JP3974114B2 - Diaphragm integrated substrate, acoustoelectric transducer, acoustoelectric conversion system, and method for manufacturing diaphragm integrated substrate - Google Patents
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Description
本発明は音響電気変換素子に係り、更には、この音響電気変換素子の要素となる振動板集積基体、この音響電気変換素子を用いた音響電気変換システム、及びこの音響電気変換素子の製造方法に関する。 The present invention relates to an acoustoelectric conversion element, and further relates to a diaphragm integrated base serving as an element of the acoustoelectric conversion element, an acoustoelectric conversion system using the acoustoelectric conversion element, and a method of manufacturing the acoustoelectric conversion element. .
鋭い指向性を有するマイクロフォンに光マイクロフォンと称せられる音響電気変換素子が知られている。光マイクロフォンは振動板の裏面に電極等音波の到来を遮断する要素を必要としないため、横方向からの音波をキャンセルし、横方向からの音波に対し感度を示さないという特徴がある。 An acoustoelectric conversion element called an optical microphone is known as a microphone having a sharp directivity. Since the optical microphone does not require an element such as an electrode for blocking the arrival of sound waves such as electrodes on the back surface of the diaphragm, it has a feature that it cancels sound waves from the lateral direction and does not show sensitivity to sound waves from the lateral direction.
又、複数のコンデンサマイクロフォンを用い、その遅延和を利用することで単一指向性を実現するマイクロフォンアレイ技術や、本来は密閉されている容器の一部にパイプを増設して振動板の後ろに外気を供給し、前方からの音波を遅れて振動板の背面に到達させてその分だけ「速度型」の動作を持たせ、全体として「単一指向性」の動作をさせる手法も提案されている。 In addition, microphone array technology that uses multiple condenser microphones to achieve unidirectionality by utilizing the delay sum, and pipes are added to a part of the originally sealed container, behind the diaphragm A method has also been proposed in which outside air is supplied and the sound wave from the front is delayed to reach the back of the diaphragm to give it a “speed-type” action and to make it “unidirectional” as a whole. Yes.
更に、発光強度分布が同心円状にほぼ均一な垂直表面発光型発光素子と、その周辺に同心円状に受光素子とを配置した構造を採用し、複数の受光素子からの出力を差動信号としてその差分を検出して出力とする光マイクロフォンも提案されている(特許文献1参照。)。特許文献1に記載された発明では、単一の受光素子を用いて出力信号とした場合に比べて発光素子の温度変化や駆動電流変化等による影響を低減させ、安定な信号出力を得ている。
従来の指向性マイクロフォンは振動板と正対した方向のみの音源を特定するのに優れているが、振動板と正対した方向以外からの音源を特定するのが困難であった。このため、音源が複数存在する音場で、音源をそれぞれ分離して収音するには、各音源に対応したマイクロフォンが複数個必要になり、システムが巨大化し、コストの増大につながる。 Conventional directional microphones are excellent for identifying a sound source only in a direction facing the diaphragm, but it is difficult to identify a sound source from a direction other than the direction facing the diaphragm. For this reason, in order to separate and collect sound sources in a sound field having a plurality of sound sources, a plurality of microphones corresponding to the respective sound sources are required, resulting in an enormous system and an increase in cost.
本発明は1枚の集積基体で、複数の音源方向を特定することが可能な音響電気変換素子、この音響電気変換素子の要素となる振動板集積基体、この音響電気変換素子を用いた音響電気変換システム、及びこの音響電気変換素子の製造方法を提供することを目的としている。 The present invention relates to an acoustoelectric transducer capable of specifying a plurality of sound source directions with a single integrated substrate, a diaphragm integrated substrate serving as an element of the acoustoelectric transducer, and an acoustoelectric using the acoustoelectric transducer. It is an object of the present invention to provide a conversion system and a method for manufacturing the acoustoelectric conversion element.
上記目的を達成するために、本発明の第1の特徴は、回折格子をそれぞれ有し、音圧により振動する複数の振動板を備える振動板集積基体であって、複数の振動板は、主面が振動板集積基体の主面と平行な振動板と、主面が振動板集積基体の主面に対して傾いている振動板とを含む振動板集積基体であることを要旨とする。 In order to achieve the above object, a first feature of the present invention is a diaphragm integrated base including a plurality of diaphragms each having a diffraction grating and vibrating by sound pressure. The gist of the invention is a diaphragm integrated substrate including a diaphragm whose surface is parallel to the main surface of the diaphragm integrated substrate and a diaphragm whose main surface is inclined with respect to the main surface of the diaphragm integrated substrate.
本発明の第2の特徴は、(イ)回折格子をそれぞれ有し、音圧により振動し、且つ、主面の方向が互いに異なる複数の振動板と、(ロ)回折格子のそれぞれに光を照射する複数の光源と、(ハ)回折格子で回折した光をそれぞれ検知し電気信号に変換する複数の光検出器とを備え、複数の振動板の変位をそれぞれ電気信号に変換する音響電気変換素子であることを要旨とする。 The second feature of the present invention is (b) a plurality of diaphragms each having a diffraction grating, which vibrates due to sound pressure, and whose principal plane directions are different from each other; and (b) light is transmitted to each of the diffraction gratings. Acoustoelectric conversion comprising a plurality of light sources for irradiation and (c) a plurality of photodetectors for detecting and diffracting the light diffracted by the diffraction grating, respectively, and converting the displacements of the plurality of diaphragms into electric signals, respectively. The gist is that the element.
本発明の第3の特徴は、(イ)回折格子をそれぞれ有し、音圧により振動し、且つ、主面の方向が互いに異なる複数の振動板と、(ロ)回折格子のそれぞれに光を照射する複数の光源と、(ハ)回折格子で回折した光をそれぞれ検知し電気信号に変換する複数の光検出器と、(ニ)複数の光検出器が出力する時系列信号を周波数軸の信号に変換するフーリエ変換手段とを備え、複数の振動板の変位を、対応する複数の音源毎のスペクトルに変換し、複数の音源を同定する音響電気変換システムであることを要旨とする。 The third feature of the present invention is (a) a plurality of diaphragms each having a diffraction grating, which are vibrated by sound pressure, and whose principal surfaces are different from each other, and (b) light is transmitted to each of the diffraction gratings. A plurality of light sources to be irradiated; (c) a plurality of photodetectors for detecting and diffracting light diffracted by the diffraction grating; and (d) time-series signals output by the plurality of photodetectors on the frequency axis. The gist of the present invention is an acoustoelectric conversion system that includes a Fourier transform unit that converts a signal into a signal, converts the displacement of a plurality of diaphragms into a spectrum for each of a plurality of corresponding sound sources, and identifies the plurality of sound sources.
本発明の第4の特徴は、(イ)基板の表面に、固定枠、この固定枠に接続された固定梁、この固定枠に一端を接続した複数の弾性梁、この弾性梁を介して固定枠に両持ち梁構造で支持された第1振動板、この弾性梁を介して固定枠に片持ち梁構造で支持された第2振動板を形成する工程と、(ロ)第1及び第2振動板に、それぞれ回折格子を形成する工程と、
第1及び第2振動板の底部にそれぞれ空洞を形成する工程と、(ハ)第2振動板を接続する弾性梁を、第2振動板の自重で撓ませ、第2振動板の主面を基板の表面に対して斜めとなし、第2振動板の弾性梁で支持されない側の端部を基板の一部に付着させる工程とを含むを振動板集積基体の製造方法であることを要旨とする。
The fourth feature of the present invention is (a) a fixed frame, a fixed beam connected to the fixed frame, a plurality of elastic beams having one end connected to the fixed frame, and fixed via the elastic beams. Forming a first diaphragm supported on the frame by a cantilever beam structure, and forming a second diaphragm supported on the fixed frame by a cantilever beam structure via the elastic beam; (b) first and second Forming a diffraction grating on the diaphragm, and
Forming a cavity at the bottom of each of the first and second diaphragms; and (c) bending the elastic beam connecting the second diaphragms by the weight of the second diaphragm, so that the main surface of the second diaphragm is And a method of manufacturing a diaphragm integrated base, comprising the step of attaching the end of the second diaphragm not supported by the elastic beam to a part of the substrate. To do.
本発明によれば、1枚の集積基体で、複数の音源方向を特定することが可能な音響電気変換素子、この音響電気変換素子の要素となる振動板集積基体、この音響電気変換素子を用いた音響電気変換システム、及びこの音響電気変換素子の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, an acoustoelectric transducer capable of specifying a plurality of sound source directions with one integrated substrate, a diaphragm integrated substrate serving as an element of the acoustoelectric transducer, and the acoustoelectric transducer are used. The acoustoelectric conversion system and a method for manufacturing the acoustoelectric conversion element can be provided.
次に、図面を参照して、本発明の第1〜第3の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。 Next, first to third embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from the actual ones. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
又、以下に示す第1〜第3の実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。 The first to third embodiments described below exemplify apparatuses and methods for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention is the component parts. The material, shape, structure, arrangement, etc. are not specified below. The technical idea of the present invention can be variously modified within the scope of the claims.
(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態に係る振動板集積基体は、図1に示すように、固定枠11の内部に、5枚の振動板X1〜X5を配置して板状の集積基体を構成している。固定枠11は、その周囲を支持枠10で支持されている。中央の振動板(第1振動板)X5は、振動板集積基体の主面に平行な主面を有し、4本の弾性梁(バネ)23a〜23dによって矩形額縁状のアンカー13に接続されている。ここで、「振動板集積基体の主面」とは、図1の鳥瞰図に現れている固定枠11の上面に平行な面である。矩形額縁状のアンカー13は、固定枠11に4本の固定梁12a〜12dで固定されているが、広義にはアンカー13も固定梁の一類型である。固定梁12a〜12dは、矩形(正方形)の固定枠11の対角線方向に伸延するリッジ状の梁である。
(First embodiment)
As shown in FIG. 1, the diaphragm integrated base according to the first embodiment of the present invention has a plate-shaped integrated base in which five diaphragms X 1 to X 5 are arranged inside a
中央の振動板(第1振動板)X5以外の振動板(第2振動板)X1,X2,X3,X4は、それぞれ固定梁12a〜12dとアンカー13との接続部から、それぞれ2本の弾性梁(バネ)21a,22b;21b,22c;21c,22d;21d,22aによって接続され、振動板集積基体の主面に斜めな主面を有する振動板である。
The diaphragms (second diaphragms) X 1 , X 2 , X 3 , and X 4 other than the central diaphragm (first diaphragm) X 5 are respectively connected to the
固定枠11は、例えば、図7に示すように、単結晶Siからなる支持基板41上に順に堆積された埋め込み絶縁膜42,単結晶Si層43,保護膜44から構成されている。アンカー13及び固定梁12a〜12dは、それぞれ、埋め込み絶縁膜42,単結晶Si層43,保護膜44から構成されている。振動板X1〜X5も、同様に、埋め込み絶縁膜42,単結晶Si層43,保護膜44からなる積層構造である。更に、弾性梁23a〜23d;21a,22b;21b,22c;21c,22d;21d,22aは、埋め込み絶縁膜42,単結晶Si層43,保護膜44からから構成されている。
For example, as shown in FIG. 7, the
図5〜図7を用いて、後述するが、半導体集積回路の製造プロセスを用いて、周囲の4枚の振動板X1,X2,X3,X4の下部に空洞(キャビティ)Q1,Q2,Q3,Q4を形成すると、4枚の振動板X1,X2,X3,X4は、弾性梁(バネ)21a,22b;21b,22c;21c,22d;21d,22aにより片側の端のみ支持されているため、弾性梁21a,22b;21b,22c;21c,22d;21d,22aが無い方の端は、自重で下降する。このとき、4枚の振動板X1,X2,X3,X4のそれぞれの下降した側の端と固定枠11の内壁面とを意図的に付着(スティッキング)による貼り付きを発生させることで、実質的な両持ち梁と等価な構造(擬似的な両持ち梁構造)の振動板X1,X2,X3,X4を形成している。
Although described later with reference to FIGS. 5 to 7, a cavity (cavity) Q 1 is formed below the surrounding four diaphragms X 1 , X 2 , X 3 , and X 4 by using a semiconductor integrated circuit manufacturing process. , Q 2 , Q 3 , Q 4 , the four diaphragms X 1 , X 2 , X 3 , X 4 are elastic beams (springs) 21a, 22b; 21b, 22c; 21c, 22d; Since only one end is supported by 22a, the end without
MEMSデバイスの可動部が周囲の基板等に付着(スティッキング)して動かなくなるスティッキング現象は、一般的なMEMSデバイスの寿命を制限する大きな要因の一つとして対策検討されている。例えば、マイクロミラーアレイ装置において、傾いたマイクロミラーが何かの拍子にランディング面に付着して戻らなくなってしまう現象等がスティッキング現象として問題になっている。スティッキング現象の原因はMEMSデバイス製造時の洗浄過程における水分であり、基板・可動部の間に入った水分が乾燥するときに表面張力などにより互いを引き付けスティッキング現象にいたるといわれている。特に、スティッキング現象により、一度付着した可動部を修復することはできない場合が殆どである。第1の実施の形態に係る振動板集積基体では、積極的に付着(スティッキング)現象を利用している。 The sticking phenomenon in which the movable part of the MEMS device becomes stuck (sticking) to the surrounding substrate or the like and does not move is considered as one of the major factors that limit the life of a general MEMS device. For example, in a micromirror array device, a phenomenon in which a tilted micromirror adheres to a landing surface due to some time signature and does not return is a problem as a sticking phenomenon. The cause of the sticking phenomenon is moisture in the cleaning process at the time of manufacturing the MEMS device, and it is said that when moisture entering between the substrate and the movable part dries, it attracts each other due to surface tension and the like, resulting in a sticking phenomenon. In particular, in most cases, the movable part once attached cannot be repaired due to the sticking phenomenon. In the diaphragm integrated substrate according to the first embodiment, the sticking phenomenon is positively used.
これらの4枚の振動板X1,X2,X3,X4は、振動板集積基体の主面に対して斜角を有しているため、振動板集積基体の主面に対して斜め方向の音波に対して感度を有する。一方、中央の振動板X5は、振動板集積基体の主面の法線方向の方位からの音源からの音圧に対して大きく変動し感度を示す。ここで、固定梁12a〜12dとアンカー13との接続部と接続されている弾性梁21a,22b;21b,22c;21c,22d;21d,22aの本数は、設計レベルで可変でき、図1に示した2本に限定されるものではない。
Since these four diaphragms X 1 , X 2 , X 3 , and X 4 have an oblique angle with respect to the main surface of the diaphragm integrated substrate, they are inclined with respect to the main surface of the diaphragm integrated substrate. Sensitive to directional sound waves. On the other hand, the central diaphragm X 5 varies greatly with respect to the sound pressure from the sound source from the direction of the normal direction of the main surface of the diaphragm integrated base and exhibits sensitivity. Here, the number of the
図1の振動板X1〜X5に設けられる透過型の回折格子は、図2(a)に示す2次元回折格子でも、図2(b)に示す1次元回折格子でも構わない。図2(a)では、振動板X1〜X5に、それぞれマトリクス状に配置される複数の穴(貫通孔)Hi-1,1,・・・・・,Hi,1,H1,2,H1,3,・・・・・,Hi+2,6により2次元回折格子を構成する例を示している。又、図2(b)では、振動板X1〜X5に、それぞれ周期的に配置される複数の貫通溝(スリット)G1,G2,G3,・・・・・,G6により、1次元回折格子を構成する例を示している。 The transmission type diffraction grating provided on the diaphragms X 1 to X 5 in FIG. 1 may be the two-dimensional diffraction grating shown in FIG. 2A or the one-dimensional diffraction grating shown in FIG. In FIG. 2A, a plurality of holes (through holes) H i−1,1 ,..., H i, 1 , H 1 arranged in a matrix in each of the vibration plates X 1 to X 5. , 2 , H 1,3 ,..., H i + 2,6 shows an example of forming a two-dimensional diffraction grating. Further, in FIG. 2 (b), the diaphragm X 1 to X 5, a plurality of through-grooves are periodically arranged (slit) G 1, G 2, G 3, ·····, the G 6 The example which comprises a one-dimensional diffraction grating is shown.
本発明の第1の実施の形態に係る電気音響変換素子は、図3に示すように、音圧により振動し、主面の方向が互いに異なる5枚の振動板X1〜X5と、振動板X1〜X5の回折格子に光を照射する5つの光源LD1〜LD5と、回折格子で回折した光を検知し電気信号に変換する5つの光検出器PD1〜PD5とを備えた多方向同定光マイクロフォンである。
As shown in FIG. 3, the electroacoustic transducer according to the first embodiment of the present invention vibrates due to sound pressure and has five diaphragms X 1 to X 5 whose main surfaces are different from each other, and vibrations. five
主面の方向が互いに異なる5枚の振動板X1〜X5を収納し、固定した固定枠11は、支持枠10で支持され、筐体上部側壁31aと筐体下部側壁31bとの間に固定されている。5つの光源LD1〜LD5は、筐体上部側壁31aの上端に配置された筐体天板39に配列されている。筐体天板39は、中央部に音波が入射可能な上部開口部37を備え、5つの光源LD1〜LD5は、上部開口部37を囲むように、筐体天板39上の異なる位置に2次元的に配列されている。図3に示す第1の実施の形態に係る電気音響変換素子においては、光源LD1〜LD5より照射された光が5枚の振動板X1〜X5の主面の中央部近傍にそれぞれ入射するように、光源LD1〜LD5のそれぞれの光学軸が調整されている。光学軸の調整は、光源LD1〜LD5のマウントの角度により設定可能である。
A fixed
5つの光検出器PD1〜PD5は、筐体下部側壁31bの下端に配置された筐体底板(実装基板)32上に配列されている。筐体底板32は、中央部に音波が入射可能な底部開口部35を備え、5つの光検出器PD1〜PD5は、底部開口部35を囲むように、筐体底板32上の2次元空間的に異なる位置に配列されている。図3においては、5枚の振動板X1〜X5を透過した光が、光検出器PD1〜PD5にそれぞれ入射するように、光検出器PD1〜PD5の位置が光学的に調整されている。即ち、振動板X1〜X5に設けられた透過型の回折格子による回折角を考慮して、光検出器PD1〜PD5の位置が決定されている。筐体底板32上には、更に5つの光源LD1〜LD5及び5つの光検出器PD1〜PD5の駆動・制御回路33a〜33dが配置されている。図示を省略しているが、5つの光源LD1〜LD5の駆動・制御回路33a〜33dを、別途、筐体天板39上に配置しても構わない。
The five photodetectors PD 1 to PD 5 are arranged on a housing bottom plate (mounting substrate) 32 disposed at the lower end of the housing lower side wall 31b. The housing bottom plate 32 includes a bottom opening 35 through which a sound wave can be incident at the center, and the five photodetectors PD 1 to PD 5 are two-dimensional on the housing bottom plate 32 so as to surround the bottom opening 35. They are arranged in spatially different positions. In FIG. 3, the positions of the photodetectors PD 1 to PD 5 are optically arranged so that light transmitted through the five diaphragms X 1 to X 5 enters the photodetectors PD 1 to PD 5 , respectively. It has been adjusted. That is, the positions of the photo detectors PD 1 to PD 5 are determined in consideration of the diffraction angle by the transmission type diffraction grating provided on the vibration plates X 1 to X 5 . On the housing bottom plate 32, drive and
図3に示す光検出器PD1〜PD5には、フォトダイオードアレイ等のイメージセンサを用いるのが好ましい。即ち、光検出器PD1〜PD5は、光強度の違いを検出するのではなく、回折像の2次元的な像の検出により、主面の方向が互いに異なる5枚の振動板X1〜X5の変位の検出を行う。このため、フォトダイオードアレイPD1〜PD5は、回折像を漏れなく検知できるように、回折光に対して十分に広いエリアが確保されている。 An image sensor such as a photodiode array is preferably used for the photodetectors PD 1 to PD 5 shown in FIG. That is, the photodetectors PD 1 to PD 5 do not detect the difference in light intensity, but detect two-dimensional images of diffraction images, thereby detecting five diaphragms X 1 to X 5 having different principal plane directions. the detection of displacement of the X 5. Therefore, the photodiode arrays PD 1 to PD 5 have a sufficiently wide area for the diffracted light so that the diffraction images can be detected without omission.
第1の実施の形態に係る電気音響変換素子においては、主面の方向が互いに異なる5枚の振動板X1〜X5には透過型の回折格子が形成されているので、5つの光源LD1〜LD5から照射された光波は、それぞれ対応する回折格子X1〜X5を透過しながら回折し、5つのフォトダイオードアレイPD1〜PD5の面上で回折像をもたらす。そして、振動板X1〜X5の変位を回折像として光学的に光検出器PD1〜PD5で検出し、更にこれを図4のように、電気信号に変換する。 In the electroacoustic transducer according to the first embodiment, since the transmissive diffraction gratings are formed on the five diaphragms X 1 to X 5 having different main surface directions, the five light sources LD are provided. The light waves irradiated from 1 to LD 5 are diffracted while passing through the corresponding diffraction gratings X 1 to X 5 , respectively, to produce diffraction images on the surfaces of the five photodiode arrays PD 1 to PD 5 . Then, the displacement of the diaphragm X 1 to X 5 optically detected by a photodetector PD 1 -PD 5 as a diffraction image, further which, as in FIG. 4, is converted into an electric signal.
図3に示す第1の実施の形態に係る電気音響変換素子においては、振動板集積基体の主面に対して正対した振動板(第1振動板)X5の他に、同一振動板集積基体上で様々な方位に角度をもった振動板(第2振動板)X1〜X4を複数(4枚)配置し、対応する光源LD1〜LD5、光検出器PD1〜PD5によって個別に振動板X1〜X5の振動変位を検出する。それぞれの光検出器PD1〜PD5において、最大の出力が得られた光検出器PD1〜PD5に対応した振動板X1〜X5の主面の法線の延長線上に、それぞれ対応する音源を同定することが可能になる。 In the electroacoustic transducer according to the first embodiment shown in FIG. 3, in addition to the diaphragm (first diaphragm) X 5 facing the main surface of the diaphragm integrated base, the same diaphragm is integrated. A plurality (four) of diaphragms (second diaphragms) X 1 to X 4 having angles in various directions on the substrate are arranged, and corresponding light sources LD 1 to LD 5 and photodetectors PD 1 to PD 5 are arranged. The vibration displacements of the diaphragms X 1 to X 5 are individually detected by. In each of the photodetectors PD 1 to PD 5, it corresponds to the extension of the normal line of the main surface of the diaphragms X 1 to X 5 corresponding to the photodetectors PD 1 to PD 5 with the maximum output. It is possible to identify the sound source to be played.
更に、第1の実施の形態に係る電気音響変換素子によれば、各振動板X1〜X5の振動変位を個別に検出するため、音源が多数存在する音場においても、クリアな音を抽出することが可能になる。 Furthermore, according to the electroacoustic transducer according to the first embodiment, since the vibration displacement of each of the diaphragms X 1 to X 5 is individually detected, a clear sound can be obtained even in a sound field where there are many sound sources. It becomes possible to extract.
図4は本発明の第1の実施の形態に係る電気音響変換システムの構成を示すブロック図で、これにより、複数の振動板X1〜Xnの変位検出の様子を示したものである。n=5の場合が、図3に例示した5枚の振動板X1〜X5を用いた電気音響変換素子に相当するが、n=5の場合に限定されず、nは、2以上の任意の値に設計可能である。このため、図4では、より一般化し、振動板X1〜Xnで示している。 FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the electroacoustic conversion system according to the first embodiment of the present invention, and shows how the displacements of the plurality of diaphragms X 1 to X n are detected. The case of n = 5 corresponds to the electroacoustic transducer using the five diaphragms X 1 to X 5 illustrated in FIG. 3, but is not limited to n = 5, and n is 2 or more. It can be designed to any value. Therefore, in FIG. 4, a more generalized, it is indicated by a diaphragm X 1 to X n.
図4(a)に示す電気音響変換システムでは、n個の音源(音波)S1〜Snに対応して、n枚の振動板X1〜Xnが用意されている。そして、振動板X1〜Xnのそれぞれに対応してn個の光源LD1〜LDn、n個の光検出器PD1〜PDn、n個の増幅器A1〜Anが、互いに独立したn個の並列回路を構成するように接続されており、n個の並列回路の出力は、単一のフーリエ変換手段に入力される。図4(a)では、フーリエ変換手段の一例として、高速フーリエ変換(FFT)アナライザが用いられている。FFTアナライザは、離散フーリエ変換に関連する変換を高速に実行するフーリエ変換手段であり、n個の増幅器A1〜Anが出力する時系列信号を周波数軸の信号に変換する。FFTアナライザは、一般には、ローパスフィルタ、AD変換器、FFT演算回路及び表示部等から構成される。n個の増幅器A1〜Anが出力する連続的信号電圧を、ある一定時間間隔で信号をサンプリングし、AD変換器で、AD(アナログ―ディジタル)変換した後、FFT演算回路によりFFT演算を行う。なお、この際に原信号には存在しない周波数成分が現れるエイリアシング現象を防ぐため、サンプリングの前にローパスフィルタを使用する。FFT演算回路でFFT処理された信号は、1つの周波数スペクトルfΣに合成し集約する。図4(a)に示すシステムによれば、音源が多数(n個)存在する音場でも、各音源からのそれぞれの音波S1〜Snを明瞭に、同定し、収録できる。
In the electroacoustic conversion system shown in FIG. 4A, n diaphragms X 1 to X n are prepared corresponding to n sound sources (sound waves) S 1 to S n . The diaphragm X 1 to X n number of
図4(b)に示す電気音響変換システムも図4(a)に示したシステムと同様に、n個の音源(音波)S1〜Snに対応して、n枚の振動板X1〜Xnが用意されている。そして、振動板X1〜Xnのそれぞれに対応してn個の光源LD1〜LDn、n個の光検出器PD1〜PDn、n個の増幅器A1〜Anが、互いに独立したn個の並列回路を構成するように接続されている。しかし、図4(b)では、n個の並列回路から個別に(パラレルに)複数のフーリエ変換手段(FFTアナライザ)FFT1〜FFTnに出力される。それぞれのフーリエ変換手段(FFTアナライザ)FFT1〜FFTnは、n個の増幅器A1〜Anが出力する時系列信号をそれぞれ周波数軸の信号に変換し、それぞれ周波数スペクトルf1〜fnを出力する。図4(b)に示すシステムによれば、音源が多数(n個)存在する音場でも、各音源からの音波S1〜Snに対応した複数(n個)の周波数スペクトルf1〜fnを、それぞれ、同定し、明瞭に収録できる。
Similarly to the system shown in FIG. 4A, the electroacoustic conversion system shown in FIG. 4B corresponds to n sound sources (sound waves) S 1 to Sn, and n diaphragms X 1 to Xn is prepared. The diaphragm X 1 to X n number of
図4に示す第1の実施の形態に係る電気音響変換システムにおいて、振動板集積基体の主面に対して正対した振動板(第1振動板)を、例えば振動板Xnと仮定すると、同一振動板集積基体上で様々な方位に角度をもった他の振動板(第2振動板)X1〜X(n-1)を(n−1)枚配置し、対応する光源LD1〜LDn、光検出器PD1〜PDnによって個別に振動板X1〜Xnの振動変位を検出する。それぞれの光検出器PD1〜PDnの出力をフーリエ変換し、最大の周波数スペクトルf1〜fnの強度が得られた光検出器PD1〜PDnに対応する振動板X1〜Xnの主面の法線の延長線上に対応する音源があることを同定することが可能になる。
In the electroacoustic conversion system according to the first embodiment shown in FIG. 4, assuming that the diaphragm (first diaphragm) facing the main surface of the diaphragm integrated base is, for example, the diaphragm X n . (N-1) other diaphragms (second diaphragms) X 1 to X (n-1) having angles in various directions on the same diaphragm integrated base are arranged, and the corresponding light sources LD 1 to LD 1 are arranged. LD n, it detects the vibration displacement of individually diaphragm X 1 to X n by the photodetector PD 1 -PD n. The output of each photodetector PD 1 -PD n Fourier transform, the maximum of the
更に、第1の実施の形態に係る電気音響変換システムによれば、各振動板X1〜Xnの振動変位を個別に検出するため、音源が多数(n個)存在する音場においても、クリアな音を抽出することが可能になる。 Furthermore, according to the electroacoustic conversion system according to the first embodiment, since the vibration displacement of each of the diaphragms X 1 to X n is individually detected, even in a sound field where there are a large number (n) of sound sources, A clear sound can be extracted.
以上のように、第1の実施の形態に係る電気音響変換システムによれば、1枚の振動板集積基体で、多方位(n方位)からの音波S1〜Snを検出することが可能になり、低コスト・省スペースの多方向同定光マイクロフォンシステムを提供することが可能になる。 As described above, according to the electro-acoustic transducer system according to the first embodiment, can be of one diaphragm integrated substrate, detecting the sound waves S 1 to S n from the multi-azimuth (n azimuth) Thus, it becomes possible to provide a low-cost and space-saving multidirectional identification optical microphone system.
図5〜図7を用いて、図1に示した本発明の第1の実施の形態に係る振動板集積基体の製造方法を説明する。なお、以下に述べる振動板集積基体の製造方法は、一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により、実現可能であることは勿論である。 A method for manufacturing the diaphragm integrated substrate according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1 will be described with reference to FIGS. It should be noted that the manufacturing method of the diaphragm integrated substrate described below is an example, and it is needless to say that the method can be realized by various other manufacturing methods including this modification.
(イ)まず、単結晶Siからなる支持基板41上に埋め込み絶縁膜(SOI酸化膜)42、単結晶Si層(SOI層)43が順次積層された、いわゆるSOI基板を準備する。 次に、図5(a)に示すように、SOI基板上にシリコン酸化膜(SiO2膜)或いはシリコン窒化膜(Si3N4膜)等の保護膜44をCVD法等で堆積する。シリコン酸化膜(SiO2膜)は、熱酸化で形成しても良く、TEOSのCVDや塗布等でも良い。
(A) First, a so-called SOI substrate is prepared in which a buried insulating film (SOI oxide film) 42 and a single crystal Si layer (SOI layer) 43 are sequentially stacked on a
(ロ)次にフォトレジスト膜(以下において、単に「フォトレジスト」という。)を保護膜44の表面にスピン塗布する。そして、フォトリソグラフィー技術により、フォトレジストをパターニングする。そして、このフォトレジストをマスクとして、RIE法等により保護膜44をエッチングする。その後、フォトレジストを除去し、RIE法等によりパターニングされた保護膜44a,44b,44c,44l,44m,44q,44rをマスクとして、RIE法等により単結晶Si層43を分離して、図5(b)に示すように、第1振動板X5及び第2振動板X1,X3の領域を定義する単結晶Si層43c,43b,43aを切り出す(紙面の手前及び奥には、図示を省略した振動板(第2振動板)X2及びX4の領域も切り出される。)。このとき、図5(b)に示すように、保護膜44l,44mの下には、同様に、単結晶Si層43l,43mが分離され、アンカー(固定梁)13が形成される。更に、図5(b)に示すように、保護膜44q,44rの下には、同様に、単結晶Si層43q,43rが分離され、固定枠11に相当するパターンが形成される。なお、断面図には現れていないが、図1に示す弾性梁(バネ)23a〜23d;21a,22b;21b,22c;21c,22d;21d,22aのパターンも形成される。即ち、SOI基板の表面に、固定枠11、この固定枠11に接続された固定梁13;11a〜11d、この固定枠11に一端を接続した複数の弾性梁23a〜23d;21a,22b;21b,22c;21c,22d;21d,22a、この弾性梁23a〜23d;21a,22b;21b,22c;21c,22d;21d,22aを介して固定枠11に両持ち梁構造で支持された第1振動板X5、この弾性梁23a〜23d;21a,22b;21b,22c;21c,22d;21d,22aを介して固定枠11に片持ち梁構造で支持された第2振動板X1〜X4とが形成される。
(B) Next, a photoresist film (hereinafter simply referred to as “photoresist”) is spin-coated on the surface of the protective film 44. Then, the photoresist is patterned by a photolithography technique. Then, using this photoresist as a mask, the protective film 44 is etched by the RIE method or the like. Thereafter, the photoresist is removed, and the single crystal Si layer 43 is separated by the RIE method or the like using the
(ハ)その後、新たなフォトレジストを保護膜44a,44b,44c,44l,44m,44q,44rの表面にスピン塗布する。即ち、フォトリソグラフィー技術及びRIE法等を用いて、図5(c)に示すように、保護膜44a,44b,44c、単結晶Si層43a,43b,43c及び埋め込み絶縁膜42を選択的に、且つ連続的に、RIE法若しくはECRイオンエッチング法等によりエッチング除去して、第1振動板X5及び第2振動板X1〜X4の表面に透過型の2次元回折格子を構成する微細な穴Hi1、Hi2、・・・・・、Hi6を形成する(図6参照。)。その後、フォトレジストを除去する。回折格子は2次元回折格子に限定されず、図2(b)に示すような1次元の回折格子でも良い。
(C) Thereafter, a new photoresist is spin-coated on the surfaces of the
(ニ)微細な穴Hi1、Hi2、・・・・・、Hi6を形成した後、熱酸化により、微細な穴Hi1、Hi2、・・・・・、Hi6の側壁に露出した単結晶Si層43a,43b,43cの表面に、図6に示すように、エッチング保護膜48として、シリコン酸化膜を形成する。図6では、第1振動板X5の全領域及び第2振動板X1及びX3の一部の領域しか示していないが、紙面の手前及び奥に存在する図示を省略した第2振動板X2及びX4の領域における微細な穴Hi1、Hi2、・・・・・、Hi6の側壁に露出した単結晶Si層の表面にも同様に、エッチング保護膜48が形成される。
(D) minute holes H i1, H i2, · · · · ·, after forming the H i6, by thermal oxidation, minute holes H i1, H i2, · · · · ·, exposed on the side walls of the H i6 As shown in FIG. 6, a silicon oxide film is formed as an
(ホ)その後、その後、新たなフォトレジストを第1振動板X5及び第2振動板X1〜X4の表面にスピン塗布する。フォトリソグラフィー技術により、振動板X1〜X5のそれぞれの領域の表面を露出する窓部を形成する。この窓部は、微細な穴Hi1、Hi2、・・・・・、Hi6の配列の全体を含む開口部である。そして、このフォトレジストをマスクとして、指向性の高いRIE等により、窓部に露出した振動板X1〜X5の底部に形成されたエッチング保護膜48を選択的に除去する。この結果、それぞれの振動板X1〜X5の微細な穴Hi1、Hi2、・・・・・、Hi6の底部には、単結晶Siからなる支持基板41が露出する。
(E) Thereafter, a new photoresist is spin-coated on the surfaces of the first diaphragm X 5 and the second diaphragms X 1 to X 4 . By photolithography to form a window portion to expose the surface of each region of the diaphragm X 1 to X 5. This window is an opening including the entire arrangement of the fine holes H i1 , H i2 ,..., H i6 . Then, using this photoresist as a mask, the
(ヘ)そして、それぞれの第1振動板X5及び第2振動板X1〜X4の微細な穴Hi1、Hi2、・・・・・、Hi6を介して、単結晶Siの異方性エッチャント、例えばテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド(TMAH)等の薬液を導入し、支持基板41の選択的な異方性エッチングを行えば、図9(a)に示すように、空洞(キャビティ)Q5が第1振動板X5の下部に、空洞(キャビティ)Q1,Q3が第2振動板X1,X3の下部に、それぞれ形成される。同様に、図示を省略した第2振動板X2及びX4の下部には、図示を省略した空洞Q2及びQ4が形成される。この結果、SOI基板の主表面に平行な振動板(第1振動板)X5は、アンカー(固定梁)13に4本の弾性梁で支持された両持ち梁の構造になる。一方、第2振動板X1,X3(及び、図示を省略した第2振動板X2及びX4)は、一方の端のみアンカー(固定梁)13と弾性梁21a,22b;21b,22c;21c,22d;21d,22aで連結しているため、エッチングが進行すると反対側の端がフリー(自由端)になり、弾性梁21a,22b;21b,22c;21c,22d;21d,22aが撓む。ここで、フリーな振動板(第2振動板)X1〜X4の端部(端面)を自重で下降させ、異方性エッチングによって得られた空洞Q1〜Q4に露出したSiの壁とを図9(b)に示すように、付着(スティッキング)させる。つまり、支持基板41の一部である空洞Q1〜Q4の壁がストッパーとなって、4枚の第2振動板X1〜X4の下降した方の端部を支えることになる。この結果、実質、両持ち梁の振動板(第2振動板)X1〜X4が実現し、第2振動板X1〜X4の主面は、SOI基板の表面(主面)に対して、斜めになる。
(F) The difference between the single crystal Si through the fine holes H i1 , H i2 ,..., H i6 of the first diaphragm X 5 and the second diaphragms X 1 to X 4. If a anisotropic etchant, for example, a chemical solution such as tetramethylammonium hydroxide (TMAH) is introduced and selective anisotropic etching of the
(ト) 最終的に、支持基板41を裏面からエッチングし、空洞部47を形成することで、本発明の第1の実施の形態に係る振動板集積基体が完成する。図1に示すように、マイクロフォンの固定枠11の内部には、主面の方向が互いに異なる5枚の振動板X1〜X5が形成される。
(G) Finally, the
以上のように、本発明の第1の実施の形態に係る振動板集積基体の製造方法によれば、支持基板41の選択的な異方性エッチングの際生じる膜の応力とスティッキング(付着)現象を利用して、振動板集積基体の主面に対して斜めに、擬似的な両持ち梁構造のダイアフラム(第2振動板)X1〜X4が形成される。即ち、振動板集積基体の主面に対して正対した第1振動板X5の他に、同一振動板集積基体上で様々な方位に主面の角度をもった第2振動板X1〜X4を、複数(4枚)配置した振動板集積基体が簡単に製造できる。
As described above, according to the manufacturing method of the diaphragm integrated base according to the first embodiment of the present invention, the film stress and the sticking (adhesion) phenomenon generated during the selective anisotropic etching of the
(第2の実施の形態)
第1の実施の形態では、透過型の回折格子を有する振動板X1〜X5を備えた振動板集積基体及びこれを用いた電気音響変換素子等について説明した。本発明の第2の実施の形態においては、図8に示すような、反射型の回折格子を有する振動板X1〜X5を備えた振動板集積基体及びこれを用いた電気音響変換素子について説明する。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the diaphragm integrated base including the diaphragms X 1 to X 5 having the transmission type diffraction grating, the electroacoustic transducer using the same, and the like have been described. In the second embodiment of the present invention, as shown in FIG. 8, a diaphragm integrated substrate including diaphragms X 1 to X 5 having reflective diffraction gratings and an electroacoustic transducer using the same. explain.
第1の実施の形態と同様に、第2の実施の形態に係る反射型の回折格子は、図8(a)に示す2次元回折格子でも、図8(b)に示す1次元回折格子でも構わないことは勿論である。図8(a)では、振動板X1〜X5に、それぞれマトリクス状に配置される複数の一定深さの穴(凹部)Hi-1,1,・・・・・,Hi,1,H1,2,H1,3,・・・・・,Hi+2,6により2次元回折格子を構成する例を示している。又、図8(b)では、振動板X1〜X5に、それぞれ周期的に配置される一定深さの複数のU溝G1,G2,G3,・・・・・,G6により、1次元回折格子を構成する例を示している。 Similar to the first embodiment, the reflection type diffraction grating according to the second embodiment is the two-dimensional diffraction grating shown in FIG. 8A or the one-dimensional diffraction grating shown in FIG. Of course, it does not matter. In FIG. 8 (a), a plurality of holes (concave portions) H i−1,1 ,..., H i, 1 arranged in a matrix on the diaphragms X 1 to X 5 , respectively. , H 1,2 , H 1,3 ,..., H i + 2,6 shows an example of forming a two-dimensional diffraction grating. Further, in FIG. 8B, a plurality of U grooves G 1 , G 2 , G 3 ,..., G 6 having a fixed depth that are periodically arranged in the diaphragms X 1 to X 5 , respectively. Thus, an example of configuring a one-dimensional diffraction grating is shown.
そして、本発明の第2の実施の形態に係る電気音響変換素子は、図9に示すように、音圧により振動し、主面の方向が互いに異なる5枚の反射型の回折格子を有する振動板X1〜X5と、振動板X1〜X5の回折格子に光を照射する5つの光源LD1〜LD5と、回折格子で回折した光を検知し電気信号に変換する5つの光検出器PD1〜PD5とを備えた多方向同定光マイクロフォンである。 As shown in FIG. 9, the electroacoustic transducer according to the second embodiment of the present invention vibrates due to sound pressure and has five reflective diffraction gratings whose principal surfaces are different from each other. The plates X 1 to X 5 , the five light sources LD 1 to LD 5 that irradiate the diffraction gratings of the vibration plates X 1 to X 5 , and the five lights that detect the light diffracted by the diffraction grating and convert it into electrical signals It is a multidirectional identification optical microphone provided with detectors PD 1 to PD 5 .
主面の方向が互いに異なる5枚の振動板X1〜X5を収納し、固定した固定枠11は、支持枠10で支持され、筐体側壁31の上端に固定されている。図9に示した5枚の振動板X1〜X5は、それぞれ、図8(a)に示す2次元回折格子若しくは図8(b)に示す1次元回折格子であるが、図9では、これらの反射型の回折格子面は下向きである(図9では、模式的に回折格子面が上向きであるかのように図示されているが、これは回折格子をイメージさせるための意図であり、現実には、穴(凹部)Hi-1,1,・・・・・,Hi,1,H1,2,H1,3,・・・・・,Hi+2,6が形成された回折格子面は下向きであり、図9には平らな底面が現れる。)。
A fixed
5つの光源LD1〜LD5及び5つの光検出器PD1〜PD5は、それぞれ筐体側壁31の下端に配置された筐体底板(実装基板)32上に配列されている。筐体底板(実装基板)32は、中央部に底部開口部35を備え、5つの光源LD1〜LD5及び5つの光検出器PD1〜PD5は、底部開口部35を囲むように、筐体底板32上に配列されている。図9においては、2次元空間的に異なる位置に配置された5つの光源LD1〜LD5が、光源LD1〜LD5より照射された光が、主面の方向が互いに異なる5枚の振動板X1〜X5にそれぞれ入射可能なように光学軸が調整されている。更に、5枚の振動板X1〜X5で反射した光が、光検出器PD1〜PD5にそれぞれ入射可能なように、光学的に調整されて、光検出器PD1〜PD5が配置されている。筐体底板32上には、更に5つの光源LD1〜LD5及び5つの光検出器PD1〜PD5の駆動・制御回路33a〜33dが配置されている。
The five light sources LD 1 to LD 5 and the five photodetectors PD 1 to PD 5 are arranged on a housing bottom plate (mounting substrate) 32 disposed at the lower end of the housing side wall 31. The housing bottom plate (mounting substrate) 32 includes a bottom opening 35 at the center, and the five light sources LD 1 to LD 5 and the five photodetectors PD 1 to PD 5 surround the bottom opening 35. Arranged on the casing bottom plate 32. In Figure 9, two-dimensional spatially different positions arranged five
図9に示す光検出器PD1〜PD5には、第1の実施の形態に係る電気音響変換素子と同様に、フォトダイオードアレイ等のイメージセンサを用いるのが好ましい。第2の実施の形態に係る電気音響変換素子においては、主面の方向が互いに異なる5枚の振動板X1〜X5には反射型の回折格子が形成されているので、5つの光源LD1〜LD5から照射された光波は、それぞれ対応する回折格子X1〜X5で反射し、5つのフォトダイオードアレイPD1〜PD5の面上で回折像をもたらす。そして、反射型回折格子を備え、主面の方向が互いに異なる5枚の振動板X1〜X5の変位を光学的に光検出器PD1〜PD5で検出し、更に、第1の実施の形態に係る電気音響変換素子で説明した図4と同様なシステムを用いて、電気信号に変換する。第2の実施の形態に係る電気音響変換素子によれば、1枚の振動板集積基体で、多方位からの音波S1〜Snを検出することが可能になり、低コスト・省スペースの電気音響変換素子を提供することが可能になる。 For the photodetectors PD 1 to PD 5 shown in FIG. 9, it is preferable to use an image sensor such as a photodiode array, similarly to the electroacoustic transducer according to the first embodiment. In the electroacoustic transducer according to the second embodiment, the reflection plates are formed on the five diaphragms X 1 to X 5 having different principal surface directions, so that the five light sources LD are provided. The light waves irradiated from 1 to LD 5 are reflected by the corresponding diffraction gratings X 1 to X 5 , respectively, and produce diffraction images on the surfaces of the five photodiode arrays PD 1 to PD 5 . The optical detectors PD 1 to PD 5 optically detect the displacements of the five diaphragms X 1 to X 5 each having a reflection type diffraction grating and having different principal plane directions. It converts into an electric signal using the system similar to FIG. 4 demonstrated with the electroacoustic transducer which concerns on a form of. According to the electro-acoustic transducer according to the second embodiment, of one diaphragm integrated substrate, it is possible to detect the sound waves S 1 to S n from the multi-orientation, low-cost, space-saving An electroacoustic transducer can be provided.
本発明の第2の実施の形態の変形例(第1変形例)に係る電気音響変換素子は、図10に示すように、音圧により振動し、主面の方向が互いに異なる5枚の振動板X1〜X5と、振動板X1〜X5の回折格子に光を照射する5つの光源LD1〜LD5と、回折格子で回折した光を検知し電気信号に変換する5つの光検出器PD1〜PD5とを備えた多方向同定光マイクロフォンである点で、図9に示した構成と同様である。 As shown in FIG. 10, the electroacoustic transducer according to the modification (first modification) of the second embodiment of the present invention vibrates by sound pressure and has five vibrations whose principal surfaces are different from each other. The plates X 1 to X 5 , the five light sources LD 1 to LD 5 that irradiate the diffraction gratings of the vibration plates X 1 to X 5 , and the five lights that detect the light diffracted by the diffraction grating and convert it into electrical signals The configuration is the same as that shown in FIG. 9 in that the multidirectional identification optical microphone includes the detectors PD 1 to PD 5 .
但し、主面の方向が互いに異なる5枚の振動板X1〜X5を収納し、固定した固定枠11は、支持枠10で支持され、筐体上部側壁31aと筐体下部側壁31bとの間に固定されている点が図9とは異なる点である。筐体天板39は、中央部に上部開口部37を備えている。
However, the fixed
5つの光源LD1〜LD5、5つの光検出器PD1〜PD5、及びこれらの光源LD1〜LD5,光検出器PD1〜PD5の駆動・制御回路33a〜33dが筐体底板(実装基板)32上に配列されている点は、図9の構成と同様であり、重複した説明を省略する。
The five light sources LD 1 to LD 5 , the five photodetectors PD 1 to PD 5 , and the drive /
第2の実施の形態の変形例に係る電気音響変換素子も、図9と同様に、主面の方向が互いに異なる5枚の振動板X1〜X5が反射型の回折格子が形成されているので、光源LD1〜LD5から照射された光波は、それぞれ対応する回折格子X1〜X5で反射し、フォトダイオードアレイPD1〜PD5の面上で回折像をもたらす。そして、反射型回折格子を備え、主面の方向が互いに異なる5枚の振動板X1〜X5の変位を光学的に光検出器PD1〜PD5で検出し、更にこれを図4と同様なシステムを用いて、電気信号に変換できる。
As in the case of FIG. 9, the electroacoustic transducer according to the modification of the second embodiment also includes five diaphragms X 1 to X 5 having different principal surface directions to form a reflective diffraction grating. because there, light waves emitted from the
図10に示した第2の実施の形態の変形例に係る電気音響変換素子によっても、1枚の振動板集積基体で、多方位からの音波S1〜Snを検出することが可能になり、低コスト・省スペースの電気音響変換素子を提供することが可能になる。 By electro-acoustic transducer according to a modification of the second embodiment shown in FIG. 10, of one diaphragm integrated substrate, it is possible to detect the sound waves S 1 to S n from the multi-azimuth Thus, it is possible to provide a low-cost and space-saving electroacoustic transducer.
本発明の第2の実施の形態の他の変形例(第2変形例)に係る電気音響変換素子として、図10に示す構成において、筐体天板39の下面に、5つの光源LD1〜LD5、5つの光検出器PD1〜PD5及びこれらの光源LD1〜LD5,光検出器PD1〜PD5のそれぞれの駆動・制御回路33a〜33dを配列して多方向同定光マイクロフォンを構成しても良い。この場合は、図10に示した5枚の振動板X1〜X5の回折格子面は上向きである。このような、筐体天板39の下面に光源LD1〜LD5及び光検出器PD1〜PD5を配置した構成でも、光源LD1〜LD5より照射された光が、主面の方向が互いに異なる5枚の振動板X1〜X5にそれぞれ入射可能なように光学軸を調整し、振動板X1〜X5で反射した光が、光検出器PD1〜PD5にそれぞれ入射可能なように、光学的に調整すれば、図10に示す構成と同様な動作が可能である。
As an electroacoustic transducer according to another modified example (second modified example) of the second embodiment of the present invention, five light sources LD 1 to LD are arranged on the lower surface of the casing top plate 39 in the configuration shown in FIG. LD 5, 5 one photodetector PD 1 -PD 5 and the
(第3の実施の形態)
既に、第1の実施の形態に係る電気音響変換素子の図4の説明で、振動板X1〜Xnの枚数はn=5の場合に限定されないことを述べた。第3の実施の形態に係る振動板集積基体においては、n=9の場合について、説明する。即ち、図11に示すように、第3の実施の形態に係る振動板集積基体は、3×3のマトリクス状に配列された9枚の振動板X1〜X9を有する。
(Third embodiment)
In the description of FIG. 4 of the electroacoustic transducer according to the first embodiment, it has already been described that the number of diaphragms X 1 to X n is not limited to n = 5. In the diaphragm integrated substrate according to the third embodiment, the case where n = 9 will be described. That is, as shown in FIG. 11, the diaphragm integrated substrate according to the third embodiment has nine diaphragms X 1 to X 9 arranged in a 3 × 3 matrix.
図11では、中央の振動板X9は振動板集積基体の主面に対して正対して形成され4本の弾性梁21によって接続されている。この中央の振動板X9は、振動板集積基体の主面と正対した方位からの音源からの音圧に対して大きく変動し感度を示す。
In FIG. 11, the central diaphragm X 9 is formed to face the main surface of the diaphragm integrated base and is connected by four
中央の振動板X9以外の振動板X1〜X8はアンカー(固定梁)12p,12q,12r,12sから2点で接続している片持ち梁形状を形成している。半導体集積回路の製造プロセスと同様な加工プロセスを用いて、振動板X1〜X9の下部に空洞を形成すると、周辺の8枚の振動板X1〜X8は、弾性梁21による片持ち梁構造のため、弾性梁21に接続されていない側の端部は下降する。このとき、弾性梁21の撓みにより下降した側の端部と振動板集積基体の主面との間に、意図的に付着(スティッキング)を発生させることで擬似的な両持ち梁構造の振動板X1〜X8を形成する。
The diaphragms X 1 to X 8 other than the central diaphragm X 9 form a cantilever shape connected at two points from the anchors (fixed beams) 12p, 12q, 12r, and 12s. When a cavity is formed in the lower part of the diaphragms X 1 to X 9 using a processing process similar to the manufacturing process of the semiconductor integrated circuit, the surrounding eight diaphragms X 1 to X 8 are cantilevered by the elastic beams 21. Due to the beam structure, the end on the side not connected to the
周辺の8枚の振動板X1〜X8は、振動板集積基体の主面に対して斜角を有しているため、斜め方向の音波に対して感度を有する。ここで、アンカー(固定梁)12p〜12sと接続されている弾性梁21の本数は、設計レベルで可変でき、中央の振動板X9に対し4本、周辺の8枚の振動板X1〜X8に対し2本というのは、必須の事項ではなく、設計仕様に応じて他の本数をフレキシブルに採用可能である。
The peripheral eight diaphragms X 1 to X 8 have an oblique angle with respect to the main surface of the diaphragm integrated base, and therefore have sensitivity to sound waves in an oblique direction. Here, the number of
図11に示した第3の実施の形態の変形例に係る電気音響変換素子によっても、1枚の振動板集積基体で、9つの方位からの音波S1〜S9を検出することが可能になり、低コスト・省スペースの電気音響変換素子を提供することが可能になる。 Also by the electroacoustic transducer according to the modification of the third embodiment shown in FIG. 11, it is possible to detect the sound waves S 1 to S 9 from nine directions with one diaphragm integrated substrate. Thus, a low-cost and space-saving electroacoustic transducer can be provided.
(その他の実施の形態)
上記のように、本発明は第1〜第3の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
(Other embodiments)
As described above, the present invention has been described according to the first to third embodiments. However, it should not be understood that the description and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.
図12は、斜角を有す振動板(第2振動板)X3の自由端とSiの異方性エッチングによってもたらされた固定枠11の内壁の壁とが付着(スティッキング)した状態を模式的に示したものである。図12に示すように、振動板X3の自由端とSiとの付着の精度と強度を向上させるため、振動板X3の自由端側に、図12にあるように接触面積を増やすための接触部材19を付加して擬似的な両持ち梁構造を実現しても良い。同様に、第1の実施の形態に係る振動板集積基体の他の振動板X1,X2,X4の自由端側に、図12の接触部材19を付加して、擬似的な両持ち梁構造を実現しても良い。更に、第2及び第3の実施の形態においても、図12に示した接触部材19を傾斜している振動板に付加しても良い。
FIG. 12 shows a state in which the free end of the beveled diaphragm (second diaphragm) X 3 and the wall of the inner wall of the fixed
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。 As described above, the present invention naturally includes various embodiments not described herein. Therefore, the technical scope of the present invention is defined only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from the above description.
10…支持枠
11…固定枠
12a〜12d…固定梁
13…アンカー(固定梁)
19…接触部材
21;21a,22b;21b,22c;21c,22d;21d,22a;23a〜23d…弾性梁
31…筐体側壁
31a…筐体上部側壁
31b…筐体下部側壁
32…筐体底板
33a〜33d…制御回路
35…底部開口部
37…上部開口部
39…筐体天板
41…支持基板
42…絶縁膜
43,43a,43b,43c,43l,43m,43q,43r…単結晶Si層(SOI層)
44,44a,44b,44c、44l,44m,44q,44r…保護膜
47…空洞部
48…エッチング保護膜
A1〜An…増幅器
G1,G2,G3,・・・・・,G6…溝(スリット又はU溝)
Hi-1,1,・・・・・,Hi,1,H1,2,H1,3,・・・・・,Hi+2,6… 穴(貫通孔又は凹部)
Q1,Q5,Q3…空洞(キャビティ)
S1〜Sn…音波
X1〜Xn…振動板(回折格子)
fΣ,f1〜fn…周波数スペクトル
FFT,FFT1〜FFTn…高速フーリエ変換(FFT)アナライザ
LD1〜LDn、…光源
PD1〜PDn…光検出器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ...
DESCRIPTION OF SYMBOLS 19 ...
44,44a, 44b, 44c, 44l, 44m, 44q, 44r ... protective film 47 ...
H i-1,1 ,..., H i, 1 , H 1,2 , H 1,3 ,..., H i + 2,6 .
Q 1 , Q 5 , Q 3 ... cavity
S 1 to S n ... wave X 1 to X n ... diaphragm (diffraction grating)
f Σ,
Claims (13)
主面が前記振動板集積基体の主面と平行な第1振動板と、
前記振動板集積基体の主面に対して斜め方向の音波に対して感度を有するように、主面が前記振動板集積基体の主面に対して斜角を有して傾いている第2振動板
とを含み、前記第1及び第2振動板のそれぞれの前記主面をなす表面及び裏面が、共に音波に対して開放されていることを特徴とする振動板集積基体。 Each of the diaphragm integrated bases having a plurality of diaphragms each having a diffraction grating and vibrating by sound pressure, wherein the plurality of diaphragms are:
A first diaphragm whose main surface is parallel to the main surface of the diaphragm integrated base;
Second vibration in which the main surface is inclined at an oblique angle with respect to the main surface of the diaphragm integrated substrate so as to be sensitive to sound waves oblique to the main surface of the diaphragm integrated substrate. a plate seen including, the first and front and rear surfaces forming each of the main surface of the second diaphragm, the diaphragm integrated substrate, characterized in that it is both open to the waves.
前記回折像を形成する回折格子を有し、主面が前記振動板集積基体の主面と平行な第1振動板と、
前記回折像を形成する回折格子を有し、前記振動板集積基体の主面に対して斜め方向の音波に対して感度を有するように、主面が前記振動板集積基体の主面に対して斜角を有して傾いている第2振動板
とを備えることを特徴とする振動板集積基体。 A diaphragm integrated base for an acoustoelectric transducer that converts displacement of a diaphragm that vibrates by sound pressure into an electrical signal via a diffraction image ,
A first diaphragm having a diffraction grating for forming the diffraction image, the principal surface of which is parallel to the principal surface of the diaphragm integrated base;
A diffraction grating for forming the diffraction image, and the main surface is sensitive to the main surface of the diaphragm integrated substrate so as to be sensitive to sound waves oblique to the main surface of the diaphragm integrated substrate. diaphragm integrated substrate, characterized in that it comprises a second diaphragm which is inclined with a bevel.
前記アンカーにそれぞれ接続され、前記アンカーが音圧により振動しないように固定するリッジ状の固定梁と、
前記アンカーに一端を接続した複数の弾性梁
とを更に備え、前記第1及び第2振動板は、それぞれ前記複数の弾性梁を介して前記アンカーに接続されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の振動板集積基体。 A rectangular frame-shaped anchor surrounding the periphery of the first diaphragm;
A ridge-shaped fixed beam connected to each of the anchors and fixing the anchors so as not to vibrate due to sound pressure,
Further comprising a plurality of elastic beams having one end connected to the said anchor, said first and second diaphragm, claim 1, characterized in that connected to each of the anchor through a plurality of elastic beams Or the diaphragm integration | stacking base | substrate of 2.
前記第2振動板は、一端を前記弾性梁の他端に接続し、他端を前記固定枠の一部に付着していることを特徴とする請求項3に記載の振動板集積基体。 It further comprises a rectangular frame-shaped fixing frame for fixing the fixing beam,
The diaphragm integrated base according to claim 3 , wherein the second diaphragm has one end connected to the other end of the elastic beam and the other end attached to a part of the fixed frame.
前記回折格子のそれぞれに光を照射する複数の光源と、
前記回折格子で回折した光がなす回折像をそれぞれ検知し電気信号に変換する複数の光検出器
とを備え、前記複数の振動板は、前記複数の振動板を集積化する振動板集積基体の主面と平行な主面を有する第1振動板と、前記振動板集積基体の主面に対して斜め方向の音波に対して感度を有するように、主面が前記振動板集積基体の主面に対して斜角を有して傾いている第2振動板とを含み、前記複数の振動板の変位を前記回折像を介してそれぞれ電気信号に変換することを特徴とする音響電気変換素子。 A plurality of diaphragms each having a diffraction grating, vibrated by sound pressure, and having different principal plane directions;
A plurality of light sources for irradiating each of the diffraction gratings,
A plurality of photodetectors that respectively detect diffraction images formed by the light diffracted by the diffraction grating and convert them into electrical signals, and the plurality of diaphragms are vibration plate integrated bases that integrate the plurality of diaphragms. The main surface of the diaphragm integrated substrate has a first surface having a main surface parallel to the main surface and a sensitivity to sound waves oblique to the main surface of the diaphragm integrated substrate. And a second diaphragm that is inclined at an oblique angle to each other , and the displacement of the plurality of diaphragms is converted into an electrical signal through the diffraction image, respectively.
前記アンカーにそれぞれ接続され、前記アンカーが音圧により振動しないように固定するリッジ状の固定梁と、 A ridge-shaped fixed beam connected to each of the anchors and fixing the anchors so as not to vibrate due to sound pressure,
前記アンカーに一端を接続した複数の弾性梁 A plurality of elastic beams having one end connected to the anchor
とを更に備え、前記第1及び第2振動板は、それぞれ前記複数の弾性梁を介して前記アンカーに接続されていることを特徴とする請求項5〜7のいずれか1項に記載の音響電気変換素子。 The sound according to any one of claims 5 to 7, wherein each of the first and second diaphragms is connected to the anchor via the plurality of elastic beams. Electrical conversion element.
前記回折格子のそれぞれに光を照射する複数の光源と、
前記回折格子で回折した光がなす回折像をそれぞれ検知し電気信号に変換する複数の光検出器と、
前記複数の光検出器が出力する時系列信号を周波数軸の信号に変換するフーリエ変換手段
とを備え、前記複数の振動板は、前記複数の振動板を集積化する振動板集積基体の主面と平行な主面を有する第1振動板と、前記振動板集積基体の主面に対して斜め方向の音波に対して感度を有するように、主面が前記振動板集積基体の主面に対して斜角を有して傾いている第2振動板とを含み、前記複数の振動板の変位を、前記回折像を介して対応する複数の音源毎のスペクトルに変換し、前記複数の音源を同定することを特徴とする音響電気変換システム。 A plurality of diaphragms each having a diffraction grating, vibrated by sound pressure, and having different principal plane directions;
A plurality of light sources for irradiating each of the diffraction gratings,
A plurality of photodetectors that respectively detect diffraction images formed by light diffracted by the diffraction grating and convert them into electrical signals;
Fourier transform means for converting time-series signals output from the plurality of photodetectors into frequency-axis signals, and the plurality of diaphragms are principal surfaces of a diaphragm-integrated substrate on which the plurality of diaphragms are integrated And a main surface with respect to the main surface of the diaphragm integrated substrate so as to be sensitive to sound waves oblique to the main surface of the diaphragm integrated substrate. A second diaphragm that is inclined at an oblique angle, and the displacement of the plurality of diaphragms is converted into a spectrum for each of a plurality of corresponding sound sources via the diffraction image, and the plurality of sound sources An acoustoelectric conversion system characterized by identifying.
前記アンカーにそれぞれ接続され、前記アンカーが音圧により振動しないように固定するリッジ状の固定梁と、 A ridge-shaped fixed beam connected to each of the anchors and fixing the anchors so as not to vibrate due to sound pressure,
前記アンカーに一端を接続した複数の弾性梁 A plurality of elastic beams having one end connected to the anchor
とを更に備え、前記第1及び第2振動板は、それぞれ前記複数の弾性梁を介して前記アンカーに接続されていることを特徴とする請求項9〜11のいずれか1項に記載の音響電気変換システム。 The sound according to any one of claims 9 to 11, wherein the first and second diaphragms are connected to the anchor via the plurality of elastic beams, respectively. Electrical conversion system.
前記第1及び第2振動板に、それぞれ回折格子を形成する工程と、
前記第1及び第2振動板の底部にそれぞれ空洞を形成する工程と、
前記第2振動板を接続する弾性梁を、前記第2振動板の自重で撓ませ、前記第2振動板の主面を前記基板の表面に対して斜めとなし、前記第2振動板の前記弾性梁で支持されない側の端部を前記基板の一部に付着させる工程
とを含むことを特徴とする振動板集積基体の製造方法。 A rectangular frame-shaped anchor on the surface of the substrate, a ridge-shaped fixed beam that is connected to each of the anchors and fixes the anchor, a rectangular frame-shaped fixing frame that fixes the fixed beam, and a plurality of one ends connected to the anchor An elastic beam, a first diaphragm disposed inside the anchor and supported by the anchor in a doubly-supported beam structure via the elastic beam, and disposed on the outside of the anchor and separated from the anchor via the elastic beam. Forming a second diaphragm supported by a cantilever structure;
Forming a diffraction grating on each of the first and second diaphragms;
Forming cavities in the bottoms of the first and second diaphragms, respectively;
The elastic beam connecting the second diaphragm is bent by the weight of the second diaphragm, the main surface of the second diaphragm is inclined with respect to the surface of the substrate, and the second diaphragm is And a step of attaching an end portion on the side not supported by the elastic beam to a part of the substrate.
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