(57)【要約】【課題】複雑な回路を必要としないで可聴帯域音を効率良く検知又は発生する音響変換器を提供する。【解決手段】集積回路基板２上に形成されたマイクロ共振器部４を用いて、集積回路基板２の集積回路から入力する外部信号を可聴帯域音として発生する一方、空気振動を前記可聴帯域音の信号に変換する音響変換器１において、マイクロ共振器部４は、中央に開口部を有する基板５と、開口部５ａ内にあって互いに対向する基板５の上下内壁５ｂ、５ｃ間に固定されると共に、上下内壁５ｂ、５ｃ間で前記外部信号又は前記空気振動に基づいて固有振動するように２分割され、かつ上下内壁５ｂ、５ｃ間に直交する方向に向かって所定の間隔を有して形成されたマイクロ共振器バー６と、マイクロ共振器バー６の表面に形成され、マイクロ共振器バー６を可聴帯域音で振動させる圧電素子１３と、からなる。【選択図】　　　図１
2004080468.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
集積回路基板上に形成されたマイクロ共振器部を用いて、前記集積回路基板の集積回路から入力する外部信号を可聴帯域音として発生する一方、空気振動を前記可聴帯域音の信号に変換する音響変換器において、
前記マイクロ共振器部は、
中央に開口部を有する基板と、
前記開口部内にあって互いに対向する前記基板の上下内壁に固定されると共に、前記上下内壁間で前記外部信号又は前記空気振動に基づいて、固有振動するように２分割され、かつ前記上下内壁間に直交する方向に向かって所定の間隔を有して形成された複数の短冊状のマイクロ共振器バーと、
前記複数の短冊状のマイクロ共振器バーの表面に形成され、前記マイクロ共振器バーを可聴帯域音で振動させる圧電素子と、
からなることを特徴とする音響変換器。
【請求項２】
集積回路基板上に形成されたマイクロ共振器部を用いて、前記集積回路基板の集積回路から入力する信号を可聴帯域音として発生する一方、空気振動を前記可聴帯域音の信号に変換する音響変換器において、
前記マイクロ共振器部は、
中央に開口部を有する基板と、
前記開口部内にあって互いに対向する前記基板の上下内壁に固定されると共に、前記上下内壁間で前記外部信号又は前記空気振動に基づいて、固有振動するように２分割され、かつ前記上下内壁間に直交する方向に向かって所定の間隔を有して形成された複数の短冊状のマイクロ共振器バーと、
前記集積回路基板側に対向する前記複数の短冊状のマイクロ共振器バーに形成された第１電極と、
前記集積回路基板上に前記第１電極と対向して形成された第２電極と、
からなり、
前記第１及び前記第２電極間に発生する静電容量の変化により、可聴帯域音を発生することを特徴とする音響変換器。
【請求項３】
前記複数の短冊状のマイクロ共振器バーは、その長さが前記上下内壁に直交する方向に向かって可聴帯域音で振動するように順次変化していることを特徴とする請求項１又は２記載の音響変換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スピーカやヘッドホンなどのように電気信号を音響に変換する電気音響変換器、およびマイクロホンなどのように音響を電気信号に変換する音響電気変換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、音響を検知するマイクロフォンやスピーカーは、様々なデザインの変換器が存在する。その原理としては、永久磁石による磁界とコイルによる電磁誘導によって、振動板又はコーン紙から伝わる空気振動を電気振動に又は電気振動を空気振動に変換するものである。
変換する周波数としては、可聴帯域における２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚのアナログ信号である。
【０００３】
マイクロフォンやスピーカーに望まれる特性としては、可聴帯域内において一様な周波数特性や広い周波数帯域を有している。振動板又はコーン紙の振動特性は、使用する可聴帯域で互いに共振振動することは望ましくない。このため、互いに共振振動をしないようにして、マイクロフォンやスピーカーを振動させるために、その検出感度若しくは音響変換率は小さかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、マイクロフォンやスピーカに入力する電気信号を可聴帯域音として高効率に取り出すためには、アンプ、フィルター回路を介して抽出若しくは周波数分析（ＦＦＴ）器による演算を行うための複雑な回路が必要であった。
【０００５】
そこで、本発明は上記問題に鑑みて成されたものであり、複雑な回路を必要としないで可聴帯域音を効率良く検知又は発生する音響変換器を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる第１の発明は、集積回路基板上に形成されたマイクロ共振器部を用いて、前記集積回路基板の集積回路から入力する外部信号を可聴帯域音として発生する一方、空気振動を前記可聴帯域音の信号に変換する音響変換器において、前記マイクロ共振器部は、中央に開口部を有する基板と、前記開口部内にあって互いに対向する前記基板の上下内壁に固定されると共に、前記上下内壁間で前記外部信号又は前記空気振動に基づいて、固有振動するように２分割され、かつ前記上下内壁間に直交する方向に向かって所定の間隔を有して形成された複数の短冊状のマイクロ共振器バーと、前記複数の短冊状のマイクロ共振器バーの表面に形成され、前記マイクロ共振器バーを可聴帯域音で振動させる圧電素子と、からなることを特徴とする音響変換器を提供する。
第２の発明は、集積回路基板上に形成されたマイクロ共振器部を用いて、前記集積回路基板の集積回路から入力する信号を可聴帯域音として発生する一方、空気振動を前記可聴帯域音の信号に変換する音響変換器において、前記マイクロ共振器部は、中央に開口部を有する基板と、前記開口部内にあって互いに対向する前記基板の上下内壁に固定されると共に、前記上下内壁間で前記外部信号又は前記空気振動に基づいて、固有振動するように２分割され、かつ前記上下内壁間に直交する方向に向かって所定の間隔を有して形成された複数の短冊状のマイクロ共振器バーと、前記集積回路基板側に対向する前記複数の短冊状のマイクロ共振器バーに形成された第１電極と、前記集積回路基板上に前記第１電極と対向して形成された第２電極と、からなり、前記第１及び前記第２電極間に発生する静電容量の変化により、可聴帯域音を発生することを特徴とする音響変換器を提供する。
第３の発明は、前記複数の短冊状のマイクロ共振器バーは、その長さが前記上下内壁に直交する方向に向かって可聴帯域音で振動するように順次変化していることを特徴とする請求項１又は２記載の音響変換器を提供する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の各実施形態の音響変換器について図１乃至図３を用いて説明する。
図１は、本発明の第１実施形態における音響変換器を示し、（Ａ）はその斜視図、（Ｂ）は（Ａ）のＭＭ断面図である。
図２は、音響変換器が発生する振動数を示す図である。
図３は、本発明の第２実施形態における音響変換器を示す断面図である。
【０００８】
図１に示すように、本発明の第１実施形態の音響変換器１は、信号処理のための図示しない集積回路及び両端面に所定の間隔を有して配置され、かつ前記図示しない集積回路に接続された複数の接続パッド３を有する集積回路基板２と、この集積回路基板２の中央上部に載置され、前記図示しない集積回路に接続されたマイクロ共振器部４と、からなる。
【０００９】
図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、マイクロ共振器部４は、中央に矩形状の開口部５ａを有する基板５と、この開口部５ａ内にあって、互いに対向する基板５の内壁上端部５ｂと内壁下端部５ｃとの間に形成され、かつ内壁左端部５ｄから内壁右端部５ｅに向かって、所定の間隔を有して形成された基板５の厚さよりも大幅に薄い複数の短冊状のマイクロ共振器バー６と、からなる。
基板５上には、厚さ２００μｍ〜１ｍｍのＳｉからなる下部シリコン層７と、厚さ０．１μｍ〜１００μｍの上部シリコン層９と、これらのシリコン層の間で挟まれた厚さ１μｍ〜１０μｍのＳｉＯ２層８とからなるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒｓ）構造が形成されている。なお、基板５としては、ガラス、石英、ポリミイド樹脂、単結晶シリコン、ポリシリコン、であっても良い。
【００１０】
図１（Ｂ）に示すように、マイクロ共振器バー６は、薄くなった基板５の上部シリコン層９が除去されて露出したＳｉＯ２層８からなる。そして、ＳｉＯ２層８上には、ＺｎＯやＰＺＴ等からなる圧電膜１１を下部電極１０と上部電極１２とで挟んだ構成の圧電素子１３が形成されている。
なお、このマイクロ共振器バー６は、基板５の上部シリコン層９をＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムオキシド）水溶液、又は、ＫＯＨ（水酸化カリウム）水溶液によりエッチング除去すると共に、薄くすることによって作製される。
【００１１】
また、圧電素子１３は、スパッタ法により、基板５及びマイクロ共振器バー６上に下部金属膜、ＺｎＯ又はＰＺＴ、上部金属膜を順次形成した後、フォトリソグラフィ法及びエッチング法により、下部電極１０と上部電極１２との間に挟まれた圧電膜１１を形成して得られる。
この圧電素子１３は、上下部電極１０、１２間に電圧を印加して、圧電膜１１を上下に伸縮させることによって、所定の振動数で振動させるものであり、逆に、外部からの刺激により圧電膜１１が上下に振動すると、上下部電極１０、１２に電圧が生じるので、この電圧をアナログ信号処理して外部振動を検知するものである。
【００１２】
更に、マイクロ共振器バー６は、基板５の内壁上端部５ｂと内壁下端部５ｃの間の所定位置で分離されて、基板５の内壁上端部５ｂに固定された第１の長さを有する第１マイクロ共振器バー６１と、内壁下端部５ｃに固定された第２の長さを有する第２マイクロ共振器バー６２とからなり、それぞれのマイクロ共振器バー６１、６２がそれぞれ特定の固有振動数で振動するように形成されている。
【００１３】
基板５の内壁左端部５ｄから内壁右端部５ｅに向かって、第１及び第２マイクロ共振器部６１、６２の長さを規則的に変化させた際には、図２に示すように、第１及び第２マイクロ共振器部６１、６２は、それぞれの長さに応じた固有振動数で振動する。図２中では、第１マイクロ共振器バー６１又は第２マイクロ共振器バー６２の長さを９段階に亘って規則的に変化させた時の固有振動数を示し、横軸は振動数、縦軸は利得を示している。
前記した固有振動数は、ＦＥＭ（有限要素法）による構造解析ツールにより求めることができ、例えば、ＡＮＡＳＹＳ社のＡＮＳＹＳ　Ｍｕｌｔｉ　Ｐｈｙｓｉｃｓを用いて振動解析を行い、その解析結果に照らして第１及び第２マイクロ共振器バー６１、６２の長さを決定して求めることができる。なお、言うまでもないが、第１及び第２マイクロ共振器バー６１、６２の長さは、２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚの可聴帯域音となるように決定する。
【００１４】
次に、この動作について説明する。
まず、音響変換器１の接続パッド３から外部信号を入力して、第１又は第２マイクロ共振器バー６１、６２を可聴帯域音として振動させる場合について説明する。
接続パッド３から所定の外部信号を入力し、集積回路基板２に形成された図示しない集積回路により信号処理を行い、圧電素子１３の圧電膜１０を上下電極１０、１２方向に可聴帯域音として発生させる。
この際、第１及び第２マイクロ共振器バー６１、６２は、特定の固有振動数で振動するように構成されているので、外部信号に対応した可聴帯域音として発生させることができる。
【００１５】
次に、圧電素子１３で検知した可聴帯域音の振動を信号処理する場合について説明する。
圧電素子１３の圧電膜１０で検知した振動を集積回路基板２の図示しない集積回路により信号処理を行って、可聴帯域音として接続パッド３から外部に取り出す。
この際も、第１及び第２マイクロ共振器バー６１、６２は、外部振動に対応した検知信号を出力するように構成されているので、外部振動に対応した可聴帯域音として検知させることができる。
【００１６】
以上のように、本発明の第１実施形態によれば、マイクロ共振器部４が、中央に開口部５ａを有する基板５と、開口部５ａ内にあって互いに対向する基板５の上下内壁間５ｂ、５ｃで各部が外部信号又は空気振動に基づいて固有振動するように２分割して形成され、かつ上下内壁間５ｂ、５ｃに直交する方向に向かって所定の間隔を有して形成された複数の短冊状のマイクロ共振器バー６と、複数の短冊状のマイクロ共振器バー６の表面に形成され、マイクロ共振器バー６を可聴帯域音で振動させる圧電素子１３と、からなるので、複雑な回路を必要としないで可聴帯域音を効率良く検知又は発生することができる。
【００１７】
次に、本発明の第２実施形態について図３を用いて説明する。
本発明の第１実施形態と同一構成には同一符号を付し、その説明を省略する。図５に示すように、本発明の第２実施形態の音響変換器１４は、第１実施形態のマイクロ共振器バー６に圧電素子１３を形成する代わりに、マイクロ共振器バー６の表面に形成されているＳｉＯ２層８を裏面に形成し、かつこのＳｉＯ２層８上に上部電極１２を形成し、上部電極１２と対をなすように集積回路基板２上に下部電極１０を形成したことが異なり、それ以外は同様である。
【００１８】
即ち、第１及び第２マイクロ共振器バー６１、６２に形成されている第１及び第２上部電極１２１、１２２は、それぞれ第１及び第２下部電極１０１、１０２と対になっている。
本発明の第２実施形態では、第１実施形態では圧電膜１１が振動したが、この圧電膜１１の代りに上部電極１２が下部電極１０に対して相対的に振動させて、下上電極１０、１２間の空気を振動させることによって前記と同様に動作する。
【００１９】
以上のように、本発明の第２実施形態においても、第１実施形態の効果に加えて、圧電素子１３を用いる必要がないので、安価な音響変換器１４が得られる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、集積回路基板上に形成されたマイクロ共振器部を用いて、前記集積回路基板の集積回路から入力する外部信号を可聴帯域音として発生する一方、空気振動を前記可聴帯域音の信号に変換する音響変換器において、前記マイクロ共振器部は、中央に開口部を有する基板と、前記開口部内にあって互いに対向する前記基板の上下内壁に固定されると共に、前記上下内壁間で前記外部信号又は前記空気振動に基づいて、固有振動するように２分割され、かつ前記上下内壁間に直交する方向に向かって所定の間隔を有して形成された複数の短冊状のマイクロ共振器バーと、前記複数の短冊状のマイクロ共振器バーの表面に形成され、前記マイクロ共振器バーを可聴帯域音で振動させる圧電素子と、からなるので、複雑な回路を必要としないで可聴帯域音を効率良く検知又は発生することができる。
また、集積回路基板上に形成されたマイクロ共振器部を用いて、前記集積回路基板の集積回路から入力する信号を可聴帯域音として発生する一方、空気振動を前記可聴帯域音の信号に変換する音響変換器において、前記マイクロ共振器部は、
中央に開口部を有する基板と、前記開口部内にあって互いに対向する前記基板の上下内壁に固定されると共に、前記上下内壁間で前記外部信号又は前記空気振動に基づいて、固有振動するように２分割され、かつ前記上下内壁間に直交する方向に向かって所定の間隔を有して形成された複数の短冊状のマイクロ共振器バーと、前記集積回路基板側に対向する前記複数の短冊状のマイクロ共振器バーに形成された第１電極と、前記集積回路基板上に前記第１電極と対向して形成された第２電極と、からなるので、前記した効果に加えて、前記圧電素子を用いる必要がないので、安価な音響変換器が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における音響変換器を示し、（Ａ）はその斜視図、（Ｂ）は（Ａ）のＭＭ断面図である。
【図２】音響変換器が発生する振動数を示す図である。
【図３】本発明の第２実施形態における音響変換器を示す断面図である。
【符号の説明】
１、１４…音響変換器、２…集積回路基板、３…接続パッド、４…マイクロ共振器部、５…基板、５ａ…開口部、５ｂ…内壁上端部、５ｃ…内壁下端部、５ｄ…内壁左端部、５ｅ…内壁右端部、６…マイクロ共振器バー、７…下部シリコン層、８…ＳｉＯ２層、９…上部シリコン層、１０…下部電極、１１…圧電膜、１２…上部電極、１３…圧電素子、１０１…第１下部電極、１０２…第２下部電極、１２１…第１上部電極、１２２…第２上部電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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