静電型トランスデューサ
【課題】音響センサや圧力センサとして使用する場合に従来より感度が向上し、スピーカとして使用する場合には従来より出力音圧が向上する静電型トランスデューサを提供する。
【解決手段】固定板４には固定電極７が設けられ、固定板４にギャップＧを介して対向配置された可動板５には可動電極８が設けられる。固定板４は、厚み方向に貫通する貫通孔１０を有する。可動板５は、固定板４に対して固定板４の厚み方向に対向する振動部１１と、振動部１１における固定板４側の表面から突出し少なくとも振動部１１が振動する前の初期状態において貫通孔１０に一部が挿入される突起部１２とを有する。可動電極８は振動部１１から突起部１２に亘って設けられ、固定電極７は固定板４における振動部１１との対向面に沿う部分と貫通孔１０の内側面に沿う部分とを一体に有する。
【解決手段】固定板４には固定電極７が設けられ、固定板４にギャップＧを介して対向配置された可動板５には可動電極８が設けられる。固定板４は、厚み方向に貫通する貫通孔１０を有する。可動板５は、固定板４に対して固定板４の厚み方向に対向する振動部１１と、振動部１１における固定板４側の表面から突出し少なくとも振動部１１が振動する前の初期状態において貫通孔１０に一部が挿入される突起部１２とを有する。可動電極８は振動部１１から突起部１２に亘って設けられ、固定電極７は固定板４における振動部１１との対向面に沿う部分と貫通孔１０の内側面に沿う部分とを一体に有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可動板の振動エネルギを電気エネルギに変換する音響センサや、圧力変化による可動板の変位を電気エネルギに変換する圧力センサや、電気エネルギを可動板の振動エネルギに変換するスピーカ等として使用される静電型トランスデューサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、静電型トランスデューサ１として、図１０（ａ）に示すようにギャップＧを介して互いに対向配置された固定板４および可動板５と、固定板４および可動板５にそれぞれに設けられた一対の電極７，８（ここでは、固定板４に設けられた電極７が固定電極を、可動板５に設けられた電極８が可導電極を構成する）とを備えるものが知られている（たとえば特許文献１参照）。この種の静電型トランスデューサ１は、たとえばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術などの微細加工技術を利用して作製される。
【０００３】
図１０（ａ）の例では、固定板４および可動板５は枠状の支持基板３に支持されている。この静電型トランスデューサ１では、一対の電極７，８がギャップＧを介して対向することで一対の電極７，８間にキャパシタが構成されており、可動板５が厚み方向に振動すると一対の電極７，８間の距離が変化しキャパシタの静電容量が変化する。そのため、一対の電極７，８間にバイアス電圧を印加しておき、キャパシタの静電容量変化を電気信号に変換して取り出すことにより、可動板５が音波を受けた際に、当該音波に応じた可動板５の振動エネルギを電気エネルギ（ここでは、電気信号）として取り出すことができる。したがって、静電型トランスデューサ１はたとえば音響センサとして使用される。同様に、一対の電極７，８間にバイアス電圧を印加しておき圧力変化による可動板５の変位を電気エネルギとして取り出すことにより、圧力を検出する圧力センサとして使用することもできる。
【０００４】
この種の静電型トランスデューサ１において、受波音波に対する出力電圧の感度（電圧感度）は、音圧をＰ〔Ｐａ〕とすれば、
感度＝２０・ｌｏｇ１０（Ｅ／Ｐ）
で表される。ここで、Ｅは外部に流す電流が０〔Ａ〕のときの電極７，８間の電圧である開放端電圧〔Ｖ〕であって、電極７，８間の静電容量をＣ〔Ｆ〕、静電容量の変化量をΔＣ〔Ｆ〕、電極７，８に印加している直流バイアス電圧をＶ０〔Ｖ〕とすれば、
Ｅ∝（ΔＣ／Ｃ）・Ｖ０
の関係が成り立つ。要するに、ΔＣ／Ｃ（静電容量の変化率）が大きいほど、静電型トランスデューサ１の感度は高くなる。
【０００５】
以下に、一対の電極７，８間に直流バイアス電圧Ｖ０〔Ｖ〕が印加されている初期状態から可動板５が厚み方向に沿って固定板４側にｘ〔ｍ〕だけ変位したときの静電容量の変化率について、図１０（ｂ）に示すように静電型トランスデューサ１における固定板４および可動板５の小領域に着目して説明する。なお、可動板５が固定板４から離れる向きに変位したときにはｘ〔ｍ〕は負になる。ここでは、図１０（ａ）にＡで示す領域であって、可動板５の振動方向に直交する断面が一辺ａ〔ｍ〕の正方形となる領域を小領域とする。
【０００６】
可動板５の変位前における電極７，８間距離（ここではギャップＧのギャップ長）をｇ〔ｍ〕とすれば、可動板５の変位前における小領域の静電容量Ｃparallel〔Ｆ〕は、ギャップＧの誘電率をεとすると、
【０００７】
【数１】
【０００８】
で表される。同様に、可動板５の変位後における小領域の静電容量Ｃparallel’は、
【０００９】
【数２】
【００１０】
で表される。ここにおいて、小領域の静電容量の変化量ΔＣparallel〔Ｆ〕はＣparallel’−Ｃparallelで表されるから、結果的に、静電容量の変化率（ΔＣparallel／Ｃparallel）は、上述したＣparallel、Ｃparallel’を用いて、
【００１１】
【数３】
【００１２】
で表される。
【００１３】
ところで、可動板５の作製時に可動板５に生じる残留応力により可動板５のコンプライアンスが低下することが知られている。そこで、支持基板３が複数のアーム（図示せず）を介して可動板５を支持するようにし、可動板５が支持基板３に対して移動可能となるようにアームを歪ませることで可動板５の残留応力を緩和し、可動板５のコンプライアンスを向上させた静電型トランスデューサ１も提案されている（たとえば特許文献２参照）。この構成では、可動板５のコンプライアンスを向上させた分だけ、音波を受けた際の可動板５の変位ｘが大きくなるので、上述した静電容量の変化率（ΔＣparallel／Ｃparallel）が大きくなり、比較的高い感度を確保することができる。
【００１４】
なお、上述した静電型トランスデューサ１は、一対の電極７，８間に駆動電圧を印加すれば、一対の電極７，８間に静電力が作用し可動板５が固定板４側に引き寄せられるので、一対の電極７，８間に印加する駆動電圧を変化させることで、可動板５を振動させて可動板５から音波を発生することができる。つまり、上述した静電型トランスデューサ１は、音響センサに限らず、電気エネルギ（駆動電圧）を可動板５の振動エネルギに変換することで可動板５から音波を発生するスピーカとして使用することも可能である。
【特許文献１】特表２００４−５０６３９４号公報（図１）
【特許文献２】特表２００５−５３５１５２号公報（第６−７頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかし、特許文献２に記載の静電型トランスデューサ１であっても、音響センサや圧力センサとして使用する場合に、一般に普及しているエレクトレットコンデンサマイクロホン等に比べると感度が低く、さらなる感度の向上が望まれている。また、静電型トランスデューサ１をスピーカとして使用する場合に、出力音圧の向上が望まれている。
【００１６】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであって、音響センサや圧力センサとして使用する場合には従来よりも感度が向上し、スピーカとして使用する場合には従来よりも出力音圧が向上する静電型トランスデューサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
請求項１の発明では、ギャップを介して互いに対向配置された固定板および可動板と、固定板および可動板にそれぞれ設けられた一対の電極とを備え、一対の電極間にキャパシタが形成される静電型トランスデューサであって、固定板は、厚み方向に貫通する貫通孔を有し、可動板は、固定板に対して固定板の厚み方向に対向する振動部と、振動部における固定板側の表面から突出し少なくとも振動部が変位する前の初期状態において貫通孔に一部が挿入される突起部とを有し、可動板側の電極は振動部から突起部に亘って設けられ、固定板側の電極は固定板における振動部との対向面に沿う部分と貫通孔の内側面に沿う部分とを一体に有することを特徴とする。
【００１８】
この発明によれば、可動板側の電極は振動部から突起部に亘って設けられ、固定板側の電極は固定板における振動部との対向面に沿う部分と貫通孔の内側面に沿う部分とを一体に有するので、可動板が変位すると固定板と振動部との間の距離が変化して一対の電極間の距離が変化するだけではなく、貫通孔への突起部の挿入量に応じて一対の電極の対向面積も変化する。つまり、可動板が固定板側に変位すると、可動板側の電極のうち振動部に設けられた部分と固定板側の電極のうち固定板における振動部との対向面に沿う部分との間の距離が小さくなることでキャパシタの静電容量が増加することに加えて、可動板側の電極のうち突起部に設けられた部分と固定板側の電極のうち貫通孔の内側面に沿う部分との対向面積が増加することによってキャパシタの静電容量が増加する。したがって、貫通孔および突起部がない構成に比べると、可動板の変位量が同じ場合でも静電容量の変化率を大きくすることが可能となり、感度を向上することができる。なお、一対の電極間に駆動電圧を印加して一対の電極間に静電力を作用させることで可動板から音波を出力するスピーカとして使用する場合には、比較的大きな音圧を出力可能となる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、音響センサや圧力センサとして使用する場合には従来よりも感度が向上し、スピーカとして使用する場合には従来よりも出力音圧が向上するという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の静電型トランスデューサは、可動板の振動エネルギを電気エネルギに変換するたとえばマイクロホンなどの音響センサや、圧力変化による可動板の変位を電気エネルギに変換する圧力センサや、電気エネルギを可動板の振動エネルギに変換するスピーカ等として使用されるものであるが、以下の各実施形態では静電型トランスデューサを音響センサとして使用する例を示す。
【００２１】
（実施形態１）
本実施形態の静電型トランスデューサ１は、図１に示すように、矩形枠状に形成された支持基板３と、支持基板３の一表面側（図１（ａ）の上面側）に形成された固定板４と、固定板４の支持基板３と反対の一表面側において固定板４とはギャップＧを介して対向するように配置された可動板５とを備える。固定板４は矩形板状であって、支持基板３の開口部を閉塞するように支持基板３の前記一表面に形成されている。これにより、支持基板３の他表面側（図１（ａ）の下面側）においては支持基板３と固定板４とで囲まれたキャビティ２が形成される。可動板５は固定板４よりも薄肉の矩形板状に形成されており、固定板４の前記一表面側に絶縁支持部６を介して積層されている。絶縁支持部６は可動板５の周部と固定板４の周部との間に介在し、この絶縁支持部６によって固定板４と可動板５との間に所定のギャップ長を有するギャップＧが形成されている。
【００２２】
固定板４には固定電極７が設けられ、可動板５において固定電極７に対応する位置には固定電極７と対をなす可動電極８が設けられる。一対の電極（固定電極７および可動電極８）はギャップＧを介して対向し、固定電極７および可動電極８を電極とするキャパシタが構成される。これにより、可動板５が厚み方向に振動すると固定電極７と可動電極８との間の距離が変化しキャパシタの静電容量が変化するので、この静電容量変化を電気信号に変換して取り出すことにより、可動板５が音波を受けた際に当該音波に応じた可動板５の振動エネルギを電気エネルギ（ここでは、電気信号）として取り出すことができる。ここで、静電容量変化を電気信号に変換して取り出すため、音波を検出する際には固定電極７と可動電極８との間にバイアス電圧が印加される。本実施形態では、図１（ａ）に示すように固定電極７に接続されたパッド７ａを固定板４の支持基板３と反対側の一表面の一端部に設け、可動電極８に接続されたパッド８ａを可動板５の固定板４と反対側の一表面の一端部に設けることで、パッド７ａ，８ａから固定電極７と可動電極８との間にバイアス電圧を印加可能としてある。バイアス電圧を印加する外部回路はたとえばワイヤボンディングによりパッド７ａ，８ａと接続される。ここに、可動板５はパッド８ａを露出させる形状に形成されている。なお、図１（ｂ）ではパッド７ａ，８ａ、絶縁支持部６の図示を省略している。
【００２３】
支持基板３は、たとえばシリコン基板からなり中央部をエッチングで除去することにより固定板４と共にキャビティ２を構成する形状に形成されている。キャビティ２は、矩形状に開口しており、ここではたとえばアルカリ溶液を用いた異方性エッチングなどにより内側面にテーパを付け、支持基板３の厚み方向に直交する断面の面積が固定板４から離れるほど大きくなる形状に形成しているが、支持基板３を極力小型化するために各内側面が支持基板３の前記一表面に対してそれぞれ垂直に形成されていてもよい。
【００２４】
固定板４は、上述のように矩形板状に形成されており、支持基板３の前記一表面の各辺に対向する各辺を支持基板３の各辺に略平行させるように支持基板３上に配置される。固定板４は、シリコン（ポリシリコン、アモルファスシリコンを含む）や窒化シリコンなどから形成されており、ＣＶＤ法（化学気相成長法）などによる堆積により作製される。支持基板３とは別のシリコン基板にエッチングを施して後述の貫通孔を形成することで作製した固定板４を支持基板３に貼り合わせてもよい。支持基板３と別に作製した固定板４を支持基板３に貼り合わせてもよい。ここで、固定板４は音圧を受けても殆ど変形しないように所定の剛性を有する材料、厚み、サイズに設計されている。さらに固定板４には、可動板５の振動を妨げないように空気を通す貫通孔（いわゆるアコースティックホール）１０が、キャビティ２の底板となる領域に複数貫設されている。本実施形態の貫通孔１０は正方形状の開口を有する形状に形成されており、矩形状の領域において等間隔で格子点状に配置されている。つまり、固定板４におけるキャビティ２の底板となる領域は格子状に形成されている。ここでは貫通孔１０は、たとえばフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて形成される。あるいは、固定板４において貫通孔１０が形成される以外の領域に不純物をドープし、貫通孔１０以外の部位について部分的に耐エッチング性を高めた状態でエッチングを施すことで形成される。
【００２５】
本実施形態では、不純物をドープし導電性を付与したポリシリコンを固定板４の材料とすることにより固定板４自体が固定電極７を構成しているが、この構成に限らず、たとえば導電性を有する金属膜から固定板４を形成したり、絶縁体からなる固定板４に導電性を有する金属膜などを積層させたりすることによって固定電極７を形成してもよい。なお、絶縁体に導電パターンを積層させる場合には、寄生容量を小さく抑えるように、固定電極７の必要な部分、つまり固定板４のうち、可動板５において音波を受けて振動する部位に対向する部分と、固定電極７を外部回路に接続するための接続パターン（パッド７ａを含む）を形成する部分とのみに導電パターンを形成することが望ましい。
【００２６】
絶縁支持部６は、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜などの絶縁体からなり、固定板４に設けた固定電極７と可動板５に設けた可動電極８とを電気的に絶縁する。絶縁支持部６は固定板４の一表面の全周に亘って設けられている。ここでは一例として、作製過程において固定板４と可動板５との間に作製された絶縁性の犠牲層を部分的に除去し、犠牲層の残存部分を絶縁支持部６として用いている。
【００２７】
可動板５は、固定板４の一表面の各辺に対向する各辺を固定板４の各辺に略平行させるように固定板４上に配置されており、固定板４と同様に、シリコン（ポリシリコン、アモルファスシリコンを含む)や窒化シリコンなどから形成されており、ＣＶＤ法などによる堆積や、シリコン基板にエッチングを施して後述の突起部を形成することにより作製される。固定板４と別に作製した可動板５を固定板４に貼り合わせてもよい。ここにおいて、固定板４には上述したように貫通孔１０が複数貫設されているので、支持基板３の他表面側からキャビティ２内に伝播された音波は貫通孔１０を通って可動板５に伝播される。つまり、支持基板３と固定板４とで形成されたキャビティ２が音波の入り口となる。そのため、音波を検出する際には、静電型トランスデューサ１は、音波の検出を行う外部雰囲気にキャビティ２の開口面を晒すように配置される。
【００２８】
可動板５は、音波を受けて変位（振動）しやすいようにある程度大きなコンプライアンスを有しつつ、所望の共振周波数や振幅などの振動特性を実現することや、バイアス電圧を印加した際のプルイン（静電力が可動板５の復元力に比べて過大となって可動板５の姿勢を安定して制御できなくなる現象）を防止することなどを考慮して、適切なコンプライアンスを有する材料、厚み、サイズに設計される。このとき、可動板５の作製時に可動板５に生じる残留応力も考慮される。
【００２９】
また、本実施形態では、不純物をドープし導電性を付与したポリシリコンを可動板５の材料とすることにより可動板５自体が可動電極８を構成しているが、この構成に限らず、たとえば導電性を有する金属膜から可動板５を形成したり、絶縁体からなる可動板５に導電性を有する金属膜などを積層させたりすることによって可動電極８を形成してもよい。なお、絶縁体に導電パターンを積層させる場合には、寄生容量を小さく抑えるように、可動電極８の必要な部分、つまり可動板５のうち音波を受けて振動する部分（後述の振動部１１および突起部１２）と、可動電極８を外部回路に接続するための接続パターン（パッド８ａを含む）を形成する部分とのみに導電パターンを形成することが望ましい。
【００３０】
ところで、本実施形態の可動板５は、固定板４のうちキャビティ２の底板となる領域に対して固定板４の厚み方向に対向し音波を受けて振動する振動部１１と、振動部１１の固定板４側の表面において貫通孔１０の開口面に対向する各位置にそれぞれ突設された複数の突起部１２とを有している。なお、図１（ｂ）では可動板５における突起部１２以外の部分を想像線（２点鎖線）で図示している。
【００３１】
突起部１２は、突出方向に直交する断面が貫通孔１０の開口面よりも小さく形成され、且つ突出寸法が固定板４と振動部１１との間のギャップＧのギャップ長よりも大きく設定されており、少なくとも可動板５が振動する前の初期状態で貫通孔１０に一部が挿入されるものである。ここでいう初期状態は、バイアス電圧が一対の電極（固定電極７および可動電極８）間に印加されている状態を意味する。本実施形態では、突起部１２は突出方向に直交する断面が貫通孔１０の開口面よりも小さい正方形状となる四角柱状に形成されている。ここで、突起部１２は各側面を貫通孔１０の各内側面に略平行させるように貫通孔１０の開口面内での中央部に配置される。突起部１２は、可動板５の作製過程においてたとえば一表面に凹部を有する犠牲層の前記一表面に可動板５の材料を堆積した後で犠牲層を除去することで形成される。あるいは、可動板５を固定板４とは別に作製して固定板４に貼り合わせる場合、可動板５を部分的にエッチングすることで突起部１２を形成することもできる。
【００３２】
また、ここでは上述したように固定板４自体が固定電極７を構成し可動板５自体が可動電極８を構成しているから、振動部１１が固定板４に接触することによる固定電極７と可動電極８との間の短絡を防止する目的で、図２に示すように、振動部１１における固定板４との対向面に絶縁材料からなる絶縁膜１３を形成してもよい。固定板４における振動部１１との対向面に絶縁膜を形成してもよい。
【００３３】
以上説明した構成の静電型トランスデューサ１においては、可動電極８は振動部１１から突起部１２に亘って設けられ、固定電極７は固定板４における振動部１１との対向面に沿う部分と貫通孔１０の内側面に沿う部分とを一体に有するので、可動板５が振動すると、固定板４と振動部１１との間の距離が変化して固定電極７と可動電極８との間の距離が変化するだけではなく、貫通孔１０への突起部１２の挿入量が変化して貫通孔１０の内側面と突起部１２の側面との対向面積が変化することにより固定電極７と可動電極８との対向面積も変化する。要するに、固定電極７と可動電極８との間の距離が変化することによるキャパシタの静電容量の変化だけでなく、固定電極７と可動電極８との対向面積が変化することによるキャパシタの静電容量の変化も生じる。たとえば、振動部１１が固定板４側に変位すると、固定電極７と可動電極８との距離が小さくなるから静電容量が増加し、貫通孔１０の内側面と突起部１２の側面との対向面積が大きくなることによって静電容量がさらに増加する。したがって、貫通孔１０および突起部１２がない従来構成に比べると、可動板５の変位量が同じ場合でも静電容量の変化量は大きくなり、高い感度を確保することができる。
【００３４】
また、本実施形態では、固定板４および可動板５の材料を導電性材料とすることにより、固定板４自体が固定電極７を構成し、突起部１２自体が可動電極８を構成しているが、この構成に限らず、固定板４の材料を絶縁材料とし、固定板４における貫通孔１０の内側面に導電性を有する金属膜などを積層させることで固定電極７のうち貫通孔１０の内側面に沿う部分を形成してもよく、また、可動板５の材料を絶縁材料とし、突起部１２の表面に導電性を有する金属膜などを積層させることで可動電極８のうち突起部１２に設けられる部分を形成してもよい。ここで、固定電極７を固定板４における突起部１２との対向面（つまり貫通孔１０の内側面）に露出させることは必須ではなく、固定板４における突起部１２との対向面を絶縁材料からなる絶縁膜（図示せず）で覆い、突起部１２が固定板４における貫通孔１０の内側面に接触することによる固定電極７と可動電極８との間の短絡を防止するようにしてもよい。同様に、可動電極８を突起部１２の表面に露出させることは必須ではなく、突起部１２の表面を絶縁材料からなる絶縁膜（図示せず）で覆ってもよい。
【００３５】
以下、固定電極７と可動電極８との間にバイアス電圧が印加されている初期状態から可動板５が厚み方向に沿って固定板４側にｘ〔ｍ〕だけ変位したときの静電容量の変化率（ΔＣ／Ｃ）について、図３に示すように固定板４および可動板５の小領域に着目して説明する。なお、可動板５が固定板４から離れる向きに変位したときにはｘ〔ｍ〕は負になる。ここでは、図１（ａ）にＡで示す領域であって、１つの貫通孔１０および突起部１２を中央に有し、可動板５の振動方向に直交する断面が一辺ａ〔ｍ〕の正方形となる領域を小領域とする。
【００３６】
可動板５の変位前において、固定板４と振動部１１との対向面間の距離（つまり、ギャップＧのギャップ長）をｇ〔ｍ〕、突起部１２の断面の一辺長をｂ〔ｍ〕、貫通孔１０への突起部１２の挿入量をｃ〔ｍ〕、貫通孔１０の内側面と突起部１２の側面との間の距離をｄ〔ｍ〕とすれば、可動板５の変位前における小領域の静電容量Ｃcomb〔Ｆ〕は、ギャップＧの誘電率をεとすると、
【００３７】
【数４】
【００３８】
で表される。同様に、可動板５の変位後における小領域の静電容量Ｃcomb’は、
【００３９】
【数５】
【００４０】
で表される。ここにおいて、小領域の静電容量の変化量ΔＣcomb〔Ｆ〕はＣcomb’−Ｃcombで表されるから、結果的に、静電容量の変化率（ΔＣcomb／Ｃcomb）は、上述したＣcomb、Ｃcomb’を用いて、
【００４１】
【数６】
【００４２】
で表される。
【００４３】
一例として、上記数４、数５における各パラメータの値を、ａ＝６×１０−６〔ｍ〕、ｂ＝２×１０−６〔ｍ〕、ｃ＝１×１０−６〔ｍ〕、ｄ＝１×１０−６〔ｍ〕、ｇ＝４×１０−６〔ｍ〕と仮定し、可動板５が厚み方向にｘ＝５×１０−９〔ｍ〕だけ変位したと仮定して、静電容量の変化率（ΔＣcomb／Ｃcomb）を計算すると、上記数４、数５、数６からΔＣcomb／Ｃcomb＝０．００３５６と求まる。
【００４４】
これに対して、貫通孔１０および突起部１２がない従来構成において、同様の条件（ａ＝６×１０−６〔ｍ〕、ｇ＝４×１０−６〔ｍ〕、ｘ＝５×１０−９〔ｍ〕）で静電容量の変化率（ΔＣparallel／Ｃparallel）を計算すると、上記数１、数２、数３からΔＣparallel／Ｃparallel＝０．００１２５と求まる。
【００４５】
要するに、本実施形態の静電型トランスデューサ１では、従来の静電型トランスデューサ１に比較して、貫通孔１０および突起部１２を設けたことによって静電容量の変化率が大きくなり、感度が向上することになる。
【００４６】
ところで、本実施形態では四角柱状の突起部１２を例示しているが、突起部１２はこの形状に限るものではなく、少なくともバイアス電圧が印加されている初期状態で貫通孔１０に一部が挿入される形状であればよいので、たとえば多角柱状、角錘状、円柱状、円錐状などでもよい。図４に示すように突起部１２が中空に形成されていてもよい。さらにまた、本実施形態では貫通孔１０は正方形状の開口を有する形状に形成されており、格子点状に複数設けられているので、突起部１２は図５（ａ）にように貫通孔１０に対応する各位置に点在しているが、貫通孔１０の形状および配列はこの例に限るものではなく、突起部１２の形状および配置も貫通孔１０に合わせて適宜変更される。たとえば、貫通孔１０を細長いスリット状とする場合には、図５（ｂ）に示すように細長いリブ状の突起部１２を採用することができる。
【００４７】
なお、上述した静電型トランスデューサ１は、音波の検出を行う外部雰囲気にキャビティ２の開口面を晒すような配置に限らず、音波の検出を行う外部雰囲気に可動板５における固定板４と反対側の一表面を晒すように配置されてもよい。この場合には、可動板５は固定板４と反対側からの音波を受けることになるので、キャビティ２はバックチャンバとして機能する。
【００４８】
（実施形態２）
本実施形態の静電型トランスデューサ１は、基本構成が実施形態１と同様であり、固定板４と可動板５とが接触するのを防止するストッパを設けた点が実施形態１と相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素については同一の符号を付して説明を適宜省略する。
【００４９】
ストッパ１４は、たとえば図６に示すように振動部１１における固定板４との対向面の一部に突設される。これにより、振動部１１の厚み方向における移動範囲（振幅）を規制することができ、たとえば過大な音圧を受けたときでも、振動部１１の変位量が過大となることによる可動板５の破損や、可動板５が固定板４に接触することによる固定電極７と可動電極８との間の短絡を回避することができる。ここにおいて、ストッパ１４を通して固定電極７と可動電極８とが短絡することがないように、固定板４自体が固定電極７を構成し可動板５自体が可動電極８を構成している場合、あるいは固定板４と振動部１１とのそれぞれの対向面間に固定電極７および可動電極８が露出している場合には、ストッパ１４の少なくとも一部（たとえば表面や突出方向の中間部など）を絶縁材料で形成し、固定電極７と可動電極８との間の絶縁性を確保する。ストッパ１４は固定板４における振動部１１との対向面に設けられていてもよい。
【００５０】
また、他の例として、図７に示すように固定板４における突起部１２との対向面（貫通孔１０の内側面）にストッパ１４を突設してもよい。これにより、固定板４の厚み方向に直交する面内での可動板５の移動範囲を規制することができ、たとえば静電型トランスデューサ１に衝撃が加わったときでも、固定板４の厚み方向に直交する面内で可動板５が大きく移動することによる可動板５の破損や、突起部１２が貫通孔１０の内側面に接触することによる固定電極７と可動電極８との間の短絡を回避することができる。ここにおいて、ストッパ１４の少なくとも一部（たとえば表面や突出方向の中間部など）を絶縁材料で形成し、固定電極７と可動電極８との間の絶縁性を確保する。ストッパ１４は突起部１２における貫通孔１０の内側面との対向面に設けられていてもよい。
【００５１】
（実施形態３）
本実施形態の静電型トランスデューサ１は、基本構成が実施形態１と同様であり、電極対（固定電極７および可動電極８）を複数組設けてキャパシタを複数形成している点が実施形態１と相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素については同一の符号を付し説明を省略する。
【００５２】
本実施形態では、たとえば図８に示すように１枚の可動板５の厚み方向の両側に固定板（以下では、第１の固定板４１および第２の固定板４２と称する）を設けている。ここで、可動板５においては第１および第２の各固定板４１，４２との対向面にそれぞれ突起部１２が突設されている。この静電型トランスデューサ１は、第１の固定板４１の固定電極７と可動板５の可動電極８との間に形成されるキャパシタＣ１と、第２の固定板４２の固定電極７と可動板５の可動電極８との間に形成されるキャパシタＣ２とを有するものであり、可動板５が厚み方向に振動すると第１および第２の各固定板４１，４２と可動電極８との間の距離が変化し各キャパシタＣ１，Ｃ２の静電容量が変化する。ここで、各静電容量変化を電気信号に変換して取り出すため、音波を検出する際にはキャパシタＣ１とキャパシタＣ２とのそれぞれにバイアス電圧が印加される。
【００５３】
上述した構成によれば、可動板５が音波を受けて振動した際にキャパシタＣ１から取り出される電気信号とキャパシタＣ２から取り出される電気信号とは互いに逆位相となるから、それぞれの電気信号の差分をとる差動増幅回路を後段に設ければ、音波に対して出力される電気信号（電圧）が大きくなり、感度が向上することになる。さらに、この静電型トランスデューサ１は可動板５の厚み方向の両側から音波を受波することができるので、いわゆる双指向性を持った音響センサとして使用することができる。
【００５４】
また、本実施形態の他の例として、図９に示すように１枚の固定板４の両側に可動板５（以下では、第１の可動板５１および第２の可動板５２と称する）を設けてもよい。この静電型トランスデューサ１は、第１の可動板５１の可動電極８と固定板４の固定電極７との間に形成されるキャパシタＣ１と、第２の可動板５２の可動電極８と固定板４の固定電極７との間に形成されるキャパシタＣ２とを有するものであり、第１の可動板５１が振動すれば第１の可動板５１と固定板４との間の距離が変化しキャパシタＣ１の静電容量が変化する一方で、第２の可動板５２が振動すれば第２の可動板５２と固定板４との間の距離が変化してキャパシタＣ２の静電容量が変化する。この構成の静電型トランスデューサ１は、第１の可動板５１と第２の可動板５２とのそれぞれで音波を受け、各音波をそれぞれ電気信号に変換して出力することができ、いわゆる双指向性を持った音響センサとして使用することができる。
【００５５】
ところで、上述した各実施形態では、可動板５の振動エネルギを電気エネルギに変換して出力する音響センサとして本発明の静電型トランスデューサ１を使用する例を示したが、固定電極７−可動電極８間にバイアス電圧を印加しておき圧力変化による可動板５の変位を電気エネルギとして取り出すことにより、圧力を検出する圧力センサとして本発明の静電型トランスデューサ１を使用することもでき、この場合にも、音響センサとして使用する場合と同様に、従来構成に比較して高い感度を得ることができる。
【００５６】
また、電気エネルギを可動板５の振動エネルギに変換するスピーカとして本発明の静電型トランスデューサ１を使用することもできる。すなわち、上述した静電型トランスデューサ１は、一対の電極（固定電極７および可動電極８）間に駆動電圧（電気エネルギ）を印加すれば、固定電極７−可動電極８間に静電力が作用し可動板５が固定板４側に引き寄せられるので、固定電極７−可動電極８間に印加する駆動電圧を変化させることにより、可動板５を振動させて可動板５から音波を出力することができる。ここに、突起部１２は少なくとも可動板５が振動する前の初期状態（つまり、駆動電圧が印加されていない状態）で貫通孔１０に一部が挿入される。静電型トランスデューサ１をスピーカとして使用する場合、固定電極７−可動電極８間に作用する静電力Ｆは、固定電極７−可動電極８間の静電エネルギをＵ、固定電極７−可動電極８間の静電容量をＣ〔Ｆ〕、一対の電極（固定電極７および可動電極８）間に印加する駆動電圧をＶ１〔Ｖ〕、可動板５の初期状態からの変位をｘ〔ｍ〕とすれば、
【００５７】
【数７】
【００５８】
で表される。ここで、実施形態１で説明した小領域に着目すると、初期状態から可動板５が厚み方向に沿って固定板４側にｘ〔ｍ〕だけ変位した状態での小領域の静電力Ｆcombは、上記数５、数７より、
【００５９】
【数８】
【００６０】
で表される。なお、静電力Ｆcombは可動板５を厚み方向に沿って固定板４側に引き寄せる向きの力（いわゆる静電引力）である。これに対して、貫通孔１０および突起部１２がない従来構成において、初期状態から可動板５が厚み方向に沿って固定板４側にｘ〔ｍ〕だけ変位した状態での小領域の静電力Ｆparallelは、上記数２、数７より、
【００６１】
【数９】
【００６２】
で表される。したがって、一例として上記数８、数９の各パラメータの値を、ａ＝６×１０−６〔ｍ〕、ｂ＝２×１０−６〔ｍ〕、ｄ＝１×１０−６〔ｍ〕、ｇ＝４×１０−６〔ｍ〕と仮定したときに、初期状態（つまり、ｘ＝０〔ｍ〕）にある可動板５に作用する小領域の静電力について、本発明の静電型トランスデューサ１と従来構成とで比をとると、上記数８、数９からＦcomb／Ｆparallel＝２．７６と求まる。これは、一対の電極（固定電極７および可動電極８）間に同じ大きさの駆動電圧Ｖ１〔Ｖ〕を印加したときに、本発明の静電型トランスデューサ１では従来構成の２．７６倍の静電力が固定電極７と可動電極８との間に作用することを意味する。
【００６３】
要するに、本発明の静電型トランスデューサ１では、貫通孔１０および突起部１２がない従来構成に比較して、音響センサや圧力センサとして使用される場合に高い感度が得られるだけでなく、スピーカとして使用される場合に固定電極７−可動電極８間に作用する静電力が大きくなり、出力音圧が向上する。また、従来構成と同一感度の音響センサや圧力センサとして本発明の静電型トランスデューサ１を用いる場合には、従来構成に比べて静電型トランスデューサ１の小型化、バイアス電圧の低電圧化を図ることができ、従来構成と同一出力のスピーカとして本発明の静電型トランスデューサ１を用いる場合には、従来構成に比べて静電型トランスデューサ１の小型化、駆動電圧の低電圧化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の実施形態１の静電型トランスデューサを示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は一部を破断した概略斜視図である。
【図２】同上の他の例の要部を示す概略断面図である。
【図３】同上の小領域を示す概略斜視図である。
【図４】同上の他の例の要部を示し、一部破断した概略斜視図である。
【図５】（ａ）は同上の要部を示し、一部破断した概略斜視図、（ｂ）は他の例の要部を示し、一部破断した概略斜視図である。
【図６】本発明の実施形態２の静電型トランスデューサの要部を示す概略断面図である。
【図７】同上の他の例の要部を示す概略断面図である。
【図８】本発明の実施形態３の静電型トランスデューサを示す概略断面図である。
【図９】同上の他の例を示す概略断面図である。
【図１０】従来例を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は小領域の概略斜視図である。
【符号の説明】
【００６５】
１ 静電型トランスデューサ
４ 固定板
５ 可動板
７ 固定電極
８ 可動電極
１０ 貫通孔
１１ 振動部
１２ 突起部
Ｇ ギャップ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可動板の振動エネルギを電気エネルギに変換する音響センサや、圧力変化による可動板の変位を電気エネルギに変換する圧力センサや、電気エネルギを可動板の振動エネルギに変換するスピーカ等として使用される静電型トランスデューサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、静電型トランスデューサ１として、図１０（ａ）に示すようにギャップＧを介して互いに対向配置された固定板４および可動板５と、固定板４および可動板５にそれぞれに設けられた一対の電極７，８（ここでは、固定板４に設けられた電極７が固定電極を、可動板５に設けられた電極８が可導電極を構成する）とを備えるものが知られている（たとえば特許文献１参照）。この種の静電型トランスデューサ１は、たとえばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術などの微細加工技術を利用して作製される。
【０００３】
図１０（ａ）の例では、固定板４および可動板５は枠状の支持基板３に支持されている。この静電型トランスデューサ１では、一対の電極７，８がギャップＧを介して対向することで一対の電極７，８間にキャパシタが構成されており、可動板５が厚み方向に振動すると一対の電極７，８間の距離が変化しキャパシタの静電容量が変化する。そのため、一対の電極７，８間にバイアス電圧を印加しておき、キャパシタの静電容量変化を電気信号に変換して取り出すことにより、可動板５が音波を受けた際に、当該音波に応じた可動板５の振動エネルギを電気エネルギ（ここでは、電気信号）として取り出すことができる。したがって、静電型トランスデューサ１はたとえば音響センサとして使用される。同様に、一対の電極７，８間にバイアス電圧を印加しておき圧力変化による可動板５の変位を電気エネルギとして取り出すことにより、圧力を検出する圧力センサとして使用することもできる。
【０００４】
この種の静電型トランスデューサ１において、受波音波に対する出力電圧の感度（電圧感度）は、音圧をＰ〔Ｐａ〕とすれば、
感度＝２０・ｌｏｇ１０（Ｅ／Ｐ）
で表される。ここで、Ｅは外部に流す電流が０〔Ａ〕のときの電極７，８間の電圧である開放端電圧〔Ｖ〕であって、電極７，８間の静電容量をＣ〔Ｆ〕、静電容量の変化量をΔＣ〔Ｆ〕、電極７，８に印加している直流バイアス電圧をＶ０〔Ｖ〕とすれば、
Ｅ∝（ΔＣ／Ｃ）・Ｖ０
の関係が成り立つ。要するに、ΔＣ／Ｃ（静電容量の変化率）が大きいほど、静電型トランスデューサ１の感度は高くなる。
【０００５】
以下に、一対の電極７，８間に直流バイアス電圧Ｖ０〔Ｖ〕が印加されている初期状態から可動板５が厚み方向に沿って固定板４側にｘ〔ｍ〕だけ変位したときの静電容量の変化率について、図１０（ｂ）に示すように静電型トランスデューサ１における固定板４および可動板５の小領域に着目して説明する。なお、可動板５が固定板４から離れる向きに変位したときにはｘ〔ｍ〕は負になる。ここでは、図１０（ａ）にＡで示す領域であって、可動板５の振動方向に直交する断面が一辺ａ〔ｍ〕の正方形となる領域を小領域とする。
【０００６】
可動板５の変位前における電極７，８間距離（ここではギャップＧのギャップ長）をｇ〔ｍ〕とすれば、可動板５の変位前における小領域の静電容量Ｃparallel〔Ｆ〕は、ギャップＧの誘電率をεとすると、
【０００７】
【数１】
【０００８】
で表される。同様に、可動板５の変位後における小領域の静電容量Ｃparallel’は、
【０００９】
【数２】
【００１０】
で表される。ここにおいて、小領域の静電容量の変化量ΔＣparallel〔Ｆ〕はＣparallel’−Ｃparallelで表されるから、結果的に、静電容量の変化率（ΔＣparallel／Ｃparallel）は、上述したＣparallel、Ｃparallel’を用いて、
【００１１】
【数３】
【００１２】
で表される。
【００１３】
ところで、可動板５の作製時に可動板５に生じる残留応力により可動板５のコンプライアンスが低下することが知られている。そこで、支持基板３が複数のアーム（図示せず）を介して可動板５を支持するようにし、可動板５が支持基板３に対して移動可能となるようにアームを歪ませることで可動板５の残留応力を緩和し、可動板５のコンプライアンスを向上させた静電型トランスデューサ１も提案されている（たとえば特許文献２参照）。この構成では、可動板５のコンプライアンスを向上させた分だけ、音波を受けた際の可動板５の変位ｘが大きくなるので、上述した静電容量の変化率（ΔＣparallel／Ｃparallel）が大きくなり、比較的高い感度を確保することができる。
【００１４】
なお、上述した静電型トランスデューサ１は、一対の電極７，８間に駆動電圧を印加すれば、一対の電極７，８間に静電力が作用し可動板５が固定板４側に引き寄せられるので、一対の電極７，８間に印加する駆動電圧を変化させることで、可動板５を振動させて可動板５から音波を発生することができる。つまり、上述した静電型トランスデューサ１は、音響センサに限らず、電気エネルギ（駆動電圧）を可動板５の振動エネルギに変換することで可動板５から音波を発生するスピーカとして使用することも可能である。
【特許文献１】特表２００４−５０６３９４号公報（図１）
【特許文献２】特表２００５−５３５１５２号公報（第６−７頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかし、特許文献２に記載の静電型トランスデューサ１であっても、音響センサや圧力センサとして使用する場合に、一般に普及しているエレクトレットコンデンサマイクロホン等に比べると感度が低く、さらなる感度の向上が望まれている。また、静電型トランスデューサ１をスピーカとして使用する場合に、出力音圧の向上が望まれている。
【００１６】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであって、音響センサや圧力センサとして使用する場合には従来よりも感度が向上し、スピーカとして使用する場合には従来よりも出力音圧が向上する静電型トランスデューサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
請求項１の発明では、ギャップを介して互いに対向配置された固定板および可動板と、固定板および可動板にそれぞれ設けられた一対の電極とを備え、一対の電極間にキャパシタが形成される静電型トランスデューサであって、固定板は、厚み方向に貫通する貫通孔を有し、可動板は、固定板に対して固定板の厚み方向に対向する振動部と、振動部における固定板側の表面から突出し少なくとも振動部が変位する前の初期状態において貫通孔に一部が挿入される突起部とを有し、可動板側の電極は振動部から突起部に亘って設けられ、固定板側の電極は固定板における振動部との対向面に沿う部分と貫通孔の内側面に沿う部分とを一体に有することを特徴とする。
【００１８】
この発明によれば、可動板側の電極は振動部から突起部に亘って設けられ、固定板側の電極は固定板における振動部との対向面に沿う部分と貫通孔の内側面に沿う部分とを一体に有するので、可動板が変位すると固定板と振動部との間の距離が変化して一対の電極間の距離が変化するだけではなく、貫通孔への突起部の挿入量に応じて一対の電極の対向面積も変化する。つまり、可動板が固定板側に変位すると、可動板側の電極のうち振動部に設けられた部分と固定板側の電極のうち固定板における振動部との対向面に沿う部分との間の距離が小さくなることでキャパシタの静電容量が増加することに加えて、可動板側の電極のうち突起部に設けられた部分と固定板側の電極のうち貫通孔の内側面に沿う部分との対向面積が増加することによってキャパシタの静電容量が増加する。したがって、貫通孔および突起部がない構成に比べると、可動板の変位量が同じ場合でも静電容量の変化率を大きくすることが可能となり、感度を向上することができる。なお、一対の電極間に駆動電圧を印加して一対の電極間に静電力を作用させることで可動板から音波を出力するスピーカとして使用する場合には、比較的大きな音圧を出力可能となる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、音響センサや圧力センサとして使用する場合には従来よりも感度が向上し、スピーカとして使用する場合には従来よりも出力音圧が向上するという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の静電型トランスデューサは、可動板の振動エネルギを電気エネルギに変換するたとえばマイクロホンなどの音響センサや、圧力変化による可動板の変位を電気エネルギに変換する圧力センサや、電気エネルギを可動板の振動エネルギに変換するスピーカ等として使用されるものであるが、以下の各実施形態では静電型トランスデューサを音響センサとして使用する例を示す。
【００２１】
（実施形態１）
本実施形態の静電型トランスデューサ１は、図１に示すように、矩形枠状に形成された支持基板３と、支持基板３の一表面側（図１（ａ）の上面側）に形成された固定板４と、固定板４の支持基板３と反対の一表面側において固定板４とはギャップＧを介して対向するように配置された可動板５とを備える。固定板４は矩形板状であって、支持基板３の開口部を閉塞するように支持基板３の前記一表面に形成されている。これにより、支持基板３の他表面側（図１（ａ）の下面側）においては支持基板３と固定板４とで囲まれたキャビティ２が形成される。可動板５は固定板４よりも薄肉の矩形板状に形成されており、固定板４の前記一表面側に絶縁支持部６を介して積層されている。絶縁支持部６は可動板５の周部と固定板４の周部との間に介在し、この絶縁支持部６によって固定板４と可動板５との間に所定のギャップ長を有するギャップＧが形成されている。
【００２２】
固定板４には固定電極７が設けられ、可動板５において固定電極７に対応する位置には固定電極７と対をなす可動電極８が設けられる。一対の電極（固定電極７および可動電極８）はギャップＧを介して対向し、固定電極７および可動電極８を電極とするキャパシタが構成される。これにより、可動板５が厚み方向に振動すると固定電極７と可動電極８との間の距離が変化しキャパシタの静電容量が変化するので、この静電容量変化を電気信号に変換して取り出すことにより、可動板５が音波を受けた際に当該音波に応じた可動板５の振動エネルギを電気エネルギ（ここでは、電気信号）として取り出すことができる。ここで、静電容量変化を電気信号に変換して取り出すため、音波を検出する際には固定電極７と可動電極８との間にバイアス電圧が印加される。本実施形態では、図１（ａ）に示すように固定電極７に接続されたパッド７ａを固定板４の支持基板３と反対側の一表面の一端部に設け、可動電極８に接続されたパッド８ａを可動板５の固定板４と反対側の一表面の一端部に設けることで、パッド７ａ，８ａから固定電極７と可動電極８との間にバイアス電圧を印加可能としてある。バイアス電圧を印加する外部回路はたとえばワイヤボンディングによりパッド７ａ，８ａと接続される。ここに、可動板５はパッド８ａを露出させる形状に形成されている。なお、図１（ｂ）ではパッド７ａ，８ａ、絶縁支持部６の図示を省略している。
【００２３】
支持基板３は、たとえばシリコン基板からなり中央部をエッチングで除去することにより固定板４と共にキャビティ２を構成する形状に形成されている。キャビティ２は、矩形状に開口しており、ここではたとえばアルカリ溶液を用いた異方性エッチングなどにより内側面にテーパを付け、支持基板３の厚み方向に直交する断面の面積が固定板４から離れるほど大きくなる形状に形成しているが、支持基板３を極力小型化するために各内側面が支持基板３の前記一表面に対してそれぞれ垂直に形成されていてもよい。
【００２４】
固定板４は、上述のように矩形板状に形成されており、支持基板３の前記一表面の各辺に対向する各辺を支持基板３の各辺に略平行させるように支持基板３上に配置される。固定板４は、シリコン（ポリシリコン、アモルファスシリコンを含む）や窒化シリコンなどから形成されており、ＣＶＤ法（化学気相成長法）などによる堆積により作製される。支持基板３とは別のシリコン基板にエッチングを施して後述の貫通孔を形成することで作製した固定板４を支持基板３に貼り合わせてもよい。支持基板３と別に作製した固定板４を支持基板３に貼り合わせてもよい。ここで、固定板４は音圧を受けても殆ど変形しないように所定の剛性を有する材料、厚み、サイズに設計されている。さらに固定板４には、可動板５の振動を妨げないように空気を通す貫通孔（いわゆるアコースティックホール）１０が、キャビティ２の底板となる領域に複数貫設されている。本実施形態の貫通孔１０は正方形状の開口を有する形状に形成されており、矩形状の領域において等間隔で格子点状に配置されている。つまり、固定板４におけるキャビティ２の底板となる領域は格子状に形成されている。ここでは貫通孔１０は、たとえばフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて形成される。あるいは、固定板４において貫通孔１０が形成される以外の領域に不純物をドープし、貫通孔１０以外の部位について部分的に耐エッチング性を高めた状態でエッチングを施すことで形成される。
【００２５】
本実施形態では、不純物をドープし導電性を付与したポリシリコンを固定板４の材料とすることにより固定板４自体が固定電極７を構成しているが、この構成に限らず、たとえば導電性を有する金属膜から固定板４を形成したり、絶縁体からなる固定板４に導電性を有する金属膜などを積層させたりすることによって固定電極７を形成してもよい。なお、絶縁体に導電パターンを積層させる場合には、寄生容量を小さく抑えるように、固定電極７の必要な部分、つまり固定板４のうち、可動板５において音波を受けて振動する部位に対向する部分と、固定電極７を外部回路に接続するための接続パターン（パッド７ａを含む）を形成する部分とのみに導電パターンを形成することが望ましい。
【００２６】
絶縁支持部６は、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜などの絶縁体からなり、固定板４に設けた固定電極７と可動板５に設けた可動電極８とを電気的に絶縁する。絶縁支持部６は固定板４の一表面の全周に亘って設けられている。ここでは一例として、作製過程において固定板４と可動板５との間に作製された絶縁性の犠牲層を部分的に除去し、犠牲層の残存部分を絶縁支持部６として用いている。
【００２７】
可動板５は、固定板４の一表面の各辺に対向する各辺を固定板４の各辺に略平行させるように固定板４上に配置されており、固定板４と同様に、シリコン（ポリシリコン、アモルファスシリコンを含む)や窒化シリコンなどから形成されており、ＣＶＤ法などによる堆積や、シリコン基板にエッチングを施して後述の突起部を形成することにより作製される。固定板４と別に作製した可動板５を固定板４に貼り合わせてもよい。ここにおいて、固定板４には上述したように貫通孔１０が複数貫設されているので、支持基板３の他表面側からキャビティ２内に伝播された音波は貫通孔１０を通って可動板５に伝播される。つまり、支持基板３と固定板４とで形成されたキャビティ２が音波の入り口となる。そのため、音波を検出する際には、静電型トランスデューサ１は、音波の検出を行う外部雰囲気にキャビティ２の開口面を晒すように配置される。
【００２８】
可動板５は、音波を受けて変位（振動）しやすいようにある程度大きなコンプライアンスを有しつつ、所望の共振周波数や振幅などの振動特性を実現することや、バイアス電圧を印加した際のプルイン（静電力が可動板５の復元力に比べて過大となって可動板５の姿勢を安定して制御できなくなる現象）を防止することなどを考慮して、適切なコンプライアンスを有する材料、厚み、サイズに設計される。このとき、可動板５の作製時に可動板５に生じる残留応力も考慮される。
【００２９】
また、本実施形態では、不純物をドープし導電性を付与したポリシリコンを可動板５の材料とすることにより可動板５自体が可動電極８を構成しているが、この構成に限らず、たとえば導電性を有する金属膜から可動板５を形成したり、絶縁体からなる可動板５に導電性を有する金属膜などを積層させたりすることによって可動電極８を形成してもよい。なお、絶縁体に導電パターンを積層させる場合には、寄生容量を小さく抑えるように、可動電極８の必要な部分、つまり可動板５のうち音波を受けて振動する部分（後述の振動部１１および突起部１２）と、可動電極８を外部回路に接続するための接続パターン（パッド８ａを含む）を形成する部分とのみに導電パターンを形成することが望ましい。
【００３０】
ところで、本実施形態の可動板５は、固定板４のうちキャビティ２の底板となる領域に対して固定板４の厚み方向に対向し音波を受けて振動する振動部１１と、振動部１１の固定板４側の表面において貫通孔１０の開口面に対向する各位置にそれぞれ突設された複数の突起部１２とを有している。なお、図１（ｂ）では可動板５における突起部１２以外の部分を想像線（２点鎖線）で図示している。
【００３１】
突起部１２は、突出方向に直交する断面が貫通孔１０の開口面よりも小さく形成され、且つ突出寸法が固定板４と振動部１１との間のギャップＧのギャップ長よりも大きく設定されており、少なくとも可動板５が振動する前の初期状態で貫通孔１０に一部が挿入されるものである。ここでいう初期状態は、バイアス電圧が一対の電極（固定電極７および可動電極８）間に印加されている状態を意味する。本実施形態では、突起部１２は突出方向に直交する断面が貫通孔１０の開口面よりも小さい正方形状となる四角柱状に形成されている。ここで、突起部１２は各側面を貫通孔１０の各内側面に略平行させるように貫通孔１０の開口面内での中央部に配置される。突起部１２は、可動板５の作製過程においてたとえば一表面に凹部を有する犠牲層の前記一表面に可動板５の材料を堆積した後で犠牲層を除去することで形成される。あるいは、可動板５を固定板４とは別に作製して固定板４に貼り合わせる場合、可動板５を部分的にエッチングすることで突起部１２を形成することもできる。
【００３２】
また、ここでは上述したように固定板４自体が固定電極７を構成し可動板５自体が可動電極８を構成しているから、振動部１１が固定板４に接触することによる固定電極７と可動電極８との間の短絡を防止する目的で、図２に示すように、振動部１１における固定板４との対向面に絶縁材料からなる絶縁膜１３を形成してもよい。固定板４における振動部１１との対向面に絶縁膜を形成してもよい。
【００３３】
以上説明した構成の静電型トランスデューサ１においては、可動電極８は振動部１１から突起部１２に亘って設けられ、固定電極７は固定板４における振動部１１との対向面に沿う部分と貫通孔１０の内側面に沿う部分とを一体に有するので、可動板５が振動すると、固定板４と振動部１１との間の距離が変化して固定電極７と可動電極８との間の距離が変化するだけではなく、貫通孔１０への突起部１２の挿入量が変化して貫通孔１０の内側面と突起部１２の側面との対向面積が変化することにより固定電極７と可動電極８との対向面積も変化する。要するに、固定電極７と可動電極８との間の距離が変化することによるキャパシタの静電容量の変化だけでなく、固定電極７と可動電極８との対向面積が変化することによるキャパシタの静電容量の変化も生じる。たとえば、振動部１１が固定板４側に変位すると、固定電極７と可動電極８との距離が小さくなるから静電容量が増加し、貫通孔１０の内側面と突起部１２の側面との対向面積が大きくなることによって静電容量がさらに増加する。したがって、貫通孔１０および突起部１２がない従来構成に比べると、可動板５の変位量が同じ場合でも静電容量の変化量は大きくなり、高い感度を確保することができる。
【００３４】
また、本実施形態では、固定板４および可動板５の材料を導電性材料とすることにより、固定板４自体が固定電極７を構成し、突起部１２自体が可動電極８を構成しているが、この構成に限らず、固定板４の材料を絶縁材料とし、固定板４における貫通孔１０の内側面に導電性を有する金属膜などを積層させることで固定電極７のうち貫通孔１０の内側面に沿う部分を形成してもよく、また、可動板５の材料を絶縁材料とし、突起部１２の表面に導電性を有する金属膜などを積層させることで可動電極８のうち突起部１２に設けられる部分を形成してもよい。ここで、固定電極７を固定板４における突起部１２との対向面（つまり貫通孔１０の内側面）に露出させることは必須ではなく、固定板４における突起部１２との対向面を絶縁材料からなる絶縁膜（図示せず）で覆い、突起部１２が固定板４における貫通孔１０の内側面に接触することによる固定電極７と可動電極８との間の短絡を防止するようにしてもよい。同様に、可動電極８を突起部１２の表面に露出させることは必須ではなく、突起部１２の表面を絶縁材料からなる絶縁膜（図示せず）で覆ってもよい。
【００３５】
以下、固定電極７と可動電極８との間にバイアス電圧が印加されている初期状態から可動板５が厚み方向に沿って固定板４側にｘ〔ｍ〕だけ変位したときの静電容量の変化率（ΔＣ／Ｃ）について、図３に示すように固定板４および可動板５の小領域に着目して説明する。なお、可動板５が固定板４から離れる向きに変位したときにはｘ〔ｍ〕は負になる。ここでは、図１（ａ）にＡで示す領域であって、１つの貫通孔１０および突起部１２を中央に有し、可動板５の振動方向に直交する断面が一辺ａ〔ｍ〕の正方形となる領域を小領域とする。
【００３６】
可動板５の変位前において、固定板４と振動部１１との対向面間の距離（つまり、ギャップＧのギャップ長）をｇ〔ｍ〕、突起部１２の断面の一辺長をｂ〔ｍ〕、貫通孔１０への突起部１２の挿入量をｃ〔ｍ〕、貫通孔１０の内側面と突起部１２の側面との間の距離をｄ〔ｍ〕とすれば、可動板５の変位前における小領域の静電容量Ｃcomb〔Ｆ〕は、ギャップＧの誘電率をεとすると、
【００３７】
【数４】
【００３８】
で表される。同様に、可動板５の変位後における小領域の静電容量Ｃcomb’は、
【００３９】
【数５】
【００４０】
で表される。ここにおいて、小領域の静電容量の変化量ΔＣcomb〔Ｆ〕はＣcomb’−Ｃcombで表されるから、結果的に、静電容量の変化率（ΔＣcomb／Ｃcomb）は、上述したＣcomb、Ｃcomb’を用いて、
【００４１】
【数６】
【００４２】
で表される。
【００４３】
一例として、上記数４、数５における各パラメータの値を、ａ＝６×１０−６〔ｍ〕、ｂ＝２×１０−６〔ｍ〕、ｃ＝１×１０−６〔ｍ〕、ｄ＝１×１０−６〔ｍ〕、ｇ＝４×１０−６〔ｍ〕と仮定し、可動板５が厚み方向にｘ＝５×１０−９〔ｍ〕だけ変位したと仮定して、静電容量の変化率（ΔＣcomb／Ｃcomb）を計算すると、上記数４、数５、数６からΔＣcomb／Ｃcomb＝０．００３５６と求まる。
【００４４】
これに対して、貫通孔１０および突起部１２がない従来構成において、同様の条件（ａ＝６×１０−６〔ｍ〕、ｇ＝４×１０−６〔ｍ〕、ｘ＝５×１０−９〔ｍ〕）で静電容量の変化率（ΔＣparallel／Ｃparallel）を計算すると、上記数１、数２、数３からΔＣparallel／Ｃparallel＝０．００１２５と求まる。
【００４５】
要するに、本実施形態の静電型トランスデューサ１では、従来の静電型トランスデューサ１に比較して、貫通孔１０および突起部１２を設けたことによって静電容量の変化率が大きくなり、感度が向上することになる。
【００４６】
ところで、本実施形態では四角柱状の突起部１２を例示しているが、突起部１２はこの形状に限るものではなく、少なくともバイアス電圧が印加されている初期状態で貫通孔１０に一部が挿入される形状であればよいので、たとえば多角柱状、角錘状、円柱状、円錐状などでもよい。図４に示すように突起部１２が中空に形成されていてもよい。さらにまた、本実施形態では貫通孔１０は正方形状の開口を有する形状に形成されており、格子点状に複数設けられているので、突起部１２は図５（ａ）にように貫通孔１０に対応する各位置に点在しているが、貫通孔１０の形状および配列はこの例に限るものではなく、突起部１２の形状および配置も貫通孔１０に合わせて適宜変更される。たとえば、貫通孔１０を細長いスリット状とする場合には、図５（ｂ）に示すように細長いリブ状の突起部１２を採用することができる。
【００４７】
なお、上述した静電型トランスデューサ１は、音波の検出を行う外部雰囲気にキャビティ２の開口面を晒すような配置に限らず、音波の検出を行う外部雰囲気に可動板５における固定板４と反対側の一表面を晒すように配置されてもよい。この場合には、可動板５は固定板４と反対側からの音波を受けることになるので、キャビティ２はバックチャンバとして機能する。
【００４８】
（実施形態２）
本実施形態の静電型トランスデューサ１は、基本構成が実施形態１と同様であり、固定板４と可動板５とが接触するのを防止するストッパを設けた点が実施形態１と相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素については同一の符号を付して説明を適宜省略する。
【００４９】
ストッパ１４は、たとえば図６に示すように振動部１１における固定板４との対向面の一部に突設される。これにより、振動部１１の厚み方向における移動範囲（振幅）を規制することができ、たとえば過大な音圧を受けたときでも、振動部１１の変位量が過大となることによる可動板５の破損や、可動板５が固定板４に接触することによる固定電極７と可動電極８との間の短絡を回避することができる。ここにおいて、ストッパ１４を通して固定電極７と可動電極８とが短絡することがないように、固定板４自体が固定電極７を構成し可動板５自体が可動電極８を構成している場合、あるいは固定板４と振動部１１とのそれぞれの対向面間に固定電極７および可動電極８が露出している場合には、ストッパ１４の少なくとも一部（たとえば表面や突出方向の中間部など）を絶縁材料で形成し、固定電極７と可動電極８との間の絶縁性を確保する。ストッパ１４は固定板４における振動部１１との対向面に設けられていてもよい。
【００５０】
また、他の例として、図７に示すように固定板４における突起部１２との対向面（貫通孔１０の内側面）にストッパ１４を突設してもよい。これにより、固定板４の厚み方向に直交する面内での可動板５の移動範囲を規制することができ、たとえば静電型トランスデューサ１に衝撃が加わったときでも、固定板４の厚み方向に直交する面内で可動板５が大きく移動することによる可動板５の破損や、突起部１２が貫通孔１０の内側面に接触することによる固定電極７と可動電極８との間の短絡を回避することができる。ここにおいて、ストッパ１４の少なくとも一部（たとえば表面や突出方向の中間部など）を絶縁材料で形成し、固定電極７と可動電極８との間の絶縁性を確保する。ストッパ１４は突起部１２における貫通孔１０の内側面との対向面に設けられていてもよい。
【００５１】
（実施形態３）
本実施形態の静電型トランスデューサ１は、基本構成が実施形態１と同様であり、電極対（固定電極７および可動電極８）を複数組設けてキャパシタを複数形成している点が実施形態１と相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素については同一の符号を付し説明を省略する。
【００５２】
本実施形態では、たとえば図８に示すように１枚の可動板５の厚み方向の両側に固定板（以下では、第１の固定板４１および第２の固定板４２と称する）を設けている。ここで、可動板５においては第１および第２の各固定板４１，４２との対向面にそれぞれ突起部１２が突設されている。この静電型トランスデューサ１は、第１の固定板４１の固定電極７と可動板５の可動電極８との間に形成されるキャパシタＣ１と、第２の固定板４２の固定電極７と可動板５の可動電極８との間に形成されるキャパシタＣ２とを有するものであり、可動板５が厚み方向に振動すると第１および第２の各固定板４１，４２と可動電極８との間の距離が変化し各キャパシタＣ１，Ｃ２の静電容量が変化する。ここで、各静電容量変化を電気信号に変換して取り出すため、音波を検出する際にはキャパシタＣ１とキャパシタＣ２とのそれぞれにバイアス電圧が印加される。
【００５３】
上述した構成によれば、可動板５が音波を受けて振動した際にキャパシタＣ１から取り出される電気信号とキャパシタＣ２から取り出される電気信号とは互いに逆位相となるから、それぞれの電気信号の差分をとる差動増幅回路を後段に設ければ、音波に対して出力される電気信号（電圧）が大きくなり、感度が向上することになる。さらに、この静電型トランスデューサ１は可動板５の厚み方向の両側から音波を受波することができるので、いわゆる双指向性を持った音響センサとして使用することができる。
【００５４】
また、本実施形態の他の例として、図９に示すように１枚の固定板４の両側に可動板５（以下では、第１の可動板５１および第２の可動板５２と称する）を設けてもよい。この静電型トランスデューサ１は、第１の可動板５１の可動電極８と固定板４の固定電極７との間に形成されるキャパシタＣ１と、第２の可動板５２の可動電極８と固定板４の固定電極７との間に形成されるキャパシタＣ２とを有するものであり、第１の可動板５１が振動すれば第１の可動板５１と固定板４との間の距離が変化しキャパシタＣ１の静電容量が変化する一方で、第２の可動板５２が振動すれば第２の可動板５２と固定板４との間の距離が変化してキャパシタＣ２の静電容量が変化する。この構成の静電型トランスデューサ１は、第１の可動板５１と第２の可動板５２とのそれぞれで音波を受け、各音波をそれぞれ電気信号に変換して出力することができ、いわゆる双指向性を持った音響センサとして使用することができる。
【００５５】
ところで、上述した各実施形態では、可動板５の振動エネルギを電気エネルギに変換して出力する音響センサとして本発明の静電型トランスデューサ１を使用する例を示したが、固定電極７−可動電極８間にバイアス電圧を印加しておき圧力変化による可動板５の変位を電気エネルギとして取り出すことにより、圧力を検出する圧力センサとして本発明の静電型トランスデューサ１を使用することもでき、この場合にも、音響センサとして使用する場合と同様に、従来構成に比較して高い感度を得ることができる。
【００５６】
また、電気エネルギを可動板５の振動エネルギに変換するスピーカとして本発明の静電型トランスデューサ１を使用することもできる。すなわち、上述した静電型トランスデューサ１は、一対の電極（固定電極７および可動電極８）間に駆動電圧（電気エネルギ）を印加すれば、固定電極７−可動電極８間に静電力が作用し可動板５が固定板４側に引き寄せられるので、固定電極７−可動電極８間に印加する駆動電圧を変化させることにより、可動板５を振動させて可動板５から音波を出力することができる。ここに、突起部１２は少なくとも可動板５が振動する前の初期状態（つまり、駆動電圧が印加されていない状態）で貫通孔１０に一部が挿入される。静電型トランスデューサ１をスピーカとして使用する場合、固定電極７−可動電極８間に作用する静電力Ｆは、固定電極７−可動電極８間の静電エネルギをＵ、固定電極７−可動電極８間の静電容量をＣ〔Ｆ〕、一対の電極（固定電極７および可動電極８）間に印加する駆動電圧をＶ１〔Ｖ〕、可動板５の初期状態からの変位をｘ〔ｍ〕とすれば、
【００５７】
【数７】
【００５８】
で表される。ここで、実施形態１で説明した小領域に着目すると、初期状態から可動板５が厚み方向に沿って固定板４側にｘ〔ｍ〕だけ変位した状態での小領域の静電力Ｆcombは、上記数５、数７より、
【００５９】
【数８】
【００６０】
で表される。なお、静電力Ｆcombは可動板５を厚み方向に沿って固定板４側に引き寄せる向きの力（いわゆる静電引力）である。これに対して、貫通孔１０および突起部１２がない従来構成において、初期状態から可動板５が厚み方向に沿って固定板４側にｘ〔ｍ〕だけ変位した状態での小領域の静電力Ｆparallelは、上記数２、数７より、
【００６１】
【数９】
【００６２】
で表される。したがって、一例として上記数８、数９の各パラメータの値を、ａ＝６×１０−６〔ｍ〕、ｂ＝２×１０−６〔ｍ〕、ｄ＝１×１０−６〔ｍ〕、ｇ＝４×１０−６〔ｍ〕と仮定したときに、初期状態（つまり、ｘ＝０〔ｍ〕）にある可動板５に作用する小領域の静電力について、本発明の静電型トランスデューサ１と従来構成とで比をとると、上記数８、数９からＦcomb／Ｆparallel＝２．７６と求まる。これは、一対の電極（固定電極７および可動電極８）間に同じ大きさの駆動電圧Ｖ１〔Ｖ〕を印加したときに、本発明の静電型トランスデューサ１では従来構成の２．７６倍の静電力が固定電極７と可動電極８との間に作用することを意味する。
【００６３】
要するに、本発明の静電型トランスデューサ１では、貫通孔１０および突起部１２がない従来構成に比較して、音響センサや圧力センサとして使用される場合に高い感度が得られるだけでなく、スピーカとして使用される場合に固定電極７−可動電極８間に作用する静電力が大きくなり、出力音圧が向上する。また、従来構成と同一感度の音響センサや圧力センサとして本発明の静電型トランスデューサ１を用いる場合には、従来構成に比べて静電型トランスデューサ１の小型化、バイアス電圧の低電圧化を図ることができ、従来構成と同一出力のスピーカとして本発明の静電型トランスデューサ１を用いる場合には、従来構成に比べて静電型トランスデューサ１の小型化、駆動電圧の低電圧化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の実施形態１の静電型トランスデューサを示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は一部を破断した概略斜視図である。
【図２】同上の他の例の要部を示す概略断面図である。
【図３】同上の小領域を示す概略斜視図である。
【図４】同上の他の例の要部を示し、一部破断した概略斜視図である。
【図５】（ａ）は同上の要部を示し、一部破断した概略斜視図、（ｂ）は他の例の要部を示し、一部破断した概略斜視図である。
【図６】本発明の実施形態２の静電型トランスデューサの要部を示す概略断面図である。
【図７】同上の他の例の要部を示す概略断面図である。
【図８】本発明の実施形態３の静電型トランスデューサを示す概略断面図である。
【図９】同上の他の例を示す概略断面図である。
【図１０】従来例を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は小領域の概略斜視図である。
【符号の説明】
【００６５】
１ 静電型トランスデューサ
４ 固定板
５ 可動板
７ 固定電極
８ 可動電極
１０ 貫通孔
１１ 振動部
１２ 突起部
Ｇ ギャップ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ギャップを介して互いに対向配置された固定板および可動板と、固定板および可動板にそれぞれ設けられた一対の電極とを備え、一対の電極間にキャパシタが形成される静電型トランスデューサであって、固定板は、厚み方向に貫通する貫通孔を有し、可動板は、固定板に対して固定板の厚み方向に対向する振動部と、振動部における固定板側の表面から突出し少なくとも振動部が変位する前の初期状態において貫通孔に一部が挿入される突起部とを有し、可動板側の電極は振動部から突起部に亘って設けられ、固定板側の電極は固定板における振動部との対向面に沿う部分と貫通孔の内側面に沿う部分とを一体に有することを特徴とする静電型トランスデューサ。
【請求項１】
ギャップを介して互いに対向配置された固定板および可動板と、固定板および可動板にそれぞれ設けられた一対の電極とを備え、一対の電極間にキャパシタが形成される静電型トランスデューサであって、固定板は、厚み方向に貫通する貫通孔を有し、可動板は、固定板に対して固定板の厚み方向に対向する振動部と、振動部における固定板側の表面から突出し少なくとも振動部が変位する前の初期状態において貫通孔に一部が挿入される突起部とを有し、可動板側の電極は振動部から突起部に亘って設けられ、固定板側の電極は固定板における振動部との対向面に沿う部分と貫通孔の内側面に沿う部分とを一体に有することを特徴とする静電型トランスデューサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００８−２５２８４７（Ｐ２００８−２５２８４７Ａ）
【公開日】平成２０年１０月１６日（２００８．１０．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−９５１８９（Ｐ２００７−９５１８９）
【出願日】平成１９年３月３０日（２００７．３．３０）
【出願人】（０００００５８３２）松下電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月１６日（２００８．１０．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月３０日（２００７．３．３０）
【出願人】（０００００５８３２）松下電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
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