静電容量型振動センサ
【課題】ベントホールにおける熱雑音によるノイズを低減させることができ、かつ、良好な低周波特性も得ることのできる静電容量型振動センサを提供する。
【解決手段】
空洞部３７を有するシリコン基板３２の上面には、振動を受けて膜振動する振動電極板３４を設けている。さらに、振動電極板３４の上方に、厚み方向に貫通した複数の音響孔４３が開口した固定電極板３６を設け、振動電極板３４と固定電極板３６を対向させている。空洞部３７の周囲においては、シリコン基板３２の上面と振動電極板３４の下面との間に、振動電極板３４及び固定電極板３６間のエアギャップ３５と前記空洞部３７とを連通させるベントホール４５を設けている。ベントホール４５に対応する領域において、振動電極板３４には複数の貫通孔状をした空気逃げ部４２が開口している。
【解決手段】
空洞部３７を有するシリコン基板３２の上面には、振動を受けて膜振動する振動電極板３４を設けている。さらに、振動電極板３４の上方に、厚み方向に貫通した複数の音響孔４３が開口した固定電極板３６を設け、振動電極板３４と固定電極板３６を対向させている。空洞部３７の周囲においては、シリコン基板３２の上面と振動電極板３４の下面との間に、振動電極板３４及び固定電極板３６間のエアギャップ３５と前記空洞部３７とを連通させるベントホール４５を設けている。ベントホール４５に対応する領域において、振動電極板３４には複数の貫通孔状をした空気逃げ部４２が開口している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は静電容量型振動センサに関し、特にＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術もしくはマイクロマシニング技術を用いて製作される微小サイズの振動センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
（振動センサの基本構造）
図１に静電容量型振動センサの基本的構造を示す。振動センサ１１は、中央部に空洞部１２を有する基板１３の上面に振動電極板１４を配置し、振動電極板１４の上方を固定電極板１５で覆ったものである。固定電極板１５には複数個の音響孔１６（アコースティックホール）が上下に貫通している。また、空洞部１２の周囲では、基板１３の上面と振動電極板１４の下面との間にベントホール１７を設けてあり、ベントホール１７によって振動電極板１４及び固定電極板１５間の空間（以下、エアギャップ１８という。）と空洞部１２とを連通させている。このような構造の振動センサ（コンデンサマイクロフォン）としては、特許文献１に開示されたものがある。
【０００３】
しかして、振動センサ１１に向けて音響振動１９が空気伝搬してくると、音響振動１９は音響孔１６を通過してエアギャップ１８内に広がり、振動電極板１４を振動させる。振動電極板１４が振動すると、振動電極板１４と固定電極板１５との間の電極間距離が変化するので、振動電極板１４と固定電極板１５との間の静電容量の変化を検出することで音響振動１９（空気振動）を電気信号に変換して出力することができる。
【０００４】
（ベントホールの働き）
このような振動センサ１１では、基板１３の表面が振動電極板１４の振動と干渉しないよう、基板１３に空洞部１２を設けている。空洞部１２は、図１のように基板１３を上下に貫通している場合もあれば、基板１３の下面で塞がっていて凹部となっている場合もある。貫通した空洞部１２の場合でも、振動センサ１１を配線基板などに実装することによって貫通孔の下面が配線基板などで塞がれることが多い。そのため、この空洞部１２はバックチャンバと呼ばれることがある。
【０００５】
空洞部１２の下面は実質的に塞がっていることが多いため、空洞部１２内の圧力は大気圧と異なる場合がある。また、音響孔１６の通気抵抗のため、エアギャップ１８内も大気圧と異なる場合がある。この結果、周囲の気圧変動や温度変化などにより、振動電極板１４の上面側（エアギャップ１８）と下面側（空洞部１２）とで圧力差を生じて振動電極板１４が撓み、振動センサ１１に測定誤差が生じる恐れがある。
【０００６】
そのため、一般的な振動センサ１１では、図１に示したように振動電極板１４と基板１３の間にベントホール１７を設けて振動電極板１４の上面側と下面側を連通させ、エアギャップ１８と空洞部１２の間の圧力差を除去し、振動センサ１１の測定精度を向上させている。
【０００７】
また、ベントホール１７を設けることで、振動電極板１４の基板１３への固定部位の面積を小さくできるので、振動電極板１４を柔軟にすることができ、センサ感度を向上させることができる。
【０００８】
【特許文献１】特表２００４−５０６３９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
（熱雑音によるノイズについて）
上記のような振動センサにおいては、出力信号にノイズが含まれており、センサ出力のＳ／Ｎ比を低下させていた。本発明の発明者らは、振動センサのノイズの原因を追及した結果、振動センサに生じるノイズは、振動電極板と固定電極板との間のエアギャップにおける熱雑音（空気分子の揺らぎ）に起因することを発見した。すなわち、図２（ａ）に示すように、振動電極板１４と固定電極板１５との間のエアギャップ１８、すなわち準密閉空間内にある空気分子αは揺らぎによって振動電極板１４に衝突しており、振動電極板１４には空気分子αとの衝突による微小力が加わるとともに振動電極板１４に加わる微小力がランダムに変動している。そのため、振動電極板１４は熱雑音によって微小振動し、振動センサに電気ノイズが発生している。特に、感度の高い振動センサ（マイクロフォン）では、このような熱雑音に起因するノイズが大きく、Ｓ／Ｎ比が悪くなる。
【００１０】
そこで、本発明の発明者らは、振動電極板と固定電極板の間のエアギャップ内で発生している熱雑音（空気分子）を音響孔から逃がし、それによって熱雑音によるノイズを小さくすることを提案した（特願２００８−０３９０４８）。
【００１１】
しかし、その後の研究により、熱雑音によるノイズはエアギャップ１８内だけでなくベントホール１７内でも発生しており、しかも、ベントホール１７内の熱雑音によるノイズもノイズ成分のかなりの割合を占めていることが分かった。特にベントホール１７はエアギャップ１８に較べてギャップが小さいため、熱雑音によるノイズが発生しやすい状況にある。
【００１２】
従って、ベントホールを有する振動センサにおいては、ベントホールにおける熱雑音によるノイズを低減させる必要がある。そして、この熱雑音によるノイズを小さくする方法としては、ベントホールの隙間（ギャップ）を広くしたり、ベントホールの通気方向における長さを短くしたりして、熱雑音の原因となる空気分子がベントホール１７から逃げやすくなるようにする方法がある。
【００１３】
（低周波特性と音響抵抗との関係）
つぎに、振動センサの低周波特性について述べる。基板と振動電極板との間に設けたベントホールは、前述のように振動電極板の上面側と下面側とを連通させてその圧力差を小さくする働きをしている。しかし、ベントホールの隙間が大きい場合には、その近傍の音響孔からベントホールを通過して基板の空洞部に至る経路（図１に矢印線２０で示す。）の音響抵抗が小さくなる。しかも、低周波振動は、高周波振動に較べてベントホールを通過しやすいので、音響孔を通過してエアギャップ内に伝搬してきた振動のうち低周波振動はベントホールを通って空洞部側へ漏れやすくなる。その結果、ベントホール近傍の音響孔を通った低周波の音響振動は、振動電極板を振動させることなく空洞部側へ漏れてしまい、振動センサの低周波特性を劣化させることになる。
【００１４】
センサ感度の周波数特性において、それよりも周波数が小さくなるとセンサ感度が低下し始める限界周波数をロールオフ周波数ｆＬという。振動センサのロールオフ周波数ｆＬは、次の数式１で表される。
１／ｆＬ＝２π・Ｒｖ（Ｃbc＋Ｃsp） …（数式１）
ただし、Ｒｖ： ベントホールの音響抵抗（抵抗成分）
Ｃbc： 基板の空洞部の音響コンプライアンス
Ｃsp： 振動電極板のスティフネス定数
である。
【００１５】
従って、低周波領域におけるセンサ感度の低下を小さくするためには、ロールオフ周波数ｆＬをできるだけ小さくすることが望まれる。例えば、ｆＬ＝５０Ｈｚ程度とすることが好ましい。
【００１６】
上記数式１によれば、ロールオフ周波数ｆＬを小さくして振動センサの低周波特性の低下を小さくするためには、ベントホールの音響抵抗Ｒｖの値を大きくすればよいことが分かる。
【００１７】
ベントホールの音響抵抗Ｒｖは、例えば次の数式２で表される。
Ｒｖ＝（８・μ・ｔ・Ａ２）／（Ｓｖ２） …（数式２）
ただし、μ： 空気の粘性係数
ｔ： ベントホールの通気方向の長さ
Ａ： ダイアフラムの面積
Ｓｖ： ベントホールの断面積
である。
【００１８】
従って、音響抵抗Ｒｖを十分に大きくしてロールオフ周波数ｆＬを小さくするためには、ベントホールの通気方向の長さｔを長くするか、ベントホールの断面積Ｓｖを小さくすればよい。
【００１９】
（熱雑音によるノイズと低周波特性との関係）
以上の議論をまとめると、つぎのような結論となる。ベントホールにおける熱雑音によるノイズを低減させるためには、ベントホールの隙間を広くしたり、ベントホールの通気方向における長さを短くすればよい。一方、振動センサの低周波特性が悪くならないようにするためには、ベントホールの通気方向の長さｔを長くするか、ベントホールの断面積Ｓｖを小さくすればよい。
【００２０】
しかし、ベントホールの熱雑音によるノイズを低減させるために、ベントホールの隙間を広くしたり、ベントホールの通気方向における長さを短くすると、振動センサの低周波特性が悪くなる。反対に、低周波特性の低下を防ぐために、ベントホールの通気方向の長さｔを長くしたり、ベントホールの断面積Ｓｖを小さくしたりすると、ベントホールの熱雑音によるノイズが増加し、振動センサのＳ／Ｎ比が悪くなる。
【００２１】
このような理由により、従来の振動センサのような構造では、振動センサの低ノイズ化と良好な低周波特性とはトレードオフの関係にあり、低ノイズで良好な低周波特性を有する振動センサを作製することは困難であった。
【００２２】
本発明は、このような技術的課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、ベントホールにおける熱雑音によるノイズを低減させることができ、かつ、良好な低周波特性を得ることができる静電容量型振動センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明にかかる静電容量型振動センサは、空洞部を有する基板の上面側に、振動を受けて膜振動する振動電極板を前記空洞部に対向させて配置し、厚み方向に貫通した複数の音響孔が開口した固定電極板を前記振動電極板に対向させて配置した静電容量型振動センサであって、前記空洞部の周囲のうち少なくとも一部において、前記基板の上面と前記振動電極板の下面との間に、前記振動電極板及び前記固定電極板間の空間と前記空洞部とを連通させる空気経路部を有し、前記振動電極板又は前記基板の前記空気経路部に面する部位に、当該空気経路部の空気を前記振動電極板の厚み方向に逃がすための空気逃げ部が形成されていることを特徴としている。
【００２４】
本発明の静電容量型振動センサにあっては、振動電極板又は基板の空気経路部に面する部位に、空気経路部の空気を振動電極板の厚み方向に逃がすための空気逃げ部を設けているので、空気経路部内の熱雑音ないし空気分子を空気逃げ部へ逃がすことができる。よって、本発明の静電容量型振動センサによれば、空気経路部における熱雑音によるノイズを低減させることができ、振動センサのＳ／Ｎ比を向上させることができる。しかも、空気逃げ部を空気経路部に設けているだけであるので、空気経路部自体の断面積を大きくする場合のように音響抵抗が低下しにくく、振動センサの低周波特性の低下を小さくすることができる。この結果、低ノイズで、かつ、良好な低周波特性を有する振動センサを得ることができる。
【００２５】
本発明にかかる静電容量型振動センサのある実施態様においては、前記空気逃げ部が、前記振動電極板に設けた貫通孔であることを特徴としている。振動電極板に設けた貫通孔によって空気逃げ部を形成してあれば、空気経路部の空気分子を振動電極板と固定電極板の間の空間へ効率よく逃がすことができる。
【００２６】
さらに、前記貫通孔の直径は、前記音響孔の直径よりも小さくなっていることが望ましい。空気逃げ部である貫通孔の直径が音響孔の直径に比べて大きくなると、空気経路部の音響抵抗が小さくなり過ぎて振動センサの低周波特性が悪くなるためである。
【００２７】
また、前記貫通孔は、前記振動電極板に垂直な方向から見て、前記音響孔と重なり合わない位置に配設されていることが望ましい。音響孔と空気逃げ部の位置が重なり合うと、音響孔から入った低周波振動が空気逃げ部を通りやすくなる恐れがあるためである。
【００２８】
本発明にかかる静電容量型振動センサの別な実施態様は、前記空気逃げ部が、前記基板に設けた孔又は溝であることを特徴としている。空気逃げ部は、空気通路部内の熱雑音の原因である空気分子を逃がすことができればよいので、孔のように個々に独立したものでもよく、溝のようにある方向に延びているものであってもよいからである。
【００２９】
なお、本発明における前記課題を解決するための手段は、以上説明した構成要素を適宜組み合せた特徴を有するものであり、本発明はかかる構成要素の組合せによる多くのバリエーションを可能とするものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。但し、本発明は以下の実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々設計変更することができる。
【００３１】
（第１の実施形態）
以下、図３〜図７を参照して本発明の第１の実施形態を説明する。図３は実施形態１による静電容量型の振動センサ３１を示す模式的な断面図である。図４は振動センサ３１の分解斜視図である。また、図５は振動センサ３１の平面図である。図６は振動センサ３１の上面の固定電極板を除いた状態における平面図である。図７は本実施形態の作用効果を説明するための図であって、振動センサ３１の断面の一部を表している。
【００３２】
この振動センサ３１は静電容量型のセンサであり、シリコン基板３２の上面に絶縁被膜３３を介して振動電極板３４を設け、その上に微小なエアギャップ３５を介して固定電極板３６を設けたものである。この振動センサ３１は、おもに音声等を検出して電気信号に変換して出力する音響センサやコンデンサマイクロフォンとして使用される。
【００３３】
図３及び図４に示すように、シリコン基板３２には、空洞部３７（バックチャンバ）が設けられている。図３の空洞部３７では、厚み方向で空洞部断面積が変化する角形の貫通孔となっている。ただし、空洞部３７の形状は特に限定されるものでなく、角柱状の貫通孔や凹部であってもよい。シリコン基板３２のサイズは、平面視で１〜１.５ｍｍ角（これよりも小さくすることも可能である。）であり、シリコン基板３２の厚みが４００〜５００μｍ程度である。シリコン基板３２の上面には酸化膜等からなる絶縁被膜３３が形成されている。
【００３４】
振動電極板３４は、膜厚が１μｍ程度のポリシリコン薄膜によって形成されている。振動電極板３４はほぼ矩形状の薄膜であって、その四隅には固定部３８が設けられている。振動電極板３４は、空洞部３７の上面開口を覆うようにしてシリコン基板３２の上面に配置され、各固定部３８が犠牲層（図示せず）を介して絶縁被膜３３の上に固定されている。図６では、振動電極板３４のうちシリコン基板３２の上面に固定されている領域を斜線で表している。振動電極板３４のうち空洞部３７の上方で宙空に支持された部分（この実施形態では、固定部３８と延出部４６以外の部分）はダイアフラム３９（可動部分）となっており、音圧に感応して膜振動する。また、固定部３８が犠牲層の上に固定されているため、振動電極板３４周辺の固定部３８間の領域はシリコン基板３２の上面からわずかに浮いており、振動電極板３４の四辺に位置する領域、すなわち固定部３８と固定部３８の間の領域では、振動電極板３４の下面とシリコン基板３２の上面との間に隙間、すなわちベントホール４５（空気経路部）が形成されている。ベントホール４５の隙間の大きさεは、１〜２μｍ程度となっている。
【００３５】
振動電極板３４のベントホール４５を構成する領域、すなわち振動電極板３４とシリコン基板３２とが上下に重なり合っている領域において、振動電極板３４の縁には複数の空気逃げ部４２が設けられている。当該実施形態では、空気逃げ部４２は、振動電極板３４を上下に貫通する通孔となっている。ベントホール４５の音響抵抗が小さくなり過ぎないよう、空気逃げ部４２の直径は後述の音響孔４３の直径よりもかなり小さくしている。例えば、音響孔４３の直径が約１８μｍ（平均値）であるのに対し、空気逃げ部４２の直径は約３μｍ（平均値）となっており、約１／６のサイズとなっている。
【００３６】
また、空気逃げ部４２は、振動電極板３４のベントホール４５を構成する領域にほぼ均等に分散させて設けることが望ましい。本実施形態では、図６に示すように、通気方向の長さｔ＝６０μｍのベントホール４５に対して、直径約３μｍの空気逃げ部４２を２列に形成している。また、固定電極板３６の一辺の長さＬは７００μｍであり、この辺に沿ってｐ＝３２μｍの間隔で空気逃げ部４２を配列している。
【００３７】
ただし、空気逃げ部４２は図６のように２列に設けなければならない訳ではなく、空気逃げ部４２の通気方向の長さｔや空気逃げ部４２の直径などに応じて、１列に形成してもよく、３列以上であってもよい。もっとも、あまり空気逃げ部４２が密になると、ベントホール４５の音響抵抗が低下する恐れがあるので、適当な上限値は存在する。また、空気逃げ部４２は規則的に配列しなくてもよく、ほぼ均等であればランダムに配置してもよい。
【００３８】
固定電極板３６は、窒化膜からなる絶縁性支持層４０の上面に金属製薄膜からなる固定電極４１を設けたものである。固定電極板３６は、振動電極板３４の上方に配置され、ダイアフラム３９と対向する領域の外側においてシリコン基板３２の上に固定されている。固定電極板３６は、ダイアフラム３９と対向する領域においては３μｍ程度の厚みのエアギャップ３５をあけてダイアフラム３９を覆っている。
【００３９】
固定電極４１及び支持層４０には、上面から下面に貫通するようにして、音響振動を通過させるための音響孔４３（アコースティックホール）が複数穿孔されている。固定電極板３６の端部には、固定電極４１に導通した電極パッド４４を備えている。なお、振動電極板３４は、音圧により振動するものであるから、１μｍ程度の薄膜となっているが、固定電極板３６は音圧によって振動しない電極であるので、その厚みは例えば２μｍ以上というように厚くなっている。
【００４０】
また、支持層４０の端部にあけられた開口とその周囲上面には電極パッド４７が設けられており、電極パッド４７の下面は振動電極板３４の延出部４６に導通している。よって、振動電極板３４と固定電極板３６とは電気的に絶縁されており、振動電極板３４と固定電極４１によってキャパシタを構成している。
【００４１】
しかして、実施形態１の振動センサ３１にあっては、上面側から音響振動（空気の疎密波）が入射すると、この音響振動は固定電極板３６の音響孔４３を通過してダイアフラム３９に達し、ダイアフラム３９を振動させる。ダイアフラム３９が振動すると、ダイアフラム３９と固定電極板３６との間の距離が変化するので、それによってダイアフラム３９と固定電極４１の間の静電容量が変化する。よって、電極パッド４４、４７間に直流電圧を印加しておき、この静電容量の変化を電気的な信号として取り出すようにすれば、音の振動を電気的な信号に変換して出力することができる。
【００４２】
ベントホール４５は、振動電極板３４の上面側に位置するエアギャップ３５と、下面側に位置する空洞部３７を通気させて振動電極板３４の上面側と下面側とで圧力差が生じにくいようにし、振動センサ３１の測定精度を向上させている。さらに、ベントホール４５の隙間εを狭くし、さらに、音響孔４３の開口径を小さくすることにより、図１に示すような空気逃げ部４２を通る低周波振動の経路βの音響抵抗を小さしているので、低周波振動が空気逃げ部４２を通って空洞部３７へ漏れにくくなっており、振動センサ３１の低周波特性を良好にしている。なお、音響孔４３の開口径を小さくする際には、音響孔全体の開口径を小さくするのでなく、特願２００８−０３９０４８に記載しているように、周辺部の音響孔４３のみ開口径を小さくし、その内側の音響孔４３はそれよりも大きな開口径とするのが好ましい。開口径の小さな音響孔４３の直径は、０.５μｍ以上１０μｍ以下が好ましく、開口径の大きな音響孔４３の直径は、５μｍ以上３０μｍ以下が好ましい。上に例示した音響孔４３の直径の約１８μｍという値は、開口径の大きな音響孔４３のものである。
【００４３】
また、ベントホール４５においては、振動電極板３４に小さな空気逃げ部４２を開口しているので、ベントホール４５内の熱雑音（特に、平均自由工程の長い空気分子α）を空気逃げ部４２へ逃がすことができ、あるいは空気逃げ部４２からさらにエアギャップ３５へ逃がすことができるので、振動電極板３４に衝突する空気分子αを減少させることができて熱雑音によるノイズを低減することができる。
【００４４】
しかも、空気逃げ部４２はベントホール４５内に部分的に設けられているだけであるので、ベントホール４５を通過する経路βの音響抵抗が小さくなりにくい。しかも、空気逃げ部４２の直径が小さくて空気逃げ部４２の音響抵抗が大きいので、図１に示す経路γのように空気逃げ部４２を通過する短絡した経路で、低周波振動が空洞部３７へ漏れることもない。よって、本実施形態の振動センサ３１によれば、ノイズを低減させるために設けた空気逃げ部４２により、振動センサ３１の低周波特性を低下させることがなく、低ノイズで良好な低周波特性を有する振動センサ３１を製作することが可能になる。
【００４５】
なお、上記振動センサ３１は、マイクロマシニング（半導体微細加工）技術を用いて製造されるが、その製造方法は公知の技術であるので説明を省略する。
【００４６】
（第１の実施形態の変形例）
図８は実施形態１の変形例による振動センサの一部を拡大して示す断面図である。この変形例においては、振動電極板３４に垂直な方向から見たとき、音響孔４３と空気逃げ部４２とが重なり合わないように、空気逃げ部４２を配置している。好ましくは、垂直方向から見たとき、音響孔４３と空気逃げ部４２が接することなく、ある程度の距離を保っていることが好ましい。
【００４７】
振動電極板３４に垂直な方向から見たとき、音響孔４３と空気逃げ部４２とが重なり合わないように空気逃げ部４２を配置すれば、図８に示す経路γのように低周波振動が空気逃げ部４２に至る経路長が長くなるので、経路γにおける低周波振動の音響抵抗を大きくでき、その結果振動センサの低周波特性の低下を小さくできる。
【００４８】
また、空気逃げ部４２はベントホール４５の内側に寄せて設けることが望ましい。すなわち、図８に示す空気逃げ部４２のように、空気逃げ部４２は空洞部３７の縁から離れた位置に設けることが望ましい。空洞部３７の縁に近い位置に空気逃げ部４２を設けると、空気逃げ部４２を通る経路の音響抵抗が小さくなり、低周波特性が低下する恐れがあるためである。
【００４９】
（第２の実施形態）
図９（ａ）は実施形態２による振動センサの一部を示す拡大断面図、図９（ｂ）は空洞部３７の周囲に位置するシリコン基板３２の一部を示す平面図である。この実施形態においては、ベントホール４５の設けられている位置において、基板４２に空気逃げ部５１、５２を設けている。空気逃げ部５１は、シリコン基板３２を上下に貫通する貫通孔となっており、空気逃げ部５１は有底の窪み（つまり、一方が塞がった孔）となっている。
【００５０】
貫通孔状の空気逃げ部５１の場合には、実施形態１の空気逃げ部４２と同様にして、ベントホール４５の音響抵抗をあまり低下させることなく熱雑音によるノイズを低減することができる。
【００５１】
窪み状の空気逃げ部５２の場合も、窪みを設けることで窪みの底面と振動電極板３４の下面との距離が長くなるので、窪み状の空気逃げ部５２の底面で跳ね返った空気分子αが振動電極板３４に衝突する確率が小さくなる。その結果、貫通孔状の空気逃げ部５１と同様に、熱雑音によるノイズを低減することができる。しかも、空気逃げ部５２は窪み状であるため、空気逃げ部５２を通って低周波振動が漏れることはなく、また空気逃げ部５２はベントホール４５内に部分的に設けられているだけであるので、ベントホール４５の音響抵抗も大きく低下することがなく、ノイズ低減のためにベントホール４５内に窪み状の空気逃げ部５２を設けていても、振動センサの低周波特性が低下しにくい構造となっている。
【００５２】
なお、第１の実施形態において、貫通孔状の空気逃げ部４２に代えて、貫通しない窪み状の空気逃げ部を振動電極板３４の下面に設けてもよい。また、第２の実施形態において、空気逃げ部４２をすべて貫通孔としてもよく、すべて窪みとしてもよい。
【００５３】
（第３の実施形態）
図１０は実施形態３による振動センサの一部を示す拡大断面図、図１１は当該振動センサに用いられているシリコン基板３２の平面図である。この実施形態では、ベントホール４５内において、空洞部３７の周囲を囲むようにして、シリコン基板３２の上面に溝状をした空気逃げ部６１を設けている。図示例では、２本の空気逃げ部６１を設けているが、１本でもよく、音響抵抗があまり小さくならない限度であれば３本以上であってもよい。また、空気逃げ部６１の溝は環状である必要はなく、各辺に沿ってそれぞれ直線状の溝を形成していてもよい。
【００５４】
このような実施形態でも、実施形態１、２の場合と同様、ベントホール４５内における熱雑音によるノイズを低減することができ、しかも、良好な低周波特性を低下させにくくすることができる。
【００５５】
なお、ベントホール４５内において、振動電極板３４の下面に溝状の空気逃げ部４２を設けることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】図１は、静電容量型振動センサの基本的構造を示す断面図である。
【図２】図２（ａ）は熱雑音によるノイズを説明するための図である。図２（ｂ）はエアギャップ３５における説雑音によるノイズを低減する方法を説明する図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態１による静電容量型の振動センサを模式的に示す断面図である。
【図４】図４は、実施形態１の振動センサの分解斜視図である。
【図５】図５は、実施形態１の振動センサの平面図である。
【図６】図６は、実施形態１において固定電極板を除いた状態の平面図である。
【図７】図７は、実施形態１の振動センサの作用効果を説明するための図である。
【図８】図８は、実施形態１の変形例による振動センサの一部を拡大して示す断面図である。
【図９】図９（ａ）は本発明の実施形態２による振動センサの一部を示す拡大断面図、図９（ｂ）は空洞部の周囲に位置するシリコン基板の一部を示す平面図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施形態３による振動センサの一部を示す拡大断面図である。
【図１１】図１１は、実施形態３の振動センサに用いられているシリコン基板を示す平面図である。
【符号の説明】
【００５７】
３１ 振動センサ
３２ シリコン基板
３３ 絶縁被膜
３４ 振動電極板
３５ エアギャップ
３６ 固定電極板
３７ 空洞部
３８ 固定部
３９ ダイアフラム
４０ 支持層
４１ 固定電極
４２ 空気逃げ部
４３ 音響孔
４５ ベントホール
５１、５２、６１ 空気逃げ部
【技術分野】
【０００１】
本発明は静電容量型振動センサに関し、特にＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術もしくはマイクロマシニング技術を用いて製作される微小サイズの振動センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
（振動センサの基本構造）
図１に静電容量型振動センサの基本的構造を示す。振動センサ１１は、中央部に空洞部１２を有する基板１３の上面に振動電極板１４を配置し、振動電極板１４の上方を固定電極板１５で覆ったものである。固定電極板１５には複数個の音響孔１６（アコースティックホール）が上下に貫通している。また、空洞部１２の周囲では、基板１３の上面と振動電極板１４の下面との間にベントホール１７を設けてあり、ベントホール１７によって振動電極板１４及び固定電極板１５間の空間（以下、エアギャップ１８という。）と空洞部１２とを連通させている。このような構造の振動センサ（コンデンサマイクロフォン）としては、特許文献１に開示されたものがある。
【０００３】
しかして、振動センサ１１に向けて音響振動１９が空気伝搬してくると、音響振動１９は音響孔１６を通過してエアギャップ１８内に広がり、振動電極板１４を振動させる。振動電極板１４が振動すると、振動電極板１４と固定電極板１５との間の電極間距離が変化するので、振動電極板１４と固定電極板１５との間の静電容量の変化を検出することで音響振動１９（空気振動）を電気信号に変換して出力することができる。
【０００４】
（ベントホールの働き）
このような振動センサ１１では、基板１３の表面が振動電極板１４の振動と干渉しないよう、基板１３に空洞部１２を設けている。空洞部１２は、図１のように基板１３を上下に貫通している場合もあれば、基板１３の下面で塞がっていて凹部となっている場合もある。貫通した空洞部１２の場合でも、振動センサ１１を配線基板などに実装することによって貫通孔の下面が配線基板などで塞がれることが多い。そのため、この空洞部１２はバックチャンバと呼ばれることがある。
【０００５】
空洞部１２の下面は実質的に塞がっていることが多いため、空洞部１２内の圧力は大気圧と異なる場合がある。また、音響孔１６の通気抵抗のため、エアギャップ１８内も大気圧と異なる場合がある。この結果、周囲の気圧変動や温度変化などにより、振動電極板１４の上面側（エアギャップ１８）と下面側（空洞部１２）とで圧力差を生じて振動電極板１４が撓み、振動センサ１１に測定誤差が生じる恐れがある。
【０００６】
そのため、一般的な振動センサ１１では、図１に示したように振動電極板１４と基板１３の間にベントホール１７を設けて振動電極板１４の上面側と下面側を連通させ、エアギャップ１８と空洞部１２の間の圧力差を除去し、振動センサ１１の測定精度を向上させている。
【０００７】
また、ベントホール１７を設けることで、振動電極板１４の基板１３への固定部位の面積を小さくできるので、振動電極板１４を柔軟にすることができ、センサ感度を向上させることができる。
【０００８】
【特許文献１】特表２００４−５０６３９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
（熱雑音によるノイズについて）
上記のような振動センサにおいては、出力信号にノイズが含まれており、センサ出力のＳ／Ｎ比を低下させていた。本発明の発明者らは、振動センサのノイズの原因を追及した結果、振動センサに生じるノイズは、振動電極板と固定電極板との間のエアギャップにおける熱雑音（空気分子の揺らぎ）に起因することを発見した。すなわち、図２（ａ）に示すように、振動電極板１４と固定電極板１５との間のエアギャップ１８、すなわち準密閉空間内にある空気分子αは揺らぎによって振動電極板１４に衝突しており、振動電極板１４には空気分子αとの衝突による微小力が加わるとともに振動電極板１４に加わる微小力がランダムに変動している。そのため、振動電極板１４は熱雑音によって微小振動し、振動センサに電気ノイズが発生している。特に、感度の高い振動センサ（マイクロフォン）では、このような熱雑音に起因するノイズが大きく、Ｓ／Ｎ比が悪くなる。
【００１０】
そこで、本発明の発明者らは、振動電極板と固定電極板の間のエアギャップ内で発生している熱雑音（空気分子）を音響孔から逃がし、それによって熱雑音によるノイズを小さくすることを提案した（特願２００８−０３９０４８）。
【００１１】
しかし、その後の研究により、熱雑音によるノイズはエアギャップ１８内だけでなくベントホール１７内でも発生しており、しかも、ベントホール１７内の熱雑音によるノイズもノイズ成分のかなりの割合を占めていることが分かった。特にベントホール１７はエアギャップ１８に較べてギャップが小さいため、熱雑音によるノイズが発生しやすい状況にある。
【００１２】
従って、ベントホールを有する振動センサにおいては、ベントホールにおける熱雑音によるノイズを低減させる必要がある。そして、この熱雑音によるノイズを小さくする方法としては、ベントホールの隙間（ギャップ）を広くしたり、ベントホールの通気方向における長さを短くしたりして、熱雑音の原因となる空気分子がベントホール１７から逃げやすくなるようにする方法がある。
【００１３】
（低周波特性と音響抵抗との関係）
つぎに、振動センサの低周波特性について述べる。基板と振動電極板との間に設けたベントホールは、前述のように振動電極板の上面側と下面側とを連通させてその圧力差を小さくする働きをしている。しかし、ベントホールの隙間が大きい場合には、その近傍の音響孔からベントホールを通過して基板の空洞部に至る経路（図１に矢印線２０で示す。）の音響抵抗が小さくなる。しかも、低周波振動は、高周波振動に較べてベントホールを通過しやすいので、音響孔を通過してエアギャップ内に伝搬してきた振動のうち低周波振動はベントホールを通って空洞部側へ漏れやすくなる。その結果、ベントホール近傍の音響孔を通った低周波の音響振動は、振動電極板を振動させることなく空洞部側へ漏れてしまい、振動センサの低周波特性を劣化させることになる。
【００１４】
センサ感度の周波数特性において、それよりも周波数が小さくなるとセンサ感度が低下し始める限界周波数をロールオフ周波数ｆＬという。振動センサのロールオフ周波数ｆＬは、次の数式１で表される。
１／ｆＬ＝２π・Ｒｖ（Ｃbc＋Ｃsp） …（数式１）
ただし、Ｒｖ： ベントホールの音響抵抗（抵抗成分）
Ｃbc： 基板の空洞部の音響コンプライアンス
Ｃsp： 振動電極板のスティフネス定数
である。
【００１５】
従って、低周波領域におけるセンサ感度の低下を小さくするためには、ロールオフ周波数ｆＬをできるだけ小さくすることが望まれる。例えば、ｆＬ＝５０Ｈｚ程度とすることが好ましい。
【００１６】
上記数式１によれば、ロールオフ周波数ｆＬを小さくして振動センサの低周波特性の低下を小さくするためには、ベントホールの音響抵抗Ｒｖの値を大きくすればよいことが分かる。
【００１７】
ベントホールの音響抵抗Ｒｖは、例えば次の数式２で表される。
Ｒｖ＝（８・μ・ｔ・Ａ２）／（Ｓｖ２） …（数式２）
ただし、μ： 空気の粘性係数
ｔ： ベントホールの通気方向の長さ
Ａ： ダイアフラムの面積
Ｓｖ： ベントホールの断面積
である。
【００１８】
従って、音響抵抗Ｒｖを十分に大きくしてロールオフ周波数ｆＬを小さくするためには、ベントホールの通気方向の長さｔを長くするか、ベントホールの断面積Ｓｖを小さくすればよい。
【００１９】
（熱雑音によるノイズと低周波特性との関係）
以上の議論をまとめると、つぎのような結論となる。ベントホールにおける熱雑音によるノイズを低減させるためには、ベントホールの隙間を広くしたり、ベントホールの通気方向における長さを短くすればよい。一方、振動センサの低周波特性が悪くならないようにするためには、ベントホールの通気方向の長さｔを長くするか、ベントホールの断面積Ｓｖを小さくすればよい。
【００２０】
しかし、ベントホールの熱雑音によるノイズを低減させるために、ベントホールの隙間を広くしたり、ベントホールの通気方向における長さを短くすると、振動センサの低周波特性が悪くなる。反対に、低周波特性の低下を防ぐために、ベントホールの通気方向の長さｔを長くしたり、ベントホールの断面積Ｓｖを小さくしたりすると、ベントホールの熱雑音によるノイズが増加し、振動センサのＳ／Ｎ比が悪くなる。
【００２１】
このような理由により、従来の振動センサのような構造では、振動センサの低ノイズ化と良好な低周波特性とはトレードオフの関係にあり、低ノイズで良好な低周波特性を有する振動センサを作製することは困難であった。
【００２２】
本発明は、このような技術的課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、ベントホールにおける熱雑音によるノイズを低減させることができ、かつ、良好な低周波特性を得ることができる静電容量型振動センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明にかかる静電容量型振動センサは、空洞部を有する基板の上面側に、振動を受けて膜振動する振動電極板を前記空洞部に対向させて配置し、厚み方向に貫通した複数の音響孔が開口した固定電極板を前記振動電極板に対向させて配置した静電容量型振動センサであって、前記空洞部の周囲のうち少なくとも一部において、前記基板の上面と前記振動電極板の下面との間に、前記振動電極板及び前記固定電極板間の空間と前記空洞部とを連通させる空気経路部を有し、前記振動電極板又は前記基板の前記空気経路部に面する部位に、当該空気経路部の空気を前記振動電極板の厚み方向に逃がすための空気逃げ部が形成されていることを特徴としている。
【００２４】
本発明の静電容量型振動センサにあっては、振動電極板又は基板の空気経路部に面する部位に、空気経路部の空気を振動電極板の厚み方向に逃がすための空気逃げ部を設けているので、空気経路部内の熱雑音ないし空気分子を空気逃げ部へ逃がすことができる。よって、本発明の静電容量型振動センサによれば、空気経路部における熱雑音によるノイズを低減させることができ、振動センサのＳ／Ｎ比を向上させることができる。しかも、空気逃げ部を空気経路部に設けているだけであるので、空気経路部自体の断面積を大きくする場合のように音響抵抗が低下しにくく、振動センサの低周波特性の低下を小さくすることができる。この結果、低ノイズで、かつ、良好な低周波特性を有する振動センサを得ることができる。
【００２５】
本発明にかかる静電容量型振動センサのある実施態様においては、前記空気逃げ部が、前記振動電極板に設けた貫通孔であることを特徴としている。振動電極板に設けた貫通孔によって空気逃げ部を形成してあれば、空気経路部の空気分子を振動電極板と固定電極板の間の空間へ効率よく逃がすことができる。
【００２６】
さらに、前記貫通孔の直径は、前記音響孔の直径よりも小さくなっていることが望ましい。空気逃げ部である貫通孔の直径が音響孔の直径に比べて大きくなると、空気経路部の音響抵抗が小さくなり過ぎて振動センサの低周波特性が悪くなるためである。
【００２７】
また、前記貫通孔は、前記振動電極板に垂直な方向から見て、前記音響孔と重なり合わない位置に配設されていることが望ましい。音響孔と空気逃げ部の位置が重なり合うと、音響孔から入った低周波振動が空気逃げ部を通りやすくなる恐れがあるためである。
【００２８】
本発明にかかる静電容量型振動センサの別な実施態様は、前記空気逃げ部が、前記基板に設けた孔又は溝であることを特徴としている。空気逃げ部は、空気通路部内の熱雑音の原因である空気分子を逃がすことができればよいので、孔のように個々に独立したものでもよく、溝のようにある方向に延びているものであってもよいからである。
【００２９】
なお、本発明における前記課題を解決するための手段は、以上説明した構成要素を適宜組み合せた特徴を有するものであり、本発明はかかる構成要素の組合せによる多くのバリエーションを可能とするものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。但し、本発明は以下の実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々設計変更することができる。
【００３１】
（第１の実施形態）
以下、図３〜図７を参照して本発明の第１の実施形態を説明する。図３は実施形態１による静電容量型の振動センサ３１を示す模式的な断面図である。図４は振動センサ３１の分解斜視図である。また、図５は振動センサ３１の平面図である。図６は振動センサ３１の上面の固定電極板を除いた状態における平面図である。図７は本実施形態の作用効果を説明するための図であって、振動センサ３１の断面の一部を表している。
【００３２】
この振動センサ３１は静電容量型のセンサであり、シリコン基板３２の上面に絶縁被膜３３を介して振動電極板３４を設け、その上に微小なエアギャップ３５を介して固定電極板３６を設けたものである。この振動センサ３１は、おもに音声等を検出して電気信号に変換して出力する音響センサやコンデンサマイクロフォンとして使用される。
【００３３】
図３及び図４に示すように、シリコン基板３２には、空洞部３７（バックチャンバ）が設けられている。図３の空洞部３７では、厚み方向で空洞部断面積が変化する角形の貫通孔となっている。ただし、空洞部３７の形状は特に限定されるものでなく、角柱状の貫通孔や凹部であってもよい。シリコン基板３２のサイズは、平面視で１〜１.５ｍｍ角（これよりも小さくすることも可能である。）であり、シリコン基板３２の厚みが４００〜５００μｍ程度である。シリコン基板３２の上面には酸化膜等からなる絶縁被膜３３が形成されている。
【００３４】
振動電極板３４は、膜厚が１μｍ程度のポリシリコン薄膜によって形成されている。振動電極板３４はほぼ矩形状の薄膜であって、その四隅には固定部３８が設けられている。振動電極板３４は、空洞部３７の上面開口を覆うようにしてシリコン基板３２の上面に配置され、各固定部３８が犠牲層（図示せず）を介して絶縁被膜３３の上に固定されている。図６では、振動電極板３４のうちシリコン基板３２の上面に固定されている領域を斜線で表している。振動電極板３４のうち空洞部３７の上方で宙空に支持された部分（この実施形態では、固定部３８と延出部４６以外の部分）はダイアフラム３９（可動部分）となっており、音圧に感応して膜振動する。また、固定部３８が犠牲層の上に固定されているため、振動電極板３４周辺の固定部３８間の領域はシリコン基板３２の上面からわずかに浮いており、振動電極板３４の四辺に位置する領域、すなわち固定部３８と固定部３８の間の領域では、振動電極板３４の下面とシリコン基板３２の上面との間に隙間、すなわちベントホール４５（空気経路部）が形成されている。ベントホール４５の隙間の大きさεは、１〜２μｍ程度となっている。
【００３５】
振動電極板３４のベントホール４５を構成する領域、すなわち振動電極板３４とシリコン基板３２とが上下に重なり合っている領域において、振動電極板３４の縁には複数の空気逃げ部４２が設けられている。当該実施形態では、空気逃げ部４２は、振動電極板３４を上下に貫通する通孔となっている。ベントホール４５の音響抵抗が小さくなり過ぎないよう、空気逃げ部４２の直径は後述の音響孔４３の直径よりもかなり小さくしている。例えば、音響孔４３の直径が約１８μｍ（平均値）であるのに対し、空気逃げ部４２の直径は約３μｍ（平均値）となっており、約１／６のサイズとなっている。
【００３６】
また、空気逃げ部４２は、振動電極板３４のベントホール４５を構成する領域にほぼ均等に分散させて設けることが望ましい。本実施形態では、図６に示すように、通気方向の長さｔ＝６０μｍのベントホール４５に対して、直径約３μｍの空気逃げ部４２を２列に形成している。また、固定電極板３６の一辺の長さＬは７００μｍであり、この辺に沿ってｐ＝３２μｍの間隔で空気逃げ部４２を配列している。
【００３７】
ただし、空気逃げ部４２は図６のように２列に設けなければならない訳ではなく、空気逃げ部４２の通気方向の長さｔや空気逃げ部４２の直径などに応じて、１列に形成してもよく、３列以上であってもよい。もっとも、あまり空気逃げ部４２が密になると、ベントホール４５の音響抵抗が低下する恐れがあるので、適当な上限値は存在する。また、空気逃げ部４２は規則的に配列しなくてもよく、ほぼ均等であればランダムに配置してもよい。
【００３８】
固定電極板３６は、窒化膜からなる絶縁性支持層４０の上面に金属製薄膜からなる固定電極４１を設けたものである。固定電極板３６は、振動電極板３４の上方に配置され、ダイアフラム３９と対向する領域の外側においてシリコン基板３２の上に固定されている。固定電極板３６は、ダイアフラム３９と対向する領域においては３μｍ程度の厚みのエアギャップ３５をあけてダイアフラム３９を覆っている。
【００３９】
固定電極４１及び支持層４０には、上面から下面に貫通するようにして、音響振動を通過させるための音響孔４３（アコースティックホール）が複数穿孔されている。固定電極板３６の端部には、固定電極４１に導通した電極パッド４４を備えている。なお、振動電極板３４は、音圧により振動するものであるから、１μｍ程度の薄膜となっているが、固定電極板３６は音圧によって振動しない電極であるので、その厚みは例えば２μｍ以上というように厚くなっている。
【００４０】
また、支持層４０の端部にあけられた開口とその周囲上面には電極パッド４７が設けられており、電極パッド４７の下面は振動電極板３４の延出部４６に導通している。よって、振動電極板３４と固定電極板３６とは電気的に絶縁されており、振動電極板３４と固定電極４１によってキャパシタを構成している。
【００４１】
しかして、実施形態１の振動センサ３１にあっては、上面側から音響振動（空気の疎密波）が入射すると、この音響振動は固定電極板３６の音響孔４３を通過してダイアフラム３９に達し、ダイアフラム３９を振動させる。ダイアフラム３９が振動すると、ダイアフラム３９と固定電極板３６との間の距離が変化するので、それによってダイアフラム３９と固定電極４１の間の静電容量が変化する。よって、電極パッド４４、４７間に直流電圧を印加しておき、この静電容量の変化を電気的な信号として取り出すようにすれば、音の振動を電気的な信号に変換して出力することができる。
【００４２】
ベントホール４５は、振動電極板３４の上面側に位置するエアギャップ３５と、下面側に位置する空洞部３７を通気させて振動電極板３４の上面側と下面側とで圧力差が生じにくいようにし、振動センサ３１の測定精度を向上させている。さらに、ベントホール４５の隙間εを狭くし、さらに、音響孔４３の開口径を小さくすることにより、図１に示すような空気逃げ部４２を通る低周波振動の経路βの音響抵抗を小さしているので、低周波振動が空気逃げ部４２を通って空洞部３７へ漏れにくくなっており、振動センサ３１の低周波特性を良好にしている。なお、音響孔４３の開口径を小さくする際には、音響孔全体の開口径を小さくするのでなく、特願２００８−０３９０４８に記載しているように、周辺部の音響孔４３のみ開口径を小さくし、その内側の音響孔４３はそれよりも大きな開口径とするのが好ましい。開口径の小さな音響孔４３の直径は、０.５μｍ以上１０μｍ以下が好ましく、開口径の大きな音響孔４３の直径は、５μｍ以上３０μｍ以下が好ましい。上に例示した音響孔４３の直径の約１８μｍという値は、開口径の大きな音響孔４３のものである。
【００４３】
また、ベントホール４５においては、振動電極板３４に小さな空気逃げ部４２を開口しているので、ベントホール４５内の熱雑音（特に、平均自由工程の長い空気分子α）を空気逃げ部４２へ逃がすことができ、あるいは空気逃げ部４２からさらにエアギャップ３５へ逃がすことができるので、振動電極板３４に衝突する空気分子αを減少させることができて熱雑音によるノイズを低減することができる。
【００４４】
しかも、空気逃げ部４２はベントホール４５内に部分的に設けられているだけであるので、ベントホール４５を通過する経路βの音響抵抗が小さくなりにくい。しかも、空気逃げ部４２の直径が小さくて空気逃げ部４２の音響抵抗が大きいので、図１に示す経路γのように空気逃げ部４２を通過する短絡した経路で、低周波振動が空洞部３７へ漏れることもない。よって、本実施形態の振動センサ３１によれば、ノイズを低減させるために設けた空気逃げ部４２により、振動センサ３１の低周波特性を低下させることがなく、低ノイズで良好な低周波特性を有する振動センサ３１を製作することが可能になる。
【００４５】
なお、上記振動センサ３１は、マイクロマシニング（半導体微細加工）技術を用いて製造されるが、その製造方法は公知の技術であるので説明を省略する。
【００４６】
（第１の実施形態の変形例）
図８は実施形態１の変形例による振動センサの一部を拡大して示す断面図である。この変形例においては、振動電極板３４に垂直な方向から見たとき、音響孔４３と空気逃げ部４２とが重なり合わないように、空気逃げ部４２を配置している。好ましくは、垂直方向から見たとき、音響孔４３と空気逃げ部４２が接することなく、ある程度の距離を保っていることが好ましい。
【００４７】
振動電極板３４に垂直な方向から見たとき、音響孔４３と空気逃げ部４２とが重なり合わないように空気逃げ部４２を配置すれば、図８に示す経路γのように低周波振動が空気逃げ部４２に至る経路長が長くなるので、経路γにおける低周波振動の音響抵抗を大きくでき、その結果振動センサの低周波特性の低下を小さくできる。
【００４８】
また、空気逃げ部４２はベントホール４５の内側に寄せて設けることが望ましい。すなわち、図８に示す空気逃げ部４２のように、空気逃げ部４２は空洞部３７の縁から離れた位置に設けることが望ましい。空洞部３７の縁に近い位置に空気逃げ部４２を設けると、空気逃げ部４２を通る経路の音響抵抗が小さくなり、低周波特性が低下する恐れがあるためである。
【００４９】
（第２の実施形態）
図９（ａ）は実施形態２による振動センサの一部を示す拡大断面図、図９（ｂ）は空洞部３７の周囲に位置するシリコン基板３２の一部を示す平面図である。この実施形態においては、ベントホール４５の設けられている位置において、基板４２に空気逃げ部５１、５２を設けている。空気逃げ部５１は、シリコン基板３２を上下に貫通する貫通孔となっており、空気逃げ部５１は有底の窪み（つまり、一方が塞がった孔）となっている。
【００５０】
貫通孔状の空気逃げ部５１の場合には、実施形態１の空気逃げ部４２と同様にして、ベントホール４５の音響抵抗をあまり低下させることなく熱雑音によるノイズを低減することができる。
【００５１】
窪み状の空気逃げ部５２の場合も、窪みを設けることで窪みの底面と振動電極板３４の下面との距離が長くなるので、窪み状の空気逃げ部５２の底面で跳ね返った空気分子αが振動電極板３４に衝突する確率が小さくなる。その結果、貫通孔状の空気逃げ部５１と同様に、熱雑音によるノイズを低減することができる。しかも、空気逃げ部５２は窪み状であるため、空気逃げ部５２を通って低周波振動が漏れることはなく、また空気逃げ部５２はベントホール４５内に部分的に設けられているだけであるので、ベントホール４５の音響抵抗も大きく低下することがなく、ノイズ低減のためにベントホール４５内に窪み状の空気逃げ部５２を設けていても、振動センサの低周波特性が低下しにくい構造となっている。
【００５２】
なお、第１の実施形態において、貫通孔状の空気逃げ部４２に代えて、貫通しない窪み状の空気逃げ部を振動電極板３４の下面に設けてもよい。また、第２の実施形態において、空気逃げ部４２をすべて貫通孔としてもよく、すべて窪みとしてもよい。
【００５３】
（第３の実施形態）
図１０は実施形態３による振動センサの一部を示す拡大断面図、図１１は当該振動センサに用いられているシリコン基板３２の平面図である。この実施形態では、ベントホール４５内において、空洞部３７の周囲を囲むようにして、シリコン基板３２の上面に溝状をした空気逃げ部６１を設けている。図示例では、２本の空気逃げ部６１を設けているが、１本でもよく、音響抵抗があまり小さくならない限度であれば３本以上であってもよい。また、空気逃げ部６１の溝は環状である必要はなく、各辺に沿ってそれぞれ直線状の溝を形成していてもよい。
【００５４】
このような実施形態でも、実施形態１、２の場合と同様、ベントホール４５内における熱雑音によるノイズを低減することができ、しかも、良好な低周波特性を低下させにくくすることができる。
【００５５】
なお、ベントホール４５内において、振動電極板３４の下面に溝状の空気逃げ部４２を設けることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】図１は、静電容量型振動センサの基本的構造を示す断面図である。
【図２】図２（ａ）は熱雑音によるノイズを説明するための図である。図２（ｂ）はエアギャップ３５における説雑音によるノイズを低減する方法を説明する図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態１による静電容量型の振動センサを模式的に示す断面図である。
【図４】図４は、実施形態１の振動センサの分解斜視図である。
【図５】図５は、実施形態１の振動センサの平面図である。
【図６】図６は、実施形態１において固定電極板を除いた状態の平面図である。
【図７】図７は、実施形態１の振動センサの作用効果を説明するための図である。
【図８】図８は、実施形態１の変形例による振動センサの一部を拡大して示す断面図である。
【図９】図９（ａ）は本発明の実施形態２による振動センサの一部を示す拡大断面図、図９（ｂ）は空洞部の周囲に位置するシリコン基板の一部を示す平面図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施形態３による振動センサの一部を示す拡大断面図である。
【図１１】図１１は、実施形態３の振動センサに用いられているシリコン基板を示す平面図である。
【符号の説明】
【００５７】
３１ 振動センサ
３２ シリコン基板
３３ 絶縁被膜
３４ 振動電極板
３５ エアギャップ
３６ 固定電極板
３７ 空洞部
３８ 固定部
３９ ダイアフラム
４０ 支持層
４１ 固定電極
４２ 空気逃げ部
４３ 音響孔
４５ ベントホール
５１、５２、６１ 空気逃げ部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空洞部を有する基板の上面側に、振動を受けて膜振動する振動電極板を前記空洞部に対向させて配置し、厚み方向に貫通した複数の音響孔が開口した固定電極板を前記振動電極板に対向させて配置した静電容量型振動センサであって、
前記空洞部の周囲のうち少なくとも一部において、前記基板の上面と前記振動電極板の下面との間に、前記振動電極板及び前記固定電極板間の空間と前記空洞部とを連通させる空気経路部を有し、
前記振動電極板又は前記基板の前記空気経路部に面する部位に、当該空気経路部の空気を前記振動電極板の厚み方向に逃がすための空気逃げ部が形成されていることを特徴とする静電容量型振動センサ。
【請求項２】
前記空気逃げ部は、前記振動電極板に設けた貫通孔であることを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型振動センサ。
【請求項３】
前記貫通孔の直径が前記音響孔の直径よりも小さいことを特徴とする、請求項２に記載の静電容量型振動センサ。
【請求項４】
前記貫通孔は、前記振動電極板に垂直な方向から見て、前記音響孔と重なり合わない位置に配設されていることを特徴とする、請求項２に記載の静電容量型振動センサ。
【請求項５】
前記空気逃げ部は、前記基板に設けた孔又は溝であることを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型振動センサ。
【請求項１】
空洞部を有する基板の上面側に、振動を受けて膜振動する振動電極板を前記空洞部に対向させて配置し、厚み方向に貫通した複数の音響孔が開口した固定電極板を前記振動電極板に対向させて配置した静電容量型振動センサであって、
前記空洞部の周囲のうち少なくとも一部において、前記基板の上面と前記振動電極板の下面との間に、前記振動電極板及び前記固定電極板間の空間と前記空洞部とを連通させる空気経路部を有し、
前記振動電極板又は前記基板の前記空気経路部に面する部位に、当該空気経路部の空気を前記振動電極板の厚み方向に逃がすための空気逃げ部が形成されていることを特徴とする静電容量型振動センサ。
【請求項２】
前記空気逃げ部は、前記振動電極板に設けた貫通孔であることを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型振動センサ。
【請求項３】
前記貫通孔の直径が前記音響孔の直径よりも小さいことを特徴とする、請求項２に記載の静電容量型振動センサ。
【請求項４】
前記貫通孔は、前記振動電極板に垂直な方向から見て、前記音響孔と重なり合わない位置に配設されていることを特徴とする、請求項２に記載の静電容量型振動センサ。
【請求項５】
前記空気逃げ部は、前記基板に設けた孔又は溝であることを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型振動センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−３４６４１（Ｐ２０１０−３４６４１Ａ）
【公開日】平成２２年２月１２日（２０１０．２．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１９１９０１（Ｐ２００８−１９１９０１）
【出願日】平成２０年７月２５日（２００８．７．２５）
【出願人】（０００００２９４５）オムロン株式会社 (3,542)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月１２日（２０１０．２．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月２５日（２００８．７．２５）
【出願人】（０００００２９４５）オムロン株式会社 (3,542)
【Ｆターム（参考）】
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