JP2008259061A - 静電型トランスデューサ - Google Patents

Abstract

【課題】従来に比べて小型化が可能な静電型トランスデューサを提供する。
【解決手段】静電型トランスデューサ１は、支持基板１０と、支持基板１０の一表面側に形成された固定板部２０と、固定板部２０の厚み方向の一表面側に対向配置され固定板部２０の厚み方向に変位可能なばね構造部４０を介して固定板部２０に支持された可動板部３０とを備える。固定板部２０には、当該固定板部２０と可動板部３０との間の空間６０に連通する複数の穴部２１が設けられており、固定板部２０が固定電極２５を兼ねているので、固定電極２５が穴部２１の内面に沿って延在している。また、可動板部３０には、固定板部２０の各穴部２１に１つずつ遊挿される複数の突部３１が連続一体に設けられており、可動板部３０が可動電極３５を兼ねているので、可動電極３５が突部３１に延在している。
【選択図】図１

Description

本発明は、静電型トランスデューサに関するものである。

従来から、マイクロマシニング技術などを利用して形成される静電型トランスデューサが知られている（例えば、特許文献１，２参照）。

ここにおいて、上記特許文献１に開示された静電型トランスデューサ１’は、図９に示すように、シリコン基板１０ａ’上にシリコン酸化膜からなる絶縁膜１０ｂ’が形成された支持基板１０’と、支持基板１０’の一表面側において支持基板１０’に支持された固定板部２０’と、固定板部２０’に対向配置され可動電極３５’を兼ねる可動板部３０’と、固定板部２０’における可動板部３０’側に形成された金属薄膜からなる固定電極２５’とを備え、固定板部２０’に、固定板部２０’と可動板部３０’との間の空間に連通する複数の小孔２１’が貫設され、支持基板１０’に、固定板部２０’と可動板部３０’との間の空間６０’に連通する開孔部１１’が形成されている。なお、固定板部２０’は剛性が高くなるように設計され、可動板部３０’は剛性が低くなるように設計されている。

上述の静電型トランスデューサ１’では、固定電極２５’と可動電極３５’とを電極とするコンデンサが形成されるから、可動板部３０’が音波を受波することにより固定電極２５’と可動電極３５’との間の距離が変化し、コンデンサの静電容量が変化する。したがって、固定電極２５’と可動電極３５’との間に直流バイアス電圧を印加しておけば、固定電極２５’と可動電極３５’との間には音波の音圧に応じて微小な電圧変化が生じるから、音波の音圧によって生じる可動板部３０’の振動エネルギを電気信号に変換する音響センサとして用いることができる。

また、上述の静電型トランスデューサ１’は、固定電極２５’と可動電極３５’との間に電圧を印加すると、固定電極２５’と可動電極３５’との間に発生する静電引力によって可動板部３０’が固定板部２０’に近づく向きに変位するので、固定電極２５’と可動電極３５’との間に印加する電圧を変化させることで可動板部３０’を振動させることにより、音波を発生させることができるから、スピーカとして用いることができる。ここにおいて、出力される音圧を大きくするには、振動板部３０’の変位量を大きくすればよい。

ところで、直流バイアス電圧を印加して音響センサとして用いる静電型トランスデューサでは、開放端電圧（開放端出力電圧）をＥ〔Ｖ〕、可動板部３０’で受波する音波の音圧をＰ〔Ｐａ〕とすると、電圧感度〔ｄＢ〕は下記数１で表されることが知られている。

ここにおいて、開放端電圧Ｅは、固定電極２５’と可動電極３５’との間に印加する規定の直流バイアス電圧をＶｂ〔Ｖ〕、規定の直流バイアス電圧Ｖｂを印加している初期状態におけるコンデンサの静電容量（以下、センサ容量ともいう）をＣ〔Ｆ〕、固定電極２５’と可動電極３５’との間の距離が変化したときの静電容量の変化量（以下、センサ容量変動分ともいう）をΔＣ〔Ｆ〕とすると、開放端電圧Ｅと直流バイアス電圧Ｖｂとの関係は、下記数２で表される。

上述の数１、数２から、静電型トランスデューサを音響センサとして用いる場合の電圧感度を向上させる一手段として、センサ容量に対するセンサ容量変動分の割合（つまり、ΔＣ／Ｃ）を増加させることが有効であることが分かる。

ここで、上述のコンデンサについて、説明を簡単にするために、平面視形状が正方形状の微小要素（平行平板コンデンサ）で考え、図１０に示すように、微小要素の１辺の長さをａ〔ｍ〕、規定の直流バイアス電圧を印加している初期状態における固定電極２５’と可動電極３５’との間の距離をｇ〔ｍ〕、初期状態からの可動電極３５’の固定電極２５’に近づく向きへの変位方向を正方向としたときの可動電極３５’の変位量をｘ〔ｍ〕とし、固定電極２５’と可動電極３５’との間の空間に存在する媒質（空気）の誘電率をε、初期状態における微小要素の静電容量（以下、センサ容量ともいう）をＣ_１〔Ｆ〕、可動電極３５’の変位量がｘの変位状態での微小要素の静電容量をＣ_１’〔Ｆ〕とすると、静電容量Ｃ_１，Ｃ_１’はそれぞれ下記数３，数４で表される。

上述の数３，数４から、センサ容量に対するセンサ容量変動分の割合は、下記数５で表される。

上述の数３，数４，数５から、変位量ｘが大きくなるほど、センサ容量に対するセンサ容量変動分の割合が大きくなることが分かる。

ところで、この種の静電型トランスデューサでは、可動板部の残留応力を低減して可動板部のコンプライアンスを大きくすることが重要であり、上記特許文献２には、可動板部を可動板部の外周方向において並設された複数のアームを介して支持基板に支持することで、可動板部の残留応力を低減してコンプライアンスを大きくしてなる静電型トランスデューサが開示されている。
特表２００４−５０６３９４号公報（段落〔００２１〕−〔００２２〕および図１） 特表２００５−５３５１５２号公報（段落〔００１５〕−〔００２３〕および図１−図２）

しかしながら、上記特許文献１に開示された図９に示す構成の静電型トランスデューサ１’や上記特許文献２に開示された静電型トランスデューサを音響センサとして用いるような場合には、より一層の小型化が期待されているが、市販のエレクトレットコンデンサマイクロホンに比べて電圧感度が低く、所望の電圧感度により小型化が制限されるので、電圧感度の向上が望まれている。また、上述の静電型トランスデューサをスピーカとして用いる場合にも、より一層の小型化を図るために、出力される音波の音圧の向上が望まれている。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、従来に比べて小型化が可能な静電型トランスデューサを提供することにある。

請求項１の発明は、固定板部と、固定板部の厚み方向の一表面側に対向配置された可動板部とを備え、固定板部に設けられた固定電極と可動板部に設けられた可動電極とでコンデンサが形成された静電型トランスデューサであって、可動板部が、固定板部の厚み方向に変位可能なばね構造部を介して固定板部に支持され、固定板部は、当該固定板部と可動板部との間の空間に連通する穴部が設けられるとともに、固定電極が穴部の内面に沿って延在し、可動板部は、固定板部の穴部に遊挿される突部が設けられ、可動電極が突部に延在していることを特徴とする。

この発明によれば、可動板部が、固定板部の厚み方向に変位可能なばね構造部を介して固定板部に支持されているので、可動板部の残留応力を低減できて可動板部のコンプライアンスを大きくすることができ、しかも、固定板部は、当該固定板部と可動板部との間の空間に連通する穴部が設けられるとともに、固定電極が穴部の内面に沿って延在し、可動板部は、固定板部の穴部に遊挿される突部が設けられ、可動電極が突部に延在しているので、固定板部および可動板部の平面サイズを大きくすることなく、固定電極と可動電極との間に形成されるコンデンサに関して、静電容量を大きくすることができるとともに、可動板部の変位量に対する静電容量の変化量を大きくすることができ、従来に比べて小型化を図ることができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記ばね構造部は、前記厚み方向に直交する面内で前記可動板部を全周に亘って囲むように配置され、コルゲート板状に形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記ばね構造部を前記突部と同時に形成することが可能となり、製造プロセスの簡略化による低コスト化を図れる。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記穴部は前記固定板部の厚み方向に貫設された貫通孔からなることを特徴とする。

この発明によれば、前記固定板部と前記可動板部との間の空間と前記固定板部における前記可動板部側とは反対側の空間とを前記穴部を介して連通させることができ、前記固定板部の厚み方向への空気の流動が可能となるので、例えば高周波用の音響センサとして用いる場合の感度特性を向上でき、例えば高周波用のスピーカとして用いる場合の出力特性を向上できる。

請求項１の発明では、従来に比べて小型化が可能になるという効果がある。

（実施形態１）
以下、本実施形態の静電型トランスデューサ１について図１〜図３を参照しながら説明する。

本実施形態の静電型トランスデューサ１は、固定板部２０と、固定板部２０の厚み方向の一表面側（図１（ａ）における上面側）に対向配置された可動板部３０とを備え、固定板部２０に設けられた固定電極２５と可動板部３０に設けられた可動電極３５とでコンデンサが形成されたものであり、例えば、音響センサとして使用することができるが、他の用途（例えば、スピーカ、圧力センサなど）として使用することもできる。

ここにおいて、本実施形態の静電型トランスデューサ１は、支持基板１０と、支持基板１０の一表面側に形成された上述の固定板部２０と、固定板部２０の厚み方向の一表面側に対向配置され固定板部２０の厚み方向に変位可能なばね構造部４０を介して固定板部２０に支持された可動板部３０とを備え、固定板部２０が上述の固定電極２５を兼ね、可動板部３０が上述の可動電極３５を兼ねている。

また、本実施形態の静電型トランスデューサ１は、固定板部２０に、当該固定板部２０と可動板部３０との間の空間６０に連通する複数の穴部２１が設けられており、固定板部２０が固定電極２５を兼ねているので、固定電極２５が穴部２１の内面に沿って延在している。また、本実施形態の静電型トランスデューサ１は、可動板部３０に、固定板部２０の各穴部２１に１つずつ遊挿される複数の突部３１が連続一体に設けられており、上述のように可動板部３０が可動電極３５を兼ねているので、可動電極３５が突部３１に延在している。また、本実施形態の静電型トランスデューサ１は、固定電極２５，３５それぞれと電気的に接続されたパッド２６，３６を備えている。したがって、本実施形態の静電型トランスデューサ１は、固定電極２５および可動電極３５と回路基板などに設けられた外部回路とをボンディングワイヤなどを介して電気的に接続することができる。

支持基板１０は、シリコン基板１０ａと、当該シリコン基板１０ａ上に形成されたシリコン酸化膜からなる絶縁膜１０ｂとで構成されている。ところで、上述の固定板部２０の穴部２１は厚み方向に貫通しており、支持基板１０には、厚み方向に貫通し固定板部２０の各穴部２１と連通する１つの開孔部１１が形成されている。ここで、開孔部１１においてシリコン基板１０ａに形成されている部分は、アルカリ系溶液（例えば、ＴＭＡＨ水溶液、ＫＯＨ水溶液など）を用いた異方性エッチングにより形成されており、固定板部２０から離れるにつれて開口面積が徐々に大きくなっている。なお、開孔部１１は、例えば誘導結合プラズマ型のエッチング装置を用いたドライエッチングにより形成してもよく、アルカリ系溶液を用いた異方性エッチングにより形成する場合に比べて支持基板１０の他表面における開口面積を小さくすることができるので、支持基板１０の平面サイズの小型化を図れる。ここで、支持基板１０の外周形状は矩形状である。

固定板部２０は、不純物（例えば、ボロンなど）をドーピングすることで導電性を付与したポリシリコン膜により構成されており、例えばＣＶＤ法などを利用して支持基板１０の上記一表面側に不純物をドーピングしたポリシリコン膜を成膜した後で、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して上述の穴部２１を形成すればよい。ここにおいて、固定板部２０は、ポリシリコン膜に限らず、不純物をドーピングすることで導電性を付与したアモルファスシリコン膜により構成してもよい。また、本実施形態では、固定板部２０が固定電極２５を兼ねているが、固定板部２０と固定電極２５とを互いに異なる材料により形成する場合には、固定板部２０を、例えば、ノンドープのポリシリコン膜、ノンドープのアモルファスシリコン膜、シリコン窒化膜などにより構成し、固定電極２５を、金属膜（例えば、白金膜とクロム薄膜との積層膜）により構成してもよく、この場合には、固定板部２０の厚み方向において可動板部３０に対向する一表面側に形成する固定電極２５を各穴部２１の内面に延在させればよい。要するに、固定板部２０における上記一表面と各穴部２１の内面とに跨って固定電極２５を形成すればよい。ここで、固定電極２５を構成する金属膜の材料は白金やクロムに限らず、例えば、アルミニウム、ニッケル、チタン、タングステン、金などを採用してもよい。なお、固定板部２０は、剛性を高くすることが望ましいから、上述のシリコン基板１０ａとは別の厚みが数百μｍのシリコン基板を用いるようにし、支持基板１０と接合するようにしてもよい。

固定板部２０は、上述の各穴部２１の開口形状が矩形状（本実施形態では、正方形状）であり、複数の穴部２１が二次元アレイ状に配置されているが、穴部２１の開口形状および配置は特に限定するものではなく、穴部２１の開口形状は、例えば、多角形状（例えば、六角形状）でもよいし、円形状でもよい。

本実施形態では、上述のように固定板部２０が固定電極２５を兼ねているので、固定板部２０上に固定電極２５と電気的に接続される上述のパッド２６を形成してある。なお、上述のように固定板部２０と固定電極２５とを互いに異なる材料により形成する場合には、寄生容量を小さくするために、固定電極２５とパッド２６とを適宜パターニングされた金属配線を介して電気的に接続することが望ましい。

可動板部３０は、不純物（例えば、ボロンなど）をドーピングすることで導電性を付与したポリシリコン膜により構成されており、例えばＣＶＤ法などの成膜技術および犠牲層エッチング技術などを利用して形成すればよい。ここにおいて、可動板部３０は、ポリシリコン膜に限らず、不純物をドーピングすることで導電性を付与したアモルファスシリコン膜により構成してもよい。また、本実施形態では、可動板部３０が可動電極３５を兼ねているが、可動板部３０と可動電極３５とを互いに異なる材料により形成する場合には、可動板部３０を、例えば、ノンドープのポリシリコン膜、ノンドープのアモルファスシリコン膜、シリコン窒化膜などにより構成し、可動電極３５を、金属膜（例えば、白金膜とクロム薄膜との積層膜）により構成してもよく、この場合には、可動板部３０の厚み方向において固定板部２０に対向する一表面側に形成する可動電極３５を各突部３１の外周面に延在させればよい。要するに、可動板部３０における上記一表面と各突部３１の外周面とに跨って可動電極３５を形成すればよい。ここで、可動電極３５を構成する金属膜の材料は白金やクロムに限らず、例えば、アルミニウム、ニッケル、チタン、タングステン、金などを採用してもよい。なお、可動板部３０として上述のシリコン基板１０ａとは別のシリコン基板を用いてもよいが、可動板部３０は、当該可動板部３０の厚み方向の両側の圧力差により変形する必要があるので、剛性を低くするために厚みを薄くすることが望ましい。

可動板部３０における突部３１は、可動板部３０の厚み方向に直交する断面が矩形状（本実施形態では、正方形状）である四角柱状に形成されている。ここにおいて、突部３１は、固定板部２０の上記一表面側に例えばシリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜からなる犠牲層を介して可動板部３０用のポリシリコン膜を形成する際に、犠牲層表面に各突部３１に対応する凹部を形成しておき、当該犠牲層表面側にポリシリコン膜をＣＶＤ法などによって成膜することによって形成することができる。犠牲層は、可動板部３０となるポリシリコン膜を成膜した後に、支持基板１０の開孔部１１および固定板部２０の穴部２１を通してエッチングすればよいが、本実施形態では、犠牲層の一部を、ばね構造部４０と固定板部２０との間に介在する絶縁部５０として残すように犠牲層をエッチングする。したがって、固定板部２０と可動板部３０との間の距離を絶縁部５０の厚みによって規定することができる。なお、可動板部３０における突部３１の突出寸法は、絶縁部５０の厚み寸法よりも大きく設定してあるので、上述の犠牲層を形成する犠牲層形成工程では、各突部３１に対応する上記凹部の深さ寸法が、犠牲層のうち固定板部２０の上記一表面上に形成される部位の厚み寸法よりも大きくなるように、例えば、開孔部１１を形成する以前の支持基板１０の上記一表面側に、各穴部２１を有する固定板部２０を形成した後、シリコン酸化膜からなる犠牲層を常圧ＣＶＤ法などの段差被覆性の低い成膜方法で成膜すればよい。

ここにおいて、可動板部３０の突部３１の突出寸法は必ずしも絶縁部５０の厚み寸法よりも大きく設定する必要はなく、例えば、可動板部３０の自重や残留応力による変形により突部３１が穴部２１に遊挿されるように設定してもよいし、上述のパッド２６，３６を利用して固定電極２５と可動電極３５との間に規定の直流バイアス電圧を印加した状態で突部３１が穴部２１に遊挿されるように設定してもよい。

なお、突部３１の形状は四角柱状の形状に限らず、例えば、多角柱状（例えば、六角柱状）、円柱状、角錐状、円錐状、角錐台状、円錐台状、図４（ａ）に示すような平板の薄板状の形状（平面視形状が直線状）もよいし、同図（ｂ）に示すように湾曲した薄板状の形状（平面視形状が曲線状）の形状でもよいし、同図（ｃ）に示すような中空を有する四角柱状の形状に形成してもよい。ただし、突部３１の形状は穴部２１の形状に対応する形状に形成する必要がある。

ところで、上述のばね構造部４０は、固定板部２０の厚み方向に変位可能な板ばねであり、外周形状が円形状の可動板部３０と連続一体に形成されている。要するに、本実施形態では、可動板部３０には、４つのばね構造４０が連続一体に形成されている。ここにおいて、４つのばね構造部４０は、可動板部３０の厚み方向に沿った中心軸に対して回転対称性を有するように配置されており、一端部が可動板部３０に連結され、他端部が上述の絶縁部５０と連結されている。ここで、ばね構造部４０は、当該ばね構造部４０および可動板部３０の基礎となるポリシリコン膜を成膜した後で、当該ポリシリコン膜をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用してパターニングすることで可動板部４０と同時に形成することができるので、ばね構造部４０のコンプライアンスを上げるように寸法や平面形状を設計すればよい。なお、本実施形態では、上述のように可動板部３０が導電性を付与したポリシリコン膜により構成されており、ばね構造部４０も導電性を付与したポリシリコン膜により構成されているので、ばね構造部４０の他端部において絶縁部５０に重なる部位上に上述のパッド３６を形成してある。

ここで、上述のコンデンサについて、説明を簡単にするために、平面視形状が正方形状の微小要素で考え、図３に示すように、微小要素の１辺の長さをａ〔ｍ〕、突部３１の正方形状の断面における各辺の長さをｂ〔ｍ〕、穴部２１への突部３１の挿入寸法をｃ〔ｍ〕、初期状態での固定板部２０の厚み方向における固定電極２５と可動電極３５との間の距離（以下、第１のギャップ長という）をｇ〔ｍ〕、互いに対向する穴部２１の内側面と突部３１の外側面との間の距離（以下、第２のギャップ長という）をｄ〔ｍ〕、初期状態からの可動電極３５の固定電極２５に近づく向きへの変位方向を正方向としたときの可動電極３５の変位量をｘ〔ｍ〕とし、固定電極２５と可動電極３５との間の空間６０に存在する媒質（空気）の誘電率をε、初期状態における微小要素の静電容量（以下、センサ容量ともいう）をＣ_comb〔Ｆ〕、可動電極３５の変位量がｘの変位状態での微小要素の静電容量をＣ_comb’〔Ｆ〕とすると、静電容量Ｃ_comb，Ｃ_comb’はそれぞれ下記数６，数７で表される。

上述の数６，数７から、センサ容量に対するセンサ容量変動分の割合は、下記数８で表される。

ここで、一例として、上記数６、数７における各パラメータの値を、例えば、ａ＝１０×１０^−６〔ｍ〕、ｂ＝２×１０^−６〔ｍ〕、ｃ＝１×１０^−６〔ｍ〕、ｄ＝３×１０^−６〔ｍ〕、ｇ＝３×１０^−６〔ｍ〕、ｘ＝５×１０^−９〔ｍ〕とすると、センサ容量に対するセンサ容量変動分の割合は、ΔＣ_comb／Ｃ_comb＝０．００２２８となる。

これに対して、穴部２１および突部３１がない場合には、微小要素のサイズを同じとして、上記数３，数４における各パラメータの値を、ａ＝１０×１０^−６〔ｍ〕、ｇ＝３×１０^−６〔ｍ〕、ｘ＝５×１０^−９〔ｍ〕とすると、センサ容量に対するセンサ容量変動分の割合は、ΔＣ₁／Ｃ₁＝０．００１６７となる。

要するに、本実施形態の構成の静電型トランスデューサ１では、固定板部２０に穴部２１を設けて固定電極２５が穴部２１の内面に沿って延在し、可動板部３０から突設され固定板部２０の穴部２１に遊挿される突部３１に可動電極３５を延在させていることにより、固定電極２５と可動電極３５との間に形成されるコンデンサに関して、従来に比べて、静電容量を大きくすることができるとともに、可動板部３０の変位量に対する静電容量の変化量を大きくすることができ、電圧感度が向上するので、平面サイズ（チップサイズ）の小型化を図ることができる。

また、上記一例では、第１のギャップ長ｇと第２のギャップ長ｄとがｇ＝ｄの関係にある場合について例示したが、両ギャップ長ｇ，ｄの関係がｇ＞ｄとなるように設計し、ａ＝１０×１０^−６〔ｍ〕、ｂ＝２×１０^−６〔ｍ〕、ｃ＝１×１０^−６〔ｍ〕、ｇ＝３×１０^−６〔ｍ〕、ｄ＝０．５×１０^−６〔ｍ〕、ｘ＝５×１０^−９〔ｍ〕）とすると、ΔＣ_comb／Ｃ_comb＝０．００２８２となる。したがって、本実施形態の静電型トランスデューサ１では、ｇ＞ｄとすることで、ｄ＝ｇとなるように設計する場合に比べて、可動板部３０の変位量に対する静電容量の変化量を大きくすることができ、電圧感度を更に高めることができる。

以上説明した本実施形態の静電型トランスデューサ１では、可動板部３０が、固定板部２０の厚み方向に変位可能なばね構造部４０を介して固定板部２０に支持されているので、可動板部３０の残留応力を低減できて可動板部３０のコンプライアンスを大きくすることができ、しかも、固定板部２０は、当該固定板部２０と可動板部３０との間の空間６０に連通する穴部２１が設けられるとともに、固定電極２５が穴部２１の内面に沿って延在し、可動板部３０は、固定板部２０の穴部２１に遊挿される突部３１が設けられ、可動電極３５が突部３１に延在しているので、固定板部２０および可動板部３０の平面サイズを大きくすることなく、固定電極２５と可動電極３５との間に形成されるコンデンサに関して、静電容量を大きくすることができるとともに、可動板部３０の変位量に対する静電容量の変化量を大きくすることができ、音響センサや圧力センサなどとして用いる場合には感度の向上を図れ、スピーカとして用いる場合には出力音圧の向上を図れるから、従来に比べて小型化および低コスト化を図れる。

また、本実施形態の静電型トランスデューサ１では、固定板部２０の穴部２１が固定板部２０の厚み方向に貫設された貫通孔からなるので、固定板部２０と可動板部３０との間の空間６０と固定板部２０における可動板部３０側とは反対側の空間（本実施形態では、支持基板１０の開孔部１１）とを穴部２１を介して連通させることができ、固定板部２０の厚み方向への空気の流動が可能となるので、穴部２１がアコースティックホールとして機能し、例えば高周波用の音響センサとして用いる場合に感度特性を向上でき、例えば高周波用のスピーカとして用いる場合の出力特性を向上できる。

ここにおいて、本実施形態の静電型トランスデューサ１をスピーカとして用いる場合には、上述のパッド２６，３６を介して固定電極２５と可動電極３５との間に駆動電圧を印加すれば、固定電極２５と可動電極３５との間に静電力（静電引力）が作用して可動板部３０が固定板部２０に近づく向きに変位するので、固定電極２５と可動電極３５との間に印加する駆動電圧を変化させることにより、可動板部３０を振動させて音波を出力することができる。本実施形態の静電型トランスデューサ１をスピーカとして用いる場合、固定電極２５と可動電極３５との間に作用する静電力Ｆは、固定電極２５と可動電極３５との間の静電エネルギをＵ、固定電極２５と可動電極３５との間の静電容量をＣ〔Ｆ〕、固定電極２５と可動電極３５との間に印加する駆動電圧をＶ_１〔Ｖ〕、初期状態からの可動板部３０の変位量をｘ〔ｍ〕とすれば、下記数９で表される。

ここで、上述の微小要素で考えると、初期状態から可動板部３０が固定板部２０の厚み方向に沿って固定板部２０側にｘ〔ｍ〕だけ変位した状態での微小要素における静電力Ｆ_combは、上記数７、数９から、下記数１０で表される。

これに対して、穴部２１および突部３１がない場合には、微小要素のサイズを同じとして、初期状態から可動板部３０が固定板部２０の厚み方向に沿って固定板部２０側にｘ〔ｍ〕だけ変位した状態での微小要素における静電力Ｆ₁は、上記数４、数１０から、下記数１１で表される。

ここで、一例として上記数１０、数１１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〕とすると、初期状態（つまり、ｘ＝０〔ｍ〕）において微小要素に作用する静電力についてみれば、Ｆ_comb／Ｆ₁＝２．７６となる。したがって、本実施形態の静電型トランスデューサ１では、固定電極２５と可動電極３５との間に駆動電圧Ｖ_１〔Ｖ〕を印加したときに、固定電極２５と可動電極３５との間に作用する静電力を従来に比べて大きくすることができ、出力音圧の向上を図れる。

ところで、本実施形態の静電型トランスデューサ１では、上述のように固定板部２０が固定電極２５を兼ね、可動板部３０が可動電極３５を兼ねているので、固定電極２５と可動電極３５との短絡を防止するために、例えば、図５（ａ）に示すように可動板部３０における固定板部２０側の一表面上の全体に亘って絶縁膜８０を形成してもよいし、同図（ｂ）に示すように可動板部３０の周部において固定板部２０側の一表面上に絶縁膜８０を形成してもよいし、同図（ｃ）に示すように固定板部２０における穴部２１の内側面に絶縁膜８０を形成してもよい。なお、図５（ａ）〜（ｃ）における絶縁膜８０は、厚み寸法を適宜設定することにより、可動板部３０の過度な変位を規制するストッパとしての機能を持たせることもできる。

（実施形態２）
本実施形態の静電型トランスデューサ１の基本構成は実施形態１と略同じであって、図６に示すように、可動板部３０の厚み方向の両側それぞれに固定板部２０が対向して設けられており、可動板部３０における厚み方向の両面から突部３１が突設されている点などが相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態の静電型トランスデューサ１は、図６における上側の固定板部２０に設けられた固定電極（以下、第１の固定電極という）２５と可動板部３０に設けられた可動電極３５とで構成された第１のコンデンサと、同図における下側の固定板部２０に設けられた固定電極（以下、第２の固定電極という）２５と可動板部３０に設けられた可動電極３５とで構成された第２のコンデンサとを有しており、可動板部３０が厚み方向に変位すると可動板部３０の厚み方向において第１の固定電極２５と可動電極３５との間の距離が変化して第１のコンデンサの静電容量が変化するとともに、第２の固定電極２５と可動電極３５との間の距離が変化して第２のコンデンサの静電容量が変化する。ここで、本実施形態の静電型トランスデューサ１を例えば、音響センサとして用いる場合には、第１のコンデンサおよび第２のコンデンサそれぞれの静電容量変化を電気信号に変換して取り出すために、各コンデンサそれぞれにバイアス電圧を印加する。

本実施形態の静電型トランスデューサ１では、可動板部３０が音波を受けて振動した際に第１のコンデンサから取り出される電気信号と第２のコンデンサ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。また、本実施形態の静電型トランスデューサ１は、可動板部３０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。

（実施形態３）
本実施形態の静電型トランスデューサ１の基本構成は実施形態１と略同じであって、図７に示すように、固定板部２０の厚み方向の両側それぞれに可動板部３０が対向配置されている点などが相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態の静電型トランスデューサ１は、図７における上側の可動板部（以下、第１の可動板部という）３０に設けられた可動電極（以下、第１の可動電極という）３５と固定板部２０に設けられた固定電極２５とで構成された第１のコンデンサと、同図における下側の可動板部（以下、第２の可動板部という）３０に設けられた可動電極（以下、第２の可動電極という）３５と固定板部２０に設けられた固定電極２５とで構成された第２のコンデンサとを有しており、第１の可動板部３０が厚み方向に変位すると固定電極２５の厚み方向において固定電極２５と第１の可動電極３５との間の距離が変化して第１のコンデンサの静電容量が変化し、一方、第２の可動板部３０が厚み方向に変位すると固定電極２５の厚み方向において固定電極２５と第２の可動電極３５との間の距離が変化して第２のコンデンサの静電容量が変化する。

ここで、本実施形態の静電型トランスデューサ１を例えば、音響センサとして用いる場合には、第１のコンデンサおよび第２のコンデンサそれぞれの静電容量変化を電気信号に変換して取り出すために、各コンデンサそれぞれにバイアス電圧を印加しておけば、第１の可動板部３０および第２の可動板部３０それぞれで音波を受けて、各音波それぞれを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。

（実施形態４）
本実施形態の静電型トランスデューサ１の基本構成は実施形態１と略同じであって、図８に示すように、シリコン基板を用いて固定板部２０が形成されており、固定板部２０の厚み寸法が実施形態１に比べて大きく、固定板部２０において固定板部２０と可動板部３０との間の空間６０に連通するように設ける穴部２１の深さ寸法が固定板部２０の厚み寸法に比べて小さくなっている点や、ばね構造部４０の形状などが相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

固定板部２０は、可動板部３０側の部位に不純物（例えば、ボロンなど）を高濃度にドーピングして導電性を付与することで固定電極２５を形成してあるが、固定電極２５は金属膜により形成してもよい。

ばね構造部４０は、固定板部２０の厚み方向に直交する面内で可動板部３０を全周に亘って囲むように配置され、コルゲート板状に形成されており、コンプライアンスが高い構造となっている。ここにおいて、ばね構造部４０は、可動板部３０と連続一体に形成されている。なお、本実施形態では、絶縁部５０は環状に形成されている。

ところで、固定板部２０の可動板部３０側の表面には、ばね構造部４０の干渉を防止するために、複数の環状の逃がし凹部２２が形成されており、ばね構造部４０が固定板部２０に衝突したり吸着されるのを防止することができる。ここにおいて、逃がし凹部２２の開口幅（幅寸法）は穴部２１の開口幅よりも大きく設定されている。

したがって、上述のばね構造部４０を形成するにあたって、固定板部２０において穴部２１および逃がし凹部２２を形成した表面側に犠牲層を成膜してから、当該犠牲層の表面側に可動板部３０およびばね構造部４０の基礎となるポリシリコン膜を成膜し、その後、犠牲層の不要部分をエッチング除去する製造プロセスを採用するようにすれば、ばね構造部４０を突部３１と同時に形成することが可能となり、製造プロセスの簡略化による低コスト化を図れる。なお、実施形態におけるばね構造部４０を他の実施形態１〜３に適用してもよい。

また、本実施形態の静電型トランスデューサ１では、固定板部２０の穴部２１が当該固定板部２０の厚み方向に貫通していないので、製造時に、上述のように固定板部２０において穴部２１および逃がし凹部２２を形成した表面側に犠牲層を成膜してから、当該犠牲層の表面側に可動板部３０およびばね構造部４０の基礎となるポリシリコン膜を成膜し、その後、犠牲層の不要部分をエッチング除去する製造プロセスを採用するために、上記ポリシリコン膜の成膜後に、可動板部３０に、当該可動板部３０の厚み方向に貫通する複数の微細孔３７（図８（ａ）参照）を形成し、犠牲層をエッチングするエッチャントを微細孔３７から導入するようにしている。また、固定板部２５と可動板部３５との間の空間６０を気密空間とするために可動板部３０における固定板部２０側とは反対の表面側に各微細孔３７を閉塞する封止部３８を設けてある。なお、犠牲層エッチング技術を利用せずに、互いに異なるシリコン基板を個別に加工して形成した固定板部２０と可動板部３０とを接合するような製造プロセスを採用する場合には、微細孔３７および封止部３８は不要である。なお、空間６０内は、例えば、不活性ガス雰囲気としてもよいし、真空雰囲気としてもよい。

しかして、本実施形態の静電型トランスデューサ１を圧力センサとして用いる場合、可動板部３０が圧力を受けると、可動板部３０の厚み方向の両側の圧力差に応じて可動板部３０が変位し、固定電極２５と可動電極３５との間の静電容量が変化する。

以上説明した本実施形態の静電型トランスデューサ１では、実施形態１と同様、可動板部３０が、固定板部２０の厚み方向に変位可能なばね構造部４０を介して固定板部２０に支持されているので、可動板部３０の残留応力を低減できて可動板部３０のコンプライアンスを大きくすることができ、しかも、固定板部２０は、当該固定板部２０と可動板部３０との間の空間６０に連通する穴部２１が設けられるとともに、固定電極２５が穴部２１の内面に沿って延在し、可動板部３０は、固定板部２０の穴部２１に遊挿される突部３１が設けられ、可動電極３５が突部３１に延在しているので、固定板部２０および可動板部３０の平面サイズを大きくすることなく、固定電極２５と可動電極３５との間に形成されるコンデンサに関して、静電容量を大きくすることができるとともに、可動板部３０の変位量に対する静電容量の変化量を大きくすることができ、音響センサや圧力センサなどとして用いる場合には感度の向上を図れ、スピーカとして用いる場合には出力音圧の向上を図れるから、従来に比べて小型化および低コスト化を図れる。

また、本実施形態の静電型トランスデューサ１では、固定板部２０と可動板部３０との間の空間６０を気密空間としてあるので、当該空間６０に外部から異物や水分などが侵入するのを防止することができ、固定電極２５と可動板部３５との短絡、可動板部３０の動作不良や振動特性の変化を防止することができるから、信頼性を高めることができる。

なお、実施形態２〜４においても、上述の図５（ａ）〜（ｃ）で説明した絶縁膜８０を設けてもよいことは勿論である。

実施形態１を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は一部破断した概略斜視図である。 同上における要部を示し、一部破断した概略斜視図である。 同上の動作説明図である。 同上における要部の他の構成例の説明図である。 同上における要部の他の構成例の説明図である。 実施形態２を示す概略断面図である。 実施形態３を示す概略断面図である。 実施形態４を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は一部破断した要部概略斜視図である。 従来例を示す概略断面図である。 同上の動作説明図である。

符号の説明

１ 静電型トランスデューサ
１０ 支持基板
１１ 開孔部
２０ 固定板部
２１ 穴部
２５ 固定電極
３０ 可動板部
３１ 突部
３５ 可動電極
４０ ばね構造部
５０ 絶縁部
６０ 空間

Claims (3)

1. 固定板部と、固定板部の厚み方向の一表面側に対向配置された可動板部とを備え、固定板部に設けられた固定電極と可動板部に設けられた可動電極とでコンデンサが形成された静電型トランスデューサであって、可動板部が、固定板部の厚み方向に変位可能なばね構造部を介して固定板部に支持され、固定板部は、当該固定板部と可動板部との間の空間に連通する穴部が設けられるとともに、固定電極が穴部の内面に沿って延在し、可動板部は、固定板部の穴部に遊挿される突部が設けられ、可動電極が突部に延在していることを特徴とする静電型トランスデューサ。
2. 前記ばね構造部は、前記厚み方向に直交する面内で前記可動板部を全周に亘って囲むように配置され、コルゲート板状に形成されてなることを特徴とする請求項１記載の静電型トランスデューサ。
3. 前記穴部は前記固定板部の厚み方向に貫設された貫通孔からなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の静電型トランスデューサ。

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