JP2008085507A - 音響センサ並びにそれを備えた音響モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】必要に応じてダイヤフラムと固定板との間を外部雰囲気から隔離して使用可能としながらも、ダイヤフラムの残留応力や支持部からダイヤフラムに作用する応力を緩和できる音響センサ並びにそれを備えた音響モジュールを提供する。
【解決手段】支持部３の開口を閉塞するダイヤフラム４は、音波を受けて振動する振動部１１と、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ない状態で第１のギャップ長Ｇ１のギャップｇを介して振動部１１を固定板５に対向させるように振動部１１と支持部３とを連結する応力緩和部１２とを有する。振動部１１は、バイアス電圧印加時に固定板５側に引き寄せられ、スペーサ９に当接することによって固定板５との間に第２のギャップ長Ｇ２のギャップｇを確保する。応力緩和部１２は、支持部３と振動部１１との間で応力の伝達を阻止するように、断面波状のコルゲート構造を採用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、音波を受けて振動する振動部を有し、振動部の振動による一対の電極間の静電容量の変化を用いて音波を電気信号として取り出す音響センサ並びにそれを備えた音響モジュールに関するものである。

従来から、音響センサとして、枠状に形成された支持部および支持部よりも薄肉に形成され支持部の開口を閉塞するダイヤフラムを有したベース基板と、ダイヤフラムとはギャップを介して対向するように支持部に固定された固定板と、ダイヤフラムおよび固定板のそれぞれに設けられた一対の電極とを備えるものが知られている。この音響センサでは、一対の電極がキャパシタを構成しており、ダイヤフラムが厚み方向に振動すると一対の電極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、一対の電極間にバイアス電圧を印加して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、ダイヤフラムが音波を受けた際に、当該音波に相当するダイヤフラムの振動を電気信号として取り出すことができる。

この種の音響センサにおいては、ダイヤフラムの作製時におけるダイヤフラムの残留応力や、支持部からダイヤフラムに作用する応力により、ダイヤフラムの振動特性（共振周波数や振幅）が変化し、感度の低下や製品ごとの感度のばらつきが生じる可能性がある。なお、ダイヤフラムが前記応力によって変形しダイヤフラムと固定板との距離が製品ごとにばらついたりすることによっても、感度の低下や製品ごとの感度のばらつきが生じることがある。

そこで、ダイヤフラムの残留応力や支持部からダイヤフラムに作用する応力を緩和するために、たとえばダイヤフラムと支持部とを別体に形成し、ダイヤフラムの周部を緩くクランプする複数個のクランプを支持部に設け、ダイヤフラムを支持部に固定することなく支持部で保持する構成（たとえば特許文献１参照）や、ダイヤフラムと支持部との間に隙間を設け、ダイヤフラムの周縁から延びる複数のアームでダイヤフラムと支持部とを連結しアームを歪ませる構成（たとえば特許文献２参照）が提案されている。なお、特許文献２に記載の音響センサでは、ダイヤフラムと固定板との距離が製品ごとにばらつくことがないように、一対の電極間にバイアス電圧が印加されて静電気力が生じた状態でのダイヤフラムと固定板との距離を決定するスペーサが設けられている。
特許第３４５１５９３号公報（第３−４頁） 特表２００５−５３５１５２号公報（第６−７頁）

ところで、上述した音響センサでは、ダイヤフラムで音波を受けるときに、ダイヤフラムの厚み方向における固定板とは反対側の一面で音波を受ける場合と、固定板側の一面で音波を受ける場合とがある。ここにおいて、ダイヤフラムと固定板との間が外部雰囲気に晒されていると、たとえば塵埃が浮遊している場合など音波の検出対象とする外部雰囲気の環境によっては、ダイヤフラムと固定板との間に外部雰囲気から異物が入り込むことにより、ダイヤフラムの動作不良を生じたりダイヤフラムの振動特性が変化したりすることがある。また、ダイヤフラムと固定板との間に入り込んだ異物によりダイヤフラムや固定板にコンタミネーションが生じ、一対の電極の電気特性が変化したりダイヤフラムの振動特性が変化したりすることもある。そのため、必要に応じて、ダイヤフラムと固定板との間を外部雰囲気から隔離し、ダイヤフラムと固定板との間に異物が入り込むことを防止することが望ましい。

しかし、特許文献１や特許文献２に記載された構成では、ダイヤフラムの周囲においてクランプとクランプとの間あるいはアームとアームとの間に隙間が形成されているので、ダイヤフラムの厚み方向の両側の空間はこの隙間を通して連続する。そのため、ダイヤフラムのいずれの面で音波を受けようともダイヤフラムと固定板との間が外部雰囲気に晒されることになり、ダイヤフラムと固定板との間を外部雰囲気から隔離して使用することはできない。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであって、必要に応じてダイヤフラムと固定板との間を外部雰囲気から隔離して使用可能としながらも、ダイヤフラムの残留応力や支持部からダイヤフラムに作用する応力を緩和できる音響センサ並びにそれを備えた音響モジュールを提供することを目的とする。

請求項１の発明では、枠状に形成された支持部と支持部よりも薄肉に形成され支持部の開口を閉塞するダイヤフラムとを有したベース基板と、ベース基板の一表面側においてダイヤフラムとはギャップを介して対向するように支持部に固定された固定板と、ダイヤフラムおよび固定板にそれぞれ設けられてキャパシタを構成し、バイアス電圧が印加された状態でダイヤフラムが音波を受けることによるダイヤフラムの振動を電気信号として出力する一対の電極とを備え、ダイヤフラムは、音波を受けて振動する振動部と、一対の電極間にバイアス電圧が印加されていない状態で振動部と固定板との間のギャップ長を第１のギャップ長とするように振動部および支持部を連結する応力緩和部とを有し、振動部は、一対の電極間にバイアス電圧が印加されると固定板側に吸引され、固定板との間に設けられたスペーサを固定板との間に挟むことによって第１のギャップ長よりも小さい第２のギャップ長のギャップを固定板との間に固定板との間に確保して位置決めされ、応力緩和部は、支持部と振動部との間で応力の伝達を阻止するように振動部に比べて変形し易く形成されていることを特徴とする。

この構成によれば、ダイヤフラムが支持部の開口を閉塞するので、ベース基板のダイヤフラム側から取り込んだ音波をダイヤフラムで受ける場合には、必要に応じてダイヤフラムと固定板との間の空間を音波の検出対象とする外部雰囲気から隔離して使用することができ、ダイヤフラムと固定板との間に異物が入り込むことを防止できる。また、応力緩和部が支持部と振動部との間で応力の伝達を阻止するように振動部に比べて変形し易く形成されているので、ダイヤフラムの作製時におけるダイヤフラムの残留応力や、支持部からダイヤフラムに作用する応力は、応力緩和部が容易に変形することにより緩和される。そのため、ダイヤフラムの振動特性が変化して感度の低下や製品ごとの感度のばらつきが生じることを防止できる。なお、一対の電極間にバイアス電圧が印加されると振動部は固定板との間に第２のギャップ長のギャップを確保して位置決めされるから、応力緩和部が変形しても音波の検出時には振動部と固定板との距離が製品ごとにばらつくことはなく、感度の低下や製品ごとの感度のばらつきを防止できる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記応力緩和部が、前記振動部の周囲において振動部の振動する方向に沿った断面が波状に形成されたコルゲート構造からなることを特徴とする。

この構成によれば、応力緩和部がコルゲート構造からなるので、応力緩和部の剛性を振動部よりも低くすることが容易となり、請求項１の構成を比較的簡単に実現することができる。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記応力緩和部が、前記振動部に比べて薄肉に形成されていることを特徴とする。

この構成によれば、応力緩和部が振動部に比べて薄肉に形成されているので、応力緩和部の剛性を振動部よりも低くすることが容易となり、請求項１の構成を比較的簡単に実現することができる。

請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記応力緩和部が、前記振動部に比べて低剛性の材料を用いて形成されていることを特徴とする。

この構成によれば、応力緩和部が振動部に比べて低剛性の材料からなるので、応力緩和部の剛性を振動部よりも低くすることが容易となり、請求項１の構成を比較的簡単に実現することができる。

請求項５の発明は、請求項１の発明において、前記振動部が薄膜を複数積層した多層構造であって、前記応力緩和部が薄膜の単層構造であることを特徴とする。

この構成によれば、振動部が多層構造であって応力緩和部が単層構造であるから、応力緩和部の剛性を振動部よりも低くすることが容易となり、請求項１の構成を比較的簡単に実現することができる。

請求項６の発明は、請求項１の発明において、前記振動部が、前記応力緩和部に比べて剛性を高めるリブが厚み方向の少なくとも一面に突設されていることを特徴とする。

この構成によれば、振動部に剛性を高めるリブが突設されているので、応力緩和部の剛性を振動部よりも低くすることが容易となり、請求項１の構成を比較的簡単に実現することができる。

請求項７の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の音響センサと、当該音響センサを収納するハウジングとを備え、ハウジングの一部にはハウジング内に音波を取り込む音孔が貫設され、音響センサが、前記支持部のうち前記固定板側とは反対側の一面を音孔の周囲に突き合わせるように配置されることを特徴とする。

この構成によれば、音響センサは、支持部のうち固定板側とは反対側の一面を音孔の周囲に突き合わせるように配置されるので、ハウジングの外側で発生した音波を、音孔を通してダイヤフラムで受けることにより検出することができる。ここで、ダイヤフラムと固定板との間が音孔を通してハウジング外の外部雰囲気に晒されることはないので、ダイヤフラムと固定板との間に外部雰囲気から異物が混入することを防止できる。

本発明では、ダイヤフラムが支持部の開口を閉塞するので、ベース基板のダイヤフラム側から取り込んだ音波をダイヤフラムで受ける場合には、必要に応じてダイヤフラムと固定板との間の空間を音波の検出対象とする外部雰囲気から隔離して使用することができ、ダイヤフラムと固定板との間に異物が入り込むことを防止できる。また、応力緩和部が支持部と振動部との間で応力の伝達を阻止するように振動部に比べて変形し易く形成されているので、ダイヤフラムの作製時におけるダイヤフラムの残留応力や、支持部からダイヤフラムに作用する応力は、応力緩和部が容易に変形することにより緩和される。そのため、ダイヤフラムの振動特性が変化して感度の低下や製品ごとの感度のばらつきが生じることを防止できるという利点がある。

（実施形態１）
本実施形態の音響センサＳは、図２および図３に示すように、矩形枠状に形成された支持部３と支持部３よりも薄肉に形成され支持部３の開口を閉塞するダイヤフラム４とを有したベース基板１と、ベース基板１の一表面側（図２（ｂ）の上面側）においてダイヤフラム４とはギャップｇを介して対向するように支持部３に固定された固定板５とを備える。固定板５の周部と支持部３の前記一表面との間には、図３（ａ）に示すように固定板５を支持部３に固定する絶縁支持部材６が介装されている。本実施形態では、ダイヤフラム４は支持部３のうちベース基板１の厚み方向における前記一表面側の端部に形成されており、ベース基板１の他表面側（図２（ｂ）の下面側）においては支持部３とダイヤフラム４とで囲まれた凹部２が形成される。

固定板５には固定電極７が設けられ、ダイヤフラム４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）はキャパシタを構成する。これにより、ダイヤフラム４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、ダイヤフラム４が音波を受けた際に当該音波に相当するダイヤフラム４の振動を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。バイアス電圧が印加されていない状態では、図１（ａ）に示すように絶縁支持部材６によって固定板５とダイヤフラム４との間に第１のギャップ長Ｇ１を有するギャップｇが形成される。

ベース基板１は、たとえばシリコン基板からなりエッチングにより凹所２が形成されている。凹所２は、矩形状に開口しており、ここではベース基板１を極力小型化するために各内側面がベース基板１の厚み方向に沿ってそれぞれ形成されているが、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、ベース基板１の一表面に沿う断面積がダイヤフラム４から離れるほど大きくなる形状に形成してもよい。

固定板５は、図２（ａ）のように四隅をそれぞれ矩形状に欠いた矩形板状に形成されており、ベース基板１の前記一表面の各周縁に対向する各辺を各周縁に略平行させるようにベース基板１上に配置される。固定板５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（化学気相成長法）などによる堆積や、基板のエッチングにより作製される。ここで、作製過程において固定板５とダイヤフラム４との間に一時的に形成される犠牲層（図示せず）の一部にエッチングで凹所を設けたうえで固定板５の材料を堆積し、犠牲層を除去することにより、固定板５のダイヤフラム４との対向面の一部に後述のスペーサ９となる突起を設けることができる。さらに固定板５には、ダイヤフラム４の振動を妨げないように空気を通す孔１０（所謂アコースティックホール）が複数貫設されている。

本実施形態では、不純物をドープし導電性を付与したシリコンを固定板５の材料とすることにより固定板５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５を形成したり、絶縁体からなる固定板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付帯させる場合には、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５のうち、ダイヤフラム４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（図示せず）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。

絶縁支持部材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５に設けた固定電極７とダイヤフラム４に設けた可動電極８とを絶縁する。絶縁支持部材６は固定板５において互いに対向する一対の辺のそれぞれに沿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５とダイヤフラム４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材６として用いている。

ダイヤフラム４は、固定板５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などによる堆積や、基板のエッチングにより作製される。ここにおいて、ダイヤフラム４は上述したようにベース基板１の厚み方向における前記一表面側の端部に形成されているので、ベース基板１の他表面側から凹部２内に伝播された音波は凹部２を通ってダイヤフラム４に伝播される。つまり、ベース基板１における凹部２の開口面が音波の入り口となる。そのため、音波を検出する際には、音響センサＳは、音波の検出を行う外部雰囲気に凹部２の開口面を晒すように配置される。

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シリコンをダイヤフラム４の材料とすることによりダイヤフラム４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ダイヤフラム４を形成したり、絶縁体からなるダイヤフラム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付帯させる場合には、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、つまりダイヤフラム４のうち音波を受けて振動する部分（後述の振動部１１）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（図示せず）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。

固定板５とダイヤフラム４との対向面間には、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た際の固定板５とダイヤフラム４との間隔を決定するスペーサ９が設けられる。スペーサ９は、固定板５において、ダイヤフラム４の音波を受けて振動する部分（後述の振動部１１）との対向部位の一部に突設される。ここにおいて、スペーサ９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５自体が固定電極７を構成しダイヤフラム４自体が可動電極８を構成している場合、あるいは固定板５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、スペーサ９の一部（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。

ところで、本実施形態のダイヤフラム４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と静電気力によって固定板５側に引き寄せられ、固定板５におけるダイヤフラム４との対向面に突設されたスペーサ９に当接することによって固定板５から離れた位置に位置決めされる振動部１１と、振動部１１と支持部３とを連結し、振動部１１に比べて変形し易い構造を採用することによりバイアス電圧を印加した際の固定板５側への振動部１１の移動を妨げないように支持部３に振動部１１を支持させる応力緩和部１２とで構成されている。

振動部１１は、スペーサ９に当接した状態で所望の共振周波数や振幅などの振動特性を実現するために、また、バイアス電圧を印加した際に生じる静電気力により吸引されても撓んで固定板５に接触することがないように、所定の剛性を有する材料、厚み、サイズに設定される。ここでは振動部１１は、支持部３の内側に収まる大きさの円盤状に形成されている。振動部１１がスペーサ９に当接した状態で振動部１１と固定板５との間に形成されるギャップｇは、スペーサ９の突出高さによって決まる第２のギャップ長Ｇ２を有する。第２のギャップ長Ｇ２は上述した第１のギャップ長Ｇ１よりも小さく設定される。その結果、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た状態では、図１（ｂ）に示すように振動部１１は凹部２側から音波を受けることにより、スペーサ９で単純支持された板のように振動する。このときの振動部１１の振動方向Ａは振動部１１の厚み方向に一致する。

ここでは、図２（ａ）に示すようにスペーサ９が振動部１１の周縁に沿った円環上に点在するように複数個並設されている。したがって、振動部１１は、スペーサ９に当接した状態でも音波を受けるとスペーサ９に囲まれた部分（中央部）が振動する。このようにスペーサ９を点在させると、振動部１１の振動はスペーサ９で比較的妨げられにくい。ここに、各スペーサ９はダイヤフラム４とのスティクションを回避するためにダイヤフラム４との接触面積が比較的小さく形成されているが、表面処理を施すことによってスティクションを回避してもよい。また、スペーサ９はダイヤフラム４の振動部１１における固定板５との対向面に突設されていてもよい。なお、スペーサ９の形状は、図２（ａ）の例に限るものではなく、たとえば振動部１１の周縁に沿った円環状に形成してもよい。

一方、応力緩和部１２においては、支持部３と振動部１１との間で応力が伝達されることを阻止するように振動部１１に比べて剛性を低く設定してある。そのため、ダイヤフラム４の残留応力や支持部３からダイヤフラム４に作用する応力が存在しても、これらの応力は、応力緩和部１２が容易に変形する（歪む）ことにより緩和されることになる。すなわち、バイアス電圧が印加されて振動部１１がスペーサ９に当接した状態では、ダイヤフラム４の残留応力や支持部３からの応力は応力緩和部１２で緩和されており、これらの応力によって振動部１１の振動特性が変化することはない。しかも、このとき、振動部１１と固定板５との間にはスペーサ９によって第２のギャップ長Ｇ２のギャップｇが確保されており、振動部１１と固定板５との間の距離が製品ごとにばらつくこともない。結果的に、音響センサＳの感度の低下や製品ごとの感度のばらつきを防止することができる。

さらに本実施形態では、上述のように振動部１１に比べて応力緩和部１２を低剛性としながらも、振動部１１の周縁と支持部３との間に隙間が生じないように、振動部１１の周囲の円環状の領域に、振動部１１の振動方向Ａに沿った断面が図３（ｂ）に示すように波状のコルゲート構造を採用した応力緩和部１２を形成している。コルゲート構造は、ダイヤフラム４のうち応力緩和部１２となる部位自体を波状にエッチングすることにより作製するか、あるいは、作製過程でダイヤフラム４の下地として一時的に形成される犠牲層（図示せず）の表面に波状の凹凸を形成したうえでダイヤフラム４の材料を堆積し、犠牲層を除去することにより作製する。

このように応力緩和部１２をコルゲート構造とした本実施形態の音響センサＳでは、振動部１１の周縁と支持部３との間の隙間が応力緩和部１２によって埋められ、支持部３の開口はダイヤフラム４（振動部１１および応力緩和部１２）によって閉塞されることとなる。

したがって、ベース基板１の厚み方向においてダイヤフラム４よりも凹部２側の空間とダイヤフラム４よりも固定板５側の空間とはダイヤフラム４によって隔てられ、凹部２を通して取り込んだ音波をダイヤフラム４で受ける場合には、必要に応じてダイヤフラム４と固定板５との間を外部雰囲気から隔離して使用することができる。その結果、ダイヤフラム４と固定板５との間に外部雰囲気から異物が入り込むことを回避でき、異物によるダイヤフラム４の動作不良や振動特性の変化、さらにはコンタミネーションの発生を防止することができる。また、固定板５自体が固定電極７を構成しダイヤフラム４自体が可動電極８を構成している場合、あるいは固定板５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、固定板５と振動部１１との間に導電性の異物が入り込むことによる固定電極７と可動電極８と間の短絡を防止することができる。

ところで、上述の音響センサＳを使用する際に、音響センサＳを外来ノイズから保護するなどの目的をもって、図４に示すように箱型のハウジング１３内に音響センサＳを収納した音響モジュールＭの形態で使用することがある。

図４に示す音響モジュールＭは、上述の音響センサＳと共に、音響センサＳにおける固定電極７および可動電極８間の容量変化を電気信号に変換する電子回路１４（ここではＩＣ）をハウジング１３内に収納している。この電子回路１４には、音響センサＳから取り出される電気信号を増幅する増幅回路などを設けることもできる。音響センサＳに設けられた固定電極７および可動電極８と電子回路１４とは、ボンディングワイヤ１５によってそれぞれ接続されている。ハウジング１３の一部には、外部機器（図示せず）に対して音響モジュールＭを電気的に接続するための電極パッド１６がハウジング１３の一部を貫通する形で設けられており、電子回路１４と電極パッド１６とはボンディングワイヤ１７により接続されている。なお、音響センサＳにおいて、固定電極７および可動電極８と接続された接続電極（図示せず）を支持部３における固定板５とは反対側の面に設けてある場合には、接続電極と電子回路１４とを接続することにより、ボンディングワイヤ１５を用いなくとも音響センサＳと電子回路１４との間を接続することができる。また、電子回路１４と電極パッド１６との間は、フリップチップ実装などにより接続されていてもよい。

ここで用いるハウジング１３は、音響センサＳおよび電子回路１４を外来ノイズから保護するシールド機能だけでなく、ベース基板１の固定板５側に音が回り込むことを防止する機能を有している。すなわち、ハウジング１３の一部にはハウジング１３内に音波を取り込むための音孔１８が貫設されており、音響センサＳは、ベース基板１における凹部２の開口側（固定板５とは反対側）の一面をハウジング１３の音孔１８の周囲に突き合わせるように配置される。言い換えると、ハウジング１３において音響センサＳの凹部２に対応する位置に音孔１８が貫設されている。そのため、音響センサＳで検出する音波は、図４に示すようにハウジング１３の音孔１８および音響センサＳの凹部２を通してダイヤフラム４に伝播される。ここに、ハウジング１３の音孔１８からハウジング１３内に取り込まれる音波は、音響センサＳの凹部２の内面（支持部３およびダイヤフラム４）で遮られ、音響センサＳの固定板５側への回り込みが阻止される。要するに、ダイヤフラム４と固定板５との間が音孔１８を通じて外部雰囲気に晒されることはなく、ダイヤフラム４と固定板５との間に外部雰囲気から異物が入り込むことを防止できる。

また、ハウジング１３の内部空間とハウジング１３の外部空間（外部雰囲気）とは、上述のように支持部３およびダイヤフラム４によって隔離されているので、ハウジング１３の内外の気圧の整合をとるためにハウジング１３の内外を連通するリーク孔（図示せず）をハウジング１３の一部に形成することが望ましい。ここにおいて、リーク孔を音響センサＳから離れた位置に設ければ、リーク孔を通してダイヤフラム４と固定板５との間に異物が入り込むことも回避できる。

なお、本実施形態ではダイヤフラム４は支持部３のうちベース基板１の厚み方向における前記一表面側（固定板５側）の端部に形成されているが、この構成に限らず、支持部３のうちベース基板１の他表面側の端部、あるいはベース基板１の厚み方向における中間部にダイヤフラム４が形成されていてもよい。ダイヤフラム４をベース基板１の他表面側の端部、あるいはベース基板１の厚み方向における中間部に形成する場合には、絶縁支持部材６を設けなくとも固定板５とダイヤフラム４との間にギャップｇを形成することができる。

（実施形態２）
本実施形態の音響センサＳは、振動部１１と共にダイヤフラム４を構成する応力緩和部１２が図５（ａ）に示すように振動部１１よりも薄肉に形成されている点が実施形態１の音響センサＳとは相違する。なお、スペーサ９の形状も実施形態１とは異なっており、本実施形態のスペーサ９は図５（ｂ）に示すように振動部１１の周縁に沿った円環状に形成されている。その他の構成および機能は実施形態１と同様である。

本実施形態のダイヤフラム４は、振動部１１となる円形状の領域においては、図６のようにスペーサ９に当接した状態で所望の共振周波数や振幅などの振動特性を実現するために、また、バイアス電圧を印加した際に生じる静電気力により吸引されても撓んで固定板５に接触することがないように、所定の剛性を有する厚み寸法に設定される。

一方、振動部１１の周囲の応力緩和部１２となる領域においては、バイアス電圧を印加した際の固定板５側への振動部１１の移動を妨げないように、且つ支持部３と振動部１１との間で応力が伝達されることを阻止するように、振動部１１に比べて厚み寸法が小さく形成されることにより剛性が低く設定されている。

このように応力緩和部１２は振動部１１に比べて薄肉に形成されることによりコンプライアンスが高くなるので、ダイヤフラム４の残留応力や支持部３からダイヤフラム４に作用する応力が存在しても、これらの応力は、応力緩和部１２が容易に変形する（歪む）ことにより緩和されることになる。しかも、応力緩和部１２は振動部１１に比べて薄肉に形成されているだけであって、振動部１１の周縁と支持部３との間に隙間を生じる形状ではないので、ダイヤフラム４と固定板５との間に異物が入り込むことを回避できる。

なお、応力緩和部１２を振動部１１よりも薄肉に形成する本実施形態の構成に加え、実施形態１で説明したコルゲート構造を応力緩和部１２に採用することにより、応力緩和部１２のコンプライアンスをさらに高くしてもよい。

（実施形態３）
本実施形態の音響センサＳは、ダイヤフラム４のうち振動部１１を図７に示すように薄膜を複数積層してなる多層構造とし、応力緩和部１１を薄膜の単層構造としている点が実施形態１の音響センサＳとは相違する。その他の構成および機能は実施形態１と同様である。

すなわち、ダイヤフラム４は、振動部１１となる円形状の領域においては、図８のようにスペーサ９に当接した状態で所望の共振周波数や振幅などの振動特性を実現するために、また、バイアス電圧を印加した際に生じる静電気力により吸引されても撓んで固定板５に接触することがないように、所定の剛性を有する多層構造を採用する。

一方、振動部１１の周囲の応力緩和部１２となる領域においては、バイアス電圧を印加した際の固定板５側への振動部１１の移動を妨げないように、また、支持部３と振動部１１との間で応力が伝達されることを阻止するように、薄膜の単層構造を採用することにより振動部１１に比べて剛性を低くしてある。

このように応力緩和部１２を単層構造とし振動部１１を多層構造とすることにより、一層からなる応力緩和部１２のコンプライアンスが層数の多い振動部１１に比べて高くなるので、ダイヤフラム４の残留応力や支持部３からダイヤフラム４に作用する応力が存在しても、これらの応力は、応力緩和部１２が容易に変形する（歪む）ことにより緩和されることとなる。しかも、応力緩和部１２は単層に形成されているだけであって、振動部１１の周縁と支持部３との間に隙間を生じる形状ではないので、ダイヤフラム４と固定板５との間に異物が入り込むことを回避できる。

なお、応力緩和部１２を単層構造とし振動部１１を多層構造とする本実施形態の構成に加え、実施形態１で説明したコルゲート構造を応力緩和部１２に採用することにより、応力緩和部１２のコンプライアンスをさらに高くしてもよい。

（実施形態４）
本実施形態の音響センサＳは、ダイヤフラム４において振動部１１となる部分にのみ図９に示すように補強用のリブ１９が突設されている点が実施形態１の音響センサＳとは相違する。その他の構成および機能は実施形態１と同様である。

すなわち、ダイヤフラム４は、振動部１１となる円形状の領域においては、図１０のようにスペーサ９に当接した状態で所望の共振周波数や振幅などの振動特性を実現するために、また、バイアス電圧を印加した際に生じる静電気力により吸引されても撓んで固定板５に接触することがないように、リブ１９を設けることにより所定の剛性を確保している。この種のリブ１９は、たとえばダイヤフラム４においてリブ１９となる部位を残してエッチングを行うことにより作製される。

図９の例では、リブ１９は振動部１１の同心円上に配置される複数の円環部１９ａと振動部１１の中心から放射状に延びる複数の直線部１９ｂとを交差させた形状に形成されているが、この形状に限るものではなく、図１０のように振動部１１の全面に亘って形成されていてもよい。また、リブ１９はここに示すように振動部１１における固定板５との対向面に設けられるものに限らず、振動部１１における凹部２側の一面、あるいは厚み方向の両面に設けられるものであってもよい。

一方、振動部１１の周囲の応力緩和部１２となる領域においては、バイアス電圧を印加した際の固定板５側への振動部１１の移動を妨げないように、且つ支持部３と振動部１１との間で応力の伝達を阻止するように振動部１１に比べて剛性を低くするため、リブ１９が設けられていない薄膜構造としてある。

このように振動部１１にのみリブ１９を形成することにより応力緩和部１２のコンプライアンスが振動部１１に比べて高くなるので、ダイヤフラム４の残留応力や支持部３からダイヤフラム４に作用する応力が存在しても、これらの応力は、応力緩和部１２が容易に変形する（歪む）ことにより緩和されることになる。しかも、応力緩和部１２は薄膜状に形成されているだけであって、振動部１１の周縁と支持部３との間に隙間を生じる形状ではないので、ダイヤフラム４と固定板５との間に異物が入り込むことを回避できる。さらに、リブ１９によって振動部１１の剛性を高める構成では質量の増加分に対する剛性の向上が大きいので、剛性を高めても振動部１１の質量増加を小さく抑えることができ、結果的に、振動部１１の共振周波数を高くして音響センサＳの周波数特性を向上させることも可能である。

なお、ダイヤフラム４において振動部１１にのみリブ１９を形成する本実施形態の構成に加え、実施形態１で説明したコルゲート構造を応力緩和部１２に採用することにより、応力緩和部１２のコンプライアンスをさらに高めてもよい。

ところで、上述した各実施形態では、ダイヤフラム４の応力緩和部１２と振動部１１とを同一の材料から形成する例を示したが、応力緩和部１２と振動部１１とで剛性の異なる別材料を用い、応力緩和部１２を振動部１１よりも低剛性の材質とすることにより、振動部１１に比べて低剛性の応力緩和部１２を実現してもよい。残留応力の調整、微細孔を含むポーラス構造（多孔質構造）などによる剛性の違いにより、振動部１１に比べて低剛性の応力緩和部１２を構成してもよい。ただし、ポーラス構造をダイヤフラム４に用いる場合には、ダイヤフラム４の厚み方向には貫通しないように各微細孔を形成する。さらに、応力緩和部１２を振動部１１よりも低剛性の材質とすることに加え、上述した各実施形態の構成を採用することによって、より変形し易い応力緩和部１２を実現してもよい。

本発明の実施形態１の音響センサを示し、（ａ）バイアス電圧が印加されていない状態の概略断面図、（ｂ）バイアス電圧が印加された状態の概略断面図である。 同上の構成を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略斜視図である。 同上の構成を示し、（ａ）は一部を破断した概略斜視図、（ｂ）は固定板を外した状態の一部を破断した概略斜視図である。 同上の音響モジュールの構成を示す概略断面図である。 本発明の実施形態２の音響センサを示し、（ａ）は固定板を外した状態の一部を破断した概略斜視図、（ｂ）は一部を破断した概略斜視図である。 同上のバイアス電圧が印加された状態の概略断面図である。 本発明の実施形態３の音響センサを示し、固定板を外した状態の一部を破断した概略斜視図である。 同上のバイアス電圧が印加された状態の概略断面図である。 本発明の実施形態４の音響センサを示し、固定板を外した状態の一部を破断した概略斜視図である。 同上のバイアス電圧が印加された状態の概略断面図である。

符号の説明

１ ベース基板
３ 支持部
４ ダイヤフラム
５ 固定板
７ 固定電極
８ 可動電極
９ スペーサ
１１ 振動部
１２ 応力緩和部
１３ ハウジング
１８ 音孔
１９ リブ
ｇ ギャップ
Ｇ１ 第１のギャップ長
Ｇ２ 第２のギャップ長
Ｍ 音響モジュール
Ｓ 音響センサ

Claims (7)

1. 枠状に形成された支持部と支持部よりも薄肉に形成され支持部の開口を閉塞するダイヤフラムとを有したベース基板と、ベース基板の一表面側においてダイヤフラムとはギャップを介して対向するように支持部に固定された固定板と、ダイヤフラムおよび固定板にそれぞれ設けられてキャパシタを構成し、バイアス電圧が印加された状態でダイヤフラムが音波を受けることによるダイヤフラムの振動を電気信号として出力する一対の電極とを備え、ダイヤフラムは、音波を受けて振動する振動部と、一対の電極間にバイアス電圧が印加されていない状態で振動部と固定板との間のギャップ長を第１のギャップ長とするように振動部および支持部を連結する応力緩和部とを有し、振動部は、一対の電極間にバイアス電圧が印加されると固定板側に吸引され、固定板との間に設けられたスペーサを固定板との間に挟むことによって第１のギャップ長よりも小さい第２のギャップ長のギャップを固定板との間に固定板との間に確保して位置決めされ、応力緩和部は、支持部と振動部との間で応力の伝達を阻止するように振動部に比べて変形し易く形成されていることを特徴とする音響センサ。
2. 前記応力緩和部は、前記振動部の周囲において振動部の振動する方向に沿った断面が波状に形成されたコルゲート構造からなることを特徴とする請求項１記載の音響センサ。
3. 前記応力緩和部は、前記振動部に比べて薄肉に形成されていることを特徴とする請求項１記載の音響センサ。
4. 前記応力緩和部は、前記振動部に比べて低剛性の材料を用いて形成されていることを特徴とする請求項１記載の音響センサ。
5. 前記振動部は薄膜を複数積層した多層構造であって、前記応力緩和部は薄膜の単層構造であることを特徴とする請求項１記載の音響センサ。
6. 前記振動部は、前記応力緩和部に比べて剛性を高めるリブが厚み方向の少なくとも一面に突設されていることを特徴とする請求項１記載の音響センサ。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の音響センサと、当該音響センサを収納するハウジングとを備え、ハウジングの一部にはハウジング内に音波を取り込む音孔が貫設され、音響センサは、前記支持部のうち前記固定板側とは反対側の一面を音孔の周囲に突き合わせるように配置されることを特徴とする音響センサを備えた音響モジュール。

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