の共振周波数を下限とし、開口面積が最小の空洞部４１により規定される振動領域３１はである第２振動領域の共振周波数を上限とする、周波数範囲の音波を圧電膜２１側から放射する。【選択図】図２

Description

この明細書における開示は、音波スピーカに関する。

特許文献１は、所定の周波数範囲、すなわち広帯域の音波を放射する音波スピーカを開示している。先行技術文献の記載内容は、この明細書における技術的要素の説明として、参照により援用される。

特開２００３－２２３１７４号公報

広帯域の音波を放射する音波スピーカの体格は、一般的に大きい。上述の観点において、または言及されていない他の観点において、音波スピーカにはさらなる改良が求められている。

開示されるひとつの目的は、広帯域の音波を放射する音波スピーカを小型化することにある。

ここに開示された音波スピーカは、
複数の圧電膜（２１）と、
第１面（３０ａ）と、第１面とは反対の面である第２面（３０ｂ）と、第１面上に圧電膜が個別に配置され、圧電膜の伸縮にともなって振動する複数の振動領域（３１）と、を有する振動部（３０）と、
主面（４０ａ）と、主面に開口して振動領域の第２面に隣接し、主面における開口面積が互いに異なることで、共振周波数が互いに異なるように振動領域を規定する複数の空洞部（４１）と、を有し、振動部を主面上に支持する支持体（４０）と、
を備え、
複数の空洞部のうち、開口面積が最大の空洞部により規定される振動領域である第１振動領域の共振周波数を下限とし、開口面積が最小の空洞部により規定される振動領域である第２振動領域の共振周波数を上限とする、周波数範囲の音波を圧電膜側から放射する。

開示された音波スピーカによれば、支持体に複数の空洞部を設け、支持体の主面上に振動部を設けている。振動部のうち、圧電膜の伸縮にともなって振動する振動領域は、隣接する空洞部によって規定される。複数の振動領域の共振周波数が互いに異なるように、支持体の主面に開口する空洞部の開口面積を互いに異ならせている。本構造は、ＭＥＭＳ技術により形成される。よって、所定の周波数範囲の音波、すなわち広帯域の音波を放射する音波スピーカを小型化することができる。

この明細書における開示された複数の態様は、それぞれの目的を達成するために、互いに異なる技術的手段を採用する。請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態の部分との対応関係を例示的に示すものであって、技術的範囲を限定することを意図するものではない。この明細書に開示される目的、特徴、および効果は、後続の詳細な説明、および添付の図面を参照することによってより明確になる。

第１実施形態に係る音波スピーカを示す平面図である。 図１のII-II線に沿う断面図である。 各素子について振動領域の半径と共振周波数との関係を示す図である。 定在波を説明するための図である。 振動領域の裏面での反射による定在波を示す図である。 参考例の測定結果を示す図である。 周波数と比音響インピーダンスとの関係を示す図である。 第２実施形態に係る音波スピーカを示す断面図である。 変形例を示す断面図である。 変形例を示す断面図である。 変形例を示す断面図である。 第３実施形態に係る音波スピーカを示す断面図である。

以下、図面に基づいて複数の実施形態を説明する。なお、各実施形態において対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明を省略する場合がある。各実施形態において構成の一部分のみを説明している場合、当該構成の他の部分については、先行して説明した他の実施形態の構成を適用することができる。また、各実施形態の説明において明示している構成の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても複数の実施形態の構成同士を部分的に組み合せることができる。

（第１実施形態）
先ず、図１～図３に基づき、音波スピーカについて説明する。以下においては、振動部と圧電膜（圧電振動子）との積層方向、すなわち支持体（空洞部）の厚み方向をＺ方向と示す。Ｚ方向に直交し、複数の振動領域の並び方向をＸ方向と示す。Ｚ方向およびＸ方向の両方向に直交する方向を、Ｙ方向と示す。特に断りのない限り、Ｚ方向から平面視した形状、つまりＸ方向とＹ方向とにより規定されるＸＹ平面に沿う形状を、単に平面形状と示す。また、Ｚ方向からの平面視を、単に平面視と示すことがある。図１は、本実施形態の音波スピーカを、Ｚ方向において圧電振動子側から見た平面図である。図２は、図１のII-II線に沿う断面図である。図３は、音波スピーカに構成された１１種類の素子について、振動領域の半径と共振周波数との関係を示す図である。

図１および図２に示すように、音波スピーカ１０は、複数の圧電振動子２０と、振動部３０と、支持体４０と、ベース部材５０を備えている。音波スピーカ１０は、ＭＥＭＳ技術を用いて、複数の素子が形成されることで、所定周波数域の音波、すなわち広帯域の音波を放射可能に構成されている。ＭＥＭＳとは、Micro Electro Mechanical Systemsの略称である。音波スピーカ１０は、大気中で用いられる。

複数の圧電振動子２０は、振動部３０が有する振動領域３１を個別に振動可能に設けられている。圧電振動子２０は、圧電膜２１と、上部電極２２と、下部電極をそれぞれ有している。本実施形態の音波スピーカ１０は、１１個の圧電振動子２０を備えている。圧電振動子２０は、圧電膜２１および上部電極２２を個別に有している。つまり、音波スピーカ１０は、１１個の圧電膜２１と１１個の上部電極２２を有している。

圧電膜２１は、たとえば、ＳｃＡｌＮなどのＡｌＮ系材料、チタンジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ＺｎＯなどの圧電材料を用いて形成された薄膜である。本実施形態の圧電膜２１は、ＳｃＡｌＮを材料として、スパッタリング法により形成されている。圧電膜２１の厚みは、たとえば１μｍ程度である。圧電膜２１は、平面略真円形状をなしている。１１個の圧電振動子２０において、圧電膜２１の直径、すなわち面積は互いに異なっている。圧電膜２１は、振動領域３１に応じた面積を有している。複数の圧電膜２１は、Ｙ方向において３列配置となっている。真ん中の列では、３つの圧電膜２１がＸ方向に並んで配置されている。Ｙ方向両端の列では、４つの圧電膜２１がＸ方向に並んで配置されている。各列において、圧電膜２１は、面積順に並んでいる。

上部電極２２は、Ｚ方向において圧電膜２１の一面上に配置されている。上部電極２２は、周知の電極材料を用いて、スパッタリング法、蒸着法などにより形成されている。上部電極２２の層構造は、単層でもよいし、多層でもよい。本実施形態の上部電極２２は、ＴｉＡｌ合金を材料として形成されている。上部電極２２は、平面視において圧電膜２１とほぼ一致する形状をなしている。本実施形態の上部電極２２は、平面略真円形状をなしている。上部電極２２のそれぞれは、駆動電圧を印加する際の上部電極パッドを兼ねている。

下部電極は、Ｚ方向において、圧電膜２１の他の一面、すなわち上部電極２２が配置された面の裏面に配置されている。下部電極は、上部電極２２との間に圧電膜２１を挟んでいる。本実施形態の下部電極は、後述するように導電性を付与した半導体膜３００のうち、平面視において圧電膜２１と重なる部分である。半導体膜３００の他の部分の少なくとも一部は、たとえば配線として機能する。半導体膜３００の上において、圧電膜２１とは異なる位置には、下部電極パッド２３が形成されている。下部電極パッド２３は、振動領域３１とは重ならない位置に形成されている。本実施形態の下部電極パッド２３は、真ん中の列をなす３つの圧電膜２１とともにＸ方向に並んで配置されている。下部電極パッド２３は、上部電極２２と同様の電極材料を用いて形成されている。上部電極２２と下部電極パッド２３との間に駆動電圧を印加すると、電圧が印加された圧電膜２１が伸縮する。圧電膜２１は、たとえばＸＹ面内方向に伸縮する。

もちろん、半導体膜３００に導電性を付与せず、半導体膜３００とは別に下部電極を設けてもよい。この場合、下部電極は、上部電極２２と同様の電極材料を用いて形成される。

振動部３０は、第１面３０ａと、Ｚ方向において第１面３０ａの裏面である第２面３０ｂを有している。振動部３０の第１面３０ａ上に、圧電膜２１および下部電極パッド２３が配置されている。振動部３０は、たとえば、支持体４０上に形成された膜により構成されている。振動部３０を構成する膜は、単層でもよいし、多層でもよい。このような振動部３０は、振動膜、可動膜と称されることがある。本実施形態の振動部３０は、半導体膜３００と、絶縁膜３０１を有して構成されている。

半導体膜３００は、シリコン（Ｓｉ）などの半導体材料を用いて形成された膜である。本実施形態の半導体膜３００は、不純物がドープされることで、下部電極、配線として機能するのに十分な導電性が付与されている。具体的には、シリコン膜にｐ型の不純物がドープされることで導電性が付与されている。半導体膜３００は、Ｚ方向への振動が可能な厚みを有している。たとえば、２０～２５μｍ程度である。

絶縁膜３０１は、酸化膜や窒化膜等の電気絶縁性を有する膜である。絶縁膜３０１は、半導体膜３００と支持体４０を構成する半導体基板４００とを電気的に分離している。本実施形態の絶縁膜３０１は、酸化シリコン膜である。絶縁膜３０１は、半導体膜３００との積層構造において、Ｚ方向への振動が可能な厚みを有している。

振動部３０は、複数の振動領域３１を有している。振動領域３１は、振動部３０のうち、圧電膜２１の伸縮にともなってＺ方向に振動する領域である。振動領域３１は、支持体４０が有する空洞部４１により規定される。振動領域３１において、第２面３０ｂには空洞部４１が隣接している。振動領域３１を除く部分において、第２面３０ｂには半導体基板４００が隣接している。このように、振動領域３１の直下には空洞部４１が存在するため、振動領域３１はＺ方向に振動することができる。図２において、一点鎖線で囲まれる領域が、振動領域３１である。本実施形態の振動領域３１は、上記した半導体膜３００と絶縁膜３０１との２層構造である。振動領域３１は、圧電膜２１と同数設けられている。

振動部３０は、互いに面積が異なる１１個の振動領域３１を有している。面積とは、平面視した面積である。振動領域３１の第１面３０ａ上には、圧電膜２１が個別に配置されている。振動領域３１は、平面略真円形状をなしている。平面視において、振動領域３１の中心と、振動領域３１上に配置された圧電膜２１の中心とが、略一致している。複数の振動領域３１は、円の半径、直径が互いに異なっている。図３に示すように、振動領域３１の半径が大きいほど、つまり面積が大きいほど、共振周波数が低くなる。本実施形態では、振動領域３１の半径を８００μｍ～１５３０μｍの範囲内で互いに異なる値とすることで、共振周波数を４０ｋＨｚ～１３０ｋＨｚの範囲で設定した。

振動領域３１は、圧電振動子２０とともに、音波を放射する素子を構成している。振動領域３１（素子）それぞれの共振周波数が異なるため、音波スピーカ１０は、複数の圧電振動子２０に対して駆動電圧を印加することにより、所定の周波数範囲の音波を放射することができる。たとえば、１１種類の素子の圧電振動子２０すべてに駆動電圧を印加することで、図３に示す周波数範囲（４０～１３０ｋＨｚ）を有する音波を放射することができる。音波スピーカ１０は、圧電振動子２０側から音波を放射（出射）する。

支持体４０は、圧電振動子２０および振動部３０を支持している。支持体４０は、主面４０ａと、Ｚ方向において主面４０ａと反対の面である裏面４０ｂを有している。支持体４０の主面４０ａ上に、振動部３０が配置されている。具体的には、支持体４０の主面４０ａに絶縁膜３０１が配置され、絶縁膜３０１上に半導体膜３００が積層されている。支持体４０の平面形状は、特に限定されない。支持体４０は、ＭＥＭＳ技術により加工が可能な材料、たとえば半導体、ガラスなどを用いて形成されている。

本実施形態の支持体４０は、半導体基板４００を有して構成されている。半導体基板４００の一面が主面４０ａをなし、一面と反対の面が裏面４０ｂをなしている。このような支持体４０は、支持基板と称されることがある。半導体基板４００、つまり支持体４０の厚みは、たとえば３００μｍ程度である。本実施形態の半導体基板４００は、シリコン基板である。半導体基板４００は、上記した半導体膜３００、絶縁膜３０１とともに、いわゆるＳＯＩ基板として提供される。ＳＯＩは、Silicon on Insulatorの略称である。支持体４０は、平面略矩形状をなしている。

支持体４０は、複数の空洞部４１を有している。支持体４０は、平板に複数の空洞部４１を設けた構成を有している。複数の空洞部４１のそれぞれは、Ｚ方向に所定の厚み（深さ）を有しており、少なくとも主面４０ａに開口している。空洞部４１は、エッチングにより支持体４０に形成されている。複数の空洞部４１は、主面４０ａにおける開口面積が互いに異なっている。主面４０ａにおける開口面積を、以下では単に開口面積と示すことがある。空洞部４１における主面４０ａの開口部分は、振動部３０によって閉塞されている。空洞部４１において、主面４０ａにおける開口部分が、振動領域３１を規定している。空洞部４１の主面４０ａにおける開口部分は、振動部３０のうち、平面視において重なる部分（一致する部分）を振動領域３１として規定する。空洞部４１は、振動領域３１と同数設けられている。

本実施形態の支持体４０（半導体基板４００）は、開口面積が互いに異なる１１個の空洞部４１を有している。そして、空洞部４１のそれぞれに、振動領域３１が隣接している。空洞部４１において、主面４０ａにおける開口部分は、平面略真円形状をなしている。空洞部４１のそれぞれは、Ｚ方向に延び、支持体４０の裏面４０ｂに開口している。空洞部４１は、平面形状を維持しつつ所定の厚みを有する第１空洞領域４１ａをそれぞれ有している。第１空洞領域４１ａは、主面４０ａからＺ方向に所定の厚み（深さ）を有しており、平面形状が厚み方向において一定の領域である。第１空洞領域４１ａは、主面４０ａにおける開口部分も含むため、振動領域３１を規定する。第１空洞領域４１ａは、平面略真円の筒状をなしている。本実施形態の第１空洞領域４１ａは、裏面４０ｂまで延びている。つまり、第１空洞領域４１ａが、空洞部４１に一致する。複数の空洞部４１において、第１空洞領域４１ａの厚みは、互いにほぼ等しい。空洞部４１は、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などのドライエッチングにより形成されている。

第１空洞領域４１ａは、図２に示すように厚みｔ１を有している。本実施形態において、厚みｔ１は、支持体４０をなす半導体基板４００の厚みに等しい。厚みｔ１は、所定の値に設定されている。厚みｔ１は、λ×１／４未満となるように設定されている。波長λは、音速ｃを、音波スピーカ１０が放射する音波の周波数範囲の上限で除算した値である。上限とは、開口面積がもっとも小さい空洞部４１により規定される振動領域３１の共振周波数である。たとえば、上記したように４０～１３０ｋＨｚの周波数範囲の音波を放射する場合、音速ｃを１３０ｋＨｚで除算した値が波長λである。

ベース部材５０は、圧電振動子２０、振動部３０、および支持体４０の構造体が固定される部材である。ベース部材５０は、たとえば、上記構造体を保護するパッケージ、ケースである。本実施形態のベース部材５０は、セラミックパッケージである。ベース部材５０の一面に、固定部材６０を介して支持体４０（上記構造体）が固定されている。固定部材６０は、支持体４０をベース部材５０に固定できるものであればよい。固定部材６０は、空洞部４１を避けて設けられている。

本実施形態の固定部材６０は、接合材である。図１および図２に示すように、固定部材６０は、たとえば支持体４０の裏面４０ｂの四隅に配置されている。固定状態で、支持体４０の裏面４０ｂは、ベース部材５０に対して浮いている。支持体４０は、複数の空洞部４１の間で気体を流通可能に、ベース部材５０に固定されている。空洞部４１は、裏面４０ｂとベース部材５０との間の隙間を通じて互いに連通している。固定部材６０が四隅配置のため、平面視において支持体４０の周囲とも気体の流通が可能である。

固定部材６０の配置は、上記した四隅に限定されない。ベース部材５０上に支持体４０を安定的に固定できる配置であればよい。たとえば、平面略形状の支持体４０に対して、互いに対向する２辺に沿って配置してもよい。

＜第１実施形態のまとめ＞
本実施形態の音波スピーカ１０によれば、振動領域３１の第１面３０ａ側に圧電膜２１を設け、第１面３０ａとは反対の第２面３０ｂ側に空洞部４１を設けている。よって、音波スピーカ１０は、圧電膜２１側から音波を放射する。

また、支持体４０に複数の空洞部４１を設け、支持体４０の主面４０ａ上に振動部３０を設けている。振動部３０のうち、圧電膜２１の伸縮にともなって振動する振動領域３１は、隣接する空洞部４１によって規定される。複数の空洞部４１は、主面４０ａの開口面積が互いに異なっている。したがって、所定の周波数範囲の音波、すなわち広帯域の音波を放射することができる。音波スピーカ１０は、たとえば、上記した４０ｋＨｚ～１３０ｋＨｚの周波数範囲を有する音波を、圧電膜２１側から放射することができる。この場合、半径が１５３０μｍの振動領域３１が第１振動領域に相当し、半径が８００μｍの振動領域３１が第２振動領域に相当する。半径１５３０μｍの振動領域３１の共振周波数４０ｋＨｚが、周波数範囲の下限に相当する。半径８００μｍの振動領域３１の共振周波数１３０ｋＨｚが、周波数範囲の上限に相当する。

また、ＭＥＭＳ技術を用いて、音波スピーカ１０が形成されている。たとえば、単一の支持体４０（半導体基板４００）に、開口面積の異なる複数の空洞部４１が形成されている。以上より、広帯域の音波スピーカ１０を小型化することができる。

振動領域３１および空洞部４１の数は、上記した例に限定されない。振動領域３１および空洞部４１の数は複数であればよい。たとえば、２つの振動領域３１と２つの空洞部４１を有する構成としてもよい。２つの空洞部４１は、主面４０ａにおける開口面積が互いに異なる。これにより、２つの振動領域３１の共振周波数が互いに異なる。開口面積の大きい空洞部４１により規定される振動領域３１が第１振動領域に相当し、この振動領域３１の共振周波数が周波数範囲の下限となる。開口面積の小さい空洞部４１により規定される振動領域３１が第２振動領域に相当し、この振動領域３１の共振周波数が周波数範囲の上限となる。なお、圧電膜２１を含む圧電振動子２０の数についても同様である。

本実施形態では、音波スピーカ１０に構成された１１個の素子の圧電振動子２０すべてに同じタイミング（通電期間）で駆動電圧を印加し、４０ｋＨｚ～１３０ｋＨｚの周波数範囲を有する音波を放射する例を示した。このように、放射する音波が、可聴周波数を超え、２００ｋＨｚを上限とする周波数範囲を少なくとも含むと、ハイパーソニック・エフェクトを得るための音波スピーカとして適用することができる。可聴周波数の上限は、一般に２０ｋＨｚである。

素子の駆動例は上記した例に限定されない。音波スピーカ１０に設けられた素子の一部である複数の素子の圧電振動子２０のみに駆動電圧を印加し、所定の周波数範囲の音波を放射してもよい。駆動電圧を印加する素子を切り替えることで、周波数範囲を、経時的に変化させてもよい。一時的にひとつの素子のみに駆動電圧を印加してもよい。

また、すべての素子の共振周波数を、可聴周波数を超える周波数としたが、これに限定されない。複数の素子の一部について、共振周波数を可聴周波数域としてもよい。たとえば、可聴周波数を超え、２００ｋＨｚを上限とする周波数範囲の音波と、可聴周波数域内の周波数範囲の音波とを出射するように、複数の空洞部４１の開口面積を設定してもよい。この場合、ひとつの音波スピーカ１０により、ハイパーソニック・エフェクトが期待できる。また、すべての素子の共振周波数を、可聴周波数の範囲内で設定してもよい。複数の空洞部４１を共通の支持体４０に構成することで、音波スピーカ１０の体格を小型化することができる。

印加する駆動電圧を高めると、音圧を高めることができる。本実施形態では、複数の空洞部４１が支持体４０の裏面４０ｂにも開口している。そして、支持体４０は、複数の空洞部４１の間で気体を流通可能に、ベース部材５０に固定されている。複数の空洞部４１が相互に連通することで、音波を出射する側と反対側に大きな空間を構成する。したがって、空洞部４１が互いに連通しない構成に較べて、振動に対する気体の抵抗が小さくなり、音圧を高めることができる。特に本実施形態では、空洞部４１が支持体４０の周囲の空間とも連通しているため、音圧をより高めやすい。

本実施形態では、空洞部４１が、第１空洞領域４１ａを有している。上記したように、第１空洞領域４１ａは、主面４０ａからＺ方向に所定の厚み（深さ）を有しており、平面形状が厚み方向において一定の領域である。このように、平面形状を維持したまま所定の厚みを有し、主面４０ａに開口する領域を有すると、エッチングにより、振動領域３１の形状、ひいては面積を規定しやすい。つまり、所望の共振周波数を設定しやすい。

本実施形態では、第１空洞領域４１ａが、平面略真円の筒状をなしている。これにより、振動領域３１も、平面略真円形状をなしている。真円形状のため、不要振動や周波数ばらつきを抑制し、特定の周波数の振幅を大きくすることができる。つまり、音圧を高めることができる。

図４は、定在波を説明するための図である。一点鎖線が裏面反射による比音響インピーダンスを示し、実線および破線が振幅を示している。振動領域３１の第２面３０ｂから出射した音波は、第１空洞領域４１ａの端部（裏面４０ｂ）で反射し、振動領域３１に戻る。振動領域３１の第２面３０ｂから第１空洞領域４１ａの端部までの距離がλ／４の奇数倍になると、振動領域３１の第２面３０ｂは、出射時と反射との位相がπずれて固定端となる。そして、振動領域３１の第２面３０ｂが節、第１空洞領域４１ａの端部が腹の定在波が生じ、音響インピーダンスが極大となる。これにより、振動領域３１の振幅が抑制され、特定周波数の音圧が低下する。

本実施形態のように、複数の空洞部４１が空間的につながった構成では、音波が、振動する振動領域３１とは別の振動領域３１にも伝わる。音波を放射した振動領域３１とは別の振動領域３１の第２面３０ｂが反射面となり、定在波が生じ得る。音波を反射した振動領域３１の第２面３０ｂから、該振動領域３１を規定する空洞部４１の第１空洞領域４１ａの開口端までの距離がλ／４の奇数倍になると、定在波が生じる。図５に示すように、反射した第２面３０ｂと音波を発した第２面３０ｂがともに節、第１空洞領域４１ａの端部が腹となる。空洞部４１の空間が小さいと音響インピーダンスが大きくなり、定在波の影響が大きくなる。特に、開口面積がもっとも小さい空洞部４１により規定される振動領域３１での反射を考慮する必要がある。図５の一点鎖線は、放射した音波を示している。

図６は、参考例について周波数と振幅の測定結果を示す図である。参考例では、上記した１１種類の素子を個別に設けた。つまり、図６は、各素子に対応する空洞部が互いに連通していない構成の測定結果を示している。図６に示すように、４０ｋＨｚ～１３０ｋＨｚの周波数範囲に、１１個のピークが確認できた。複数の空洞部が互いに連通しない構成では、上記した反射のうち、第１空洞領域４１ａの端部の反射を考慮すればよい。振動領域３１の第２面３０ｂから第１空洞領域４１ａの端部までの距離がλ／４の奇数倍とならないように個別に設計することで、定在波による音圧の低下を抑制することができる。

図７は、反射による音響インピーダンスの増大を示す図である。図７は、シミュレーション結果である。厚みを考慮せずに複数の空洞部を空間的に繋げた場合、図７に示すように、１００ｋＨｚ付近で音響インピーダンスの増大が確認できた。これは、１００ｋＨｚ付近の音波を放射する際に、開口面積がもっとも小さい空洞部４１において定在波発生の条件を満たすことを示している。便宜上図示を省略するが、本実施形態同様、単一の音波スピーカに１１種類の素子を設けた構成について周波数と振幅の測定をしたところ、図６に示した１００ｋＨｚ付近の振幅が低下することを確認できた。

本実施形態では、上記知見をもとに、厚みｔ１が、λ×１／４未満となるように設定されている。波長λは、上記したように、音速ｃを、音波スピーカ１０が放射する音波の周波数範囲の上限、つまり開口面積がもっとも小さい振動領域３１の共振周波数で除算した値である。本実施形態では、音速ｃを１３０ｋＨｚで除算した値である。音速は３３１ｍ／ｓであるため、波長λ（最小波長）は、乾燥空気中において２．５５ｍｍである。λ×１／４は６３８μｍとなる。上記したように、支持体４０の厚みは３００μｍであり、厚みｔ１はλ×１／４未満となるように設定されている。

上記したように、波長λは、所定周波数範囲の音波において最小の波長である。よって、ｔ１＜λ×１／４を満たすことで、いずれの波長、つまりいずれの周波数においても、定在波が生じるのを抑制することができる。

厚みｔ１を、λ×１／８以下にするとよい。これによれば、定在波をより効果的に抑制することができる。４０ｋＨｚ～１３０ｋＨｚの周波数範囲を有する音波を放射する場合、λ×１／８は３１９μｍとなる。本実施形態では、支持体４０（半導体基板４００）の厚みを３００μｍにしているため、厚みｔ１がλ×１／８以下となる。

本実施形態では、振動部３０が絶縁膜３０１を含む例を示したが、これに限定されない。支持体が絶縁膜および半導体基板を含む構成としてもよい。この場合、半導体膜を底として絶縁膜もエッチングされ、半導体基板および絶縁膜にわたって空洞部が形成される。振動部は半導体膜により構成され、半導体膜の裏面に空洞部が隣接する。

（第２実施形態）
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例であり、先行実施形態の記載を援用できる。先行実施形態では、第１空洞領域４１ａが空洞部４１に一致していた。これに代えて、空洞部４１が、第１空洞領域４１ａに連なる第２空洞領域４１ｂを有してもよい。

図８は、本実施形態の音波スピーカ１０を示す断面図である。空洞部４１は、第１空洞領域４１ａと、第２空洞領域４１ｂをそれぞれ有している。第１空洞領域４１ａは、裏面４０ｂに開口していない。Ｚ方向において、主面４０ａから空洞部４１の途中までが、第１空洞領域４１ａである。第２空洞領域４１ｂは、第１空洞領域４１ａに連なり、裏面４０ｂに開口している。第２空洞領域４１ｂは、平面視において第１空洞領域４１ａを内包している。

本実施形態では、第１空洞領域４１ａおよび第２空洞領域４１ｂが、ともに平面略真円の筒状をなしている。第２空洞領域４１ｂも、平面形状を維持しつつＺ方向に延びている。第２空洞領域４１ｂの裏面４０ｂの開口面積は、第１空洞領域４１ａの主面４０ａの開口面積よりも大きい。第１空洞領域４１ａは縮径領域であり、第２空洞領域４１ｂは第１空洞領域４１ａよりも直径が長い拡径領域である。空洞部４１は、径の異なる第１空洞領域４１ａと第２空洞領域４１ｂによる段差構造をそれぞれ有している。

また、本実施形態では、振動部３０が半導体膜３００を有している。半導体膜３００の一面が第１面３０ａをなし、一面とは反対の面が第２面３０ｂをなしている。支持体４０は、半導体基板４００と絶縁膜４０１を有している。半導体膜３００を底として絶縁膜４０１もエッチングされ、半導体基板４００および絶縁膜４０１にわたって空洞部４１が形成されている。絶縁膜４０１の一面が主面４０ａをなしている。半導体膜３００のうち、空洞部４１（第１空洞領域４１ａ）に隣接する部分が振動領域３１をなしている。それ以外の構成は、先行実施形態に記載の構成と同様である。

＜第２実施形態のまとめ＞
本実施形態では、空洞部４１が、上記した第２空洞領域４１ｂを有している。第２空洞領域４１ｂは第１空洞領域４１ａよりも面積が大きいため、第１空洞領域４１ａと第２空洞領域４１ｂの界面が音波の反射面となる。この界面が、先行実施形態に記載した第１空洞領域４１ａの裏面４０ｂ側の端部に相当する。図８では、界面を一点鎖線で示している。よって、すべての空洞部４１において、第１空洞領域４１ａの厚みｔ１をλ×１／４未満とすることで、第１空洞領域４１ａの端部（界面）での反射による定在波、および、他の振動領域３１の第２面３０ｂでの反射による定在波が生じるのを抑制することができる。

また、空洞部４１が第２空洞領域４１ｂを有することで、支持体４０の厚みを、第１空洞領域４１ａのみ有する構成に較べて厚くすることができる。これにより、定在波を抑制すべく、厚みｔ１を薄くしても、支持体４０の剛性を確保しやすくなる。特に、厚みｔ１を、λ×１／８以下に設定しやすくなる。

また、第２空洞領域４１ｂを有することで、空洞部４１の空間が拡大するため、音圧を高めることができる。

本実施形態では、支持体４０が、第１空洞領域４１ａと第２空洞領域４１ｂによる段差構造を有している。段差構造とすることで、特定の周波数での反射強度を低下させることができる。よって、裏面側の反射による音圧の低下を抑制することができる。

＜変形例＞
支持体４０が絶縁膜４０１を含み、空洞部４１が半導体基板４００から絶縁膜４０１にわたって形成される例を示したが、これに限定されない。先行実施形態（図２参照）同様、振動部３０が半導体膜３００と絶縁膜３０１を有し、支持体４０が半導体基板４００のみを有する構成において、上記した第２空洞領域４１ｂを適用してもよい。

第２空洞領域４１ｂが、平面形状を維持しつつＺ方向に延びる例を示したが、これに限定されない。図９に示すように、第２空洞領域４１ｂを多段に構成してもよい。図９では、一例として２段となっている。第２空洞領域４１ｂのうち、１段目は裏面４０ｂに開口し、平面形状を維持しつつＺ方向に延びている。２段目は、平面形状を維持しつつＺ方向に延びている。２段目は、１段目と第１空洞領域４１ａとに連なっている。１段目は平面視において２段目を内包し、２段目は平面視において第１空洞領域４１ａを内包している。これによれば、段数が増えるため、特定周波数の反射強度をさらに低下させることができる。なお、第２空洞領域４１ｂの段数は２段に限定されない。３段以上としてもよい。

音圧低下を抑制する構造としては、上記した段差構造に限定されない。第２空洞領域４１ｂの少なくとも一部を、裏面４０ｂから主面４０ａ側に向けて連続的に面積が減少するテーパ構造としてもよい。段差構造と同等の効果を期待することができる。

たとえば、図１０に示す例では、空洞部４１のうち、絶縁膜４０１内の部分が第１空洞領域４１ａをなし、半導体基板４００の部分が第２空洞領域４１ｂをなしている。第２空洞領域４１ｂは、その厚み方向の全長においてテーパ構造をなしている。図１１に示す例では、裏面４０ｂから半導体基板４００の途中まで、第２空洞領域４１ｂが設けられている。第２空洞領域４１ｂは、その厚み方向の全長においてテーパ構造をなしている。また、第２空洞領域４１ｂの途中までテーパ構造としてもよい。上記構造の空洞部４１は、たとえば、ドライエッチングと異方性エッチングの組み合わせにより形成することができる。第２空洞領域４１ｂの途中までテーパ構造としてもよい。

（第３実施形態）
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例であり、先行実施形態の記載を援用できる。先行実施形態では、複数の空洞部４１において、第２空洞領域４１ｂが互いに独立して設けられていた。これに代えて、第２空洞領域４１ｂの少なくともひとつを、複数の第１空洞領域４１ａに連なる共通の領域としてもよい。

図１２は、本実施形態の音波スピーカ１０を示す断面図である。空洞部４１は、第２実施形態同様、第１空洞領域４１ａと第２空洞領域４１ｂを有している。図１２に示す例では、第２空洞領域４１ｂが、すべての第１空洞領域４１ａに連なっている。つまり、第２空洞領域４１ｂは、すべての空洞部４１において共通の領域となっている。支持体４０は、複数の振動領域３１を規定する複数の第１空洞領域４１ａと、ひとつの第２空洞領域４１ｂを有している。第２空洞領域４１ｂは、平面視においてすべての第１空洞領域４１ａを内包するように設けられている。上記以外の構成は、先行実施形態に記載の構成と同様である。

＜第３実施形態のまとめ＞
上記したように、第２空洞領域４１ｂの少なくともひとつを、複数の第１空洞領域４１ａに連なる共通の領域とすると、空洞部４１の空間をさらに拡大することができる。これにより、音圧を高めることができる。

図１２では、第２空洞領域４１ｂが、平面略真円の筒形状をなしている。これにより、第１空洞領域４１ａと第２空洞領域４１ｂとにより、段差構造が形成されている。したがって、先行実施形態に記載の効果を奏することができる。共通領域を形成する第２空洞領域４１ｂを、先行実施形態に記載のテーパ構造としてもよい。

本実施形態では、すべての空洞部４１について第２空洞領域４１ｂを共通にする例を示したが、これに限定されない。すべての空洞部４１の一部である複数について、第２空洞領域４１ｂを共通にしてもよい。たとえば、Ｘ方向に並ぶ空洞部４１について、第２空洞領域４１ｂを共通にしてもよい。これによれば、各列で第２空洞領域４１ｂが共通化され、支持体４０は３つの第２空洞領域４１ｂを有することとなる。

（他の実施形態）
この明細書および図面等における開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形態様を包含する。たとえば、開示は、実施形態において示された部品および／または要素の組み合わせに限定されない。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示は、実施形態に追加可能な追加的な部分をもつことができる。開示は、実施形態の部品および／または要素が省略されたものを包含する。開示は、ひとつの実施形態と他の実施形態との間における部品および／または要素の置き換え、または組み合わせを包含する。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示されるいくつかの技術的範囲は、請求の範囲の記載によって示され、さらに請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものと解されるべきである。

明細書および図面等における開示は、請求の範囲の記載によって限定されない。明細書および図面等における開示は、請求の範囲に記載された技術的思想を包含し、さらに請求の範囲に記載された技術的思想より多様で広範な技術的思想に及んでいる。よって、請求の範囲の記載に拘束されることなく、明細書および図面等の開示から、多様な技術的思想を抽出することができる。

空洞部４１が第１空洞領域４１ａを有する例を示したが、これに限定されない。空洞部４１がその厚み方向の全長においてテーパ構造を有してもよい。たとえば、絶縁膜３０１を底面として半導体基板４００に異方性エッチングを施すことで、全長においてテーパ構造をなす空洞部４１を形成することができる。この場合、空洞部４１の主面４０ａに開口する形状および振動領域３１の平面形状は、略矩形状（長方形）となる。開口面積を互いに異ならせることで、広帯域の音波スピーカ１０を小型化することができる。

空洞部４１が支持体４０の裏面４０ｂに開口する例を示したが、これに限定されない。たとえば、振動部３０の半導体膜３００にエッチングホールを形成し、第１面３０ａ側から絶縁膜４０１をエッチング（いわゆる犠牲層エッチング）することで、絶縁膜４０１の一部を除去し、空洞部４１を形成してもよい。主面４０ａに開口する空洞部４１の開口面積を互いに異ならせることで、広帯域の音波スピーカ１０を小型化することができる。

支持体４０上の膜、具体的には半導体膜３００、絶縁膜３０１を振動部３０とする例を示したが、これに限定されない。たとえば、半導体基板をエッチングしてダイアフラム（薄肉部）を形成し、ダイアフラムを含む部分を所定厚みの部分を振動部とし、振動部に連なる厚肉部を支持体としてもよい。半導体基板に形成された空洞部は、支持体の主面に開口し、振動領域であるダイアフラムを規定する。

複数の空洞部４１が、支持体４０の周囲、つまり外部雰囲気と連通する例を示したが、これに限定されない。たとえば、支持体４０の裏面４０ｂの縁部全周に固定部材６０（接合材）を配置し、外部雰囲気と空洞部４１とを遮断してもよい。遮断された状態でも、空洞部４１を含む空間が広いほど、音圧を高めることができる。

空洞部４１内に空気が配置される例を示したが、これに限定されない。空洞部４１の内部に、空気よりも高密度の気体が配置されてもよい。この場合、共振周波数が低周波側にシフトする。また、空洞部４１の内部に、空気よりも低密度の気体が配置されてもよい。この場合、共振周波数が高周波側にシフトする。空気とは異なる気体を配置することで、定在波が生じないように周波数をシフトさせてもよい。これらの気体を、空洞部４１内に封入（封止）してもよい。空洞部４１の内部を減圧（真空）にしてもよい。

１０…音波スピーカ、２０…圧電振動子、２１…圧電膜、２２…上部電極、２３…下部電極パッド、３０…振動部、３００…半導体膜、３０１…絶縁膜、３０ａ…第１面、３０ｂ…第２面、３１…振動領域、４０…支持体、４００…支持基板、４０１…絶縁膜、４０ａ…主面、４０ｂ…裏面、４１…空洞部、４１ａ…第１空洞領域、４１ｂ…第２空洞領域、５０…ベース部材、６０…固定部材

Claims (11)

1. 複数の圧電膜（２１）と、
   第１面（３０ａ）と、前記第１面とは反対の面である第２面（３０ｂ）と、前記第１面上に前記圧電膜が個別に配置され、前記圧電膜の伸縮にともなって振動する複数の振動領域（３１）と、を有する振動部（３０）と、
   主面（４０ａ）と、前記主面に開口して前記振動領域の前記第２面に隣接し、前記主面における開口面積が互いに異なることで、共振周波数が互いに異なるように前記振動領域を規定する複数の空洞部（４１）と、を有し、前記振動部を前記主面上に支持する支持体（４０）と、
   を備え、
   前記複数の空洞部のうち、前記開口面積が最大の前記空洞部により規定される前記振動領域である第１振動領域の共振周波数を下限とし、前記開口面積が最小の前記空洞部により規定される前記振動領域である第２振動領域の共振周波数を上限とする、周波数範囲の音波を前記圧電膜側から放射する、音波スピーカ。
2. ベース部材（５０）をさらに備え、
   前記支持体は、前記主面とは反対の面である裏面（４０ｂ）を有し、
   前記複数の空洞部は、前記裏面にそれぞれ開口し、
   前記支持体は、前記複数の空洞部の間で気体を流通可能に、前記ベース部材に固定されている、請求項１に記載の音波スピーカ。
3. 前記複数の空洞部は、平面形状を維持しつつ所定の厚みを有し、前記振動領域を規定する第１空洞領域（４１ａ）をそれぞれ有する、請求項２に記載の音波スピーカ。
4. 前記第１空洞領域は、前記平面形状が真円の筒形状をなしており、
   前記複数の振動領域は、互いに直径が異なる、請求項３に記載の音波スピーカ。
5. 音速を、前記上限を規定する前記第２振動領域の共振周波数で除算した値を波長λとすると、
   前記第１空洞領域の厚みは、λ×１／４未満である、請求項３または請求項４に記載の音波スピーカ。
6. 前記第１空洞領域の厚みは、λ×１／８以下である、請求項５に記載の音波スピーカ。
7. 前記複数の空洞部は、前記第１空洞領域に連なるとともに前記裏面に開口し、前記厚みの方向からの平面視において前記第１空洞領域を内包する第２空洞領域（４１ｂ）をそれぞれ有する、請求項３～６いずれか１項に記載の音波スピーカ。
8. 前記複数の空洞部は、前記第１空洞領域と前記第２空洞領域とにより構成される段差構造をそれぞれ有する、請求項７に記載の音波スピーカ。
9. 前記複数の空洞部は、前記第２空洞領域に設けられ、前記裏面から前記主面側に向けて連続的に面積が減少するテーパ構造をそれぞれ有する、請求項７に記載の音波スピーカ。
10. 前記第２空洞領域の少なくともひとつは、複数の前記第１空洞領域に連なる共通領域である、請求項７に記載の音波スピーカ。
11. 前記複数の空洞部の前記開口面積は、前記音波が可聴周波数を超え、２００ｋＨｚを上限とする周波数範囲を少なくとも含むように設定されている、請求項１～１０いずれか１項に記載の音波スピーカ。

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