音響センサ
【課題】音響検知部と振動検知部との間における機械的振動の伝達効率を向上させることによって音響センサのノイズ除去効果を高めることにある。
【解決手段】シリコン基板２８に２つのバックチャンバ３１ａ、３１ｂを形成する。シリコン基板２８の上面には、一方のバックチャンバ３１ａを覆うように形成された振動電極板３３ａと振動電極板３３ａに対向する固定電極板３４ａによって音響検知部２９が作製されている。また、他方のバックチャンバ３１ｂを覆うように形成された振動電極板３３ｂと振動電極板３３ｂに対向する固定電極板３４ｂによって振動検知部３０が作製されている。また、音響検知部２９の固定電極板３４ａには、音響振動を通過させるための音響孔４３を設ける。振動検知部３０の固定電極板３４ｂは振動電極板３３ｂを覆うように形成されており、固定電極板３４ｂは音響孔その他の孔を有していない。
【解決手段】シリコン基板２８に２つのバックチャンバ３１ａ、３１ｂを形成する。シリコン基板２８の上面には、一方のバックチャンバ３１ａを覆うように形成された振動電極板３３ａと振動電極板３３ａに対向する固定電極板３４ａによって音響検知部２９が作製されている。また、他方のバックチャンバ３１ｂを覆うように形成された振動電極板３３ｂと振動電極板３３ｂに対向する固定電極板３４ｂによって振動検知部３０が作製されている。また、音響検知部２９の固定電極板３４ａには、音響振動を通過させるための音響孔４３を設ける。振動検知部３０の固定電極板３４ｂは振動電極板３３ｂを覆うように形成されており、固定電極板３４ｂは音響孔その他の孔を有していない。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は音響センサに関し、具体的には、外部振動ノイズの除去機能を備えたＭＥＭＳ型の音響センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロフォン等に用いられる音響センサは、空気を伝達媒体とする音響振動を検知するものであるが、通常何らかの機器に設置されているため、外来の機械的振動などによりノイズを発生しやすい。
【０００３】
このような外来の機械的振動によるノイズ（外部振動ノイズ）を低減するため、従来のコンデンサマイクでは、音響振動を検知する音響検知部と機械的振動だけを検知する振動検知部とを組み合わせている。このようなノイズ除去方式のコンデンサマイクとしては、特許文献１に開示されたものがある。
【０００４】
特許文献１に開示されたコンデンサマイクの構造を図１に示す。このコンデンサマイク１１では、ほぼ同一構造のエレクトレットコンデンサマイクユニットからなる音響検知部１２と振動検知部１３を剛体のホルダ１４に納めている。音響検知部１２と振動検知部１３は、いずれもケーシング１２ａ、１３ａ内に振動検知用の振動膜１５が保持され、振動膜１５に対向して音響孔１６が開口されている。音響検知部１２と振動検知部１３は、ホルダ１４に設けられた隣接する納入部１７、１８内にほぼ平行に納められている。納入部１７に納められた音響検知部１２の音響孔１６は、納入部１７の開口１９によって外部に開放されている。一方、納入部１８に納められた振動検知部１３の音響孔１６はホルダ１４により閉塞されている。
【０００５】
したがって、音響振動は、開口１９を通して音響検知部１２でのみ検知される。また、外来の機械的振動は、ホルダ１４を通じて音響検知部１２と振動検知部１３により検知される。図２（ａ）は音響検知部１２から出力された信号波形（外部振動ノイズの乗った音響振動）の一例を表し、図２（ｂ）は振動検知部１３から出力された信号波形（機械的振動）の一例を表す。なお、図２においては、音響振動の信号波形は正弦波と仮定している。
【０００６】
このような２種の信号波形を用いて外部振動ノイズを除去するには、一般に差動アンプやノイズキャンセリング回路が用いられる。差動アンプを用いる場合には、図２（ａ）のような外部振動ノイズの乗った音響振動波形と図２（ｂ）のような機械的振動波形を差動アンプに入力し、差動アンプから両信号波形の差分信号を出力させる。図２（ｂ）に示す振動検知部１３の出力波形は、音響検知部１２から出力された音響振動に乗っているノイズ成分と同じであるので、図２（ａ）の信号波形と図２（ｂ）の信号波形の差分信号を出力させれば、外部振動ノイズが除去されて音響振動波形のみを取り出すことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】実開平４−５３３９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、このようなコンデンサマイクでも、音響検知部１２で検知する機械的振動と振動検知部１３で検知する機械的振動との間に位相差（時間的なずれ）があると、ノイズ除去後の信号にかなりのノイズが残っていた。外来の機械的振動は、ホルダ１４やケーシング１２ａ、１３ａを通じ両検知部１２、１３の振動膜１５に伝わって振動膜１５を振動させるが、振動の伝わってくる方向や伝わり方によって音響検知部１２の振動膜１５に伝わる機械的振動と振動検知部１３の振動膜１５に伝わる機械的振動とで時間的なずれが生じることがある。そのため、振動検知部１３の出力信号を利用して音響検知部１２の出力信号から外部振動ノイズを除去しようとしても、図２（ｃ）のような音響振動波形となりノイズが残っていた。
【０００９】
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音響検知部と振動検知部との間における機械的振動の伝達効率を向上させることによって音響センサのノイズ除去効果を高めることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このような目的を達成するために、本発明に係る音響センサは、一枚の基板に、音響振動及び機械的振動を感知して電気信号を出力する第１のトランスデューサと、機械的振動のみを感知して電気信号を出力する第２のトランスデューサとを設けたことを特徴としている。
【００１１】
本発明の音響センサにあっては、共通の基板に第１のトランスデューサと第２のトランスデューサを設けているので、音響センサに機械的振動が加わったとき、第１のトランスデューサの第１の振動電極板に伝わる機械的振動と第２のトランスデューサの第２の振動電極板に伝わる機械的振動との時間的ずれや機械的振動の信号強度の大小を小さくできる。特に、ＭＥＭＳ技術を利用して作製される音響センサ（センサ本体）の場合には、基板材料としてシリコン等の硬くて弾性率の大きな材料が用いられるので、両トランスデューサの各振動電極板に伝わる機械的振動の時間的ずれや機械的振動の信号強度の大小を非常に小さくすることができる。よって、第２のトランスデューサで検知した機械的振動を利用して第１のトランスデューサの出力信号から外部振動ノイズを精度よく除去することができ、音響センサのＳ／Ｎ比を向上させることができる。また、ＭＥＭＳ技術を利用して音響センサを製造する場合には、共通の基板上に同一工程で第１のトランスデューサと第２のトランスデューサを作製することができ、音響センサの量産性が向上するとともに第１のトランスデューサと第２のトランスデューサにおける機械的振動に対する感度ばらつきを小さくできる。なお、この音響センサは、静電容量型のものであってもよく、ピエゾ抵抗型のものでもよい。
【００１２】
本発明に係る音響センサのある実施態様においては、前記第１のトランスデューサは、前記基板に形成された第１のバックチャンバと、前記第１のバックチャンバを覆うようにして前記基板の表面に設けた第１の振動電極板と、前記第１の振動電極板に対向し且つ音響孔を開口された第１の固定電極板とを有し、前記第１の振動電極板の変位による前記第１の振動電極板と前記第１の固定電極板の間の静電容量の変化に基づいて電気信号を出力するものであり、前記第２のトランスデューサは、前記基板の表面に設けた第２の振動電極板と、前記第２の振動電極板に対向し且つ開口のない第２の固定電極板とを有し、前記第２の振動電極板の変位による前記第２の振動電極板と前記第２の固定電極板の間の静電容量の変化に基づいて電気信号を出力するものであることを特徴としている。
【００１３】
この実施態様では、第１のトランスデューサは第１の固定電極板に音響孔が開口されているので、音響孔を通じて音響振動が第１の振動電極板に達することができ、第１のトランスデューサは音響振動と外来の機械的振動を感知する。一方、第２のトランスデューサは第２の固定電極板に開口を有しないので、音響振動は第２の振動電極板に達せず、第２のトランスデューサは外来の機械的振動のみを感知する。
【００１４】
また、この実施態様の前記第２のトランスデューサにおいては、前記第２の振動電極板に対向させて前記基板に第２のバックチャンバを形成することが望ましい。この実施態様では、第２のトランスデューサの第２の固定電極板に開口を設けていないが、第２のバックチャンバを備えているので、音響センサの製造工程において、基板表面と第２の固定電極板の間に存在していた犠牲層を第２のバックチャンバを通してエッチング除去することができる。
【００１５】
本発明に係る別な実施態様においては、前記第１のトランスデューサは、前記基板に形成された第１のバックチャンバと、前記第１のバックチャンバを覆うようにして前記基板の表面に設けた第１の振動電極板と、前記第１の振動電極板に対向し且つ音響孔を開口された第１の固定電極板とを有し、前記第１の振動電極板の変位による前記第１の振動電極板と前記第１の固定電極板の間の静電容量の変化に基づいて電気信号を出力するものであり、前記第２のトランスデューサは、前記基板のバックチャンバが形成されていない領域の表面に設けた第２の振動電極板と、前記第２の振動電極板に対向して設けられた第２の固定電極板とを有し、前記第２の振動電極板の変位による前記第２の振動電極板と前記第２の固定電極板の間の静電容量の変化に基づいて電気信号を出力することを特徴としている。
【００１６】
この別な実施態様では、第１のトランスデューサは第１の振動電極板の裏面側に第１のバックチャンバを有しているので、第１の振動電極板は音響孔から伝搬した音響振動に対して感度を持ち、第１のトランスデューサは音響振動と外来の機械的振動を感知する。一方、第２のトランスデューサは基板上のバックチャンバが形成されていない領域に設けられているので、第２の振動電極板は音響振動に対して感度を持たず、第２のトランスデューサは外来の機械的振動のみを感知する。
【００１７】
また、この別な実施態様においては、前記第２の固定電極板に開口を設けることが望ましい。この別な実施態様では、第２のトランスデューサの第２の固定電極板に開口を設けているので、音響センサの製造工程において、基板表面と第２の固定電極板の間に存在していた犠牲層を第２の固定電極板の開口を通してエッチング除去できる。
【００１８】
本発明に係るさらに別な実施態様においては、前記第１のトランスデューサは、前記基板に形成された第１のバックチャンバと、前記第１のバックチャンバを覆うようにして前記基板の表面に設けた第１の振動電極板と、前記第１の振動電極板に対向し且つ音響孔を開口された第１の固定電極板とを有し、前記第１の振動電極板の変位による前記第１の振動電極板と前記第１の固定電極板の間の静電容量の変化に基づいて電気信号を出力するものであり、前記第２のトランスデューサは、前記基板の表面に設けられ且つ通気孔を開口された第２の振動電極板と、前記第２の振動電極板に対向して設けられた第２の固定電極板とを有し、前記第２の振動電極板の変位による前記第２の振動電極板と前記第２の固定電極板の間の静電容量の変化に基づいて電気信号を出力するものであることを特徴としている。
【００１９】
このさらに別な実施態様では、音響孔を通じて音響振動が第１の振動電極板に達することができ、第１のトランスデューサは音響振動と外来の機械的振動を感知する。一方、第２のトランスデューサは第２の振動電極板に通気孔を開口されているので、第２の振動電極板の表面に達した音響振動は通気孔を通過して第２の振動電極板の裏面に伝わる。その結果、第２の振動電極板の表裏で圧力差が生じず、第２の振動電極板は音響振動によってはほぼ振動しなくなり、第２のトランスデューサは外来の機械的振動のみを感知する。
【００２０】
また、このさらに別な実施態様の前記第２のトランスデューサにおいては、前記第２の固定電極板に形成された開口と前記第２の振動電極板に対向して前記基板に形成された第２のバックチャンバのうち少なくとも一方を設けていることが望ましい。この別な実施態様では、音響センサの製造工程において、第２の固定電極板の開口、または前記基板の第２のバックチャンバを通して、基板表面と第２の固定電極板の間に存在していた犠牲層をエッチング除去できる。しかも、第２の振動電極板も通気孔を有しているので、犠牲層をエッチングする際には、通気孔を通ってエッチング液が第２の振動電極板を通過するので、より確実にエッチングを行うことができるとともにエッチング所要時間を短縮できる。
【００２１】
本発明に係るさらに別な実施態様においては、前記第１のトランスデューサは、前記基板に形成された第１のバックチャンバと、前記第１のバックチャンバを覆うようにして前記基板の表面に設けた第１の振動電極板と、前記第１の振動電極板に対向し且つ音響孔を開口された第１の固定電極板とを有し、前記第１の振動電極板の変位による前記第１の振動電極板と前記第１の固定電極板の間の静電容量の変化に基づいて電気信号を出力するものであり、前記第２のトランスデューサは、前記基板に形成された第２のバックチャンバと、前記第２のバックチャンバを覆うようにして前記基板の表面に設けた第２の振動電極板と、前記第２の振動電極板に対向し且つ開口を設けられた第２の固定電極板と、前記第２のバックチャンバと外部の空間とをつなげる前記基板内の通路とを有し、前記第２の振動電極板の変位による前記第２の振動電極板と前記第２の固定電極板の間の静電容量の変化に基づいて電気信号を出力するものであることを特徴としている。
【００２２】
このさらに別な実施態様では、第１のトランスデューサは第１の固定電極板に音響孔が開口されているので、音響孔を通じて音響振動が第１の振動電極板に達することができ、第１のトランスデューサは音響振動と外来の機械的振動を感知する。一方、第２のトランスデューサでは、第２のバックチャンバと外部の空間とをつなげる前記基板内の通路とを有しているので、第２の固定電極板の開口を通って伝搬した音響振動と、前記通路及び第２のバックチャンバを通って伝搬した音響振動が第２の振動電極板の表裏に達する。その結果、第２の振動電極板の表裏で圧力差が生じず、第２の振動電極板は音響振動によってはほぼ振動しなくなり、第２のトランスデューサは外来の機械的振動のみを感知する。
【００２３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、特許文献１に開示された音響センサの断面図である。
【図２】図２（ａ）は図１のコンデンサマイクにおける音響検知部の出力波形を示す図、図２（ｂ）は図１のコンデンサマイクにおける振動検知部の出力波形を示す図、図２（ｃ）は図２（ｂ）の出力波形を用いて図２（ａ）の出力波形からノイズを除去した波形を示す図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態１による音響センサの構造を示す概略断面図である。
【図４】図４は、実施形態１の音響センサに用いられているセンサ本体の分解斜視図である。
【図５】図５（ａ）は実施形態１の音響センサの音響検知部からの出力波形を示す図、図５（ｂ）は実施形態１の音響センサの振動検知部からの出力波形を示す図、図５（ｃ）は図５（ｂ）の出力波形を用いて図５（ａ）の出力波形からノイズを除去した波形を示す図である。
【図６】図６は、比較例を示す概略断面図である。
【図７】図７は、本発明の実施形態２による音響センサの一部を示す概略断面図である。
【図８】図８は、実施形態２におけるセンサ本体の分解斜視図である。
【図９】図９は、本発明の実施形態３による音響センサの一部を示す概略断面図である。
【図１０】図１０は、実施形態３におけるセンサ本体の分解斜視図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施形態４による音響センサの一部を示す概略断面図である。
【図１２】図１２は、実施形態４におけるセンサ本体の分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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。
【００２６】
（第１の実施形態）
以下、図３〜図６を参照して本発明の実施形態１による音響センサ２１を説明する。図３は音響センサ２１の概略断面図である。この音響センサ２１は、図３に示すように、主としてセンサ本体２２と回路素子２３、２４（ＩＣチップ）とからなり、センサ本体２２及び回路素子２３、２４の下面は配線パターンを形成された配線基板２５の上面に接着剤で固定されている。センサ本体２２及び回路素子２３、２４は、配線基板２５の上面に接合された電磁シールド用のカバー２６によって覆われていて、配線基板２５とカバー２６によって形成された空間２７内に納められている。
【００２７】
図４はセンサ本体２２の構造を示す分解斜視図である。このセンサ本体２２はＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を利用して作製されたＭＥＭＳ素子であり、一枚のシリコン基板２８（基板）に音響検知部２９（第１のトランスデューサ）と振動検知部３０（第２のトランスデューサ）を設けている。シリコン基板２８は表面から裏面に貫通した２つのバックチャンバ３１ａ（第１のバックチャンバ）及びバックチャンバ３１ｂ（第２のバックチャンバ）を有している。バックチャンバ３１ａ、３１ｂは内周面が垂直面となっていてもよく、テーパー状に傾斜していてもよい。シリコン基板２８のサイズは、平面視で一辺の長さが数ｍｍ以下であり、厚みが４００〜５００μｍ程度である。シリコン基板２８の上面には酸化膜（ＳｉＯ２膜）等からなる絶縁被膜３２が形成されている。
【００２８】
音響検知部２９は、一方のバックチャンバ３１ａの上方においてシリコン基板２８の上面に振動電極板３３ａ（第１の振動電極板）と固定電極板３４ａ（第１の固定電極板）を対向させて配置することによって構成されている。また、振動検知部３０は、他方のバックチャンバ３１ｂの上方においてシリコン基板２８の上面に振動電極板３３ｂ（第２の振動電極板）と固定電極板３４ｂ（第２の固定電極板）を対向させて配置することによって構成されている。すなわち、振動電極板３３ａ、３３ｂは、各バックチャンバ３１ａ、３１ｂを覆うようにしてシリコン基板２８の上面に設けられ、それぞれの振動電極板３３ａ、３３ｂの上方には微小ギャップ（空隙）を介して固定電極板３４ａ、３４ｂが設けられている。
【００２９】
振動電極板３３ａ、３３ｂ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３３ａ、３３ｂはほぼ矩形状の薄膜であって、その四隅部分には対角方向外側に向けて支持脚３５ａ、３５ｂが延出している。さらに、支持脚３５ａ、３５ｂの一つからは延出部３６ａ、３６ｂが延びている。振動電極板３３ａ、３３ｂは、各バックチャンバ３１ａ、３１ｂの上面を覆うようにしてシリコン基板２８の上面に配置され、四隅の各支持脚３５ａ、３５ｂと延出部３６ａ、３６ｂを絶縁被膜３２の上に固定されている。振動電極板３３ａ、３３ｂのうちバックチャンバ３１ａ、３１ｂの上方で宙空に支持された部分（この実施形態では、支持脚３５ａ、３５ｂ及び延出部３６ａ、３６ｂ以外の部分）はそれぞれダイアフラム３７ａ、３７ｂ（振動膜）となっている。
【００３０】
固定電極板３４ａ、３４ｂは、いずれも窒化膜からなるバックプレート３８ａ、３８ｂの上面に金属薄膜からなる固定電極３９ａ、３９ｂを設けたものである。図４に示すように、固定電極板３４ａ、３４ｂは、それぞれダイアフラム３７ａ、３７ｂと対向する領域においては３μｍ程度の微小ギャップをあけてダイアフラム３７ａ、３７ｂを覆っており、固定電極３９ａ、３９ｂはダイアフラム３７ａ、３７ｂと対向してキャパシタを構成している。固定電極板３４ａ、３４ｂの外周部、すなわちダイアフラム３７ａ、３７ｂと対向する領域の外側の部分は、酸化膜等からなる絶縁被膜３２を介してシリコン基板２８の上面に固定されている。
【００３１】
固定電極３９ａ、３９ｂからは引出し部４０ａ、４０ｂが延出されており、引出し部４０ａ、４０ｂの先端にはそれぞれ固定電極３９ａ、３９ｂと導通した電極パッド４１ａ、４１ｂ（Ａｕ膜）が設けられている。さらに、固定電極板３４ａ、３４ｂには、振動電極板３３ａ、３３ｂの延出部３６ａ、３６ｂに接合して振動電極板３３ａ、３３ｂと導通させる電極パッド４２ａ、４２ｂ（Ａｕ膜）が設けられている。電極パッド４２ａ、４２ｂはバックプレート３８ａ、３８ｂの上面に配置しており、電極パッド４２ａ、４２ｂはバックプレート３８ａ、３８ｂの開口内に位置している。
【００３２】
固定電極３９ａ及びバックプレート３８ａ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）が穿孔されており、ダイアフラム３７ａとバックチャンバ３１ａは音響的につながっている。一方、固定電極３９ｂ及びバックプレート３８ｂには音響孔その他の孔は開口されておらず、固定電極板３４ｂは振動電極板３３ｂの上方を気密的に覆っている。なお、振動電極板３３ａ、３３ｂは、音響振動や機械的振動に共鳴して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３４ａ、３４ｂは音響振動や機械的振動によって励振され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。
【００３３】
配線基板２５の上面には、音響検知部２９の出力信号を処理するための回路素子２３が熱硬化性樹脂によって接着されており、音響検知部２９と回路素子２３はボンディングワイヤにより、あるいは配線基板２５の配線パターンを通じて接続される。同様に、配線基板２５の上面には、振動検知部３０の出力信号を処理するための回路素子２４が熱硬化性樹脂によって接着されており、振動検知部３０と回路素子２４はボンディングワイヤにより、あるいは配線基板２５の配線パターンを通じて接続される。
【００３４】
カバー２６は、導電性接着剤によって外周裏面を配線基板２５に接着されており、カバー２６は配線基板２５の接地パターンに電気的に接続されている。また、カバー２６の下面と配線基板２５との間の隙間は、導電性接着剤によって封止されている。カバー２６は、外部からの電磁ノイズを遮断するために電磁シールド機能を備えている。このためには、カバー２６自体を導電性金属によって形成してもよく、樹脂製のカバーの内面をメッキ等の金属被膜で覆ってもよい。また、カバー２６は開口４４を形成されており、開口４４と音響検知部２９の間の空間は音響振動を伝搬させるための経路となっている。
【００３５】
この音響センサ２１にあっては、開口４４から音響振動（音圧）が伝搬すると、音響孔４３を通して音響検知部２９内に音響振動が入ってダイアフラム３７ａを振動させる。ダイアフラム３７ａが振動すると、ダイアフラム３７ａと固定電極３９ａとの間のギャップ距離が変化するので、それによってダイアフラム３７ａと固定電極３９ａの間の静電容量が変化する。よって、電極パッド４１ａ、４２ａ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、音響振動を電気的な信号に変換して検出することができる。
【００３６】
一方、振動検知部３０では、固定電極板３４ｂが音響孔を有していないので、開口４４から音響振動が入ってもダイアフラム３７ｂに音響振動が伝わらず、音響振動は振動検知部３０で検知されない。
【００３７】
これに対し、機械的振動は、シリコン基板２８を通じて音響検知部２９のダイアフラム３７ａと振動検知部３０のダイアフラム３７ｂに伝達するので、音響検知部２９と振動検知部３０の双方で検知される。しかも、音響検知部２９と振動検知部３０は、同じ感度で機械的振動を検知できるように構成されている。
【００３８】
音響検知部２９では、外来の機械的振動は検知対象ではないので、音響振動と同時に機械的振動が伝わると、音響検知部２９からの出力信号では、図５（ａ）に示すように機械的振動は音響振動波形に乗ったノイズとなる。一方、振動検知部３０では機械的振動のみが検知され、振動検知部３０からは図５（ｂ）のような音響検知部２９のノイズに対応する機械的振動が出力される。よって、たとえば外部の差動アンプに音響検知部２９の出力信号と振動検知部３０の出力信号をそれぞれ入力して音響検知部２９の出力と振動検知部３０の出力との差分信号を出力させるようにすれば、ノイズが除去されて音響振動のみが出力される。
【００３９】
しかも、音響検知部２９と振動検知部３０は一枚のシリコン基板２８の上に形成されており、シリコン基板２８は硬度が高くて弾性定数が大きいので、シリコン基板２８を通じて伝わる機械的振動は音響検知部２９と振動検知部３０とで時間差が非常に小さくなり、両検知部２９、３０で検知される機械的振動の位相差や減衰がほとんどなくなる。その結果、音響検知部２９の出力から精度よくノイズを除去することができ、図５（ｃ）のようにきれいな音響振動波形を取り出すことが可能になる。
【００４０】
なお、図６に示す音響センサは比較例であって、音響検知部２９と振動検知部３０はそれぞれ別個のシリコン基板２８ａ、２８ｂの上に形成されている。このような比較例の場合には、シリコン基板２８ａと２８ｂとの界面で機械的振動の反射や時間遅れが発生し、従来例のコンデンサマイクと同様にノイズが十分に除去されなくなる（図２（ｃ）参照）。
【００４１】
また、本実施形態の音響センサ２１では、音響検知部２９及び振動検知部３０としてＭＥＭＳ素子を用いているので、音響センサ２１を小型化することができる。さらに、音響検知部２９と振動検知部３０が一枚のシリコン基板２８の上に形成されているので、センサ本体２２の製造工程や配線基板２５への実装工程が簡単になり、音響センサ２１の製造効率が向上する。
【００４２】
（第２の実施形態）
図７は本発明の実施形態２による音響センサの一部を示す概略断面図である。実施形態２の音響センサの構造は、センサ本体を除けば実施形態１と同一であるので、図７ではセンサ本体５１の部分だけを表している（実施形態３、４についても同様）。また、図８は実施形態２のセンサ本体５１の分解斜視図である。
【００４３】
このセンサ本体５１では、振動検知部３０側のバックチャンバ（３１ｂ）を無くすことによって振動検知部３０が音響振動に対して感度を持たないようにしている。すなわち、音響検知部２９側にだけバックチャンバ３１ａを設けてあり、振動検知部３０側にはバックチャンバを設けていない。
【００４４】
また、振動検知部３０にバックチャンバが存在しないので、製造工程においてシリコン基板２８の表面と固定電極板３４ｂとの間に存在していた犠牲層（バックプレート３８ａとなる半導体層を成膜するための支持層；図示せず）をシリコン基板２８の裏面側からエッチングにより除去することができない。そのため、この実施形態では、振動検知部３０の固定電極板３４ｂにエッチング用孔５２を開口し、エッチング用孔５２から犠牲層をエッチングで除去している。
【００４５】
このセンサ本体５１の振動検知部３０は、ダイアフラム３７ｂの下にバックチャンバを有していないので、固定電極板３４ｂにエッチング用孔５２が開口していても音響振動に対して感度を持たず、機械的振動だけを検知する。
【００４６】
そして、音響検知部２９と振動検知部３０が一枚のシリコン基板２８の上に形成されているので、音響検知部２９と振動検知部３０において検知する機械的振動に時間差や減衰が起こりにくく、機械的振動による外部振動ノイズを精度よく除去することができる。また、音響センサの製造効率も向上する。
【００４７】
（第３の実施形態）
図９は本発明の実施形態３による音響センサの一部であるセンサ本体６１を示す概略断面図である。また、図１０は実施形態３のセンサ本体６１の分解斜視図である。
【００４８】
このセンサ本体６１では、振動検知部３０において、固定電極板３４ｂにエッチング用孔６２（あるいは、音響孔）を設けるとともに、ダイアフラム３７ｂに表裏に貫通した通気孔６３を設けている。なお、振動検知部３０側のバックチャンバ３１ｂは無くてもよい。
【００４９】
このセンサ本体６１では、エッチング用孔６２から音響振動が入ってきても、その音響振動はダイアフラム３７ｂの通気孔６３を通り抜けるので、音響振動（音圧）がダイアフラム３７ｂの表裏から加わってダイアフラム３７ｂの表裏で圧力差がなくなる。その結果、ダイアフラム３７ｂは振動せず、音響振動に対して感度を持たず、機械的振動だけを検知する。
【００５０】
そして、音響検知部２９と振動検知部３０が一枚のシリコン基板２８の上に形成されているので、音響検知部２９と振動検知部３０において検知する機械的振動に時間差や減衰が起こりにくく、機械的振動による外部振動ノイズを精度よく除去することができる。また、音響センサの製造効率も向上する。さらに、この実施形態では、バックチャンバ３１ｂを設けない場合には、シリコン基板２８の表面と振動電極板３３ｂの間の犠牲層をエッチング除去する際、通気孔６３を通ってエッチング液が振動電極板３３ｂの下面に達しやすくなり、犠牲層エッチングを行い易くなる。
【００５１】
（第４の実施形態）
図１１は本発明の実施形態４による音響センサの一部であるセンサ本体７１を示す概略断面図である。また、図１２は実施形態４のセンサ本体７１の分解斜視図である。
【００５２】
このセンサ本体７１では、振動検知部３０において、固定電極板３４ｂにエッチング用孔６２（あるいは、音響孔）を設けるとともに、センサ本体７１の外部とバックチャンバ３１ｂを連通させる通路７２をシリコン基板２８に形成している。図示例では通路７２をシリコン基板２８に横穴状に形成しているが、どのような位置、形状であってもよい。
【００５３】
このセンサ本体７１では、エッチング用孔６２から入ってきた音響振動と通路７２及びバックチャンバ３１ｂを伝わってきた音響振動がダイアフラム３７ｂの表裏に加わるので、ダイアフラム３７ｂが音響振動によって振動せず、音響振動に対して感度を持たない。
【００５４】
そして、音響検知部２９と振動検知部３０が一枚のシリコン基板２８の上に形成されているので、音響検知部２９と振動検知部３０において検知する機械的振動に時間差や減衰が起こりにくく、機械的振動による外部振動ノイズを精度よく除去することができる。また、音響センサの製造効率も向上する。
【符号の説明】
【００５５】
２１、５１、６１、７１ 音響センサ
２２ センサ本体
２５ 配線基板
２８ シリコン基板
２９ 音響検知部
３０ 振動検知部
３１ａ、３１ｂ バックチャンバ
３３ａ、３３ｂ 振動電極板
３４ａ、３４ｂ 固定電極板
３７ａ、３７ｂ ダイアフラム
３８ａ、３８ｂ バックプレート
３９ａ、３９ｂ 固定電極
４３ 音響孔
５２、６２ エッチング用孔
７２ 通路
【技術分野】
【０００１】
本発明は音響センサに関し、具体的には、外部振動ノイズの除去機能を備えたＭＥＭＳ型の音響センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロフォン等に用いられる音響センサは、空気を伝達媒体とする音響振動を検知するものであるが、通常何らかの機器に設置されているため、外来の機械的振動などによりノイズを発生しやすい。
【０００３】
このような外来の機械的振動によるノイズ（外部振動ノイズ）を低減するため、従来のコンデンサマイクでは、音響振動を検知する音響検知部と機械的振動だけを検知する振動検知部とを組み合わせている。このようなノイズ除去方式のコンデンサマイクとしては、特許文献１に開示されたものがある。
【０００４】
特許文献１に開示されたコンデンサマイクの構造を図１に示す。このコンデンサマイク１１では、ほぼ同一構造のエレクトレットコンデンサマイクユニットからなる音響検知部１２と振動検知部１３を剛体のホルダ１４に納めている。音響検知部１２と振動検知部１３は、いずれもケーシング１２ａ、１３ａ内に振動検知用の振動膜１５が保持され、振動膜１５に対向して音響孔１６が開口されている。音響検知部１２と振動検知部１３は、ホルダ１４に設けられた隣接する納入部１７、１８内にほぼ平行に納められている。納入部１７に納められた音響検知部１２の音響孔１６は、納入部１７の開口１９によって外部に開放されている。一方、納入部１８に納められた振動検知部１３の音響孔１６はホルダ１４により閉塞されている。
【０００５】
したがって、音響振動は、開口１９を通して音響検知部１２でのみ検知される。また、外来の機械的振動は、ホルダ１４を通じて音響検知部１２と振動検知部１３により検知される。図２（ａ）は音響検知部１２から出力された信号波形（外部振動ノイズの乗った音響振動）の一例を表し、図２（ｂ）は振動検知部１３から出力された信号波形（機械的振動）の一例を表す。なお、図２においては、音響振動の信号波形は正弦波と仮定している。
【０００６】
このような２種の信号波形を用いて外部振動ノイズを除去するには、一般に差動アンプやノイズキャンセリング回路が用いられる。差動アンプを用いる場合には、図２（ａ）のような外部振動ノイズの乗った音響振動波形と図２（ｂ）のような機械的振動波形を差動アンプに入力し、差動アンプから両信号波形の差分信号を出力させる。図２（ｂ）に示す振動検知部１３の出力波形は、音響検知部１２から出力された音響振動に乗っているノイズ成分と同じであるので、図２（ａ）の信号波形と図２（ｂ）の信号波形の差分信号を出力させれば、外部振動ノイズが除去されて音響振動波形のみを取り出すことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】実開平４−５３３９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、このようなコンデンサマイクでも、音響検知部１２で検知する機械的振動と振動検知部１３で検知する機械的振動との間に位相差（時間的なずれ）があると、ノイズ除去後の信号にかなりのノイズが残っていた。外来の機械的振動は、ホルダ１４やケーシング１２ａ、１３ａを通じ両検知部１２、１３の振動膜１５に伝わって振動膜１５を振動させるが、振動の伝わってくる方向や伝わり方によって音響検知部１２の振動膜１５に伝わる機械的振動と振動検知部１３の振動膜１５に伝わる機械的振動とで時間的なずれが生じることがある。そのため、振動検知部１３の出力信号を利用して音響検知部１２の出力信号から外部振動ノイズを除去しようとしても、図２（ｃ）のような音響振動波形となりノイズが残っていた。
【０００９】
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音響検知部と振動検知部との間における機械的振動の伝達効率を向上させることによって音響センサのノイズ除去効果を高めることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このような目的を達成するために、本発明に係る音響センサは、一枚の基板に、音響振動及び機械的振動を感知して電気信号を出力する第１のトランスデューサと、機械的振動のみを感知して電気信号を出力する第２のトランスデューサとを設けたことを特徴としている。
【００１１】
本発明の音響センサにあっては、共通の基板に第１のトランスデューサと第２のトランスデューサを設けているので、音響センサに機械的振動が加わったとき、第１のトランスデューサの第１の振動電極板に伝わる機械的振動と第２のトランスデューサの第２の振動電極板に伝わる機械的振動との時間的ずれや機械的振動の信号強度の大小を小さくできる。特に、ＭＥＭＳ技術を利用して作製される音響センサ（センサ本体）の場合には、基板材料としてシリコン等の硬くて弾性率の大きな材料が用いられるので、両トランスデューサの各振動電極板に伝わる機械的振動の時間的ずれや機械的振動の信号強度の大小を非常に小さくすることができる。よって、第２のトランスデューサで検知した機械的振動を利用して第１のトランスデューサの出力信号から外部振動ノイズを精度よく除去することができ、音響センサのＳ／Ｎ比を向上させることができる。また、ＭＥＭＳ技術を利用して音響センサを製造する場合には、共通の基板上に同一工程で第１のトランスデューサと第２のトランスデューサを作製することができ、音響センサの量産性が向上するとともに第１のトランスデューサと第２のトランスデューサにおける機械的振動に対する感度ばらつきを小さくできる。なお、この音響センサは、静電容量型のものであってもよく、ピエゾ抵抗型のものでもよい。
【００１２】
本発明に係る音響センサのある実施態様においては、前記第１のトランスデューサは、前記基板に形成された第１のバックチャンバと、前記第１のバックチャンバを覆うようにして前記基板の表面に設けた第１の振動電極板と、前記第１の振動電極板に対向し且つ音響孔を開口された第１の固定電極板とを有し、前記第１の振動電極板の変位による前記第１の振動電極板と前記第１の固定電極板の間の静電容量の変化に基づいて電気信号を出力するものであり、前記第２のトランスデューサは、前記基板の表面に設けた第２の振動電極板と、前記第２の振動電極板に対向し且つ開口のない第２の固定電極板とを有し、前記第２の振動電極板の変位による前記第２の振動電極板と前記第２の固定電極板の間の静電容量の変化に基づいて電気信号を出力するものであることを特徴としている。
【００１３】
この実施態様では、第１のトランスデューサは第１の固定電極板に音響孔が開口されているので、音響孔を通じて音響振動が第１の振動電極板に達することができ、第１のトランスデューサは音響振動と外来の機械的振動を感知する。一方、第２のトランスデューサは第２の固定電極板に開口を有しないので、音響振動は第２の振動電極板に達せず、第２のトランスデューサは外来の機械的振動のみを感知する。
【００１４】
また、この実施態様の前記第２のトランスデューサにおいては、前記第２の振動電極板に対向させて前記基板に第２のバックチャンバを形成することが望ましい。この実施態様では、第２のトランスデューサの第２の固定電極板に開口を設けていないが、第２のバックチャンバを備えているので、音響センサの製造工程において、基板表面と第２の固定電極板の間に存在していた犠牲層を第２のバックチャンバを通してエッチング除去することができる。
【００１５】
本発明に係る別な実施態様においては、前記第１のトランスデューサは、前記基板に形成された第１のバックチャンバと、前記第１のバックチャンバを覆うようにして前記基板の表面に設けた第１の振動電極板と、前記第１の振動電極板に対向し且つ音響孔を開口された第１の固定電極板とを有し、前記第１の振動電極板の変位による前記第１の振動電極板と前記第１の固定電極板の間の静電容量の変化に基づいて電気信号を出力するものであり、前記第２のトランスデューサは、前記基板のバックチャンバが形成されていない領域の表面に設けた第２の振動電極板と、前記第２の振動電極板に対向して設けられた第２の固定電極板とを有し、前記第２の振動電極板の変位による前記第２の振動電極板と前記第２の固定電極板の間の静電容量の変化に基づいて電気信号を出力することを特徴としている。
【００１６】
この別な実施態様では、第１のトランスデューサは第１の振動電極板の裏面側に第１のバックチャンバを有しているので、第１の振動電極板は音響孔から伝搬した音響振動に対して感度を持ち、第１のトランスデューサは音響振動と外来の機械的振動を感知する。一方、第２のトランスデューサは基板上のバックチャンバが形成されていない領域に設けられているので、第２の振動電極板は音響振動に対して感度を持たず、第２のトランスデューサは外来の機械的振動のみを感知する。
【００１７】
また、この別な実施態様においては、前記第２の固定電極板に開口を設けることが望ましい。この別な実施態様では、第２のトランスデューサの第２の固定電極板に開口を設けているので、音響センサの製造工程において、基板表面と第２の固定電極板の間に存在していた犠牲層を第２の固定電極板の開口を通してエッチング除去できる。
【００１８】
本発明に係るさらに別な実施態様においては、前記第１のトランスデューサは、前記基板に形成された第１のバックチャンバと、前記第１のバックチャンバを覆うようにして前記基板の表面に設けた第１の振動電極板と、前記第１の振動電極板に対向し且つ音響孔を開口された第１の固定電極板とを有し、前記第１の振動電極板の変位による前記第１の振動電極板と前記第１の固定電極板の間の静電容量の変化に基づいて電気信号を出力するものであり、前記第２のトランスデューサは、前記基板の表面に設けられ且つ通気孔を開口された第２の振動電極板と、前記第２の振動電極板に対向して設けられた第２の固定電極板とを有し、前記第２の振動電極板の変位による前記第２の振動電極板と前記第２の固定電極板の間の静電容量の変化に基づいて電気信号を出力するものであることを特徴としている。
【００１９】
このさらに別な実施態様では、音響孔を通じて音響振動が第１の振動電極板に達することができ、第１のトランスデューサは音響振動と外来の機械的振動を感知する。一方、第２のトランスデューサは第２の振動電極板に通気孔を開口されているので、第２の振動電極板の表面に達した音響振動は通気孔を通過して第２の振動電極板の裏面に伝わる。その結果、第２の振動電極板の表裏で圧力差が生じず、第２の振動電極板は音響振動によってはほぼ振動しなくなり、第２のトランスデューサは外来の機械的振動のみを感知する。
【００２０】
また、このさらに別な実施態様の前記第２のトランスデューサにおいては、前記第２の固定電極板に形成された開口と前記第２の振動電極板に対向して前記基板に形成された第２のバックチャンバのうち少なくとも一方を設けていることが望ましい。この別な実施態様では、音響センサの製造工程において、第２の固定電極板の開口、または前記基板の第２のバックチャンバを通して、基板表面と第２の固定電極板の間に存在していた犠牲層をエッチング除去できる。しかも、第２の振動電極板も通気孔を有しているので、犠牲層をエッチングする際には、通気孔を通ってエッチング液が第２の振動電極板を通過するので、より確実にエッチングを行うことができるとともにエッチング所要時間を短縮できる。
【００２１】
本発明に係るさらに別な実施態様においては、前記第１のトランスデューサは、前記基板に形成された第１のバックチャンバと、前記第１のバックチャンバを覆うようにして前記基板の表面に設けた第１の振動電極板と、前記第１の振動電極板に対向し且つ音響孔を開口された第１の固定電極板とを有し、前記第１の振動電極板の変位による前記第１の振動電極板と前記第１の固定電極板の間の静電容量の変化に基づいて電気信号を出力するものであり、前記第２のトランスデューサは、前記基板に形成された第２のバックチャンバと、前記第２のバックチャンバを覆うようにして前記基板の表面に設けた第２の振動電極板と、前記第２の振動電極板に対向し且つ開口を設けられた第２の固定電極板と、前記第２のバックチャンバと外部の空間とをつなげる前記基板内の通路とを有し、前記第２の振動電極板の変位による前記第２の振動電極板と前記第２の固定電極板の間の静電容量の変化に基づいて電気信号を出力するものであることを特徴としている。
【００２２】
このさらに別な実施態様では、第１のトランスデューサは第１の固定電極板に音響孔が開口されているので、音響孔を通じて音響振動が第１の振動電極板に達することができ、第１のトランスデューサは音響振動と外来の機械的振動を感知する。一方、第２のトランスデューサでは、第２のバックチャンバと外部の空間とをつなげる前記基板内の通路とを有しているので、第２の固定電極板の開口を通って伝搬した音響振動と、前記通路及び第２のバックチャンバを通って伝搬した音響振動が第２の振動電極板の表裏に達する。その結果、第２の振動電極板の表裏で圧力差が生じず、第２の振動電極板は音響振動によってはほぼ振動しなくなり、第２のトランスデューサは外来の機械的振動のみを感知する。
【００２３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、特許文献１に開示された音響センサの断面図である。
【図２】図２（ａ）は図１のコンデンサマイクにおける音響検知部の出力波形を示す図、図２（ｂ）は図１のコンデンサマイクにおける振動検知部の出力波形を示す図、図２（ｃ）は図２（ｂ）の出力波形を用いて図２（ａ）の出力波形からノイズを除去した波形を示す図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態１による音響センサの構造を示す概略断面図である。
【図４】図４は、実施形態１の音響センサに用いられているセンサ本体の分解斜視図である。
【図５】図５（ａ）は実施形態１の音響センサの音響検知部からの出力波形を示す図、図５（ｂ）は実施形態１の音響センサの振動検知部からの出力波形を示す図、図５（ｃ）は図５（ｂ）の出力波形を用いて図５（ａ）の出力波形からノイズを除去した波形を示す図である。
【図６】図６は、比較例を示す概略断面図である。
【図７】図７は、本発明の実施形態２による音響センサの一部を示す概略断面図である。
【図８】図８は、実施形態２におけるセンサ本体の分解斜視図である。
【図９】図９は、本発明の実施形態３による音響センサの一部を示す概略断面図である。
【図１０】図１０は、実施形態３におけるセンサ本体の分解斜視図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施形態４による音響センサの一部を示す概略断面図である。
【図１２】図１２は、実施形態４におけるセンサ本体の分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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。
【００２６】
（第１の実施形態）
以下、図３〜図６を参照して本発明の実施形態１による音響センサ２１を説明する。図３は音響センサ２１の概略断面図である。この音響センサ２１は、図３に示すように、主としてセンサ本体２２と回路素子２３、２４（ＩＣチップ）とからなり、センサ本体２２及び回路素子２３、２４の下面は配線パターンを形成された配線基板２５の上面に接着剤で固定されている。センサ本体２２及び回路素子２３、２４は、配線基板２５の上面に接合された電磁シールド用のカバー２６によって覆われていて、配線基板２５とカバー２６によって形成された空間２７内に納められている。
【００２７】
図４はセンサ本体２２の構造を示す分解斜視図である。このセンサ本体２２はＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を利用して作製されたＭＥＭＳ素子であり、一枚のシリコン基板２８（基板）に音響検知部２９（第１のトランスデューサ）と振動検知部３０（第２のトランスデューサ）を設けている。シリコン基板２８は表面から裏面に貫通した２つのバックチャンバ３１ａ（第１のバックチャンバ）及びバックチャンバ３１ｂ（第２のバックチャンバ）を有している。バックチャンバ３１ａ、３１ｂは内周面が垂直面となっていてもよく、テーパー状に傾斜していてもよい。シリコン基板２８のサイズは、平面視で一辺の長さが数ｍｍ以下であり、厚みが４００〜５００μｍ程度である。シリコン基板２８の上面には酸化膜（ＳｉＯ２膜）等からなる絶縁被膜３２が形成されている。
【００２８】
音響検知部２９は、一方のバックチャンバ３１ａの上方においてシリコン基板２８の上面に振動電極板３３ａ（第１の振動電極板）と固定電極板３４ａ（第１の固定電極板）を対向させて配置することによって構成されている。また、振動検知部３０は、他方のバックチャンバ３１ｂの上方においてシリコン基板２８の上面に振動電極板３３ｂ（第２の振動電極板）と固定電極板３４ｂ（第２の固定電極板）を対向させて配置することによって構成されている。すなわち、振動電極板３３ａ、３３ｂは、各バックチャンバ３１ａ、３１ｂを覆うようにしてシリコン基板２８の上面に設けられ、それぞれの振動電極板３３ａ、３３ｂの上方には微小ギャップ（空隙）を介して固定電極板３４ａ、３４ｂが設けられている。
【００２９】
振動電極板３３ａ、３３ｂ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３３ａ、３３ｂはほぼ矩形状の薄膜であって、その四隅部分には対角方向外側に向けて支持脚３５ａ、３５ｂが延出している。さらに、支持脚３５ａ、３５ｂの一つからは延出部３６ａ、３６ｂが延びている。振動電極板３３ａ、３３ｂは、各バックチャンバ３１ａ、３１ｂの上面を覆うようにしてシリコン基板２８の上面に配置され、四隅の各支持脚３５ａ、３５ｂと延出部３６ａ、３６ｂを絶縁被膜３２の上に固定されている。振動電極板３３ａ、３３ｂのうちバックチャンバ３１ａ、３１ｂの上方で宙空に支持された部分（この実施形態では、支持脚３５ａ、３５ｂ及び延出部３６ａ、３６ｂ以外の部分）はそれぞれダイアフラム３７ａ、３７ｂ（振動膜）となっている。
【００３０】
固定電極板３４ａ、３４ｂは、いずれも窒化膜からなるバックプレート３８ａ、３８ｂの上面に金属薄膜からなる固定電極３９ａ、３９ｂを設けたものである。図４に示すように、固定電極板３４ａ、３４ｂは、それぞれダイアフラム３７ａ、３７ｂと対向する領域においては３μｍ程度の微小ギャップをあけてダイアフラム３７ａ、３７ｂを覆っており、固定電極３９ａ、３９ｂはダイアフラム３７ａ、３７ｂと対向してキャパシタを構成している。固定電極板３４ａ、３４ｂの外周部、すなわちダイアフラム３７ａ、３７ｂと対向する領域の外側の部分は、酸化膜等からなる絶縁被膜３２を介してシリコン基板２８の上面に固定されている。
【００３１】
固定電極３９ａ、３９ｂからは引出し部４０ａ、４０ｂが延出されており、引出し部４０ａ、４０ｂの先端にはそれぞれ固定電極３９ａ、３９ｂと導通した電極パッド４１ａ、４１ｂ（Ａｕ膜）が設けられている。さらに、固定電極板３４ａ、３４ｂには、振動電極板３３ａ、３３ｂの延出部３６ａ、３６ｂに接合して振動電極板３３ａ、３３ｂと導通させる電極パッド４２ａ、４２ｂ（Ａｕ膜）が設けられている。電極パッド４２ａ、４２ｂはバックプレート３８ａ、３８ｂの上面に配置しており、電極パッド４２ａ、４２ｂはバックプレート３８ａ、３８ｂの開口内に位置している。
【００３２】
固定電極３９ａ及びバックプレート３８ａ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）が穿孔されており、ダイアフラム３７ａとバックチャンバ３１ａは音響的につながっている。一方、固定電極３９ｂ及びバックプレート３８ｂには音響孔その他の孔は開口されておらず、固定電極板３４ｂは振動電極板３３ｂの上方を気密的に覆っている。なお、振動電極板３３ａ、３３ｂは、音響振動や機械的振動に共鳴して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３４ａ、３４ｂは音響振動や機械的振動によって励振され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。
【００３３】
配線基板２５の上面には、音響検知部２９の出力信号を処理するための回路素子２３が熱硬化性樹脂によって接着されており、音響検知部２９と回路素子２３はボンディングワイヤにより、あるいは配線基板２５の配線パターンを通じて接続される。同様に、配線基板２５の上面には、振動検知部３０の出力信号を処理するための回路素子２４が熱硬化性樹脂によって接着されており、振動検知部３０と回路素子２４はボンディングワイヤにより、あるいは配線基板２５の配線パターンを通じて接続される。
【００３４】
カバー２６は、導電性接着剤によって外周裏面を配線基板２５に接着されており、カバー２６は配線基板２５の接地パターンに電気的に接続されている。また、カバー２６の下面と配線基板２５との間の隙間は、導電性接着剤によって封止されている。カバー２６は、外部からの電磁ノイズを遮断するために電磁シールド機能を備えている。このためには、カバー２６自体を導電性金属によって形成してもよく、樹脂製のカバーの内面をメッキ等の金属被膜で覆ってもよい。また、カバー２６は開口４４を形成されており、開口４４と音響検知部２９の間の空間は音響振動を伝搬させるための経路となっている。
【００３５】
この音響センサ２１にあっては、開口４４から音響振動（音圧）が伝搬すると、音響孔４３を通して音響検知部２９内に音響振動が入ってダイアフラム３７ａを振動させる。ダイアフラム３７ａが振動すると、ダイアフラム３７ａと固定電極３９ａとの間のギャップ距離が変化するので、それによってダイアフラム３７ａと固定電極３９ａの間の静電容量が変化する。よって、電極パッド４１ａ、４２ａ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、音響振動を電気的な信号に変換して検出することができる。
【００３６】
一方、振動検知部３０では、固定電極板３４ｂが音響孔を有していないので、開口４４から音響振動が入ってもダイアフラム３７ｂに音響振動が伝わらず、音響振動は振動検知部３０で検知されない。
【００３７】
これに対し、機械的振動は、シリコン基板２８を通じて音響検知部２９のダイアフラム３７ａと振動検知部３０のダイアフラム３７ｂに伝達するので、音響検知部２９と振動検知部３０の双方で検知される。しかも、音響検知部２９と振動検知部３０は、同じ感度で機械的振動を検知できるように構成されている。
【００３８】
音響検知部２９では、外来の機械的振動は検知対象ではないので、音響振動と同時に機械的振動が伝わると、音響検知部２９からの出力信号では、図５（ａ）に示すように機械的振動は音響振動波形に乗ったノイズとなる。一方、振動検知部３０では機械的振動のみが検知され、振動検知部３０からは図５（ｂ）のような音響検知部２９のノイズに対応する機械的振動が出力される。よって、たとえば外部の差動アンプに音響検知部２９の出力信号と振動検知部３０の出力信号をそれぞれ入力して音響検知部２９の出力と振動検知部３０の出力との差分信号を出力させるようにすれば、ノイズが除去されて音響振動のみが出力される。
【００３９】
しかも、音響検知部２９と振動検知部３０は一枚のシリコン基板２８の上に形成されており、シリコン基板２８は硬度が高くて弾性定数が大きいので、シリコン基板２８を通じて伝わる機械的振動は音響検知部２９と振動検知部３０とで時間差が非常に小さくなり、両検知部２９、３０で検知される機械的振動の位相差や減衰がほとんどなくなる。その結果、音響検知部２９の出力から精度よくノイズを除去することができ、図５（ｃ）のようにきれいな音響振動波形を取り出すことが可能になる。
【００４０】
なお、図６に示す音響センサは比較例であって、音響検知部２９と振動検知部３０はそれぞれ別個のシリコン基板２８ａ、２８ｂの上に形成されている。このような比較例の場合には、シリコン基板２８ａと２８ｂとの界面で機械的振動の反射や時間遅れが発生し、従来例のコンデンサマイクと同様にノイズが十分に除去されなくなる（図２（ｃ）参照）。
【００４１】
また、本実施形態の音響センサ２１では、音響検知部２９及び振動検知部３０としてＭＥＭＳ素子を用いているので、音響センサ２１を小型化することができる。さらに、音響検知部２９と振動検知部３０が一枚のシリコン基板２８の上に形成されているので、センサ本体２２の製造工程や配線基板２５への実装工程が簡単になり、音響センサ２１の製造効率が向上する。
【００４２】
（第２の実施形態）
図７は本発明の実施形態２による音響センサの一部を示す概略断面図である。実施形態２の音響センサの構造は、センサ本体を除けば実施形態１と同一であるので、図７ではセンサ本体５１の部分だけを表している（実施形態３、４についても同様）。また、図８は実施形態２のセンサ本体５１の分解斜視図である。
【００４３】
このセンサ本体５１では、振動検知部３０側のバックチャンバ（３１ｂ）を無くすことによって振動検知部３０が音響振動に対して感度を持たないようにしている。すなわち、音響検知部２９側にだけバックチャンバ３１ａを設けてあり、振動検知部３０側にはバックチャンバを設けていない。
【００４４】
また、振動検知部３０にバックチャンバが存在しないので、製造工程においてシリコン基板２８の表面と固定電極板３４ｂとの間に存在していた犠牲層（バックプレート３８ａとなる半導体層を成膜するための支持層；図示せず）をシリコン基板２８の裏面側からエッチングにより除去することができない。そのため、この実施形態では、振動検知部３０の固定電極板３４ｂにエッチング用孔５２を開口し、エッチング用孔５２から犠牲層をエッチングで除去している。
【００４５】
このセンサ本体５１の振動検知部３０は、ダイアフラム３７ｂの下にバックチャンバを有していないので、固定電極板３４ｂにエッチング用孔５２が開口していても音響振動に対して感度を持たず、機械的振動だけを検知する。
【００４６】
そして、音響検知部２９と振動検知部３０が一枚のシリコン基板２８の上に形成されているので、音響検知部２９と振動検知部３０において検知する機械的振動に時間差や減衰が起こりにくく、機械的振動による外部振動ノイズを精度よく除去することができる。また、音響センサの製造効率も向上する。
【００４７】
（第３の実施形態）
図９は本発明の実施形態３による音響センサの一部であるセンサ本体６１を示す概略断面図である。また、図１０は実施形態３のセンサ本体６１の分解斜視図である。
【００４８】
このセンサ本体６１では、振動検知部３０において、固定電極板３４ｂにエッチング用孔６２（あるいは、音響孔）を設けるとともに、ダイアフラム３７ｂに表裏に貫通した通気孔６３を設けている。なお、振動検知部３０側のバックチャンバ３１ｂは無くてもよい。
【００４９】
このセンサ本体６１では、エッチング用孔６２から音響振動が入ってきても、その音響振動はダイアフラム３７ｂの通気孔６３を通り抜けるので、音響振動（音圧）がダイアフラム３７ｂの表裏から加わってダイアフラム３７ｂの表裏で圧力差がなくなる。その結果、ダイアフラム３７ｂは振動せず、音響振動に対して感度を持たず、機械的振動だけを検知する。
【００５０】
そして、音響検知部２９と振動検知部３０が一枚のシリコン基板２８の上に形成されているので、音響検知部２９と振動検知部３０において検知する機械的振動に時間差や減衰が起こりにくく、機械的振動による外部振動ノイズを精度よく除去することができる。また、音響センサの製造効率も向上する。さらに、この実施形態では、バックチャンバ３１ｂを設けない場合には、シリコン基板２８の表面と振動電極板３３ｂの間の犠牲層をエッチング除去する際、通気孔６３を通ってエッチング液が振動電極板３３ｂの下面に達しやすくなり、犠牲層エッチングを行い易くなる。
【００５１】
（第４の実施形態）
図１１は本発明の実施形態４による音響センサの一部であるセンサ本体７１を示す概略断面図である。また、図１２は実施形態４のセンサ本体７１の分解斜視図である。
【００５２】
このセンサ本体７１では、振動検知部３０において、固定電極板３４ｂにエッチング用孔６２（あるいは、音響孔）を設けるとともに、センサ本体７１の外部とバックチャンバ３１ｂを連通させる通路７２をシリコン基板２８に形成している。図示例では通路７２をシリコン基板２８に横穴状に形成しているが、どのような位置、形状であってもよい。
【００５３】
このセンサ本体７１では、エッチング用孔６２から入ってきた音響振動と通路７２及びバックチャンバ３１ｂを伝わってきた音響振動がダイアフラム３７ｂの表裏に加わるので、ダイアフラム３７ｂが音響振動によって振動せず、音響振動に対して感度を持たない。
【００５４】
そして、音響検知部２９と振動検知部３０が一枚のシリコン基板２８の上に形成されているので、音響検知部２９と振動検知部３０において検知する機械的振動に時間差や減衰が起こりにくく、機械的振動による外部振動ノイズを精度よく除去することができる。また、音響センサの製造効率も向上する。
【符号の説明】
【００５５】
２１、５１、６１、７１ 音響センサ
２２ センサ本体
２５ 配線基板
２８ シリコン基板
２９ 音響検知部
３０ 振動検知部
３１ａ、３１ｂ バックチャンバ
３３ａ、３３ｂ 振動電極板
３４ａ、３４ｂ 固定電極板
３７ａ、３７ｂ ダイアフラム
３８ａ、３８ｂ バックプレート
３９ａ、３９ｂ 固定電極
４３ 音響孔
５２、６２ エッチング用孔
７２ 通路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一枚の基板に、音響振動及び機械的振動を感知して電気信号を出力する第１のトランスデューサと、機械的振動のみを感知して電気信号を出力する第２のトランスデューサとを設けたことを特徴とする音響センサ。
【請求項２】
前記第１のトランスデューサは、前記基板に形成された第１のバックチャンバと、前記第１のバックチャンバを覆うようにして前記基板の表面に設けた第１の振動電極板と、前記第１の振動電極板に対向し且つ音響孔を開口された第１の固定電極板とを有し、前記第１の振動電極板の変位による前記第１の振動電極板と前記第１の固定電極板の間の静電容量の変化に基づいて電気信号を出力するものであり、
前記第２のトランスデューサは、前記基板の表面に設けた第２の振動電極板と、前記第２の振動電極板に対向し且つ開口のない第２の固定電極板とを有し、前記第２の振動電極板の変位による前記第２の振動電極板と前記第２の固定電極板の間の静電容量の変化に基づいて電気信号を出力するものであることを特徴とする、請求項１に記載の音響センサ。
【請求項３】
前記第２のトランスデューサにおいて、前記第２の振動電極板に対向させて前記基板に第２のバックチャンバを形成したことを特徴とする、請求項２に記載の音響センサ。
【請求項４】
前記第１のトランスデューサは、前記基板に形成された第１のバックチャンバと、前記第１のバックチャンバを覆うようにして前記基板の表面に設けた第１の振動電極板と、前記第１の振動電極板に対向し且つ音響孔を開口された第１の固定電極板とを有し、前記第１の振動電極板の変位による前記第１の振動電極板と前記第１の固定電極板の間の静電容量の変化に基づいて電気信号を出力するものであり、
前記第２のトランスデューサは、前記基板のバックチャンバが形成されていない領域の表面に設けた第２の振動電極板と、前記第２の振動電極板に対向して設けられた第２の固定電極板とを有し、前記第２の振動電極板の変位による前記第２の振動電極板と前記第２の固定電極板の間の静電容量の変化に基づいて電気信号を出力することを特徴とする、請求項１に記載の音響センサ。
【請求項５】
前記第２の固定電極板に開口を設けたことを特徴とする、請求項４に記載の音響センサ。
【請求項６】
前記第１のトランスデューサは、前記基板に形成された第１のバックチャンバと、前記第１のバックチャンバを覆うようにして前記基板の表面に設けた第１の振動電極板と、前記第１の振動電極板に対向し且つ音響孔を開口された第１の固定電極板とを有し、前記第１の振動電極板の変位による前記第１の振動電極板と前記第１の固定電極板の間の静電容量の変化に基づいて電気信号を出力するものであり、
前記第２のトランスデューサは、前記基板の表面に設けられ且つ通気孔を開口された第２の振動電極板と、前記第２の振動電極板に対向して設けられた第２の固定電極板とを有し、前記第２の振動電極板の変位による前記第２の振動電極板と前記第２の固定電極板の間の静電容量の変化に基づいて電気信号を出力するものであることを特徴とする、請求項１に記載の音響センサ。
【請求項７】
前記第２のトランスデューサにおいて、前記第２の固定電極板に形成された開口と前記第２の振動電極板に対向して前記基板に形成された第２のバックチャンバのうち少なくとも一方を設けたことを特徴とする、請求項６に記載の音響センサ。
【請求項８】
前記第１のトランスデューサは、前記基板に形成された第１のバックチャンバと、前記第１のバックチャンバを覆うようにして前記基板の表面に設けた第１の振動電極板と、前記第１の振動電極板に対向し且つ音響孔を開口された第１の固定電極板とを有し、前記第１の振動電極板の変位による前記第１の振動電極板と前記第１の固定電極板の間の静電容量の変化に基づいて電気信号を出力するものであり、
前記第２のトランスデューサは、前記基板に形成された第２のバックチャンバと、前記第２のバックチャンバを覆うようにして前記基板の表面に設けた第２の振動電極板と、前記第２の振動電極板に対向し且つ開口を設けられた第２の固定電極板と、前記第２のバックチャンバと外部の空間とをつなげる前記基板内の通路とを有し、前記第２の振動電極板の変位による前記第２の振動電極板と前記第２の固定電極板の間の静電容量の変化に基づいて電気信号を出力するものであることを特徴とする、請求項１に記載の音響センサ。
【請求項１】
一枚の基板に、音響振動及び機械的振動を感知して電気信号を出力する第１のトランスデューサと、機械的振動のみを感知して電気信号を出力する第２のトランスデューサとを設けたことを特徴とする音響センサ。
【請求項２】
前記第１のトランスデューサは、前記基板に形成された第１のバックチャンバと、前記第１のバックチャンバを覆うようにして前記基板の表面に設けた第１の振動電極板と、前記第１の振動電極板に対向し且つ音響孔を開口された第１の固定電極板とを有し、前記第１の振動電極板の変位による前記第１の振動電極板と前記第１の固定電極板の間の静電容量の変化に基づいて電気信号を出力するものであり、
前記第２のトランスデューサは、前記基板の表面に設けた第２の振動電極板と、前記第２の振動電極板に対向し且つ開口のない第２の固定電極板とを有し、前記第２の振動電極板の変位による前記第２の振動電極板と前記第２の固定電極板の間の静電容量の変化に基づいて電気信号を出力するものであることを特徴とする、請求項１に記載の音響センサ。
【請求項３】
前記第２のトランスデューサにおいて、前記第２の振動電極板に対向させて前記基板に第２のバックチャンバを形成したことを特徴とする、請求項２に記載の音響センサ。
【請求項４】
前記第１のトランスデューサは、前記基板に形成された第１のバックチャンバと、前記第１のバックチャンバを覆うようにして前記基板の表面に設けた第１の振動電極板と、前記第１の振動電極板に対向し且つ音響孔を開口された第１の固定電極板とを有し、前記第１の振動電極板の変位による前記第１の振動電極板と前記第１の固定電極板の間の静電容量の変化に基づいて電気信号を出力するものであり、
前記第２のトランスデューサは、前記基板のバックチャンバが形成されていない領域の表面に設けた第２の振動電極板と、前記第２の振動電極板に対向して設けられた第２の固定電極板とを有し、前記第２の振動電極板の変位による前記第２の振動電極板と前記第２の固定電極板の間の静電容量の変化に基づいて電気信号を出力することを特徴とする、請求項１に記載の音響センサ。
【請求項５】
前記第２の固定電極板に開口を設けたことを特徴とする、請求項４に記載の音響センサ。
【請求項６】
前記第１のトランスデューサは、前記基板に形成された第１のバックチャンバと、前記第１のバックチャンバを覆うようにして前記基板の表面に設けた第１の振動電極板と、前記第１の振動電極板に対向し且つ音響孔を開口された第１の固定電極板とを有し、前記第１の振動電極板の変位による前記第１の振動電極板と前記第１の固定電極板の間の静電容量の変化に基づいて電気信号を出力するものであり、
前記第２のトランスデューサは、前記基板の表面に設けられ且つ通気孔を開口された第２の振動電極板と、前記第２の振動電極板に対向して設けられた第２の固定電極板とを有し、前記第２の振動電極板の変位による前記第２の振動電極板と前記第２の固定電極板の間の静電容量の変化に基づいて電気信号を出力するものであることを特徴とする、請求項１に記載の音響センサ。
【請求項７】
前記第２のトランスデューサにおいて、前記第２の固定電極板に形成された開口と前記第２の振動電極板に対向して前記基板に形成された第２のバックチャンバのうち少なくとも一方を設けたことを特徴とする、請求項６に記載の音響センサ。
【請求項８】
前記第１のトランスデューサは、前記基板に形成された第１のバックチャンバと、前記第１のバックチャンバを覆うようにして前記基板の表面に設けた第１の振動電極板と、前記第１の振動電極板に対向し且つ音響孔を開口された第１の固定電極板とを有し、前記第１の振動電極板の変位による前記第１の振動電極板と前記第１の固定電極板の間の静電容量の変化に基づいて電気信号を出力するものであり、
前記第２のトランスデューサは、前記基板に形成された第２のバックチャンバと、前記第２のバックチャンバを覆うようにして前記基板の表面に設けた第２の振動電極板と、前記第２の振動電極板に対向し且つ開口を設けられた第２の固定電極板と、前記第２のバックチャンバと外部の空間とをつなげる前記基板内の通路とを有し、前記第２の振動電極板の変位による前記第２の振動電極板と前記第２の固定電極板の間の静電容量の変化に基づいて電気信号を出力するものであることを特徴とする、請求項１に記載の音響センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−１７６５３３（Ｐ２０１１−１７６５３３Ａ）
【公開日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−３８２９１（Ｐ２０１０−３８２９１）
【出願日】平成２２年２月２４日（２０１０．２．２４）
【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２３年９月８日（２０１１．９．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月２４日（２０１０．２．２４）
【出願人】（０００００２９４５）オムロン株式会社 (3,542)
【Ｆターム（参考）】
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