JP2009060259A - 容量型センサ - Google Patents

Abstract

【課題】振動部における応力を緩和でき、振動部と背極板との間に生じ得る寄生容量を低減でき、低周波の音に対する感度を充分に確保でき、耐落下衝撃性能が確保できる容量型センサを提供する。
【解決手段】一部分が振動部４ａとして機能し、他の部分が当該振動部４ａを取り囲む非振動部４ｂとして機能する基材と、振動部４ａと対面する形態で、基材と所定の間隔をおいて配置される背極板６と、振動部４ａと非振動部４ｂとの間の境界１２付近の非振動部４ｂ側の複数箇所に配置されて、背極板６と基材との間の所定の間隔を保持するスペーサ５とを備える容量型センサＳであって、振動部４ａの、境界１２を挟んでスペーサ５と対向する位置に、貫通孔９又は窪み１４を複数個、或いは、当該貫通孔９及び当該窪み１４を組み合わせて境界１２に沿った方向に並べた肉抜部Ｎを設けてある。
【選択図】図１

Description

本発明は、一部分が、平板状の振動部として機能し、他の部分が、当該振動部を取り囲む非振動部として機能する基材と、前記振動部と対面する形態で、前記基材と所定の間隔をおいて対向配置される背極板と、前記振動部と前記基材との間の所定の間隔を保持するために、前記振動部と前記非振動部との境界付近の前記非振動部側の複数箇所に配置されるスペーサとを備える容量型センサに関する。

一部分が、平板状の振動部として機能し、他の部分が、当該振動部を取り囲む非振動部として機能する基材と、前記振動部と対面する形態で、前記基材と所定の間隔をおいて対向配置される背極板とでコンデンサを形成した容量型センサがある。このような容量型センサでは、前記振動部と前記基材との間の所定の間隔を保持するために、前記振動部と前記非振動部との境界付近の前記非振動部側の複数箇所に配置されるスペーサが設けられている。そして、振動部の振動（つまり、変位）によって振動部と背極板との間隔が変化すると、その変化に応じたコンデンサの静電容量の変化が出力される。振動部は音響（音圧）や振動によって変位するので、この容量型センサを用いて音響センサ（コンデンサ型マイクロホン）や振動センサを実現できる。特に、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いることで、携帯電話などの小型の電気機器で用いるための非常に小型の容量型センサを作製することもできる。

特許文献１には、振動部と非振動部との間の境界付近の振動部側に、境界に沿った方向のスリットが設けられた容量型センサが記載されている。図９は、特許文献１に記載の容量型センサ１００の上面図である。図９に示すように、特許文献１に記載の容量型センサ１００は、平板状の振動部１０１、及び、その振動部１０１の周囲を取り囲む非振動部１０２と、前記振動部１０１と所定の間隔をおいて対向配置される背極板１０４とを備える。そして、振動部１０１と導通するように設けられた振動部用端子１０１ａと、背極板１０４上に設けられた背極用端子１０４ａとの間の電位差変化に基づいて、背極板１０４と振動部１０１との間の静電容量変化を導出し、容量型センサに加わった音響や振動などを測定できる。

更に、特許文献１に記載の容量型センサでは、振動部１０１はほぼ矩形に形成されているものの、振動部１０１の各辺にはスリット１０３が設けられている。よって、振動部１０１と非振動部１０２とは、振動部１０１の各コーナー部分のみで互いに連結されている。つまり、特許文献１に記載の容量型センサ１００では、振動部１０１の各コーナー部分で弾力性を発揮させた状態で、他の部分にスリット１０３を形成して振動部１０１と非振動部１０２とを分離することで、振動部１０１が振動しやすいようになる。

米国特許第５４５２２６８号明細書

特許文献１に記載の容量型センサでは、スリットを設けたことで、振動部と非振動部とが全て連結されている場合に比べて振動部における応力を緩和することができる。また、振動部とスペーサ上の背極板との間に生じる寄生容量の低減も可能である。
しかし、スリットの面積が大きいため、低周波の音に対する感度が充分に確保できない。更に、振動部は、４カ所のコーナー部分でのみ支持されるため、耐落下衝撃性能が低くなる。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、振動部における応力を緩和でき、振動部と背極板との間に生じ得る寄生容量を低減でき、低周波の音に対する感度を充分に確保でき、耐落下衝撃性能が確保できる容量型センサを提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る容量型センサの特徴構成は、一部分が振動部として機能し、他の部分が当該振動部を取り囲む非振動部として機能する基材と、前記振動部と対面する形態で、前記基材と所定の間隔をおいて配置される背極板と、前記振動部と前記非振動部との間の境界付近の前記非振動部側の複数箇所に配置されて、前記背極板と前記基材との間の所定の間隔を保持するスペーサとを備える容量型センサであって、
前記振動部の、前記境界を挟んで前記スペーサと対向する位置に、貫通孔又は窪みを複数個、或いは、当該貫通孔及び当該窪みを組み合わせて前記境界に沿った方向に並べた肉抜部を設けてある点にある。

上記特徴構成によれば、スペーサ上の背極板の部分とスペーサと対向する位置の振動部との間には上記肉抜部が設けられているので、それらの間に生じ得る寄生容量を低減できる。また、上記肉抜部を設けたことで、振動部と非振動部とが全て連結されている場合に比べて、振動時に振動部で生じる応力を緩和できる。
また、振動部の、上記境界を挟んでスペーサと対向する位置に設けられる肉抜部が、貫通孔又は窪みを複数個、或いは、当該貫通孔及び当該窪みを組み合わせて構成されることで、振動部と非振動部とが、複数の貫通孔又は窪みの間の梁部分で確実に連結される。よって、この容量型センサが収容された装置が落下した場合でも、振動部が損傷し難くなる。
更に、肉抜部が貫通孔を備えている場合であっても、肉抜部は単一の大きな貫通孔ではなく、複数の分割された小さな貫通孔の組合せで構成されているので、振動部で低周波の音を良好に捕らえることが可能となる。
従って、振動部における応力を緩和でき、振動部と背極板との間に生じ得る寄生容量を低減でき、低周波の音に対する感度を充分に確保でき、且つ、耐落下衝撃性能が確保できる容量型センサを提供できる。

本発明に係る容量型センサの別の特徴構成は、前記境界に沿った方向の前記肉抜部の長さは、前記境界に沿った方向の前記スペーサの長さ以上である点にある。

上記特徴構成によれば、スペーサ上の背極板の部分とスペーサと対向する位置の振動部との間が、全て肉抜部によって遮られるので、それらの間に生じ得る寄生容量を確実に低減できる。

本発明に係る容量型センサの別の特徴構成は、前記肉抜部は、前記振動部の全周に渡って設けられている点にある。

上記特徴構成によれば、上記肉抜部を設けたことによる振動部の応力緩和の効果、及び、静電容量低減の効果を、振動部の全周に渡って得ることができる。

＜第1実施形態＞
以下に図面を参照して第１実施形態の容量型センサＳについて説明する。図１は、第１実施形態の容量型センサＳの上面図であり、図２は、図１の容量型センサＳの線分ＩＩ-ＩＩにおける断面図である。図３は、容量型センサＳを構成する基材の上面図である。
図１〜図３に示すように、容量型センサＳは、一部分が振動部４ａとして機能し、他の部分が当該振動部４ａを取り囲む非振動部４ｂとして機能する基材１と、前記振動部４ａと対面する形態で、前記基材１と所定の間隔をおいて配置される背極板６と、前記振動部４ａと前記非振動部４ｂとの境界１２の付近の前記非振動部４ｂ側の複数箇所に配置されて、前記背極板６と前記基材１との間の所定の間隔を保持するスペーサ５とを備える。本実施形態の容量型センサＳは、音に応じて振動部４ａが振動するようなマイクロホンや、振動に応じて振動部４ａが振動するような振動センサとして利用可能である。

基材１は、シリコンで形成された基板２と、シリコンで形成された振動板４との間に絶縁性の酸化膜３が形成された構造である。また、基材１の中央部分には、酸化膜３及び基板２の一部が異方性エッチングにより除去されることでキャビティＣが形成されている。よって、キャビティＣが形成されている部分の振動板４は、実際に音や振動に応じて振動する振動部４ａとして機能する。また、キャビティＣが形成されていない部分の振動板４（即ち、基板２、酸化膜３及び振動板４が積層された状態の部分）は、非振動部４ｂとなる。本実施形態において、振動部４ａは正方形である。よって、振動部４ａと非振動部４ｂとの境界１２も正方形となる。

背極板６は、絶縁性のスペーサ５を介して上記振動部４ａと対面するように形成される。また、背極板６には複数の通気孔７が設けられている。よって、振動部４ａの振動時に、背極板６と振動部４ａとの間の間隙領域８に存在する空気が背極板６の通気孔７を介して流通しやすくなる、即ち、振動部４ａが振動し易くなる。また、この容量型センサＳをマイクロホンとして用いる場合、この通気孔７を通過した音波が振動部４ａへ良好に到達するようになる。背極板６の上面形状は、振動部４ａとは４５°相対回転した状態の略正方形である。背極板６は、振動部４ａの上方を覆うように配置されているが、背極板６の四隅は非振動部４ｂの上方にある。背極板６の四隅には矩形の被支持部６ａが形成され、スペーサ５を介して非振動部４ｂに装着される。よって、背極板６の被支持部６ａは、振動部４ａと非振動部４ｂとの境界１２の付近の非振動部４ｂの上方に、スペーサ５を介して設けられている。つまり、背極板６が有する４個の被支持部６ａは、振動部４ａの４辺のそれぞれと向かい合った非振動部４ｂ上に設けられている。

背極板６の被支持部６ａの一つには、ボンディングワイヤを接続するための背極用パッド１０が形成されている。また、その背極用パッド１０の近傍の非振動部４ｂ上にも別のボンディングワイヤを接続するための振動部用パッド１１が形成されている。ここで、振動部４ａと非振動部４ｂとは同じ振動板４で形成されているので、互いに同電位である。よって、背極用パッド１０と振動部用パッド１１との間の静電容量の変化を検出することで、振動部４ａの振動状態を知ることができる。

但し、背極板６と振動部４ａとはスペーサ５を介して物理的に接続されているので、特に、スペーサ５が間に介在している背極板６の被支持部６ａと振動部４ａとの間には寄生容量が発生し得る。振動部４ａの振動状態を正確に検出するためには、その寄生容量を低減することが必要である。

そこで、本実施形態の容量型センサＳでは、振動部４ａの、上記境界１２を挟んでスペーサ５と対向する位置に、貫通孔９を複数個、上記境界１２に沿った方向に並べた肉抜部Ｎを設けてある。また、貫通孔９の夫々は、上記境界１２に沿った方向の長さがスペーサ５の長さよりも短い。本実施形態において、肉抜部Ｎは、３個の貫通孔９で構成される。図３に示すように、境界１２に沿った方向の肉抜部Ｎの長さ：Ｂは、境界１２に沿った方向のスペーサ５の長さ：Ａ以上である。このように、スペーサ５と振動部４ａとの間には、上記肉抜部Ｎが設けられているので、そのスペーサ５の上方に形成される背極板６の被支持部６ａと振動部４ａとの間の寄生容量を低減できる。
また、この肉抜部Ｎを設けたことで、振動部４ａにおける応力を緩和できる。よって、振動部４ａの振動がスムーズに行われるという利点がある。
更に、肉抜部Ｎが必要以上に大きく形成されていないため、この容量型センサＳをマイクロホンとして用いる場合には、低周波の音に対する感度を充分に確保できる。
また更に、肉抜部Ｎが、複数個の貫通孔９を組み合わせて構成され、それらの貫通孔９の間には梁部１３が設けられているので、振動部４ａと非振動部４ｂとの連結状態が確保される。よって、この容量型センサＳが収容された装置が落下した場合であっても、振動部４ａが損傷し難くなる。

＜第２実施形態＞
第２実施形態の容量型センサは、肉抜部の構造が第１実施形態の容量型センサにおける肉抜部と異なっている。以下に、第２実施形態の容量型センサについて説明するが、第１実施形態と同様の構成については説明を省略する。

図４は、第２実施形態の容量型センサＳの断面図である。図５は、振動部４ａの上面図である。第２実施形態の容量型センサＳについても、第１実施形態の容量型センサＳと同様に、振動部４ａと非振動部４ｂとの境界１２を挟んでスペーサ５と対向する位置の振動部４ａに、境界１２に沿った方向の長さがスペーサ５よりも長い肉抜部Ｎが設けられている。但し、本実施形態の肉抜部Ｎは、上記境界１２に沿った方向の長さがスペーサ５の長さよりも短い窪み１４を複数個、上記境界１２に沿った方向に並べて構成されている。具体的には、第１実施形態で示した貫通孔と同形状の窪み１４を、同じく３個並べて振動部４ａに形成してある。また、各窪み１４の間には、第１実施形態と同様に梁部１３が設けられている。尚、ここでは窪み１４が振動部４ａの上面（背極板６と相対する面）に設けられている例を示しているが、振動板４ｂの下面に窪み１４を設けるように改変してもよい。

以上のように、振動部４ａと非振動部４ｂとの境界１２の付近の振動部４ａにおいて、スペーサ５と振動部４ａとの間には、上記肉抜部Ｎが設けられているので、そのスペーサ５の上方に形成される背極板６の被支持部６ａと振動部４ａとの間の寄生容量を低減できる。また、この肉抜部Ｎを設けたことで、振動部４ａが振動する際の応力が緩和される。更に、振動部４ａに孔が形成されていない（即ち、肉抜部Ｎが窪み１４で構成されている）ので、この容量型センサＳをマイクロホンとして用いる場合には、低周波の音に対する感度を充分に確保できる。また更に、肉抜部Ｎが、複数個の窪み１４を組み合わせて構成され、それらの窪み１４の間には梁部１３が設けられて強度が確保されているので、振動部４ａと非振動部４ｂとの連結状態が確保される。よって、この容量型センサＳが収容された装置が落下した場合であっても、振動部４ａが損傷し難くなる。

＜別実施形態＞
＜１＞
上記実施形態において、振動部４ａと非振動部４ｂとの境界１２に沿った方向の肉抜部Ｎの長さが、その境界１２に沿った方向のスペーサ５の長さ以上であることを説明したが、肉抜部Ｎを、振動部４ａの全周に渡って設けてもよい。図６は、別実施形態の容量型センサＳの上面図である。この容量型センサＳについても、上記実施形態と同様に、振動部４ａと非振動部４ｂとの境界１２を挟んでスペーサ５と対向する位置の振動部４ａに肉抜部Ｎが設けられている。但し、別実施形態の容量型センサＳにおいて、肉抜部Ｎは、スペーサ５と対向する位置だけでなく、振動部４ａの全周に渡って設けられている。よって、本別実施形態では、肉抜部Ｎによって振動部４ａと非振動部４ｂとの連結が、振動部４ａの全周に渡って弱まるので、振動部４ａが振動するときに振動部４ａに生じる応力の緩和効果が向上する。尚、図６には、肉抜部Ｎが貫通孔９によって形成され、隣り合う２つの貫通孔９の間が梁部１３によって形成されている例を示しているが、上記第２実施形態と同様に、肉抜部Ｎが窪み１４によって形成され、隣り合う２つの窪み１４の間が梁部１３によって形成されていてもよい。

また、肉抜部Ｎを別の構造に改変してもよい。図７及び図８は、別実施形態の容量型センサＳの振動部４ａの一部分の上面図である。この容量型センサＳでも、図６に示したのと同様に、肉抜部Ｎが振動部４ａの全周に渡って設けられている。そして、振動部４ａと非振動部４ｂとを連結する梁部１６、１８がバネとして作用し、その梁部１６、１８の間に肉抜部Ｎとしての貫通孔１５、１７が設けられている。具体的には、梁部１６、１８は、直線形状で形成されているのではなく、振動部４ａと非振動部４ｂとの間において屈曲形状で形成されている。例えば、図７に示す梁部１６は振動部４ａから非振動部４ｂに向かう方向に対して横方向に屈曲した形状（即ち、左右に折り返された形状）であり、図８に示す梁部１８は振動部４ａから非振動部４ｂに向かう方向に沿って屈曲した（前後に折り返された形状）である。よって、屈曲部分が板バネとして作用して、振動板４の大きな振動を許容する。また、梁部１６、１８の周囲には一定幅の貫通孔１５、１７が設けられる。梁部１６、１８及び貫通孔１５、１７以外の部分は、振動部４ａからの突出部分及び非振動部４ｂからの突出部分で構成されており、貫通孔１５、１７の領域がなるべく小さくなるように構成されている。

＜２＞
上記実施形態では、容量型センサを構成する各部材（例えば、振動部、背極板、スペーサ、貫通孔、窪み、梁部、基材など）の形状は適宜変更可能である。また、肉抜部が、貫通孔又は窪みで構成される例について説明したが、それらを組み合わせて肉抜部を構成してもよい。

本発明に係る容量型センサは、振動部が音響によって振動することを利用した音響センサ（コンデンサ型マイクロホン）や、振動部が振動によって振動することを利用した振動センサなどに利用できる。

第１実施形態の容量型センサの上面図 第１実施形態の容量型センサの断面図 第１実施形態の容量型センサの振動板の上面図 第２実施形態の容量型センサの断面図 第２実施形態の容量型センサの振動板の上面図 別実施形態の容量型センサの振動板の上面図 別実施形態の容量型センサの振動板の部分上面図 別実施形態の容量型センサの振動板の部分上面図 従来の容量型センサの上面図

符号の説明

１ 基材
３ 酸化膜
４ａ 振動部
４ｂ 非振動部
５ スペーサ
６ 背極板
９ 貫通孔
１２ 境界
１４ 窪み
１５ 貫通孔
１６ 梁部
１７ 貫通孔
１８ 梁部
Ｎ 肉抜部
Ｓ 容量型センサ

Claims (3)

1. 一部分が振動部として機能し、他の部分が当該振動部を取り囲む非振動部として機能する基材と、前記振動部と対面する形態で、前記基材と所定の間隔をおいて配置される背極板と、前記振動部と前記非振動部との間の境界付近の前記非振動部側の複数箇所に配置されて、前記背極板と前記基材との間の所定の間隔を保持するスペーサとを備える容量型センサであって、
   前記振動部の、前記境界を挟んで前記スペーサと対向する位置に、貫通孔又は窪みを複数個、或いは、当該貫通孔及び当該窪みを組み合わせて前記境界に沿った方向に並べた肉抜部を設けてある容量型センサ。
2. 前記境界に沿った方向の前記肉抜部の長さは、前記境界に沿った方向の前記スペーサの長さ以上である請求項１記載の容量型センサ。
3. 前記肉抜部は、前記振動部の全周に渡って設けられている請求項１又は２記載の容量型センサ。

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