JP2020522178A - マイクロメカニカル音響変換器 - Google Patents

Abstract

第１の態様によるマイクロメカニカル音響変換器は、自由端を有する第１の屈曲振動子と、自由端を有する第２の屈曲振動子とを含み、２つの屈曲振動子は相互平面に配置される。当該第１の屈曲振動子の自由端は、スリットを介して第２の屈曲振動子の自由端から分離されている。第２の屈曲振動子は、第１の屈曲振動子の垂直な振動と同位相で励起される。第２の態様によるマイクロメカニカル音響変換器は、垂直に振動するように励起される第１の屈曲振動子と、第１の屈曲振動子に垂直に延在するダイアフラム要素とを含み、当該ダイアフラム要素は、スリットを介して第１の屈曲振動子の自由端から分離されている。【選択図】図１ｂ

Description

本発明の実施形態は、少なくとも１つの屈曲アクチュエータ（一般的には屈曲振動子）および小型スリットを備えたマイクロメカニカル音響変換器、ならびにカスケード曲げ変換器を有する小型音響変換器に関する。追加の実施形態は、対応する製造方法に関する。

ＭＥＭＳは、略全ての分野で使用されているが、小型化された音響変換器は依然として精密工学を使用して製造されている。これらのいわゆる「マイクロスピーカー」は、永久磁場内を移動する可動コイルによって膜が偏向される電気力学的駆動システムに基づいている。これらの従来の電気力学的音響変換器の重大な欠点は、効率が低いことと、その結果として多くの場合１ワット以上の電力消費が生じることである。さらに、このような音響変換器には位置センサーシステムが含まれていないため、膜の動きは規制されておらず、音圧レベルが高くなると大きな歪みが発生する。さらに不利な点は、大きなシリーズ偏差と、多くの場合３ｍｍを超える大きな高さ寸法である。

超高精度の製造方法とエネルギー効率の高い駆動原理により、ＭＥＭＳは、これらの欠点を克服し、新世代の音響変換器を実現する可能性を秘めている。但し、ＭＥＭＳ音響変換器の音圧レベルが低すぎることは依然として根本的な問題である。これの主な理由は、可能な限り小さい寸法で十分に大きなストロークの動きを生成することが難しいことである。さらに複雑な要因は、音響的な短絡を防ぐために、バネの剛性が増すので、全体の撓みにマイナスの影響を与える膜が必要である。後者は、非常に柔らかい三次元形状の膜を使用することで最小限に抑えることができる（トーラスを使用するなど）。但し、現在は、ＭＥＭＳ技術を使用して製造されていない可能性があるため、複雑でコストのかかるハイブリッド方式でのみ統合できる。

米国特許出願公開第２０１３／１５６２５３号明細書 米国特許第７００３１２５号明細書 米国特許第８２８００７９号明細書 米国特許出願公開第２０１３／０２９４６３６号明細書 米国特許出願公開第２０１１／００５１９８５号明細書 米国特許第７０８９０６９号明細書 米国特許出願公開第２０１０／０３１６２４２号明細書

Houdouin et., Acoustic vs electric power response of a high-performance MEMS microspeaker, IEEE SENSORS 2014 Yi et al., Performance of packaged piezoelectric microspeakers depending on the material properties, Proc. MEMS 2009, 765-768 Dejaeger et al., Development and Characterization of a Piezoelectrically Actuated MEMS Digital Loundspeaker, Procedia Engineerring 47 (2012) 184-187 Glacer et al., Reversible acoustical transducers in MEMS technology, Proc.DTIP 2013,

刊行物および特許明細書は、さまざまな実装のＭＥＥＭＳ音響変換器に関するものであり、とりわけ上記の問題のために、市場に出せる製品にはなりませんでした。これらの概念は、振動に設定され、音を生成する閉じた膜に基づいている。例えば、［Ｈｏｕ１３。米国特許出願公開第２０１３／１５６２５３号明細書］は、ポリイミド膜と永久磁石リングのハイブリッド統合を必要とする電気力学的ＭＥＭＳ音響変換器について説明している。
［Ｙｉ０９、Ｄｅｊ１２、米国特許第７００３１２５号明細書、米国特許第８２８００７９号明細書、米国特許出願公開第２０１３／０２９４６３６号明細書］は、圧電ＭＥＭＳ音響変換器の概念を示している。ここでは、ＰＺＴ、ＡＩＮ、ＺｎＯなどの圧電材料がシリコンベースの音響変換器膜に直接適用されるが、弾性が低いために十分に大きなたわみを許容しません。［米国特許出願公開第２０１１／００５１９８５号明細書］は、膜または幾つかのアクチュエータを介してピストン状に面外に偏向される板状本体を有するさらなる圧電ＭＥＭＳ音響変換器を示している。［ＧＩａ１３、米国特許第７０８９０６９号明細書、米国特許出願公開第２０１０／０３１６２４２号明細書］は、静電駆動膜を有するアレイに基づいたデジタルＭＥＭＳ音響変換器を説明しているが、高周波数でのみ十分に高い音圧を生成することができる。したがって、改善されたアプローチが必要である。

本発明の目的は、音圧、周波数応答および製造努力の間のより良い妥協を提供するマイクロメカニカル音響変換器を提供することである。

この目的は、独立した特許請求項によって解決される。

本発明の実施形態は、第１の屈曲振動子または屈曲アクチュエータ、および第２の屈曲振動子または屈曲アクチュエータを備えたマイクロメカニカル音響変換器（例えば、基板に据え付けられる）を提供する。第１の屈曲アクチュエータは、自由端と、例えば、少なくとも１つまたは２つの自由側面とを備え、励起されるように構成される。例えば、音声信号により、垂直に振動し、音を発する（または受信する）。第２の屈曲アクチュエータはまた、自由端を備え、第１および第２の屈曲アクチュエータが相互平面内に位置する、または懸架されるように、第１の屈曲アクチュエータの反対側に配置される。さらに、配置は、２つの屈曲アクチュエータを分離するスリット（例えば、マイクロメートル範囲内）が、第１の屈曲アクチュエータと第２の屈曲アクチュエータとの間に形成されるように実施される。第２の屈曲アクチュエータは、常に、第１の屈曲アクチュエータと同位相で振動するように励起され、その結果、屈曲アクチュエータの撓み全体に亘ってスリットが本質的に一定のままになる。

本発明のこの態様の実施形態は、最小の（分離）スリットによって分離された幾つかの分離された屈曲振動子またはアクチュエータを使用することにより、面外の２つの振動子またはアクチュエータの同一の偏向を有するという発見に基づいている。２つのアクチュエータ間でスリットがほぼ常に（マイクロメートルの範囲で）小さいままであるため、スリットに常に高い粘度損失が存在し、その結果、リアボリュームとフロントボリューム（曲げアクチュエータの）間の音響的な短絡を防ぐことができる。ほとんどが閉じた膜に基づいている既存のＭＥＭＳシステムと比較して、本コンセプトは性能の大幅な向上を可能にする。主な理由は、アクチュエータの分離により、追加の機械的膜要素を変形させるためにエネルギーを使用する必要がないため、大幅に高い撓みと力が可能になるためである。さらに、非線形性は、非常に大きな運動振幅でのみ発生する。従来のシステムは複雑な形状の膜と磁石を必要とすることがありますが、これはこれまでＭＥＭＳ技術では実現できなかったものの、多大な労力をかけたハイブリッドな方法でしか統合できませんでしたが、
現在のコンセプトは、既知のシリコン技術の方法で実現できる。従来のシステムは複雑な形状の膜と磁石を必要とする場合がありますが、これはこれまでＭＥＭＳ技術では実現できなかったものである。ただし、多大な労力をかけたハイブリッドな方法でのみ統合できる。本コンセプトは、既知のシリコン技術の方法で実現できる。これは、製造プロセスとコストに関して大きな利点を提供する。概念と材料の理由から、振動質量は小さいため、並外れた広い周波数範囲を持ち、同時に大きな運動振幅を持つシステムを実現できる。

さらなる態様は、第１の屈曲振動子、または屈曲アクチュエータ（垂直方向に振動するように構成されている）、および、第１の屈曲振動子、または、屈曲アクチュエータに垂直に延在する（すなわち、基板のプレートから、したがって屈曲振動子の延長面からも外れる）ダイアフラム要素を備えたマイクロメカニカル音響変換器を提供する。ダイアフラム要素は、スリット（ギャップ）によって第１の屈曲アクチュエータの自由端から分離されている。

この側面の発見は、ダイアフラム要素により、（振動による）ダイアフラム要素とアクチュエータの自由端との間の距離が、振動子またはアクチュエータの移動範囲全体に亘って略一定に維持されることが達成され得る。これにより、上記と同じ効果が得られる。つまり、自由端（および場合によっては自由側でも）またはスリットでの高粘度損失により、音響短絡が防止される。その結果、特に音響変換器の効率、広帯域特性、および製造コストに関して、同じ利点が生じる。

一実施形態は、ダイアフラム要素を備えたそのようなアクチュエータの製造方法に関する。この方法には、次のステップが含まれる。第１の屈曲アクチュエータを形成するための層の構造化、および第１の屈曲アクチュエータの層を越えて伸びるように垂直なダイアフラム要素を製造または堆積する。垂直という用語は、垂直（基板面に垂直）または基板に対して、一般的に角度（角度範囲７５°〜１０５°）として理解されるべきである。

少なくとも２つの屈曲アクチュエータのバリエーションについては、一実施形態によれば、第１および第２の屈曲アクチュエータは同じタイプの屈曲アクチュエータであることに留意されたい。例えば、平面、長方形、台形、または一般的な多角形の屈曲アクチュエータがある。さらなる実施形態によれば、これらの屈曲アクチュエータはそれぞれ、三角形形状または円形セグメント形状を有してもよい。三角形または円形セグメントの形状は、３つ以上の屈曲アクチュエータを含むマイクロメカニカル音響変換器でよく使用される。したがって、さらなる実施形態によれば、マイクロメカニカル音響変換器は、１つまたは幾つかのさらなる屈曲アクチュエータ、マイクロアクチュエータ、例えば、３つまたは４つの屈曲アクチュエータを含む。

上記のように、屈曲アクチュエータを同時に、または同相で駆動するか、ダイアフラム要素を提供することにより、スリットが、（アイドル状態で）最初の屈曲アクチュエータの表面積の１０％未満、あるいは５％、２．５％、１％、０．１％、または０．０１％未満である小さいスリットを想定し、スリットは移動範囲全体にわたって小さいままである。すなわち、それは、撓んだ場合でも、最大で１５％、または僅か１０％（または１％または０．１％または０．０１％）の第１の屈曲アクチュエータを構成する。ダイアフラム要素を持つバリエーションについては、ダイアフラム要素の高さは、線形動作での第１の屈曲アクチュエータの最大撓みの少なくとも３０％または５０％または好ましくは９０％またはさらに１００％以上、または第１の屈曲振動子の最大弾性撓み（通常５〜１００％）になるよう（すなわち、線形の機械弾性範囲）に寸法付けられていることに注意されたい。代わりに、高さは、スリット幅に応じて（スリット幅の少なくとも０．５倍、１倍、３倍、または５倍）、または屈曲振動子の厚さ（厚さの少なくとも０．１倍、０．５倍、１倍、３倍または５倍）に応じて定義されてもよい。２つのバリエーションのこれらの寸法ルールにより、偏向範囲全体、したがって音レベル範囲全体にわたって、前述の機能的／音響的短絡の防止が可能になる。

さらなる実施形態によれば、ダイアフラム要素は、自由端に対向して配置されるだけでなく、例えば、クランプされていない屈曲アクチュエータの周囲の側面に配置することもできる。特に、屈曲アクチュエータが片側に固定された屈曲アクチュエータである場合、これは理にかなっている。

一実施形態によれば、ダイアフラム要素は、スリットがアクチュエータの動きに沿ってほとんど一定の断面を有するように、その断面に変化する形状（例えば、アクチュエータに向かって湾曲／傾斜する形状）を備えてもよい。実施形態によれば、ダイアフラムは、機械的過負荷を防ぐために機械的止め部を形成してもよい。

さらなる実施形態は、第１の屈曲アクチュエータと同位相で振動するように励起されるように第２の屈曲アクチュエータを駆動するコントローラを含むマイクロメカニカル音響変換器を提供する。さらに、さらなる実施形態によれば、第１および／または第２の屈曲アクチュエータの振動および／または位置を感知して、コントローラが２つの屈曲アクチュエータを同相で駆動できるようにするセンサーシステムを提供することが有利であり得る。ほとんどの場合、センサーシステムを持たず、ドライブの撓みのみを検知する従来のシステムとは対照的に（膜だけでなく）、この原則では、音生成要素の実際の位置は、十分に統合可能なセンサーシステムによって簡単に決定できる。これは非常に有利であり、非常に正確で信頼性の高い検出を可能にする。これは、外部の影響、経年変化の影響、および非線形性を電子的に補償する可能性のある、制御された励起（閉ループ）の基礎となる。

一実施形態によれば、屈曲アクチュエータは、いわゆる「カスケード接続（カスケード）」を備えてもよい。すなわち、第１および／または第２の屈曲アクチュエータは、それぞれ、少なくとも１つの第１および第２の屈曲要素を含む。これらの要素は直列に接続されている。実施形態によれば、「直列に接続された」とは、第１および第２の屈曲要素が固定端および自由端を含むことを意味し、そして、第２の屈曲要素は、そのクランプインの端で第１の屈曲アクチュエータの自由端を把持し、その自由端で全体の屈曲アクチュエータの自由端を形成する。この場合、２つの屈曲要素間の接続は、例えば、柔軟な要素によって形成されてもよい。任意選択で、マイクロメカニカル音響変換器は、例えば、第１の屈曲要素と第２の屈曲要素との間の移行領域に設けられる追加のフレームを備えてもよい。これは、補強とモード分離に役立つ。２つの曲げ要素に関して、好ましい実施形態によれば、それらは異なる制御信号で駆動されるため、例えば、内側の屈曲要素または内側の屈曲要素はより高い周波数に使用され、外側の曲げ要素はより低い周波数範囲で振動するように駆動される。

さらなる態様は、少なくとも１つ、好ましくは２つの屈曲アクチュエータを備えたマイクロメカニカル音響変換器を提供し、各屈曲アクチュエータは、直列に接続された第１および第２の屈曲要素を含む。さらなる実施形態によれば、そのような屈曲アクチュエータは、分離スリットの代わりに柔軟な接続を備えてもよい。

本発明のこの態様の実施形態は、屈曲アクチュエータの幾つかの屈曲要素の直列接続を使用することにより、異なる周波数範囲に対して異なる屈曲アクチュエータが責任を負うことが達成される場合がある。したがって、例えば、内側屈曲アクチュエータは、高周波数範囲用に構成されてもよく、一方、さらに外側のものは、低周波数範囲用に動作されてもよい。従来の膜手法とは対照的に、本明細書で説明する概念は、個別に駆動可能ないくつかのアクチュエータ段とのカスケード接続を可能にする。さらに、圧電駆動と組み合わせた周波数分離制御により、エネルギー効率の大幅な向上が達成される可能性がある。高品質のモード分離は、再生品質に利点をもたらす。例えば、特にスペース効率の高い多方向音響変換器の実現は、さらなる利点である。

カスケード接続を備えた屈曲アクチュエータのこの実施形態でも、上述のさらなる開発は、追加の実施形態に従って適用することもできる。ここでは、特に、カスケード接続の正確な実装に関する機能、例えば接続要素またはフレームについて言及する。さらに、カスケード接続された音響変換器構成の平面、長方形、台形、または三角形（一般的に多角形）の屈曲アクチュエータジオメトリに関するサブアスペクトが関連している。

さらなる実施形態は、カスケード式の屈曲アクチュエータを備えたマイクロメカニカル音響変換器を製造する方法に関する。この方法は次のステップを含む。第１および第２の屈曲要素とともに（それぞれ）第１（および第２）屈曲アクチュエータを形成する第１の層を提供するステップ。そして、第１および第２の屈曲要素を（それぞれ）接続するステップ。

一実施形態によれば、例えば、異なる周波数範囲をカバーするために、アクチュエータを互いにインターリーブすること、および／またはアクチュエータを異なるサイズで設計することが考えられる。

さらなる開発は、サブクレームで定義されています。本発明の実施形態は、添付の図面を参照して説明される。

図１ａは、一実施形態による２つの屈曲アクチュエータを備えたマイクロメカニカル音響変換器の概略図を示す。 図１ｂは、さらなる基本的な実施形態による、１つの屈曲アチュエータおよび垂直なダイアフラム要素を備えたマイクロメカニカル音響変換器の概略図を示す。 図１ｃは、図１ｃは、従来の技術とは対照的に図１ａおよび１ｂの概念の改善を示すために、隣接する構造を備えた屈曲アクチュエータの概略図を示す。 図２ａは、実施形態による可能なアクチュエータ要素の概略断面図を示す。 図２ｂは、実施形態による可能なアクチュエータ要素の概略断面図を示す。 図２ｃは、実施形態による可能なアクチュエータ要素の概略断面図を示す。 図３ａは、実施形態による屈曲アクチュエータ構成の概略平面図を示す。 図３ｂは、実施形態による屈曲アクチュエータ構成の概略平面図を示す。 図３ｃは、実施形態による屈曲アクチュエータ構成の概略平面図を示す。 図３ｄは、実施形態による屈曲アクチュエータ構成の概略平面図を示す。 図４は、異なる実施形態についてシミュレートされた音圧レベルを説明するための概略図を示す。 図５は、実施形態による、それぞれカスケード接続を含む２つの屈曲アクチュエータを備えたマイクロメカニカル音響変換器の概略図を示す。 図６ａは、カスケードを備えた屈曲アクチュエータ構成の概略平面図を示す。 図６ｂは、カスケードを備えた屈曲アクチュエータ構成の概略平面図を示す。 図６ｃは、カスケードを備えた屈曲アクチュエータ構成の概略平面図を示す。 図７は、カスケード接続を備えた屈曲アクチュエータ構成でシミュレートされた音圧レベルを示すための概略図を示す。 図８ａは、さらなる実施形態による、カスケード接続を有する屈曲アクチュエータ構成の平面図の概略図または部分図を示す。 図８ｂは、さらなる実施形態による、カスケード接続を有する屈曲アクチュエータ構成の平面図の概略図または部分図を示す。 図９は、一実施形態による、カスケード接続を有するマイクロメカニカル音響変換器のＦＥＭシミュレートされた撓みを示すための概略図を示す。 図１０ａは、実施形態による、横方向に配置されたダイアフラム要素を有する屈曲アクチュエータの概略平面図を示す。 図１０ｂは、実施形態による、横方向に配置されたダイアフラム要素を有する屈曲アクチュエータの概略平面図を示す。 図１０ｃは、実施形態による、横方向に配置されたダイアフラム要素を有する屈曲アクチュエータの概略平面図を示す。 図１１ａは、実施形態によるマイクロメカニカル音響変換器の製造中のプロセスシーケンスを示すための概略図を示す。 図１１ｂは、実施形態によるマイクロメカニカル音響変換器の製造中のプロセスシーケンスを示すための概略図を示す。 図１１ｃは、実施形態によるマイクロメカニカル音響変換器の製造中のプロセスシーケンスを示すための概略図を示す。 図１１ｄは、実施形態によるマイクロメカニカル音響変換器の製造中のプロセスシーケンスを示すための概略図を示す。 図１２は、一実施形態による多数のマイクロメカニカル音響変換器を有するアレイの概略図を示す。 図１３ａは、実施形態による、図１ｂに記載されたダイアフラム構造の異なる実装の概略図を示す。 図１３ｂは、実施形態による、図１ｂに記載されたダイアフラム構造の異なる実装の概略図を示す。 図１３ｃは、実施形態による、図１ｂに記載されたダイアフラム構造の異なる実装の概略図を示す。 図１３ｄは、実施形態による、図１ｂに記載されたダイアフラム構造の異なる実装の概略図を示す。 図１３ｅは、実施形態による、図１ｂに記載されたダイアフラム構造の異なる実装の概略図を示す。 図１３ｆは、実施形態による、図１ｂに記載されたダイアフラム構造の異なる実装の概略図を示す。 図１３ｇは、実施形態による、図１ｂに記載されたダイアフラム構造の異なる実装の概略図を示す。 図１３ｈは、実施形態による、図１ｂに記載されたダイアフラム構造の異なる実装の概略図を示す。 図１３ｉは、実施形態による、図１ｂに記載されたダイアフラム構造の異なる実装の概略図を示す。 図１４ａは、追加の実施形態による、蓋を備えたマイクロメカニカル音響変換器の概略図を示す。 図１４ｂは、追加の実施形態による、蓋を備えたマイクロメカニカル音響変換器の概略図を示す。 図１４ｃは、追加の実施形態による、蓋を備えたマイクロメカニカル音響変換器の概略図を示す。 図１５ａは、実施形態によるマイクロメカニカル音響変換器の平面図の概略図を示す。 図１５ｂは、実施形態によるマイクロメカニカル音響変換器の平面図の概略図を示す。 図１５ｃは、実施形態によるマイクロメカニカル音響変換器の平面図の概略図を示す。 図１５ｄは、実施形態によるマイクロメカニカル音響変換器の平面図の概略図を示す。 図１５ｅは、実施形態によるマイクロメカニカル音響変換器の平面図の概略図を示す。 図１５ｆは、実施形態によるマイクロメカニカル音響変換器の平面図の概略図を示す。 図１５ｇは、実施形態によるマイクロメカニカル音響変換器の平面図の概略図を示す。 図１５ｈは、実施形態によるマイクロメカニカル音響変換器の平面図の概略図を示す。 図１６は、実施形態による、２つの側面に固定されたマイクロメカニカル音響変換器の概略図を示す

以下、本発明の実施形態を図面に基づいてより詳細に説明する前に、同じ効果を有する要素および構造には同じ参照番号が与えられているので、それらの説明は互いに適用され、相互に交換できることに留意されたい。

図１ａは、第１の屈曲アクチュエータ１０および第２の屈曲アクチュエータ１２を備えた音響変換器１を示している。両方とも、クランプ１０ｅおよび１２ｅに基づいて見ることができるように、平面Ｅ１に配置またはクランプされる。クランプは、屈曲アクチュエータ１０および１２は、片側で基板に接続され、アクチュエータ１０および１２の下に形成される（相互）キャビティ（図示せず）によって接続されるように、相互の基板（図示せず）からエッチングされる屈曲アクチュエータ１０および１２によって実現されてもよい。この時点で、例示された屈曲アクチュエータ１０および１２は、例えば、図がアイドル状態または偏向スナップショットのいずれかを示すようにバイアスをかけることができることに留意されたい（この場合、アイドル状態は点線で示されている）。見て分かるように、２つのアクチュエータ１０および１２は、アクチュエータ１０および１２または少なくともクランプ１０ｅおよび１２ｅが相互平面Ｅ１にあるように、互いに水平に隣接するように配置されている。好ましくは、この記述は、アイドル状態を指し、バイアスされた場合、平面Ｅ１は、相互クランプ領域１０ｅおよび１２ｅをほとんど指す。

２つのアクチュエータ１０および１２は、例えば５μｍ、２５μｍまたは５０μｍのスリット１４（一般に１μｍと９０μｍの間の範囲にあるように、互いに反対に配置される。好ましくは、５０μｍ未満または２０μｍ未満）が２つの間に存在します。片側に固定された２つの屈曲アクチュエータ１２および１４を分離するこのスリット１４は、分離スリットと呼ばれることがある。分離スリット１４は、アクチュエータ１０および１２の偏向範囲全体にわたって最小限だけ変化する。例えば１倍、１．５倍、または４倍（通常は０．５〜５の範囲）、つまり、スリット幅の＋５００％、＋３００％、＋１００％または＋７５％未満の小さい変化、または＋５０％未満の小さい変化（アイドル状態において）、以下で説明するように、追加のシーリングを省略することができるようにしている。

好ましくは、アクチュエータ１０および１２は、圧電方式で駆動される。例えば、これらのアクチュエータ１０および１２のそれぞれは、層構造を備えてもよく、圧電活性層のほかに、１つまたはいくつかの受動機能層を備えてもよい。あるいは、静電駆動、熱駆動、または磁気駆動の原理が可能である。アクチュエータ１２に電圧が印加されると、アクチュエータ１２は変形するか、圧電ケース内では、アクチュエータ１０および１２の圧電材料が変形し、アクチュエータ１０および１２を平面から曲げる。この曲げにより、空気が移動する。周期的な制御信号により、それぞれのアクチュエータ１０および１２が励起されて振動し、音信号を発する（またはマイクの場合：受信する）。アクチュエータ１０および１２、または対応する駆動信号は、アクチュエータ１０および１２のそれぞれ隣接するアクチュエータエッジまたは自由端が、平面Ｅ１からほぼ同一の偏向を受けるように構成される。自由端は、参照番号１０ｆおよび１２ｆで示されています。アクチュエータ１０および１２、または自由端１０ｆおよび１２ｆは互いに平行に移動するため、それらは同相である。したがって、アクチュエータ１０および１２の撓みは同相であると呼ばれる。

結果として、狭い分離スリット１４によってのみ中断される連続的な撓みプロファイルが、駆動状態にあるすべてのアクチュエータ１０および１２の全体構造に形成される。分離スリットのスリット幅はマイクロメートルの範囲にあるため、スリットの側壁１０ｗと１２ｗで高い粘度損失が達成され、通過する空気流が強く絞られる。したがって、アクチュエータ１０および１２の前側と後側との間の動圧均等化は、アクチュエータの周波数に関係なく音響的短絡が低減されるほど十分に速く行われない場合がある。これは、考慮される音響周波数範囲において、狭いスリットを備えたアクチュエータ構造が、流体工学に関して閉じた膜のように振る舞うことを意味する。

図１ｂは、封止のないマイクロメカニカル音響変換器のアクチュエータがどのように良好な音圧挙動を得ることができるかに関するさらなる変形を示している。図１ｂの実施形態は、点１０ｅで固定的に固定されたアクチュエータ１０を含む音響変換器１’を示す。曲げアクチュエータ１０は、基板（図示せず）からエッチングされて、その下にキャビティ（図示せず）が形成されてもよい。自由端１０ｆは、範囲Ｂにわたって振動するように励起されてもよい。自由端１０ｆに対向して、垂直に配置されたダイアフラム要素２２が設けられている。好ましくは、このダイアフラム要素は、少なくとも自由端１０ｆの移動範囲Ｂと同じかそれより大きい。好ましくは、ダイアフラム要素２２は、アクチュエータの前側および／または後側、すなわち、平面Ｅ１（基板平面）から見て、より低い平面およびより高い平面（例えば、基板に垂直）に延在する。図１ａのスリット１４に匹敵するスリット１４’が、ダイアフラム要素２２と自由端１０ｆとの間に設けられている。

偏向された状態（Ｂ参照）でも、ダイアフラム要素２２により、設けられた分離スリット１４’の幅をほぼ同じに保つことが可能になる。したがって、隣接するエッジを備えたこの構成では、たとえば、図１ｃに示すように、撓みによる大きな開口部はありません。

図１ｃは、同じく点１０ｅで締め付けられたアクチュエータ１０を示している。垂直方向の拡張および移動を伴わない任意に隣接する構造２３が、それに反対に提供される。アクチュエータ１０の撓みにより、アクチュエータの自由端１０ｆの領域に開口部がある。この開口部は、参照記号「ｏ」で示される。撓みに応じて、これらの開口断面１４ｏは、分離スリット（図１ａおよび図１ｂを参照）より、またはアイドル状態の分離スリットよりも大幅に大きくなる場合がある。開口部を通して、前面と背面の間に気流が存在し、音響短絡につながる可能性がある。

実施形態によれば、ダイアフラム要素２２またはダイアフラム要素２２の側面は、偏向範囲Ｂでのアクチュエータ１０の動きに適合させることができる。実際には、凹形状が考えられる。

図１ａの構造１および図１ｂの構造１’は、移動スリット全体にわたって分離スリット１４または１４’をほぼ一定に保つ手段を設けることにより、音響短絡を防止することを可能にする。

上記で説明したように、一実施形態によれば、圧電材料を使用することができる。図２は、図ａ〜図ｃのアクチュエータ要素の３つの異なる断面を示している。図２ａは、単形構造を示している。ここで、圧電層１０ｐｅまたは１２ｐｅは、受動層１０ｐ、１２ｐ上に適用される。

図２ｂはバイモルフ構造を示している。ここでは、２つの圧電層１０ｐｅ＿１、または１２ｐｅ＿１、および１０ｐｅ＿２、または１２ｐｅ＿２、および受動中間層１０ｐ、または１２ｐが提供されている。

図２ｃは、２つの圧電層１０ｐｅ＿１、または１２ｐｅ＿１、および１０ｐｅ＿２、または１２ｐｅ＿２の圧電層のスタック（堆積／積層）を示している。

図１および図２に示す全ての圧電アクチュエータ２ａから２ｃは、少なくとも２つの層で形成されているという共通点を持っている。すなわち、圧電層１０ｐｅまたは１２ｐｅ、および受動層１０ｐまたは１２ｐなどのさらなる層、またはさらなる圧電層１０ｐｅ＿２または１２ｐｅ＿２。圧電層１０ｐｅ、１２ｐｅ、１０ｐｅ＿１、１２ｐｅ＿１、１０ｐｅ＿２、１２ｐｅ＿２は、追加の分離層（層１０ｐ、１２ｐを参照）を有する多層システムとして構成することができ、および／または任意の数の副層から形成することができる（点線と比較する）。例えば、接触は、平面電極またはインターデジタル電極によって実行される。

代替実施形態によれば、圧電アクチュエータと同様に多層構造を備え得る熱駆動装置が使用され得る。基本的に、熱ドライブの構造は、圧電層の代わりに熱活性層が使用される圧電層について図２ａ〜図２ｃに関して説明した構造に対応する。

少なくとも２つの対向するアクチュエータを含む異なるアクチュエータ構成（図３ｂを参照）は、図３ａ〜図３ｃに関して説明されている。

図３ａは、４つのアクチュエータ１０’、１１’、１２’、および１３’を備えたアクチュエータ構成を示している。これらのアクチュエータ１０’〜１３’はそれぞれ三角形として構成され、斜辺に沿って片側に固定されている。実施形態によれば、これらの三角形は１３’にアクチュエータ１０’のすべての直角先端が一点に集まるように直角三角形である。その結果、フィードバックスリット１４は、各脚の間に伸びている。

実施形態によれば、点線によって示されるように、個々のアクチュエータ１０’から１３’をさらに細分化することができる。細分化されると、クランプは明らかに斜辺に沿って行われるのではなく、一方の脚に沿って行われ、切り離しスリットは斜辺に沿ってもう一方の脚に沿って伸びている。

アクチュエータが４つまたは８つあるかどうかに関係なく、三角形の実装により、（それぞれのスリット１４で分離された）隣接する自由端が可能な限り均等に撓むことができる。

図３ｂは、基本的に図１ａの実施形態の平面図を示し、例えば対称軸（点線を参照）に沿ってアクチュエータ１０およびアクチュエータ１２を細分できることを示している。

図３ｃは、音響変換器全体が円形セグメント形状に配置され、分離スリット１４によって分離されたアクチュエータ１０’’〜１３’’として合計４つの９０°セグメントを含むさらなる実施形態を示す。この円形の音響変換器を使用すると、点線に基づいて示されているように、個々のアクチュエータ１０’’〜１３’’をさらに細分化することができる。

図３ａ〜図３ｃのすべての実施形態は、それぞれの領域１０ｅ’から１３ｅ’、または１０ｅおよび１２ｅ、または１０ｅ’’から１３ｅ’’によって示されるように、それらが端部で締め付けられるという共通点を有する。

さらに、この時点で、図３ａ〜図３ｃの実施形態に基づいて示されるように、分離スリット１４が対称線に沿って伸びることが好ましいことに留意されたい。したがって、３つ以上のアクチュエータを備えた実施形態では、これは、好ましい実施形態による音響変換器の全領域の焦点で分離スリットが交わることを意味する。

図３ｄは、４つの（ここでは長方形または正方形の）アクチュエータ１０’’’、１１’’’、１２’’’、１３’’’を備えたマイクロメカニカル音響変換器の別のバージョン（平面図）を示している。当該アクチュエータ１０’’’、１１’’’、１２’’’、１３’’’は、長方形または正方形の４つの象限の形に配置されている。４つのアクチュエータ１０’’’〜１３’’’は、２つの交差する分離スリット１４によって分離されている。アクチュエータ１０’’’〜１３’’’のそれぞれは、角を越えて、つまり外縁の両側に固定されている。

図４は、スリット幅の影響を示している。図４は、４つの異なるスリット幅（５μｍ、１０μｍ、２５μｍ、および５０μｍ）について、５００Ｈｚ〜２０ｋＨｚの周波数範囲で得られた音圧レベルＳＰＬを示している。図示の周波数範囲では、列幅が１０μｍ未満の場合、音圧レベルＳＰＬ（音響短絡）の低減は無視でき、構造は音響的に閉じた膜のように動作する。さらに見ることができるように、スリット幅の影響は、より広い周波数範囲（たとえば、６０００Ｈｚ以上）で大幅に減少する。閉じた膜を備えたシステムとは対照的に、現在のシステムは、個々のアクチュエータの分離の結果として、大幅に高い効率性によって区別される。後者は、非常に大きなたわみと音圧レベルで表される。さらに、直線性に関してさらなる利点がある。

図５に関して、実施形態は、対応するさらなる態様に基づいて説明される。図５は、２つのアクチュエータ１０^*および１２^*を備えたマイクロメカニカル音響変換器１’’の構造を示している。２つのアクチュエータ１０^*および１２^*は、それぞれ内側のステージと外側のステージを備えている。すなわち、アクチュエータ１０^*は、第１のアクチュエータ素子１０ａ^*（外段）および第２のアクチュエータ素子１０ｉ^*（内段）を含む。同様に、アクチュエータ１２^*は、アクチュエータ要素１２ａ^*およびアクチュエータ要素１２ｉ^*を含む。

ここに示されているように、外側のステージ１０ａ^*および１２ａ^*は、つまり領域１０ｅ^*および１２ｅ^*を介して固定されている。アクチュエータ１０ａ^*および１２ａ^*のそれぞれ反対側の端部は、自由端と呼ばれる。内側のステージ１０ｉ^*および１２ｉ^*は、オプションの接続要素１７によってこの自由端に結合される。それらは、結合が内側アクチュエータ要素１０ｉ^*または１２ｉ^*の端部を介して行われるように、すなわち、内側アクチュエータ１０ｉ^*または１２ｉ^*の両端が自由端として機能するように結合される。言い換えれば、アクチュエータ１０^*または１２^*は、内側のステージ１０ｉ^*（または１２ｉ^*）が外側のステージ１０ａ^*（１２ａ^*）と反対側に直列に接続されるように構成されている。

ここに示されているように、分離スリット１４^*が要素１０ｉ^*と１２ｉ^*の自由端の間に形成されている。それは、上記の実施形態に関連して説明された分離スリットのような全ての実施形態に対して必然的に形成される（図１ａを参照）。すなわち、上記の実施形態と同様に、アクチュエータ１０^*および１２^*は、数マイクロメートルのサイズを有する分離スリット１４を介して互いに分離されていて、そして、それらは、好ましくは、それぞれの隣接する構造エッジ（内部要素１０ｅ^*および１２ｅ^*の自由端）が動作中に、平面Ｅ１（アクチュエータ１０^*および１２^*、またはクランプ領域１０ｅ^*および１２ｅ^*が配置される）から可能な限り等しい偏向（同期、または同相）を受けるように実装される。あるいは、図示されたスリットの領域で内部要素１０ｉ^*と１２ｉ^*の接続が可能であり、例えば柔軟な素材を使用する。

オプションの実施形態によれば、個々のカスケードされたステージは、フレーム１９上に配置されてもよい。この実施形態では、フレーム１９は、内側のステージ１０ｉ^*および１２ｉ^*の固定端が同じフレーム１９上に位置するように配置される。しかしながら、一般に、フレーム１９は、接続点の領域にあるように配置されることが好ましい（接続要素１７を参照）。このフレームにより、寄生振動モードや望ましくない機械的変形を抑えることができる。

上記の実施形態が、それぞれアクチュエータ要素１０ａ^*、１０ｉ^*、１２ａ^*、１２ｉ^*を備えた内側および外側アクチュエータ段を有する２つのアクチュエータ１０^*および１２^*を提供すると仮定しても、さらなる実施形態は、第１ステージ１０ａ^*および第２ステージ１０ｉ^*がそれに応じて直列に配置された１つのアクチュエータ（例えば、アクチュエータ１０^*）のみを備えるマイクロメカニカル音響変換器を提供することに留意されたい。例えば、このアクチュエータは、固定端の反対側で自由に振動し、その間にスリットが形成されるようにするか、固定端に柔軟に接続することができる。さらなる実施形態によれば、図１ｂに例示的に記載されているダイアフラムも考えられる。

図６ａから６ｃに関して、実施形態による３つの音響変換器が概略上面図で説明されていて、図３ａ〜図３ｃの構成は、カスケード接続によって強化されている（２段カスケード構成）。

図６ａは、４つのアクチュエータ１０^*’〜１３^*’を備えたマイクロメカニカル音響変換器を示し、ここで、アクチュエータ１０^*’〜１３^*’のそれぞれは、２つのアクチュエータ要素１０ａ^*’または１０ｉ^*’〜１３ｉ^*’または１３ａ^*を含む。内側の要素１０ｉ^*’〜１３ｉ^*’は、それぞれ（表面積に関して）三角形であり、一方、外側の要素１０ａ^*’〜１３ａ^*’は、それぞれ（表面積に関して）台形である。台形アクチュエータ１０ａ^*’〜１３ａ^*’の小さい方の脚は、接続要素１７を介して三角形アクチュエータ１０ｉ^*’〜１３ｉ^*’の斜辺に接続されている。この実施形態では、任意の接続要素は、台形または三角形の角に配置されることが好ましい。

図６ｂは、内部アクチュエータ１０ｉ^*および１２ｉ^*ならびに外部アクチュエータ１０ａ^*および１２ａ^*を備えた図５の電気機械音響変換器の基本的な平面図を示している。ここで、接続要素１７は、長方形の内側および外側要素１０ｉ^*、１０ａ^*、１２ｉ^*および１２ａ^*の角にも設けられている。

円形セグメント形状のマイクロメカニカル音響変換器に基づいて、図６ｃはカスケード式アクチュエータ１０^*’’〜１３^*’’を示し、各アクチュエータは内側アクチュエータ要素と外側アクチュエータ要素を含む。内側のアクチュエータ要素１０ｉ^*’’〜１３ｉ^*’’は円形のセグメント形状の要素として構成され、外側の要素１０ａ^*’’〜１３ａ^*’’は円形のディスクセグメントとして構成されている。繰り返しますが、接続は接続要素１７を介して行われる。

好ましい実施形態によれば、図６ａ〜６ｃのすべての実施形態は、アクチュエータ１０^*’〜１３^*’、または１０^*〜１２^*、または１０^*’’〜１３^*’’が分離スリット１４によって分離されるという共通点を有する。加えて、分離スリット１５は、接続要素１７を介してのみブリッジされる内側アクチュエータ（例えば、１０ｉ^*'と１０ａ^*’）との間に設けられてもよい。言い換えると、外側のステージ（たとえば、図６ｂの１０ａ^*および１２ａ^*）は、少なくとも１つの接続要素を介して、第２の内側のステージ１０ｉ^*または１２ｉ^*に接続される。しかしながら、好ましくは、間隔を空けた２つ以上の接続要素１７を介する。接続要素は、機械的なバネ要素またはジョイントとして実装されてもよい。

図３ａ〜図３ｃに関連して説明されるように、アクチュエータは、アクチュエータ要素１０^*または１２^*（点線を参照）ごとに任意の数のアクチュエータを作成するようにさらに細分化されてもよい。

音響変換器の構造を説明した後、その機能について説明する。駆動状態では、外側のステージのアクチュエータが内側のステージを平面から偏向させ、ここで、内側のステージのアクチュエータがさらなる偏向を実行する。これにより、分離スリットの粘度損失が大きいため、閉じた膜のように音響的に振る舞う偏向構造になる。

あるいは、カスケードされた全体構造は、３つ以上のステージを備えてもよい。オプションとして、異なるステージを同一または異なる駆動信号で制御できる。異なる駆動信号の場合、ステージは異なる周波数範囲で動作する可能性があり、たとえば、特にスペース要件が低いマルチウェイ音響変換器を形成する可能性がある。

この時点で、図１ｂに関して説明したフローダイアフラムの概念は、例えば接続要素とアクチュエータまたは中間ステージ間の音響損失を最小限に抑えるため、マルチピースカスケードシステムにも拡張できることに留意されたい。

上記の実施形態に関して、図６ａから図６ｃに記載された変形形態は、追加の実施形態に従って任意の方法で組み合わせることができることに留意されたい。したがって、例えば、図６ａの４つの内側アクチュエータ要素１０ａ^*’から１３ａ^*’の代わりに、図６ｂに示されるように、２つの内側アクチュエータ要素１０ｉ^*および１２ｉ^*のみを設けることが可能である。さらに、例えばダイアフラムと組み合わせて、１つの内部アクチュエータ要素を１つだけ提供することも考えられる（図１ｂの実施形態を参照）。

図７は、周波数範囲全体でシミュレートされた音圧の図を示しており、内側と外側のステージに従って分類されている。ご覧のように、外側のステージは、特に、低周波数範囲（約１５００Ｈｚでの最大音圧）に役立ち、内側のステージは、高い周波数範囲（約１００００Ｈｚでの最大音圧）に役立つ。本ケースでは、１０ｃｍの距離で測定したチップサイズが１×１ｃｍのＭＥＭＳ音響変換器を想定している。

図８は、特定の２段階設計の例を使用したカスケード接続の概念を示している。図８ａは平面図を示し、図８ｂは接続領域の断面拡大図を示している。

図８ａに基づいて見ることができるように、２段階設計は、外側アクチュエータ１０ａ^*’および内側アクチュエータ１０ｉ^*’を含む。構成に関して、図８ａに示す設計は、図６ａの設計と比較することができる。ここに示されている実施形態では、分離スリット１４は、実線で示されている。図８ｂの拡大図に特に見られるように、個々の段間にそれぞれの分離スリット１４も設けられている。

図６ａとは対照的に、図８ａの設計では、その横方向寸法がすべての内側のステージ１０ｅ^*’の横方向寸法よりも小さいフレーム構造１９^*’がさらに示されている。

図８ｂに基づいて見ることができるように、その隙間に分離された充填構造１７ｆ^*’、例えば、溝が設けられている折り畳まれたバネは、バネまたはアクチュエータの材料で、接続要素１７^*’として機能する。これと同様に、両段のアクチュエータ間のギャップ１４は、そのような充填構造１７ｆ^*’を含む。

図９は、ＦＥＭシミュレーションにより得られた図８ａおよび８ｂの例示的な設計の偏向プロファイルを三次元断面で示している。ハッチングで示された偏向値に基づいて示されるように、分離スリットにもかかわらず、狭い分離スリット１４によってのみ中断されるほぼ連続的な偏向プロファイルが形成されている。

図１０を参照して、図１ａの設計および図１ｂの設計の強化について説明する。図１０ａの構成は、図１ｂの構成と比較することができ、一方の側に固定されたアクチュエータ１０に対向して設けられたダイアフラム要素２２は、自由端１０ｆの領域に設けられているだけではない。しかし、さらにアクチュエータの側面に沿って、すなわち、切り離しスリット１４’全体に沿って伸びている。横方向に配置されたダイアフラム要素は、参照番号２２ｓで示されている。

図１０ｂは、図３ｂに例示的に示されるように、２つの対向するアクチュエータ１０および１２を備えた音響変換器の構成に基づいている。これらのアクチュエータは、それぞれ片側で再び固定される（１０ｅまたは１２ｅの固定を参照）。この実施形態では、垂直に配置されたダイアフラム要素２２ｓは、横方向の分離スリット１４に沿って伸びている。

横方向に配置されたダイアフラム要素２２ｓを使用することにより、図１０ａの実施形態および図１０ｂの実施形態は、不連続な撓みプロファイルを有する図示された構造の前側および後側の良好な流体分離を可能にする。

図１０ｃは、さらなるバリエーションを示しており、中央表面１６に基づいて４つのアクチュエータ１０’’’’、１１’’’’、１２’’’’、１３’’’’が伸びている。４つのアクチュエータ１０’’’’〜１３’’’’は台形に実装され、表面１６の反対側の片側に短辺を介して固定されている。４つのアクチュエータ１０’’’’〜１３’’’’は、アクチュエータ１０’’’’〜１３’’’’の長辺が自由に振動できるように、斜めに配置された４つの分離スリット１４（これは、表面１６の対角線の伸びとして伸びる）を介して互いに分離されている。縁部領域に対する「封止」を可能にするために、垂直に実装された（周囲の）ダイアフラム要素２２ｓが、台形アクチュエータ１０’’’’〜１３’’’’の長辺に沿って提供される。

図１２は、アレイの形のマイクロメカニカル音響変換器を示している。ここに示されているマイクロメカニカル音響変換器は、図１ａを参照して説明したように、８個の音響変換器１を備えている。これら８個の音響変換器１は、２行４列に配置されている。これにより、大きな表面の拡大が実現し、それにより高い音圧が実現する。音響変換器１の各アクチュエータが５×５ｍｍのベース面積を有すると仮定すると、いわば２００ｍｍ²の「膜面積」が実現される。一般に、図示された音響変換器は、例えば長さ１ｃｍ以上（一般に１ｍｍから５０ｃｍの範囲）の音響変換器サイズを達成できるように、任意の方法で拡大縮小することができる。

図１２のマイクロメカニカル音響変換器１は、ここに示された実施形態で例示的に説明されたが、上記のような任意の他の音響変換器、例えば図１ｂの音響変換器１'または図５のカスケード音響変換器を使用できることに留意されたい。異なる形状と配置も考えられる。

さらなる実施形態によれば、上記で個別に説明したアクチュエータにセンサーを設けることができる。センサーは、アクチュエータの実際の撓みを決定することを可能にする。通常、これらのセンサーはアクチュエータのコントローラに接続されているため、個々のアクチュエータの制御信号はフィードバックループで調整され、個々のアクチュエータが同相で振動する。センサーを使用して、非線形性を検出し、非線形性を補償または低減できるように制御装置の信号を歪めることもできる。

これの背景は、アクチュエータが同時に音発生要素を形成するため、動作中に経年変化の影響と非線形性を直接測定し、場合によっては電気的に補償できることである。これは、センサーシステムを持たないか、音を発生する膜要素ではなくドライブでのみ動作を検出できる従来の膜ベースのシステムとは対照的に、大きな利点である。

好ましくは、位置検出は圧電効果を介して行われる。このため、アクチュエータ上の圧電層の１つまたはいくつかの領域に、撓みにほぼ比例する電圧信号または電荷信号を検知することができる別個のセンサー電極を設けることができる。加えて、少なくとも１つの層が位置検出のために部分的に使用されるいくつかの圧電層が実現されてもよい。上下に並べて配置された異なる圧電材料の組み合わせも可能である（例：アクチュエータの場合はＰＺＴ、センサーの場合はＡＩＮ）。

圧電センサー素子の代替として、薄膜膨張測定ストリップ（または歪みゲージ）または容量性位置検出用の追加電極の統合も可能である。アクチュエータ構造がシリコン製の場合、ピエゾ抵抗シリコン抵抗器も直接統合できる。

上記のすべての側面には、膜のない、ＭＥＭＳ製造プロセスと完全に互換性のある大きな音圧を生成するためのコンセプトが共通して作成されている。オプションのカスケード接続により、統合されたマルチウェイ音響変換器を実現できる。統合された位置センサーを用いたさらなる開発によれば、コントローラは、放出された音が最小限の歪みを含むように構成されてもよい。

次の表では、個々の機能要素の可能な材料を見つけることができる。

次の寸法が可能である。
−アクチュエータの表面積：５０×５０μｍ２〜５×５ｃｍ²
−分離スリット：０．１μｍ〜４０μｍ
−撓みの振幅：０．０１μｍ〜３ｍｍ

例えば、このような変換器は、１０Ｈｚ〜３００ｋＨｚの最初の通常モードで動作する。例えば、励起周波数は最大３００ｋＨｚまで静的に選択される。

説明したアクチュエータ構造は、可能な限り小さいコンポーネントボリューム（＜１０ｃｍ³）で１０Ｈｚ〜３００ｋＨｚの周波数範囲で音を生成する分野で使用できる。とりわけ、これは主にウェアラブル、スマートフォン、タブレット、ラップトップ、ヘッドフォン、補聴器、超音波変換器用の小型化された音響変換器に適用される。流体が移動する他のアプリケーション（フローメカニカルおよび空力駆動および誘導構造、インクジェットなど）も検討できる。

実施形態は、平面から偏向され得る少なくとも１つの屈曲アクチュエータを備えた気体および液体を変位させるための小型化された装置を提供し、装置は、流体工学に関して閉じた膜のような音響および超音波周波数範囲（２０Ｈｚ〜３００ｋＨｚ）でほぼ機能するような大きさの流れ抵抗を有する狭い開口スリットを含むことを特徴とする。

さらなる実施形態によれば、装置は、全長がアクチュエータ表面積のせいぜい５％であり、平均長さ対幅の比が１０を超える、アクチュエータ材料の分離スリットを含むことができる。実施形態によれば、装置はさらに、撓んだ状態で作られた開口部が全アクチュエータ表面積の１０％未満になるように構成することができるため、閉じた膜がなくても、前側と後側の間の高い流体分離が達成され得る。

さらなる実施形態によれば、装置は、２つ以上の対向する別個のアクチュエータを備えてもよい。

さらなる実施形態によれば、アクチュエータは、圧電方式、静電的、熱的、電磁的、またはいくつかの概念の組み合わせを用いて駆動されてもよい。追加の実施形態によれば、接続要素を介して結合された２つ以上のアクチュエータ段で装置を構成することも考えられる。

さらなる実施形態によれば、装置が、分離された信号で駆動され、したがって双方向または多方向の音響変換器を形成する２つ以上のアクチュエータ段を備えることも考えられる。

図５または図６ａ〜図６ｃの実施形態を参照すると、各アクチュエータ要素１０ａ^*、１２ａ^*、１０ｉ^*および１２ｉ^*は、個別に制御可能なアクティブな要素であることに留意されたい。例えば、圧電方式で、または本明細書で説明する他の概念を使用して動作させることができる。

さらなる実施形態によれば、装置は、補強およびモード分離のためのフレーム構造を有する。

上記の実施形態では、アクチュエータは、特に、片側に固定されているアクチュエータとして説明されている。この時点で、一般に両面クランプ（図３ｄを参照）または多面クランプが考えられることに注意してください。

さらなる実施形態は、偏向状態で前側と後側との間の開口部の断面を減少させるために、フローダイアフラムを有する装置を提供する。さらなる実施形態によれば、装置は、位置の検出および調整のためのセンサー要素を備えてもよい。

追加の実施形態によれば、装置は、空気（気体媒体）、すなわち２０Ｈｚから３００ｋＨｚの範囲で音または超音波を生成するように構成されてもよい。さらなる応用分野は、空気流の生成と制御、つまり冷却である。

続いて、図１１を参照して、上記の音響変換器の可能な製造方法を説明する。例えば、ここに示されている図１１ａ〜図１１ｄの実施形態は、図１ｂに示されている実施形態の製造を可能にする。ただし、わずかな変更により、他の図面、特に図１ａの実施形態は、ここに示す方法を使用して製造することができる。

図１１ａに示す第１のステップでは、圧電層５０ｐｅに２つの電極５０ｅを設ける前に、受動層５０ｐが基板４８上に適用される。

基板４８は、ＳＩ基板を含むＳＯＩウェハ（絶縁体上のシリコン）であってもよい。次に、図１１ｂに示される絶縁体５０ｐｉを有するＳｉＯ２層５０ｐと、Ｓｉ絶縁層と、圧電機能層（ＰＺＴ）５０ｐｅがその上に堆積される。次に、対応する金属電極（Ｐｔ、Ａｕ、Ｍｏなど）５０ｅを堆積する。

図１１ｂに示されている次のステップでは、電極５０ｅ、ＰＺＴ５０ｐｅおよび絶縁層５０ｐが構造化される。例えば、これにより、圧電層５０ｐｅに溝５０ｇが作成される。構造化は、ウェットエッチングまたはドライエッチングで行うことができる。所望の製品設計、構造化または導入のステップに応じて、図１ａの製品を生成するために最小寸法のみを有するように溝５０ｇが実行される。または、ここで例示されている中間生成物が１ｂの生成物に関して開発されるように、より大きな寸法を持つようにしている。

図１ａの製品を製造するために、小さな溝５０ｇを適用し、図１１ｃに示すステップをスキップして、図１１ｄに示すように、シングルまたはマルチ段階のエッチング方法と可動構造を解放する。このステップでは、特に、構造化された圧電アクチュエータ５０ｐｅと位置合わせされた領域で、保護層５０ｐの下の基板が除去される。これにより、空洞４８ｃが作成される。

図１ｂを参照して説明されるように製品を製造するために、図１１ｃに示されるオプションのステップが実行される。図１１ｃは、垂直方向に延在するダイアフラム要素５７の適用を示している。これらは、圧電層５０ｐｅの溝５０ｇに導入される。オプションとして、溝５０ｇの横方向の位置は、構造化された保護層５０ｐの領域と整列するように選択することができ、それにより、例えば、垂直ダイアフラム要素７５は、受動層５０ｐの溝の壁を引き延ばす。例えば、ダイアフラム要素５７の適用は、ガルバニック堆積によって行うことができ、好ましくは、ダイアフラム要素５７が圧電素子５０ｐの層を越えて伸びるようにすることができる。

図１ａの実施形態に関して上述したように、ダイアフラム要素７５を適用した後、キャビティ４８ｃを製造するために、基板４８の後側の単一段階または多段階エッチングが実行される。ここに示されるように、基板４８の個々の領域は、フレーム４８ｆがキャビティ４８ｃ内に形成されるように残っていてもよい。たとえば、このフレームは図５で説明したフレーム１９に対応する。

上記の製品を従来の製造方法で製造できるように、ＭＥＭＳ技術を上記の製造工程で採用することができる。

いくつかの態様が装置に関連して説明されてきたが、これらの態様は対応する方法の説明も表しているため、装置のブロックまたはコンポーネントも対応する方法ステップまたは方法ステップの特徴として理解されることに留意されたい。それと同様に、方法ステップに関連して、または方法ステップとして説明された側面は、対応するブロックまたは対応する装置の詳細または特徴の説明でもある。

続いて、図１ｂの基本的な実施形態に基づいて、ダイアフラム２２の異なる実装が説明される。その後に議論されるすべての実施形態において、議論されたダイアフラム２２^*、２２等は、スリット１４’で屈曲アクチュエータ１０から分離されている（基準点１０ｅで固定的にクランプされている）と仮定される。そのため、屈曲アクチュエータ１０の自由端１０ｆは、ダイアフラム要素２２^*または２２等の垂直方向の拡張に沿って移動することができる。ここで、ダイアフラムについては、後述する実施形態または上記実施形態の態様は、互いに組み合わせることができることに留意されたい（例えば、丸い／傾斜した側面（ダイアフラム）を備えた蓋）または蓋およびストップを備えた非対称ダイアフラム）。

図１３ａは、ダイアフラム構造の概略断面図を示している。ダイアフラム構造２２^*は、いくつかのセグメント２２ａ^*、２２ｂ^*、および２２ｃ^*で構成されていることがわかる。セグメント２２ａ^*は、基板平面（基準点１０ｅの平面）から伸びており、屈曲アクチュエータ１０は、例えば、基板から出て、アイドル状態にある。一方、セグメント２２ｂ^*は、基準点１０ｅの前記平面に位置する。セグメント２２ｃ^*は、基板内に位置するか、基板表面から基板内に伸びている。実施形態によれば、図示されたすべてのセグメント２２ａ^*、２２ｂ^*、２２ｃ^*は、異なる幾何形状、すなわち、縦方向の拡大および横方向の拡大ならびに可変断面を含むことができる。実施形態によれば、個々のセグメント２２ａ^*、２２ｂ^*および２２ｃ^*が異なる材料または材料実装を含むこともさらに考えられるであろう。例えば、セグメント２２ｃ^*および２２ｂ^*は基板自体によって形成されてもよいが、セグメント２２ａ^*は成長させることができる。

さらなる実施形態によれば、図示された３つのセグメント２２ａ^*、２２ｂ^*および２２ｃ^*よりも多くを提供することも考えられる。

上記および後続の実施形態では、中間位置は必ずしもアイドル状態に対応する必要はなく、何らかの方法で（電気的または機械的にバイアスされて）上向きに又は下向きにシフトされてもよいことに留意されたい。

図１３ｂは、ダイアフラム構造のさらなる実装、ここではダイアフラム構造２２^**を示している。ダイアフラム構造２２^**、または特に基板平面から伸びるセグメントは、アクチュエータ１０に向かって伸びる傾斜断面を含む。これにより、アクチュエータ１０の位置に関係なく、スリット１４’が比較的一定の幅を備えることが達成される。これの背景は、アクチュエータ１０に直接対向するダイアフラム構造２２^**の側面がほぼ移動経路（固定点１０ｅの周りの円形経路）に沿って伸びていることである。ここで図１３ｂに示されるように、ダイヤアラム２２^**は、上側のみに向かっておよび／または下側のみに向かって傾斜していてもよい。図示された非対称構造は一例に過ぎず、すなわち、ダイアフラム構造２２^**の下部セグメントも対称構造を達成するために明らかに同様に傾斜していてもよい。

内側が傾斜しているダイアフラム構造２２^**のこの実施形態は、より大きな振幅でスリットの拡大を減少または補償できるという利点を有する。製造の観点から、傾斜は、ラッカープロファイルまたはエッチングプロセスを適応させることにより実現され得る。

図１３ｃは、図１３ｂのダイアフラム構造２２^**、すなわちダイアフラム構造２２^***のさらなる展開を示す。ダイアフラム構造２２^***は、湾曲した／丸みを帯びた内側を含む。この丸みは、アクチュエータ１０またはアクチュエータ１０の自由端１０ｆの円弧状の移動経路に沿って伸びている。丸みを帯びた内側は、ここでは基板から伸びる側にのみ示されているが、この丸みを帯びた内側は、基板平面内のダイアフラム構造側にも明らかに存在し得る。図１３ｂの実施形態と同様に、スリットの拡大は、内側が丸くなったダイアフラム構造２２^***により大きな振幅で減少または補償される。製造の観点から、丸み付けは、例えば、ラッカープロファイルまたはエッチングプロファイルを適合させることにより達成され得る。

図１３ｄは、さらなるダイアフラム構造、すなわちダイアフラム構造２２^****を示している。ここで、ダイアフラム構造２２^****の端部の断面は、アクチュエータ１０またはアクチュエータの自由端１０ｆの機械的止め部として機能する拡幅部または張り出し部を含む。有利なことに、この停止は機械的な過負荷保護を可能にする。

図１３ｅは、さらなるダイアフラム構造２２^*****を示し、ダイアフラム構造２２^*****は非対称に構成されている。この背景は、ダイアフラム２２^*****の垂直方向の膨張が一方向、ここでは基板面から外れる方向に達するように、主に片側に偏向されるアクチュエータ１０があることである。アクチュエータ１０の撓み、またはダイアフラム構造２２^*****の膨張は、ここでは上方に（基板平面から）示されているが、実施形態によれば、これは明らかに逆であってもよく、すなわち、両方の要素が基板内に伸びるようにしてもよい。アクチュエータのアイドル位置のシフトは、駆動信号の電気的オフセットまたは機械的突起（例えば、アクチュエータ層の層応力）によって実現できることに留意されたい。

図１３ｆは、小さな膨張を有するダイアフラム構造２２^******の例を示している。アクチュエータ１０の撓みが小さい場合、ダイアフラム構造２２^******は平坦であると理解され得る。たとえば、ダイアフラム２２^******の高さの拡張は、アクチュエータの厚さの範囲内である。付加的に適用されるダイアフラム構造領域が省略され得るため、このバリエーションは製造に関して利点を有する。

図１３ｇは、基板領域２３ｓと実際のダイアフラム要素２２^*******からなるダイアフラム構造２２^*******の例を示している。例えば、上部ダイアフラム構造２２^*******は、電気化学的に構造化された金属またはポリマー（ＳＵ８、ＢＣＢ・・・など）として、またはガラスまたはシリコンから製造することができる。下部ダイアフラム構造２３ｓは、主に基板（例えば、シリコーンまたはガラス）自体からなり、さらなる実施形態によれば、追加の層を備えてもよい。

図１３ｈは、追加の要素が適用されていないさらなるダイアフラム構造を示している。ここで、屈曲アクチュエータ１０は、特に基板平面内で振動し、基板平面から伸びるダイアフラム要素を省略することができると想定される。したがって、ここでは、ダイアフラム要素は、下部ダイアフラム構造を形成する基板要素２３ｓからなる。この時点で、上記で説明したように、アクチュエータ１０のアイドル位置は、機械的バイアスまたは電気的オフセットを介して下向きにシフトされ、ここで形成されるダイアフラム要素２３ｓで十分であることに留意されたい。動作中、アクチュエータは下向きにのみ偏向されるため、ダイヤアラムを上側に向ける必要がなく、製造の労力が軽減される。

図１３ｉは、基板要素２３ｓに適用された薄い層から本質的になるさらなるダイアフラム構造２２^********を示している。所望のアクチュエータの撓みに応じて、ダイアフラム要素２２２^********の層の厚さは、アクチュエータの厚さの範囲内にあってもよい。基板２３ｓは、ダイアフラム構造として追加的に機能することができる（しかし、そうである必要はない）、ダイアフラム構造２２^*********と同一平面にあるか、オフセットを含むことができる。

さらなる実施形態は、図１４ａから図１４ｃに関して説明され、そこでは、マイクロメカニカル音響変換器は、さらなる基板２２０ａ、２２０ｂ、および２２０ｃ（蓋）によって強化される。実施形態によれば、さらなる基板２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃは、ダイアフラム構造を形成する。

図１４ａは、屈曲アクチュエータ１０が蓋２２０ａ内、または蓋内空間２２０ａによって画定される部屋内で振動できるように、屈曲アクチュエータ１０のキャビティ２３ｋの上の基板２３ｓ上に配置される蓋として構成される基板２２０ａおよびキャビティ２３を示す。蓋２２０ａは、自由端とは反対側に配置されており、蓋２２０ａの内側壁は、スリット１４０によって端部１０ｅから分離されている。この実施形態では、蓋２２０ａが完全に閉じているので、曲げアクチュエータ１０は、例えばキャビティ２３ｋを通して音を発する。

この実施形態では、上記のすべての実施形態またはそれらの説明において、音が基板から放出されることが本質的に想定されることに留意されたい。明らかに、実施形態によれば、音が基板または基板のキャビティを通って導出されることも考えられる。

この時点で、図１４ａは基板２２０ａの断面を示していることに留意されたい。ここで、さらなる基板は、（後部）容積または一般的にそのためのカバーを提供するために、屈曲アクチュエータ１０の周りに、例えば円形または角度をなして伸びている。製造の観点から、例えば、蓋２２０ａは、第２の構造基板（すなわち、キャビティを有する基板）（参照番号２２１ｋを参照）によって製造され得ることに留意されたい。次に、この第２の基板は、屈曲アクチュエータ１０を有する基板上に適用され、キャビティ２２１ｋが少なくとも領域（スリット１４０の領域）でキャビティ２３と同一平面になるようにする。

図１４ｂは、変更された蓋２２０ｂを有するさらなる実施形態を示し、残りの構造は同じアクチュエータ１０および基板２３ｓに対応する。蓋２２０ｂは、任意の音口部２２２ｏまたは２２２ｓを備えるという点で蓋２２０ａとは異なる。音口部２２２ｏまたはいくつかの音口部２２２ｏは、蓋２２０ｂ上の主表面に適用され、一方、開口部２２２ｓは横方向に設けられる。実施形態によれば、開口部２２２ｏまたは開口部２２２ｓのいずれか１つの開口部が設けられていれば十分であることに留意されたい。キャビティ２２１ｋ内の密閉空気容積は、これらの開口部２２２ｏまたは２２２ｓによって換気され得る。開口部は、音が出るために使用されるか、または圧力の均等化を可能にする。複数の開口部が一緒になって、アクチュエータを機械的影響やほこりから保護する1つまたは複数のグリッド構造を形成する場合がある。

図１４ｃは、開口部２２２ｏを有する蓋２２０ｃを備えたさらなる音響変換器を示している。屈曲アクチュエータは、側面開口部２３２ｓを含むさらなる基板２３０ｓ上に提供される。基板２３０ｓは、キャビティ２３０ｋが閉じられるように、さらなる基板２３３ｓまたは蓋２３３ｓに適用される。このさらなる基板２３３ｓはまた、オプションの音口部２３３ｏを備えてもよい。これにより、任意の開口部２３２ｓ、２３３ｏ、２２２ｏのうちの少なくとも１つを通して閉じられるか、または換気される容積を形成することが可能になる。容積は、キャビティ２２１ｋおよび２３０ｋによって本質的に形成され、少なくとも１つまたは幾つかの開口部を介して開いている。開口部は、音を出すまたは圧力バランスを可能にするために使用される。幾つかの開口部が協働して、機械的影響および塵埃からアクチュエータ１０を保護する１つまたは幾つかのグリッド構造を形成してもよい。

続いて、図１０の形状と比較して強化された異なるアクチュエータの形状が、図１５ａから１５ｈを参照して説明される。例示では、アクチュエータには参照番号１００または１００＿１から１００＿４が提供され、一方、ダイアフラムには参照番号２２５が提供される。参照番号１４０を備えた結合スリットは、常にアクチュエータとダイアフラムとの間に伸びている。実施形態では、アクチュエータの幾何学的形状を任意の方法で組み合わせることができることに留意すべきである（例えば、円形または三角形のアクチュエータを備えた図１５ｆ）。

図１５ａは、丸いアクチュエータ１００の上面図を示し、一方、図１５ｂは、三角形のアクチュエータ１００の上面図を示す。図１５ｃ、１５ｄ、および１５ｅに基づいて例示的に示されるように、同じまたは異なるアクチュエータ１００を任意の方法で組み合わせることができる。

図１５ｃは、長方形の表面積を一緒に記述する三角形のアクチュエータ１００＿１〜１００＿４を示しており、４つのアクチュエータ１００＿１〜１００＿４は、十字形に配置されたダイアフラム構造２２５によって分離されている。スリット１４５は、アクチュエータ１００＿１〜１００＿４とダイアフラム構造２２５との間に再び設けられる。あるいは、３、５、６・・・クチュエータを使用した配置も考えられる。さらに、全表面積は必ずしも長方形である必要はなく、多角形であってもよいことに留意されたい。

図１５ｄは、長方形を記述する２つの対向する長方形のアクチュエータ１００＿５および１００＿６を示す。長方形のアクチュエータ１００＿５および１００＿６はそれぞれ、関連するスリット１４０を備えたＨ字形のダイアフラム２２５によって制限される３つの自由端を形成する。

図１５ｅは、図１５ｃと同様に、スリット１４０を有する十字形ダイアフラム２２５によって分離された４つの断面十字形のアクチュエータ１００＿７から１００＿１０を示す。図１５ｃの変形例では、各三角形アクチュエータ１００＿１〜１００＿４の斜辺がクランプインされているのに対し、図１５ｅの実施形態では、各断面円弧形の１００＿７〜１００＿１０が固定クランプインされている。あるいは、３、５、６・・・アクチュエータを使用した配置も考えられる。加えて、総表面積は必ずしも長方形である必要はなく、多角形であってもよいことに留意されたい。

図１５ｆ、図１５ｇおよび図１５ｈに基づいて示されるように、異なるアクチュエータを組み合わせることにより、例えば、多方向システムを実現することができる。

例えば、図１５ｆは、３つの異なる形状であるが長方形のアクチュエータ１００＿１１〜１００＿１３を組み合わせ、それぞれが４つの側面のうちの１つに固定され、４つの側面のうち３つが自由端を形成する。スリット１４０を用いてアクチュエータ１００＿１１〜１００＿１３を分離する迷路状のダイアフラム２２５が、自由端の間に設けられている。たとえば、すべてのアクチュエータ１００＿１１から１００＿１３のサイズ（表面積）は異なるため、異なる周波数範囲に設定できる。

図１５ｇは、２つのアクチュエータ１００＿１４および１００＿１５を示しており、第１のアクチュエータ１００＿１４は長方形の小さなアクチュエータである。より大きなアクチュエータ１００＿１５も長方形であるが、他のアクチュエータ１００＿１４用の凹部１００＿１５ａを備えている。凹部１００＿１５ａは、２つのアクチュエータが同じ側に固定されるように配置される。これらのアクチュエータ１００＿１４および１００＿１５は、２つのアクチュエータ１００＿１４と１００＿１５との間に設けられたスリット１４０により、それらの動きを分離することができる。例えば、より大きなアクチュエータ１００＿１５は、低音域に使用されてもよく、一方、内部アクチュエータ１００＿１４は、高音域に使用されてもよい。

図１５ｈは、アクチュエータ１００＿１４および１００＿１５の同様の構造を示しており、２つのアクチュエータ１００＿１４および１００＿１５のスリット１４０による分離に加えて、さらなるダイアフラム２２５が提供される。両方の実施形態（図１５ｇおよび図１５ｈ）は、スリット１４０を含むダイアフラム２２５が、小さなアクチュエータ１００＿１４が配置される凹部１００＿１５ａを有する大きなアクチュエータ１００＿１５の少なくとも自由端に沿って配置されるという共通点を有する。より大きなおよびより小さなアクチュエータのそのような内部インターリーブ配置または提供により、一般に、異なるアクチュエータで異なる周波数範囲をカバーすることが可能になる。

図１６は、少なくとも１つの自由側面１０ｆ^**（ここでは２）を含む、２つの側面またはいくつかの側面（領域１０ｅ１および１０ｅ２を参照）で締め付けられた屈曲アクチュエータ１０^**の概略上面図を示す。上で説明したように、この自由側面１０ｆ^**は、対向するダイアフラム２２^**（ここでは説明した変形例では２）とその間に配置されたスリット１４^**によって音響的に分離することができる。

上記の実施形態では、音を発するための音響変換器（スピーカ）を提供することが特に想定されていたため、「屈曲アクチュエータ」という用語が使用された。明らかに、この原理は、一実施形態による音響変換器がマイクロホンを形成するように逆にすることもでき、ここで、屈曲振動子（屈曲アクチュエータを参照）は励起されるように構成されている。例えば空気により、（例えば垂直に）振動して電気信号を出力する（一般に周囲の音響波を検出する）。さらなる実施形態は、上述の概念に基づいて、拡声器およびマイクロホンを含むデバイスを作成する。ここで、２つのデバイスは同じ基板上に形成されてもよく、これも製造の観点から有利である。

参考文献
［Ｈｏｕ１３］ Houdouin et., Acoustic vs electric power response of a high-performance MEMS microspeaker, IEEE SENSORS 2014
［Ｄｅｊ１２］ Dejaeger et al., Development and Characterization of a Piezoelectrically Actuated MEMS Digital Loundspeaker, Procedia Engineerring 47 (2012) 184-187
［Ｇｌａ１３］ Glacer et al., Reversible acoustical transducers in MEMS technology, Proc.DTIP 2013,
［Ｙｉ０９］ Yi et al., Performance of packaged piezoelectric microspeakers depending on the material properties, Proc. MEMS 2009, 765-768

Claims (55)

1. 基板に据え付けられたマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）であって、
   前記マイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）は、
   前記基板の平面に沿って延在し、自由端（１０ｆ）または自由側面を備え、音を発するまたは受信するために励起されて垂直に振動するように構成される、第１の屈曲振動子（１０）と、
   前記第１の屈曲振動子（１０）に対して垂直に延在するダイアフラム要素（２２）であって、前記ダイアフラム要素は、スリット（１４）を介して、前記第１の屈曲振動子（１０）の前記自由端（１０ｆ）または前記自由側面から分離される、マイクロメカニカル音響変換器。
2. 前記ダイアフラム要素（２２）は、前記基板の前記平面を越えて伸びている、請求項１に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
3. 前記ダイアフラム要素（２２）は、前記基板の不動領域を越えて伸びている、請求項２に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
4. 前記第１の屈曲振動子（１０）は励起させて前記基板の平面外で振動するようにすることができる、または励起させて前記基板の平面に垂直に振動するようにすることができる、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
5. 前記ダイアフラム要素（２２）の高さは、線形動作における前記第１の屈曲振動子（１０）の最大撓み量または前記第１の屈曲振動子（１０）の最大弾性撓み量の少なくとも５０％または少なくとも１００％、あるいは、前記スリット（１４）の幅の少なくとも３倍、または前記屈曲振動子（１０）の厚さの少なくとも１倍、または前記屈曲振動子（１０）の長さの少なくとも０．１％または１％である、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
6. 前記第１の屈曲振動子（１０）に垂直に延在する前記ダイアフラム要素（２２）を含み、前記ダイアフラム要素は、前記スリット（１４）を介して、第１の屈曲振動子（１０）の可動側面から分離されている、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
7. 前記ダイアフラム要素（２２）は、その断面に様々な幾何形状を含む、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
8. 前記幾何形状は、前記屈曲振動子（１０）が垂直に振動すると、前記自由端の移動経路に沿って前記屈曲振動子（１０）に対向する表面領域が湾曲または傾斜するように変化する、請求項７に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
9. 前記ダイアフラム要素（２２）は、前記屈曲振動子（１０）のための機械的止め部を含む、請求項７または請求項８に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
10. 前記ダイアフラム要素（２２）は、前記基板の平面外および前記基板の平面内に非対称に延在する、請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
11. 前記ダイアフラム要素（２２）は、前記基板の平面外および前記基板の平面内に対称的に伸びている、および／または、前記屈曲振動子（１０）のアイドル位置に基づいて、前記ダイアフラム要素（２２）は、前記基板の平面外および前記基板の平面内に同じ高さの拡張を含む、請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
12. 前記基板は、前記基板内のダイアフラム構造または前記基板内の前記ダイアフラム構造の一部を形成する、請求項１〜請求項１１のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル音響変換器トランスデューサ（１、１’、１’’）。
13. 前記マイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）は、前記基板の前記第１の屈曲振動子（１０）の領域に配置される蓋を含み、少なくとも前記第１の屈曲振動子（１０）および前記ダイアフラム要素（２２）は、前記蓋または前記第１の基板（２３３ｓ）によって覆われるようになっている、請求項１〜請求項１２のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
14. 前記蓋（２２０ａ、２２０ｂ、２２０ｃ）が前記ダイアフラム要素（２２）を形成する、請求項１３に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
15. 前記蓋に１つ以上の開口部を含む、および／または、前記マイクロメカニカル音響変換器は前記基板に１つ以上の音口部を含む、請求項１３または１４に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
16. 前記マイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）は、前記自由端を備えた第２の屈曲振動子（１２）を含み、前記第２の屈曲振動子（１２）は前記第１の屈曲振動子（１０）と相互平面（ｅ１）に配置され、そして、前記ダイアフラム要素（２２）は、前記第１の屈曲振動子（１０）の前記自由端と前記第２の屈曲振動子（１２）の前記自由端との間に配置されている、請求項１〜請求項１５のいずれかの１項に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
17. 前記自由端（１２ｆ）を備える第２の屈曲振動子（１２）であって、前記第１の屈曲振動子（１０）と相互平面（ｅ１）に配置されて、前記第１の屈曲振動子（１０）の前記自由端（１０ｆ）が、スリット（１４）を介して、前記第２の屈曲振動子（１２）の前記自由端（１０ｆ）から分離されるようになっている第２の屈曲振動子（１２）を含み、前記第２の屈曲振動子（１２）は、前記第１の屈曲振動子（１０）の垂直振動と同相で励起される、請求項１〜請求項１６のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
18. 前記第１および前記第２の屈曲振動子（１０、１２）は同じタイプの屈曲振動子である、請求項１７に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
19. 前記第１および／または前記第２の屈曲振動子（１２）は、平面、台形または長方形の屈曲振動子である、請求項１〜請求項１８のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
20. 前記第１および／または前記第２の屈曲振動子（１０、１２）は、断面が三角形または円形、または丸みを帯びた屈曲振動子である、請求項１〜請求項１９のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
21. 自由端が前記第１および／または第２の屈曲振動子（１０、１２）の前記自由端（１０ｆ、１２ｆ）から前記スリット（１４）を介して分離されるように、互いの表面領域に配置された１つ以上のさらなる屈曲振動子を含み、前記少なくとも１つのさらなる屈曲振動子は、前記第１および／または前記第２の屈曲振動子（１０、１２）の垂直振動と同位相で垂直に振動するように励起される、請求項１７〜請求項２０のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
22. 前記第１および前記第２の屈曲振動子（１２）を、励起されて同相で垂直に振動するように駆動するコントローラを含む、請求項１７〜請求項２１のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
23. 前記第１および／または前記第２の屈曲振動子（１２）の垂直振動および／または位置を感知するように構成されたセンサーシステムを含む、請求項１〜請求項２２のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
24. 前記スリット（１４）は、前記第１の屈曲振動子（１０）の表面積の１０％未満、または５％未満、または１％未満、または０．１％未満、または０．０１％未満である、請求項１〜請求項２３のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
25. 前記偏向時に、前記スリット（１４）は、前記第１の屈曲振動子（１０）の表面積の１５％未満であるか、または１０％、５％、１％、０．１％または０．０１％未満である、請求項１〜請求項２４のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
26. 前記スリット（１４）は前記第１の屈曲振動子（１０）のアイドル状態で存在する、請求項１〜請求項２５のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
27. 前記第１の屈曲振動子（１０）は、前記基板および／またはベース要素に対向する１つまたは複数の側面に固定される、請求項１〜請求項２６のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
28. 前記第１の屈曲振動子（１０）または前記第２の屈曲振動子（１２）は、それぞれ、各屈曲振動子を形成するために直列に接続された第１および第２の屈曲要素を含む、請求項１〜請求項２７のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
29. 前記第１の屈曲要素は固定端と自由端（１０ｆ）を含み、前記第２の屈曲要素は、その固定端で第１の屈曲振動子（１０）の前記自由端（１０ｆ）を固定し、前記自由端（１０ｆ）で前記第１および／または前記第２の屈曲振動子（１２）の前記自由端（１０ｆ、１２ｆ）を形成する、請求項２８に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
30. 前記第１の屈曲要素は、可撓性要素を介して前記第２の屈曲要素に接続される、請求項２８または請求項２９に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
31. 前記マイクロメカニカル音響変換器はフレームを含む、請求項２８〜請求項３０のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
32. 前記フレームは前記第１の屈曲要素と前記第２の屈曲要素との間の移行領域に配置される、請求項３１に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
33. 前記第１の屈曲要素および前記第２の屈曲要素は異なる制御信号で駆動され得る、請求項２８〜請求項３２のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
34. 基板に据え付けられたマイクロメカニカル音響変換器を製造する方法であって、前記マイクロメカニカル音響変換器は、前記基板の平面に沿って延在する第１の屈曲振動子（１０）と、前記第１の屈曲振動子に垂直に延在するダイアフラム要素（２２）とを有し、
    前記方法は、
    層を構築するステップであって、前記層の構築は、前記第１の屈曲振動子（１０）が自由端（１０ｆ）または自由側面を含み、且つ音を発するまたは受信するために垂直に振動して励起されるように構成されるように、前記第１の屈曲振動子（１０）を形成する、層を構築するステップ、および
    前記第１の屈曲振動子（１０）の前記層を越えて伸び、スリット（１４）を介して、前記第１の屈曲振動子（１０）の前記自由端（１０ｆ）から分離されるように、前記垂直なダイアフラム要素（２２）を実現するステップを含む、方法。
35. 第１の屈曲振動子（１０）を備えたマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）であって、自由端（１０ｆ）または自由側面を有するマイクロメカニカル音響変換器は、励起されて、音を発するかまたは受信するために、垂直に振動するように構成され、
    前記第１の屈曲振動子（１０、１２）は、前記第１の屈曲振動子を形成するために直列に接続された第１および第２の屈曲要素を含み、前記第１の屈曲要素は第１の制御信号で駆動され、前記第２の屈曲要素は第２の制御信号で駆動される、マイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
36. 前記第１の制御信号は前記第２の制御信号とは異なる、請求項３５に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
37. 前記第１の制御信号および前記第２の制御信号は相互の元の信号から導出され、前記第１の制御信号は前記第２の制御信号に対して修正される、請求項３６に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
38. 前記第１の制御信号は、前記第２の制御信号とは異なるまたは部分的に重複する周波数範囲を含み、前記第１の制御信号および前記第２の制御信号は相互の元の信号から導出され、前記第１の制御信号は、前記第２の制御信号とは異なる周波数フィルタリングを受けている、請求項３６または請求項３７に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
39. 前記第１の制御信号は、前記第２の制御信号よりも低い周波数範囲を含む、請求項３８に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
40. 自由端（１２ｆ）を備え、前記第１の屈曲振動子（１０）と相互平面（ｅ１）に配置される第２の屈曲振動子（１２）を含み、前記第２の屈曲振動子（１０、１２）は、直列に接続されて前記第２の屈曲振動子を形成する第１および第２の屈曲要素（１０、１２）を含む、請求項３５〜請求項３９のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
41. 前記第１の屈曲要素は、固定端と自由端を含み、前記第２の屈曲要素は、そのクランプされた端部で前記第１の屈曲振動子（１０）の自由端と接触し、その自由端で前記第１および／または前記第２の屈曲振動子（１０，１２）の自由端（１０ｆ、１２ｆ）を形成する、請求項３５〜請求項４０のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
42. 前記第１の屈曲要素は、可撓性要素を介して前記第２の屈曲要素に接続される、請求項３５〜請求項４１のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
43. 前記マイクロメカニカル音響変換器はフレームを含む、請求項３５〜請求項４２のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
44. 前記フレームは、前記第１の屈曲要素と前記第２の屈曲要素との間の移行領域に配置される、請求項４３に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
45. 前記第１の屈曲要素および前記第２の屈曲要素は異なる制御信号で駆動される、請求項３５〜請求項４４のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
46. 前記第１および／または前記第２の屈曲振動子（１０、１２）は、平面、台形または長方形の屈曲振動子である、請求項３５〜請求項４５のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
47. 前記第１および／または前記第２の屈曲振動子（１２）は、断面の形状が三角形または円形の屈曲振動子である、請求項３５〜請求項４６のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
48. 自由端がスリット（１４）を介して第１および／または前記第２の屈曲振動子（１２）の自由端（１０ｆ、１２ｆ）から分離されるように相互平面に配置された１つまたは複数のさらなる屈曲振動子を含み、少なくとも１つのさらなる屈曲振動子（１２）は、前記第１および／または前記第２の屈曲振動子（１０、１２）の垂直振動と同位相で垂直に振動するように励起される、請求項３５〜請求項４７のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
49. 前記スリット（１４）は、前記第１の屈曲振動子（１０）の表面の１０％未満、５％未満、１％未満、０．１％未満、または０．０１％未満である、請求項３５〜請求項４８のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
50. 偏向させると、前記スリット（１４）は、第１の屈曲振動子（１０）の面積の１５％未満、または１０％、５％、１％または０．１％未満、あるいは０．０１％未満である、請求項３５〜請求項４９のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
51. マイクロメカニカル音響変換器を製造する方法であって、前記マイクロメカニカル音響変換器は、第１の屈曲振動子（１０）を含み、
    前記方法は、
    前記第１の屈曲振動子（１０）が自由端（１０ｆ）を含むように、それぞれ第１および第２の屈曲要素を有する前記第１の屈曲振動子（１０）を少なくとも形成する第１の層を相互平面（ｅ１）に設けるステップと、
    前記それぞれの第１の屈曲要素を前記それぞれの第１の屈曲振動子の第２の屈曲要素に接続するステップと、を含む、請求項３５〜請求項５０のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル音響変換器を製造する方法。
52. ２つの屈曲振動子（１０）は、基板（２３ｓ）に対向して固定端で配置され、前記２つの屈曲振動子のうちの第１の屈曲振動子の幾何学的形状は、前記２つの屈曲振動子（１０）のうちの第２の屈曲振動子の幾何学的形状に含まれるまたは取り囲まれる、請求項１〜請求項３３または請求項３５〜請求項５０のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
53. 前記２つの屈曲振動子（１０）のうちの第２の屈曲振動子は、前記２つの屈曲振動子（１０）の第１の屈曲振動子のための凹部を含む、請求項５２に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
54. 前記２つの屈曲振動子は、スリットまたはダイアフラムを伴うスリットを介して分離されている、請求項５２または請求項５３に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。
55. 前記２つの屈曲振動子は、２つの異なる制御信号または２つの異なる周波数範囲についての２つの制御信号で駆動され得る、請求項５２、請求項５３または請求項５４に記載のマイクロメカニカル音響変換器（１、１’、１’’）。

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