JP4256367B2 - 振動波検出装置 - Google Patents

Description

この発明は、振動波検出装置に関し、特に、共振周波数が異なる複数の共振子を用いて、振動波の周波数帯域ごとの強度を電気的に検出する振動波検出装置に関する。

図８は従来の振動波検出装置の平面図である。この振動波検出装置は、特許第３３４８６８７号公報（特許文献１）に記載されたものである。図８において、センサ本体１は、半導体シリコン基板１０上に形成されていて、ダイヤフラム２と、横断ビーム３と、終止板４と、複数の共振ビーム５とを含む。ダイヤフラム２は入力音波を受けて振動するように薄い板状に形成されている。横断ビーム３はダイヤフラム２と終止板４との間を結合するように形成されており、ダイヤフラム２側の幅が広く、そこから終止板４側に向うに従って徐々に細くなり終止板４端で最も細くなっている。

複数の共振ビーム５は、それぞれ特定の周波数に共振するように長さが調整されており、横断ビーム３から両側に延びるように片持ち支持されている。この振動波検出装置は、同じ共振周波数を有する共振ビーム５，５を１対ずつ備えたフィッシュボーン構造になっている。終止板４はダイヤフラム２から横断ビーム３を介して伝達してきた入力音波による振動がダイヤフラム２側に戻らないように吸収するために設けられている。なお、ダイヤフラム２と、横断ビーム３と、終止板４と、複数の共振ビーム５の下部は空間になっており、複数の共振ビーム５の周囲は開口されている。

入力音波による振動によりダイヤフラム２が垂直に振動し、その振動が横断ビーム３を水平方向に伝達し、複数の共振ビーム５のうち対応する振動子が垂直に振動する。共振ビーム５の長さまたは厚さを変えることにより、それぞれの共振周波数を所望の値に設定することができる。各共振ビーム５には、横断ビーム３側に図示しないピエゾ抵抗が配置されており、ピエゾ抵抗の抵抗値の変化を例えばホィートストンブリッジの出力として取り出すことができる。
特許第３３４８６８７号公報

図８に示した振動波検出装置において、共振ビーム５の周囲は一方側から他方側にかけて開口されており、ダイヤフラム２の下部は空間になっていて、ダイヤフラム２の表面と裏面とが空間的に分離されていない。このため、入力音波はダイヤフラム２の一方面に伝達されるのみならず他方面にも回り込む。この結果、ダイヤフラム２の一方面に加わる音圧と他方面に加わる音圧との差圧がとりにくくなるので入力効率が悪く、感度が低くなるという問題がある。特に、低周波音は波長が長く回折しやすいため、より感度が低くなってしまう。

そこで、この発明の目的は、入力効率を向上させて、感度を上げることができる振動波検出装置を提供することである。

この発明は、音波に応じて振動する板状の振動板と、振動板に結合され、それぞれが異なる特定の周波数に共振する複数の共振子と、振動板の一方面と他方面とを音響的に分離するための音響遮断部を備える。

音響遮断部により振動板の一方面に入力される音波が他方面に回り込むのを阻止することができる。

好ましくは、音響遮断部は、少なくとも振動板の他方面に接する空間を一方面に接する空間から遮断する遮断壁を含む。

一実施形態では、音響遮断部は、振動板と共振子の他方面に密閉された空室を形成する支持部材と、複数の共振子の一方面を覆うキャップとを含む。支持部材とキャップとにより、振動板の一方面と他方面とを音響的に分離できる。

キャップは、振動板と複数の共振子との境界部分に対向し、所定の空隙を有して音波の通過を阻止する音響遮断空隙部を含む。音響遮断部を設けることで振動板や複数の共振子の振動を阻害することがない。

また、キャップは、音波を振動板に入力するために開口された開口部を含む。開口部から音波を効率的に入力できる。キャップは、複数の共振子を覆い、内部に共振用キャビティが形成された封止部を含む。共振用キャビティを設けることで複数の共振子の振動を阻害することがない。

他の実施形態では、音響遮断部は、振動板の一方面から遮断された空室を他方面側に形成し、振動板と複数の共振子との境界部分に対向し、所定の空隙を有して音波の通過を阻止する音響遮断空隙部が形成された壁を含む。

この発明の他の局面は、音波に応じて振動する板状の振動板と、振動板に結合され、それぞれが異なる特定の周波数に共振する複数の共振子と、記振動板と複数の共振子とを覆い、振動板の一方面に、所定の空隙を介して対向して設けられる薄膜部を有する音響遮断部を備える。

この発明によれば、振動板と、振動板に結合され、それぞれが異なる特定の周波数に共振する複数の共振子とを含む振動波検出装置において、振動板の一方面と他方面とを音響遮断部で音響的に分離し、振動板の一方面に入力された音波が他方面に回り込むのを阻止するようにしたので、振動板の一方面に加わる音圧と、他方面に加わる音圧との差圧を大きくすることができ、振動波検出装置の入力効率を向上させて、感度を上げることができる。

図１はこの発明の一実施形態の振動波検出装置にキャップを被せた状態を示す外観斜視図であり、図２は図１に示した振動波検出装置をセラミックパッケージに収納した状態を示す断面図である。

図１および図２において、センサ本体１は図８に示したものとほぼ同様に構成されており、ダイヤフラム２と、図示しない横断ビームと、終止板４と、複数の共振ビーム５とを含む。センサ本体１は周辺支持部１１上に配置されており、センサ本体１上にはキャップ１２が被せられている。センサ本体１と周辺支持部１１とキャップ１２は、図２に示すようにセラミックパッケージ２１内に収納される。

周辺支持部１１は、例えばシリコンまたはガラスなどにより、センサ本体１の下面の周囲を囲むように矩形形状に形成されており、内部に空室としての背室６を有している。背室６はダイヤフラム２および複数の共振ビーム５が垂直方向に振動するので、その振動を阻害することがないように空間を確保している。

キャップ１２は、周辺支持部１１とセラミックパッケージ２１の底部とともに、センサ本体のダイヤフラム２の一方面（上面）と他方面（下面）とを音響的に分離する遮断壁を構成している。このようにダイヤフラム２の一方面と他方面とを音響的に分離することで、入力波がダイヤフラム２の一方面にのみ伝達され、他方面に回りこむのを阻止して、一方面に加わる音圧と他方面に加わる音圧との差圧を大きくできる。これにより、振動波検出装置の入力効率を向上させて、感度を上げることができる。

振動波検出装置のキャップ１２は、例えばシリコンまたはガラスなどで矩形形状に形成されており、開口部１３と封止部１６とを有している。開口部１３は、センサ本体１のダイヤフラム２が音波を集音し易くするために、開口側が広く、センサ本体１側が狭くなるように壁面１４がテーパ状に形成されている。

開口部１３の壁面１４は、ダイヤフラム２の周囲を囲んでおり、そのうちの中央の下面は音響遮断空隙部１５を形成している。音響遮断空隙部１５は、ダイヤフラム２と共振ビーム５との境界部分に対向して形成されており、音波を通さない、例えば十数μｍ程度の狭い空隙である。音響遮断空隙部１５を形成したのは、中央の壁面の下面を直接ダイヤフラム２や共振ビーム５に密接させてしまうと、ダイヤフラム２や共振ビーム５の振動を阻害することになるからである。

封止部１６は複数の共振ビーム５の周囲の開口を封止するために形成されている。図２に示すように、封止部１６には、共振ビーム５に対向して、例えば高さが５０〜１００μｍほどにくり抜かれた共振用キャビティ１７が形成されている。共振用キャビティ１７は、複数の共振ビーム５が共振したときにキャップ１２に触れることがないように空間を確保している。

また、共振用キャビティ１７により、複数の共振ビーム５に直接音波が入力することがないので、共振ビーム５の感度が低下することもない。周辺支持部１１およびキャップ１２はそれぞれの周囲がシリコン基板の下面と上面とに接着剤３１，３２で接着されている。

セラミックパッケージ２１は、底部２２と、側壁２３と、天板２４とを含み、天板２４には開口部２５が形成されている。開口部２５はキャップ１２の開口部１３を介してダイヤフラム２に音波が入力するように形成されている。図２ではキャップ１２の開口部１３に対応してセラミックパッケージ２１の開口部２５が形成されているが、これに限ることなく、キャップ２１の共振用キャビティ１７の上方の天板２４の対応する位置に形成してもよい。

上述のごとく、この実施形態によれば、セラミックパッケージ２１の開口部２５からキャップ１２の開口部１３を介して入力された音波がダイヤフラム２の一方面にのみ入力される。ダイヤフラム２の他方面は、セラミックパッケージ２１の底部２２と周辺支持部１１とキャップ１２で囲まれており、ダイヤフラム２の一方面と音響的に分離されているため、入力された音波がダイヤフラム２の他方面側に回り込むことがない。これにより、差圧を大きくすることができ、感度を上げることができる。

なお、センサ本体１にキャップ１２を被せても、ダイヤフラム２の上部には開口部１３が形成されているため、ダイヤフラム２の振動を阻害することはない。また、封止部１６の内部には共振用キャビティ１７が形成されているので、複数の共振ビーム５の振動が阻害されることもない。

図３はこの発明の他の実施形態における振動波検出装置の断面図である。図２に示した実施形態では、センサ本体１上に音響遮断部の一部を構成するキャップ１２を配置したのに対して、この実施形態ではキャップ１２を設けることなく、センサ本体１の下部の背室６を区切る壁部２６を配置したものである。すなわち、セラミックパッケージ２１の底部２２に周辺支持部１１を配置し、背室６のダイヤフラム２の下面の空間と、共振ビーム５の下面の空間を仕切るために、壁部２６が形成される。壁部２６の上面とダイヤフラム２の下面との間には、図２に示した音響遮断空隙部１５と同様の音響遮断空隙部２７が形成されている。

セラミックパッケージ２１の開口部２５から入力された入力音波によりダイヤフラム２の一方面には入力音波の音圧が加わるが、他方面側の空間は周辺支持部１１と壁部２６と底部２２とにより一方面側の空間と遮断されている。このため、入力音波が回り込むことがないので、ダイヤフラム２の他方面に音圧が加わらない。その結果、差圧を大きくすることができる。

図４はこの発明のさらに他の実施形態の振動波検出装置を示す図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の線ＩＶＢ−ＩＶＢに沿う断面図であり、（Ｃ）はセンサ本体の平面図である。

図４において、半導体基板１０ａをエッチングしてダイヤフラム２ａと、横断ビーム３ａと、複数の共振ビーム５ａと、終止板４ａとが一体的に形成される。半導体基板１０ａの下部には、背室６を囲む周辺支持部１１が形成されている。また、半導体基板１０ａ上には複数の電極パッド７が形成されている。各電極パッド７には、複数の共振ビームに対応して設けられているピエゾ抵抗素子が電気的に接続される。

図４（Ｃ）に示す複数の共振ビーム５ａの周囲は一方側から他方側にかけて開口されており、ダイヤフラム２ａの一方面と他方面に接する背室６は遮断されていない。このため、ダイヤフラム２ａに伝わる音波が背室６側に回りこむのでダイヤフラム２ａの他方面に音圧が加わってしまう。

そこで、図４（Ａ），（Ｂ）に示すキャップ１２が半導体基板１０ａ上に配置される。キャップ１２は、図１および図２に示したキャップ１２と同じものが用いられ、封止部１６を含み、テーパ状の壁面１４を有する開口部１３と、音響遮断空隙部１５と、共振用キャビティ１７とが形成されている。キャップ１２は接着剤３１により半導体基板１０ａ上に固定される。このようにキャップ１２が被せられた半導体基板１０ａは、図１に示したセラミックパッケージ２１内に収納されるか、あるいは背室６の開口部が図示しない底板により封止される。

この実施形態によれば、キャップ１２により半導体基板１０ａの複数の共振ビーム５の周りの開口部を塞ぎ、背室６の開口側も封止されているので、キャップ１２の開口部１３を介して、ダイヤフラム２ａの一方面に音波が入力されても背室６側に音波が回り込むことがない。その結果、差圧を大きくすることができるので、振動波検出装置の感度を良好にすることができる。

図５は、この発明のさらに他の実施形態の振動波検出装置を示す図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の線ＶＢ−ＶＢに沿う断面図であり、（Ｃ）はセンサ本体の平面図である。

図５（Ｂ），（Ｃ）に示すセンサ本体１０ａは、図４（Ｂ），（Ｃ）に示したものと同じ物が用いられるが、キャップ４１は図４（Ａ），（Ｂ）に示したものと異なっている。すなわち図４（Ａ）に示したキャップ１２には開口部１３が形成されていたが、この実施形態におけるキャップ４１は、開口部１３を有せず、複数の共振ビーム５の周囲の開口を塞ぐために封止部４５のみを有している。

キャップ４１の封止部４５には、複数の共振ビーム５ａに対応する部分に共振用キャビティ４３が形成されている。キャップ４１は、ダイヤフラム２ａと共振ビーム５ａとの境目付近上部に位置する壁部４４を有しており、この壁部４４の下面とダイヤフラム２ａとの間に音響遮断空隙部４２が形成されている。このようにキャップ４１が被せられた半導体基板１０ａは、図１に示したセラミックパッケージ２１内に収納されるか、あるいは背室６の開口部が図示しない底板により封止される。キャップ４１の壁部４４に対向する壁部４５は下面と半導体基板１０ａとの間が接着剤３１により固定される。

この実施形態においては、キャップ４１に開口部が形成されていないので入力された音波は、直接ダイヤフラム２ａの一方面に入力される。そして、ダイヤフラム２ａの一方面に音波が入力されても、キャップ４１により半導体基板１０ａの複数の共振ビーム５の周りの開口部を塞ぎ、背室６の開口側も封止しているので、背室６側に音波が回り込むことがない。その結果、差圧を大きくすることができるので、振動波検出装置の感度を良好にすることができる。

図６は、この発明のさらに他の実施形態の振動波検出装置を示す図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の線ＶＩＢ−ＶＩＢに沿う断面図であり、（Ｃ）はセンサ本体の平面図である。

この図６に示した実施形態は、キャップ１２ａの開口部１３のダイヤフラム２ａ側の開口部に、薄膜部１８を形成したものである。薄膜部１８とダイヤフラム２ａとの間には、例えば１０μｍ以下の間隔で、カップリング空隙１９が形成されている。その他の構成は図４に示したものと同じである。

この実施形態では、キャップ１２ａの開口部１３に音波が入力されると、薄膜部１８が振動し、その振動がカップリング空隙１９を介してダイヤフラム２ａの一方面に伝達される。複数の共振ビーム５ａの周囲の開口部はキャップ１２ａの封止部１６で封止されているので、ダイヤフラム２ａの他方面には音波が伝達されることはない。このため、差圧を大きくすることができるので感度を良好にできる。

図７はこの発明の振動波検出装置で検出された周波数成分の信号を取り出す回路を示す回路図である。なお、図７では共振ビーム５は簡略化のために横断ビームから両側に４本の共振ビーム５が片持ち支持されているものとして示している。

各共振ビーム５の横断ビーム側の歪発生部分には、ポリシリコンからなるピエゾ抵抗Ｒが形成されている。これらのピエゾ抵抗Ｒを並列接続した並列回路が２組設けられている。それぞれの並列回路の一端は電圧Ｖ０の直流電源５１と、電圧−Ｖ０の直流電源５２に接続され、それぞれの他端は演算増幅器５３，５４の−入力端に接続されている。演算増幅器５３，５４の＋入力端は接地されている。演算増幅器５３，５４の−入力端と出力端との間には帰還抵抗Ｒｆが接続されている。

図７に示した回路では、直流電源５１により一方側の共振ビーム５にバイアス電圧Ｖ０が印加されており、直流電源５２により他方側の共振ビーム５にバイアス電圧−Ｖ０が印加されている。特定の共振ビーム５が共振すると、その歪によって対応するピエゾ抵抗Ｒの抵抗値が変化し、それらの変化の和が加算され、演算増幅器５３，５４により両並列回路の出力信号を加算することで２倍の出力を得ることができる。

なお、上述の実施形態では、共振ビーム５ａを横断ビーム３ａが延びる方向に沿って両側に片持ち支持するものについて、この発明を適用した場合について説明したが、横断ビーム３ａの一方側にのみ共振ビーム５ａを片持ち支持する振動波検出装置にこの発明を適用してもよい。

以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示された実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

この発明の振動波検出装置は、音波の周波数を検出する周波数検出装置に利用できる。

この発明の一実施形態の振動波検出装置にキャップを被せた状態を示す外観斜視図である。 図１に示した振動波検出装置をセラミックパッケージに収納した状態を示す断面図である。 この発明の他の実施形態における振動波検出装置の断面図である。 この発明のさらに他の実施形態の振動波検出装置を示す図である。 この発明のさらに他の実施形態の振動波検出装置を示す図である。 この発明のさらに他の実施形態の振動波検出装置を示す図である。 この発明の振動波検出装置で検出された周波数成分の信号を取り出す回路を示す回路図である。 従来の振動波検出装置の平面図である。

符号の説明

１ センサ本体、２，２ａ ダイヤフラム、３ａ 横断ビーム、４，４ａ 終止板、５，５ａ 共振ビーム、６ 背室、７電極パッド、１０，１０ａ 半導体基板、１１ 周辺支持部、１２，１２ａ，４１ キャップ、１３，２５ 開口部、１４ 壁面、１５，２７，４２ 音響遮断空隙部、１６ 封止部、１７，４３ 共振用キャビティ、１８ 薄膜部、１９ カップリング空隙、２１ セラミックパッケージ、２２ 底部、２３ 側壁、２４ 上板、３１，３２ 接着剤、２６，４４，４５ 壁部、５１，５２ 直流電源、５３，５４ 演算増幅器、Ｒ ピエゾ抵抗、Ｒｆ 帰還抵抗。

Claims (4)

1. 外部の対象とする音波に応じて振動する板状の振動板と、前記振動板に結合され、それぞれが異なる特定の周波数に共振する複数の共振子とを含むセンサ本体と、
   前記センサ本体の一方面側に位置して前記センサ本体を支持し、前記センサ本体の振動板の他方面側と音響的に遮断され、前記センサ本体の一方面側に面する空室を有する支持部材と、
   前記センサ本体の他方面側に位置して積層され、前記センサ本体の複数の共振子の一方面と他方面とを音響的に分離し、前記センサ本体の振動板を露出させた状態で前記複数の共振子を覆う封止部と、前記封止部と前記複数の共振子との間に位置し、前記空室に連通する共振用キャビティと、前記振動板と前記複数の共振子との境界部分に対向して前記音波の通過を阻止する音響遮断空隙部とを含むキャップとを備える、振動波検出装置。
2. 前記キャップは、前記音波を前記振動板に入力するために開口された開口部を含む、請求項１に記載の振動波検出装置。
3. 前記キャップは、さらに前記振動板を覆い、前記振動板の一方面に、所定の空隙を介して対向して設けられる薄膜部を有する、請求項１または２に記載の振動検出装置。
4. 外部の対象とする音波に応じて振動する板状の振動板と、前記振動板に結合され、それぞれが異なる特定の周波数に共振する複数の共振子とを含むセンサ本体と、
   前記センサ本体が積層され、前記センサ本体の一方面側を支持する支持部材と、
   その先端部が所定の空隙を有して前記一方面側における前記振動板と前記複数の共振子との境界部分に対向して前記音波の通過を阻止する音響遮断空隙部を含み、前記支持部材とともに前記振動板の一方面側に空室を形成する壁とを備える、振動波検出装置。

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