JP2019075738A

JP2019075738A - トランスデューサ

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Publication number: JP2019075738A
Application number: JP2017201800A
Authority: JP
Inventors: 匡志井上; Masashi Inoue
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2017-10-18
Filing date: 2017-10-18
Publication date: 2019-05-16
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Abstract

【課題】バックプレートの強度を維持しつつ、信号雑音比を向上させるトランスデューサを提供する。【解決手段】トランスデューサ１は、基板２と、基板２に対向配置されたバックプレート３と、バックプレート３に対向配置されたダイアフラム４と、を備える。バックプレート３は、本体部３１と、本体部３１を支持し、基板２に接続された支持部３２と、本体部３１を貫通する複数の貫通孔３３とを有する。本体部３１は、複数の貫通孔３３の一部を有する中央領域と、中央領域を連続的又は離散的に囲み、複数の貫通孔３３の他の一部を有する３以上の周辺領域とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、トランスデューサに関する。

近年、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて製造される静電容量型トランスデューサを利用したマイクロフォン（以下、ＭＥＭＳマイクロフォンともいう。）が採用されている。静電容量型トランスデューサにおいては、圧力を受けて振動する振動電極膜を、電極膜が固定されたバックプレートに空隙を介して対向配置し、バックプレートに複数の貫通孔が設けられている。複数の穿孔がある平坦な表面を有するカバー部材と、カバー部材に取り付けられた基板と、カバー部材と基板との間に置かれた振動板と、を備える音響変換器が提案されている（特許文献１参照）。

特許第４３３８３９５号公報

バックプレートに設けられた貫通孔の開口率が高い程、信号雑音比（ＳＮＲ：Signal to Noise Rate）が高くなる。しかし、バックプレートに設けられた貫通孔が増大すると、バックプレートの強度が下がる。このような状況に鑑み、本発明は、バックプレートの強度を維持しつつ、信号雑音比を向上することを目的とする。

本発明では、上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、本発明は、孔を有する基板と、基板の孔の開口に対向配置されたバックプレートと、バックプレートとの間に空隙を介してバックプレートに対向配置されたダイアフラムと、を備え、バックプレートは、本体部と、本体部を支持し、基板に接続された支持部と、本体部を貫通する複数の貫通孔とを有し、本体部は、複数の貫通孔の一部を有する中央領域と、中央領域を連続的又は離散的に囲み、複数の貫通孔の他の一部を有する３以上の周辺領域とを有し、３以上の周辺領域の各々が、中央領域を連続的又は離散的に囲み、中央領域及び３以上の周辺領域の各々における貫通孔の開口率が互いに異なり、中央領域及び３以上の周辺領域の各々における開口率が、中央領域内及び各周辺領域内で一定であり、中央領域における前記開口率が、３以上の周辺領域の各々における開口率よりも高く、本体部の外周側の周辺領域における開口率が、中央領域側の周辺領域における前記開口率よりも低い、トランスデューサである。

中央領域における貫通孔の開口率は、中央領域の面積に対する中央領域に含まれる複数の貫通孔の開口面積の合計の比率である。各周辺領域における貫通孔の開口率は、各周辺領域の面積に対する各周辺領域に含まれる複数の貫通孔の開口面積の合計の比率である。上記トランスデューサでは、バックプレートの中央領域における貫通孔の開口率が高く、バックプレートの本体部の外周側の周辺領域における貫通孔の開口率が、本体部の中央領域側の周辺領域における貫通孔の開口率よりも低い。すなわち、バックプレートの本体部の中央領域側から本体部の外周側に向かって、バックプレートの本体部の中央領域及び各周辺領域における貫通孔の開口率が徐々に減少している。これにより、バックプレートの強度を維持しつつ、中央領域及び各周辺領域における貫通孔の開口率を高くすることで、信号雑音比を向上することができる。

上記トランスデューサにおいて、バックプレートのダイアフラムとの対向面の法線方向から見て、本体部は対向する二辺を有する多角形状であり、本体部の外周から中央領域の外周までの距離が、対向する二辺の間の距離の２５％以下であってもよい。上記トランスデューサにおいて、バックプレートのダイアフラムとの対向面の法線方向から見て、本体部は円形状であり、本体部の外周から中央領域の外周までの距離が、円形状の直径の２５％以下であってもよい。これらにより、バックプレートの開口率を高く保ちつつ、バックプレートの強度を維持することができる。バックプレートの開口率は、バックプレートのダイアフラムとの対向面又は対向面の反対面の総面積に対する貫通孔の開口面積の合計の比率である。

上記トランスデューサにおいて、中央領域における貫通孔の開口率が５０％以上であってもよい。中央領域は、トランスデューサのノイズへの影響が大きいため、中央領域における貫通孔の開口率を５０％以上とすることで、トランスデューサの信号雑音比を向上することができる。

上記トランスデューサにおいて、貫通孔は、バックプレートのダイアフラムとの対向面から反対面に向かって広がるテーパー状の内面を有し、バックプレートのダイアフラムとの対向面に対する貫通孔の内面の角度が７０度以上９０度以下であってもよい。これにより、バックプレートの梁の断面係数が大きくなり、バックプレートの梁の曲げモーメントに対する強度を向上することができる。バックプレートの梁とは、バックプレートにおける隣接する２つの貫通孔の間の部分である。また、バックプレートに対して貫通孔を密集して配置することができるため、バックプレートの開口率の向上が容易である。

上記トランスデューサにおいて、支持部の一部がダイアフラムのバックプレートとの対向面に接触していてもよい。これにより、バックプレートが、基板によって支持されると共に、ダイアフラムによっても支持されることで、バックプレートの強度が向上する。上記トランストランスデューサにおいて、本体部と支持部とが一体であってもよい。本体部と支持部とが一体であることにより、バックプレートの強度が向上する。上記トランストランスデューサにおいて、本体部と支持部とが、別部材で形成されてもよい。これにより、バックプレートの製造が容易となる。上記トランスデューサにおいて、貫通孔の開口の形状が円形、楕円形、多角形及び角が丸い多角形からなる群より選択される１種以上の形状であってもよい。

上記トランスデューサにおいて、３以上の周辺領域のうちの少なくとも一つにおける貫通孔の開口の形状が円形及び楕円形からなる群より選択される１種以上の形状であってもよい。これにより、少なくとも一つの周辺領域に含まれる貫通孔の周囲におけるバックプレートの強度が向上する。

上記トランスデューサにおいて、中央領域と、３以上の周辺領域のうち本体部の外周に最も近い周辺領域以外の周辺領域とにおける貫通孔の開口の形状が略六角形であってもよい。中央領域に含まれる貫通孔の開口の形状を略六角形とすることにより、中央領域における貫通孔の開口率を高くすることができる。上記トランストランスデューサにおいて、中央領域に含まれる複数の貫通孔が規則的に配置されてもよい。

上記トランスデューサにおいて、３以上の周辺領域のうちの少なくとも一つにおける貫通孔の開口の形状が楕円形であり、楕円形の長手方向が中央領域を向いていてもよい。これにより、貫通孔の楕円形の短手方向において、貫通孔のピッチが大きくなる。その結果、３以上の周辺領域のうちの少なくとも一つにおける貫通孔の周囲におけるバックプレートの梁の断面係数が大きくなり、バックプレートの梁の曲げ応力に対する強度が向上する
。上記トランスデューサにおいて、基板の孔は、基板を非貫通であってもよい。

本発明によれば、バックプレートの強度を維持しつつ、信号雑音比を向上することができる。

図１は、静電容量型トランスデューサの模式図である。図２は、バックプレートの平面図である。図３は、静電容量型トランスデューサの模式図である。図４は、静電容量型トランスデューサの模式図である。図５Ａは、バックプレートの平面図である。図５Ｂは、バックプレートの模式図である。図５Ｃは、バックプレートの模式図である。図５Ｄは、バックプレートの平面図である。図５Ｅは、バックプレートの平面図である。図６Ａは、参考例に係るバックプレートの平面図である。図６Ｂは、参考例に係るバックプレートの平面図である。図７Ａは、参考例に係るバックプレートの模式図である。図７Ｂは、参考例に係るバックプレートの模式図である。図８Ａは、参考例に係るバックプレートの応力シミュレーションの結果を示す図である。図８Ｂは、参考例に係るバックプレートの応力シミュレーションの結果を示す図である。図９は、実施形態に係るバックプレート及び参考例に係るバックプレートの応力シミュレーション結果を示す図である。図１０Ａは、バックプレートの平面図である。図１０Ｂは、バックプレートの平面図である。図１０Ｃは、バックプレートの平面図である。図１１Ａは、バックプレートの平面図である。図１１Ｂは、バックプレートの断面図である。図１１Ｃは、バックプレートの断面図である。図１２は、静電容量型トランスデューサの模式図である。

以下、実施形態について図を参照しながら説明する。以下に示す実施形態は、本願の一態様であり、本願の技術的範囲を限定するものではない。

＜適用例＞
本発明は、静電容量型のＭＥＭＳデバイスに適用することが可能である。例えば、静電容量型のＭＥＭＳデバイスとして、圧力センサ、音響センサ、スピーカ、加速度センサ、マイクロミラー等が挙げられる。以下では、静電容量型トランスデューサの一例である音響センサについて説明する。

図１は、静電容量型トランスデューサ１の模式図である。静電容量型トランスデューサ１は、孔２１を有する基板２と、基板２の孔２１の開口に対向配置されたバックプレート３と、バックプレート３との間に空隙を介してバックプレート３に対向配置されたダイアフラム４とを備える。図２は、バックプレート３の平面図である。バックプレート３は、本体部３１と、本体部３１を支持し、基板２に支持された支持部３２と、本体部３１を貫通する複数の貫通孔３３とを有する。ダイアフラム４には、大気圧の変化に対して不惑と
するためのベンチレーション用の孔あるいはスリットがあってもよい。

本体部３１は、平面視において本体部３１の四隅が突出している突出部３１０を有する。支持部３２は、本体部３０及び突出部３１０を支持する。図２に示すバックプレート３の例では、平面視において本体部３１の四隅が突出しているが、平面視において本体部３１の四隅が突出していなくてもよい。本体部３１は、複数の貫通孔３３の一部を有する中央領域３４と、中央領域３４を囲み、複数の貫通孔３３の他の一部を有する３以上の周辺領域３５とを有する。３以上の周辺領域３５の各々が、中央領域３４を囲んでいる。中央領域３４及び３以上の周辺領域３５の各々における貫通孔３３の開口率が互いに異なっている。中央領域３４における貫通孔３３の開口率は、中央領域３４の面積に対する中央領域３４に含まれる複数の貫通孔３３の開口面積の合計の比率である。各周辺領域３５における貫通孔３３の開口率は、各周辺領域３５の面積に対する各周辺領域に含まれる複数の貫通孔３３の開口面積の合計の比率である。

中央領域３４における貫通孔３３の開口率が、中央領域３４内で一定である。３以上の周辺領域３５の各々における貫通孔３３の開口率が、各周辺領域３５内で一定である。中央領域３４における貫通孔３３の開口率が、３以上の周辺領域３５の各々における貫通孔３３の開口率よりも高い。本体部３１の外周側の周辺領域３５における貫通孔３３の開口率が、中央領域３４側の周辺領域３５における貫通孔３３の開口率よりも低い。したがって、３以上の周辺領域３５の各々における貫通孔３３の開口率が、中央領域３４側から本体部３１の外周側に向かって徐々に減少している。

＜実施例＞
図３は、静電容量型トランスデューサ１の模式図である。静電容量型トランスデューサ１は、ＭＥＭＳ技術を用いて製造された静電容量型素子である。静電容量型トランスデューサ１は、シリコン（Ｓｉ）基板２と、バックプレート３と、ダイアフラム４とを備える。シリコン基板２は、基板の一例である。シリコン基板２は、孔２１を有する。図３では、孔２１が、シリコン基板２を貫通しているが、図４に示すように、孔２１は、シリコン基板２を非貫通であってもよい。すなわち、孔２１は、シリコン基板２の表面に設けられた凹部であってもよい。シリコン基板２に孔２１を設けることで、シリコン基板２とダイアフラム４との間が一定距離以上になるため、シリコン基板２とダイアフラム４との間の抵抗を低減することができる。

バックプレート３は、固定板３６と、固定板３６に接した固定電極膜３７とを有する。バックプレート３は、シリコン基板２の孔２１の開口を覆うようにして、シリコン基板２上に設けられている。すなわち、バックプレート３は、シリコン基板２の孔２１の開口に対向配置されている。バックプレート３の外周部分がシリコン基板２に接続され、バックプレート３が、シリコン基板２からドーム状に隆起しており、バックプレート３の中央部分がシリコン基板２より高い位置に配置されている。

バックプレート３は、バックプレート３を貫通する複数の貫通孔３３を有する。ダイアフラム４は、バックプレート３との間におけるエアギャップ（空隙）を介して、バックプレート３に対向配置されている。バックプレート３の下面３８とダイアフラム４の上面４１とが対向しており、バックプレートの上面３９及びダイアフラム４の上面４１が同じ方向を向いている。ダイアフラム４は、シリコン基板２の孔２１の開口を覆うようにしてシリコン基板２上に配置されている。ダイアフラム４は、ダイアフラム４の下面４２に設けられた固定部４３によってシリコン基板２に固定されている。ダイアフラム４は、音圧に応じて上下に振動する。ダイアフラム４には、大気圧の変化に対して不惑とするためのベンチレーション用の孔あるいはスリットがあってもよい。

静電容量型トランスデューサ１は、音を受けてダイアフラム４が振動し、ダイアフラム４と固定電極膜３７との間の距離が変化する。ダイアフラム４と固定電極膜３７との間の距離が変化すると、ダイアフラム４と固定電極膜３７との間の静電容量が変化する。ダイアフラム４と電気的に接続された電極パッドと、固定電極膜３７と電気的に接続された電極パッドとの間に直流電圧を印加し、静電容量の変化を電気的な信号として取り出すことで、音圧を電気信号として検出する。

図５Ａは、バックプレート３の平面図である。図５Ｂ及び図５Ｃは、バックプレート３の模式図である。バックプレート３は、本体部３１と、本体部３１の外周を囲むようにして本体部３１に設けられた支持部３２とを有する。図５Ｂに示すように、本体部３１と支持部３２とが一体であってもよい。すなわち、本体部３１と支持部３２とが同一部材で形成されてもよい。図５Ｃに示すように、本体部３１と支持部３２とが別体であってもよい。すなわち、本体部３１と支持部３２とが別部材で形成されてもよい。本体部３１と支持部３２とが別体である場合、本体部３１と支持部３２とが接続されている。本体部３１と支持部３２とを接着材で接続してもよい。本体部３１に突起部を設け、支持部３２に溝を設けて、本体部３１の突起部を、支持部３２の溝に挿し込むことで、本体部３１と支持部３２とを接続してもよい。本体部３１に溝を設け、支持部３２に突起部を設けて、支持部３２の突起部を、本体部３１の溝に挿し込むことで、本体部３１と支持部３２とを接続してもよい。本体部３１が、支持部３２によって支持され、支持部３２がシリコン基板２に接続されている。本体部３１と支持部３２とを別部材で形成することで、バックプレート３の製造が容易となる。

貫通孔３３は、本体部３１を貫通している。本体部３１は、中央領域３４と、中央領域３４を囲む３以上の周辺領域３５とを有する。図５Ａのバックプレート３の例では、本体部３１は、中央領域３４と、中央領域３４を囲む３つの周辺領域３５（３５Ａ〜３５Ｃ）とを有する。周辺領域３５Ａ〜３５Ｃの各々が、中央領域３４を連続的に囲んでもよい。周辺領域３５Ａ〜３５Ｃは、枠状（周状）であってもよい。周辺領域３５Ａは、３つの周辺領域３５のうち中央領域３４に最も近い周辺領域３５であり、中央領域３４を連続的に囲んでいる。周辺領域３５Ｂは、中央領域３４及び周辺領域３５Ａを連続的に囲んでいる。周辺領域３５Ｃは、３つの周辺領域３５のうち本体部３１の外周に最も近い周辺領域３５であり、中央領域３４及び周辺領域３５Ａ、３５Ｂを連続的に囲んでいる。したがって、周辺領域３５Ａ〜３５Ｃが、中央領域３４側から本体部３１の外周側に向かって順番に並んでいる。図５Ａのバックプレート３の例に限定されず、本体部３１は、中央領域３４と、中央領域３４を囲む４以上の周辺領域３５とを有してもよい。

周辺領域３５Ａ〜３５Ｃの幅の大きさは、互いに同一であってもよいし、互いに異なってもよい。例えば、周辺領域３５Ａの幅の大きさと周辺領域３５Ｂの幅の大きさとが同一であり、周辺領域３５Ｃの幅が、周辺領域３５Ｂの幅よりも大きくてもよい。中央領域３４及び周辺領域３５Ａ〜３５Ｃの各領域は、複数の貫通孔３３を有する。中央領域３４及び周辺領域３５Ａ〜３５Ｃに含まれる複数の貫通孔３３は、規則的に配置されていてもよいし、不規則的（ランダム）に配置されていてもよい。例えば、中央領域３４に含まれる複数の貫通孔３３が規則的に配置され、周辺領域３５Ａ〜３５Ｃに含まれる複数の貫通孔３３が不規則的に配置されてもよい。ただし、バックプレート３を均一な仕上がりでかつ短時間で製造するには、中央領域３４及び周辺領域３５Ａ〜３５Ｃに含まれる複数の貫通孔３３が、規則的に配置されていることが好ましい。

中央領域３４及び周辺領域３５Ａ〜３５Ｃの各々における貫通孔３３の開口率が互いに異なっている。中央領域３４における貫通孔３３の開口率（以下、中央領域３４の開口率とも表記する。）は、中央領域３４の面積に対する中央領域３４に含まれる複数の貫通孔３３の開口面積の合計の比率である。周辺領域３５Ａにおける貫通孔３３の開口率（以下
、周辺領域３５Ａの開口率とも表記する。）は、周辺領域３５Ａの面積に対する周辺領域３５Ａに含まれる複数の貫通孔３３の開口面積の合計の比率である。周辺領域３５Ｂにおける貫通孔３３の開口率（以下、周辺領域３５Ｂの開口率とも表記する。）は、周辺領域３５Ｂの面積に対する周辺領域３５Ｂに含まれる複数の貫通孔３３の開口面積の合計の比率である。周辺領域３５Ｃにおける貫通孔３３の開口率（以下、周辺領域３５Ｃの開口率と表記する。）は、周辺領域３５Ｃの面積に対する周辺領域３５Ｃに含まれる複数の貫通孔３３の開口面積の合計の比率である。貫通孔３３の開口面積は、バックプレート３の下面３８を基準とする。静電容量型トランスデューサ１のノイズを計算するためには、バックプレート３の下面３８を基準とすることが好ましい。ただし、貫通孔３３の開口面積は、バックプレート３の上面３９を基準としてもよい。

中央領域３４の開口率は、中央領域３４内で一定である。周辺領域３５Ａの開口率は、周辺領域３５Ａ内で一定である。周辺領域３５Ｂにおける貫通孔３３の開口率は、周辺領域３５Ｂ内で一定である。周辺領域３５Ｃの開口率は、周辺領域３５Ｃ内で一定である。中央領域３４の開口率は、周辺領域３５Ａ〜３５Ｃの各開口率よりも高い。周辺領域３５Ｂの開口率は、周辺領域３５Ａの開口率よりも小さい。周辺領域３５Ｃの開口率は、周辺領域３５Ｂの開口率よりも小さい。このように、本体部３１の外周側の周辺領域３５における貫通孔３３の開口率が、中央領域３４側の周辺領域３５における貫通孔３３の開口率よりも低い。したがって、本体部３１の中央領域３４側から本体部３１の外周側に向かって、中央領域３４及び周辺領域３５Ａ〜３５Ｃの開口率が徐々に減少している。

中央領域３４及び周辺領域３５Ａ〜３５Ｃに含まれる各貫通孔３３の開口の大きさ（面積）が互いに異なり、中央領域３４及び周辺領域３５Ａ〜３５Ｃに含まれる各貫通孔３３のピッチが同一であってもよい。貫通孔３３のピッチは、隣接する２つの貫通孔３３の中心の間の距離である。中央領域３４及び周辺領域３５Ａ〜３５Ｃに含まれる各貫通孔３３の開口の大きさが同一であり、中央領域３４及び周辺領域３５Ａ〜３５Ｃに含まれる各貫通孔３３のピッチが互いに異なっていてもよい。図５Ｄは、バックプレート３の平面図である。図５Ｄのバックプレート３の例では、中央領域３４及び周辺領域３５Ａ〜３５Ｃに含まれる各貫通孔３３の開口の大きさが互いに異なり、中央領域３４及び周辺領域３５Ａ〜３５Ｃに含まれる各貫通孔３３のピッチが同一である。図５Ｄのバックプレート３の例では、本体部３１の中央領域３４側から本体部３１の外周側に向かって、中央領域３４及び周辺領域３５Ａ〜３５Ｃに含まれる各貫通孔３３の開口の大きさが徐々に小さくなっている。

貫通孔３３の開口の形状は、円形、楕円形及び四角形（略四角形を含む）、六角形（略六角形を含む）等の多角形であってもよい。また、貫通孔３３の開口の形状は、角が丸い多角形であってもよい。中央領域３４及び周辺領域３５Ａ〜３５Ｃに含まれる各貫通孔３３の開口の形状が同一であってもよい。中央領域３４及び周辺領域３５Ａ〜３５Ｃに含まれる各貫通孔３３の開口の形状が互いに異なっていてもよい。中央領域３４に含まれる貫通孔３３の開口の形状と、周辺領域３５Ａ〜３５Ｃのうちの少なくとも一つの領域に含まれる貫通孔３３の開口の形状とが同一であってもよい。

図５Ａのバックプレート３の例では、周辺領域３５Ａ〜３５Ｃに対して複数の貫通孔３３が２列で配置されている。図５Ａのバックプレート３の例に限定されず、周辺領域３５Ａ〜３５Ｃに対して複数の貫通孔３３が３列以上で配置されてもよい。また、図５Ｅに示すように、周辺領域３５Ａ〜３５Ｃに対して複数の貫通孔３３が１列で配置されてもよい。

図６Ａ及び図６Ｂは、参考例に係るバックプレート１００の平面図である。図６Ａは、圧空試験前のバックプレート１００を示しており、図６Ｂは、圧空試験後のバックプレー
ト１００を示している。圧空試験では、圧縮空気をバックプレート１００に印加することで、バックプレート１００の強度を測定した。図６Ａに示すように、バックプレート１００の中心から外周まで、均一の大きさの開口を有する複数の貫通孔１０１を均一の間隔で配置すると、最外周の貫通孔１０１の近傍に応力が集中しやすくなり、バックプレート１００の強度が低下する。図６Ｂに示すように、外部からバックプレート１００に大きな圧力が加わると、バックプレート１００の外周近傍の貫通孔１０１が破損する恐れがある。バックプレート１００の開口率が大きくなる場合、最外周の貫通孔１０１の近傍で更に応力が集中しやすくなり、バックプレート１００の強度が更に低下する。バックプレート１００の開口率は、バックプレート１００の上面の総面積に対する貫通孔１０１の開口面積の合計の比率である。

図７Ａ及び図７Ｂを参照して、バックプレート１００の破損個所について説明する。図７Ａ及び図７Ｂは、参考例に係るバックプレート１００の模式図であり、バックプレート１００がシリコン基板１１０上に設けられている。図７Ａに示すように、バックプレート１００の開口率が低い場合、外部からバックプレート１００に大きな圧力が加わると、バックプレート１００の外周部分が破壊される。曲げ応力σは、曲げモーメントＭ／断面係数Ｚにより求めることができる。バックプレート１００の加圧点から最も遠いバックプレート１００の外周部分において、曲げモーメントＭ（＝Ｌ×Ｐ）が最大となるため、バックプレート１００の外周部分に最大応力が発生する。図７Ｂに示すように、バックプレート１００の開口率が高い場合、外部からバックプレート１００に大きな圧力が加わると、最も外側に配置された貫通孔１０１の周囲の部分が破壊される。バックプレート１００の開口率が高い場合、バックプレート１００における貫通孔１０１の周囲の部分の幅が細くなることで、断面係数Ｚが小さくなり、最も外側に配置された貫通孔１０１の周囲の部分に最大応力が発生する。

図８Ａ及び図８Ｂは、参考例に係るバックプレート１００の応力シミュレーションの結果を示す図である。図８Ａは、バックプレート１００の開口率が４５％の場合の応力シミュレーションの結果を示している。図８Ｂは、バックプレート１００の開口率が６０％の場合の応力シミュレーションの結果を示している。応力シミュレーションでは、バックプレート１００の中央部分に上向きの圧力を印加して、バックプレート１００に発生する応力を計算した。図８Ａ及び図８Ｂの縦軸は、バックプレート１００に発生する応力を示し、図８Ａ及び図８Ｂの横軸は、バックプレート１００の中心からの距離を示す。図８Ａに示すように、バックプレート１００の開口率が４５％である場合、外部からバックプレート１００に大きな圧力が加わると、バックプレート１００の中心から外周に向かって応力が増加し、バックプレート１００の外周に最大応力が発生する。図８Ｂに示すように、バックプレート１００の開口率が６０％である場合、外部からバックプレート１００に大きな圧力が加わると、バックプレート１００の中心から外周に向かって応力が増加し、最も外側に配置された貫通孔１０１の周囲の部分に最大応力が発生する。

中央領域３４及び周辺領域３５Ａ〜３５Ｃの各開口率を高くすることにより、バックプレート３とダイアフラム４との間に存在する気体の流動抵抗（スクイーズフィルムダンピング抵抗）が抑制される。そのため、静電容量型トランスデューサ１の信号雑音比（ＳＮＲ：signal-noise ratio）が向上する。全ての貫通孔３３の開口を一定の大きさにして、全ての貫通孔３３の開口を大きくする場合、外部からバックプレート３に大きな圧力が加わると、本体部３１の外周近傍における貫通孔３３の周囲の部分が破損する。そこで、実施形態に係る静電容量型トランスデューサ１では、中央領域３４側から本体部３１の外周側に向かって、中央領域３４及び周辺領域３５Ａ〜３５Ｃの開口率が徐々に減少するように、バックプレート３に対して貫通孔３３を配置する。このような貫通孔３３の配置により、バックプレート３の機械強度を維持しつつ、中央領域３４及び周辺領域３５Ａ〜３５Ｃの開口率を高めて、静電容量型トランスデューサ１の信号雑音比を向上することができ
る。

図９は、実施形態に係るバックプレート３及び参考例に係るバックプレート１００の応力シミュレーション結果を示す図である。図９の実線Ａは、バックプレート３の応力シミュレーションの結果を示している。図９の点線Ｂは、バックプレート１００の開口率が低い場合のバックプレート１００の応力シミュレーションの結果を示している。図９の点線Ｃは、バックプレート１００の開口率が高い場合のバックプレート１００の応力シミュレーションの結果を示している。図９の縦軸は、バックプレート３に発生する応力又はバックプレート１００に発生する応力を示す。図９の横軸は、バックプレート３の中央部分からの距離又はバックプレート１００の中央部分からの距離を示す。図９の実線Ａにおけるバックプレート３の開口率と、図９の点線Ｃにおけるバックプレート１００の開口率とは同等である。バックプレート３の開口率は、バックプレート３の下面３８又は上面３９の総面積に対する貫通孔３３の開口面積の合計の比率である。

図９の実線Ａに示すように、距離Ｅに応力ピークが存在している。バックプレート３における距離Ｅは、バックプレート３の中心から外周までの距離に相当する。したがって、バックプレート３の外周に応力ピークが存在している（図９の（ａ））。図９の点線Ｂに示すように、距離Ｅに応力ピークが存在している。バックプレート１００における距離Ｅは、バックプレート１００の中心から外周までの距離に相当する。したがって、バックプレート１００の開口率が低い場合、バックプレート１００の外周に応力ピークが存在している（図９の（ａ））。図９の点線Ｃに示すように、距離Ｄに応力ピークが存在している。バックプレート１００における距離Ｄは、バックプレート１００の中心から最も外側に配置された貫通孔１０１までの距離に相当する。したがって、バックプレート１００の開口率が高い場合、バックプレート１００において最も外側に配置された貫通孔１０１の位置に応力ピークが存在している（図９の（ｂ））。バックプレート３において最も外側に配置された貫通孔３３の位置の応力が低減され（図９の（ｃ））、かつ、バックプレート３の外周に応力ピークが存在している（図９の（ａ））。図９から分かるように、バックプレート３の開口率を高くしたまま、バックプレート３の応力ピークを下げることができるため、バックプレート３の破壊強度を向上することができる。

図１０Ａに示すように、周辺領域３５Ａ〜３５Ｃが、中央領域３４を離散的に囲んでもよい。周辺領域３５Ａは、３つの周辺領域３５のうち中央領域３４に最も近い周辺領域３５であり、中央領域３４を離散的に囲んでいる。周辺領域３５Ｂは、中央領域３４及び周辺領域３５Ａを離散的に囲んでいる。周辺領域３５Ｃは、３つの周辺領域３５のうち本体部３１の外周に最も近い周辺領域３５であり、中央領域３４及び周辺領域３５Ａ、３５Ｂを離散的に囲んでいる。したがって、周辺領域３５Ａ〜３５Ｃが、中央領域３４側から本体部３１の外周側に向かって順番に並んでいる。図１０Ａのバックプレート３の例では、中央領域３４の四隅が、本体部３１の四隅に向かって伸びている。本体部３１の辺に応力が集中しやすく、本体部３１の四隅には応力が集中しにくい。そのため、中央領域３４の四隅が、本体部３１の四隅に向かって伸びていても、バックプレート３の開口率を高く保ちつつ、バックプレート３の応力ピークを下げることができ、バックプレート３の強度を維持することができる。

図５Ａのバックプレート３における中央領域３４及び周辺領域３５Ａ〜３５Ｃの配置例と、図１０Ａのバックプレート３における中央領域３４及び周辺領域３５Ａ〜３５Ｃの配置例とを組み合わせてもよい。例えば、周辺領域３５Ａが、中央領域３４を離散的に囲み、周辺領域３５Ｂが、中央領域３４及び周辺領域３５Ａを離散的に囲み、周辺領域３５Ｃが、中央領域３４及び周辺領域３５Ａ、３５Ｂを連続的に囲んでもよい。

図１０Ｂは、バックプレート３の平面図である。図１０Ｂに示すように、バックプレー
ト３の下面３８の法線方向から見て（平面視において）、本体部３１が、四角形状であってもよい。図１０Ｂのバックプレート３の一例では、平面視において本体部３１の４隅が突出していない。バックプレート３の下面３８は、バックプレート３のダイアフラム４との対向面である。図１０Ｂでは、支持部３２の図示を省略している。図１０Ｂのバックプレート３の一例では、本体部３１の外周５０から中央領域３４の外周５１までの距離Ｄ１が、本体部３１の対向する二辺の間の距離Ｄ２の２５％以下である。図１０Ｂのバックプレート３の一例では、本体部３１が、対向する二辺を有する四角形状であるが、本体部３１が、対向する二辺を有する多角形状であってもよい。本体部３１の外周５０から中央領域３４の外周５１までの距離Ｄ１が、本体部３１の対向する二辺の間の距離Ｄ２の２０％以下であることが好ましい。本体部３１の外周５０から中央領域３４の外周５１までの距離が、本体部３１の対向する二辺の間の距離Ｄ２の１５％以下であることが更に好ましい。本体部３１の外周５０から中央領域３４の外周５１までの距離Ｄ１が、本体部３１の対向する二辺の間の距離Ｄ２の２５％以下であることにより、バックプレート３の開口率を高く保ちつつ、バックプレート３の応力ピークを下げることができ、バックプレート３の強度を維持することができる。また、本体部３１が突出部３１０を有する場合について、図１０Ｂのバックプレート３の一例と同様である。例えば、平面視において突出部３１０を除いた本体部３１が四角形状であり、本体部３１の外周５０から中央領域３４の外周５１までの距離Ｄ１が、本体部３１の対向する二辺の間の距離Ｄ２の２５％以下、２０％以下又は１５％以下であってもよい。

図１０Ｃは、バックプレート３の平面図である。図１０Ｃに示すように、平面視において本体部３１が、円形状であってもよい。図１０Ｃのバックプレート３の一例では、平面視において本体部３１の４隅が突出していない。図１０Ｃでは、支持部３２の図示を省略している。中央領域３４及び周辺領域３５Ａ〜３５Ｃは、中央領域３４及び周辺領域３５Ａ〜３５Ｃの直径が互いに異なる同心円であってもよい。図１０Ｃのバックプレート３の一例では、本体部３１の外周５０から中央領域３４の外周５１までの距離Ｄ１が、円形状の直径Ｄ２の２５％以下である。本体部３１の外周５０から中央領域３４の外周５１までの距離Ｄ１が、円形状の直径Ｄ２の２０％以下であることが好ましい。本体部３１の外周５０から中央領域３４の外周５１までの距離が、円形状の直径Ｄ２の１５％以下であることが更に好ましい。本体部３１の外周５０から中央領域３４の外周５１までの距離Ｄ１が、円形状の直径Ｄ２の２５％以下であることにより、バックプレート３の開口率を高く保ちつつ、バックプレート３の応力ピークを下げることができ、バックプレート３の強度を維持することができる。また、本体部３１が突出部３１０を有する場合について、図１０Ｃのバックプレート３の一例と同様である。例えば、平面視において突出部３１０を除いた本体部３１が円形状であり、本体部３１の外周５０から中央領域３４の外周５１までの距離Ｄ１が、円形状の直径Ｄ２の２５％以下、２０％以下又は１５％以下であってもよい。

中央領域３４の開口率が５０％以上であってもよい。中央領域３４は、静電容量型トランスデューサ１のノイズへの影響が大きい。中央領域３４の開口率を５０％以上とすることで、静電容量型トランスデューサ１の信号雑音比を向上することができる。

図１１Ａは、バックプレート３の平面図であり、図１１Ａには、バックプレート３の一部分が示されている。図１１Ｂ及び図１１Ｃは、バックプレート３の断面図であり、図１１Ａの点線Ａ１−Ａ２に沿った断面が示されている。貫通孔３３は、バックプレート３の下面３８からバックプレート３の上面３９に向かって広がるテーパー状の内面を有する。バックプレート３の下面３８は、バックプレート３のダイアフラム４との対向面であり、バックプレート３の上面３９は、バックプレート３の下面３８の反対面である。図１１Ｂのバックプレート３の一例では、バックプレート３の下面３８に対する貫通孔３３の内面６１の角度が７０度である。図１１Ｃのバックプレート３の一例では、バックプレート３
の下面３８に対する貫通孔３３の内面６１の角度が９０度である。バックプレート３の下面３８に対する貫通孔３３の内面６１の角度が７０度以上９０度以下であってもよい。

バックプレート３の下面３８に対する貫通孔３３の内面６１の角度を７０度以上９０度以下にすることで、バックプレート３の梁６２の断面係数が大きくなり、バックプレート３の梁６２の曲げ応力に対する強度を向上することができる。バックプレート３の梁６２は、バックプレート３における隣接する貫通孔３３と貫通孔３３との間の部分である。バックプレート３の下面３８に対する貫通孔３３の内面６１の角度を７０度以上９０度以下にすることで、バックプレート３に対して貫通孔３３を密集して配置することができ、バックプレート３の開口率の向上が容易である。バックプレート３の下面３８に対する貫通孔３３の内面６１の角度が７０度未満の場合、バックプレートに対して貫通孔３３を密集して配置すると、バックプレート３の梁６２の上辺が消失するリスクがある。バックプレート３の下面３８に対する貫通孔３３の内面６１の角度を７０度以上９０度以下にすることで、バックプレートに対して貫通孔３３を密集して配置しても、バックプレート３の梁６２の上辺が消失するリスクが回避される。その結果、バックプレート３の生産安定性が向上する。

図１２は、静電容量型トランスデューサ１の模式図である。支持部３２の一部が、ダイアフラム４の上面４１に接触するようにして折れ曲がっており、支持部３２の折れ曲がった部分の内側にダイアフラム４が配置されている。例えば、支持部３２が、ダイアフラム４と平行に折れ曲がった折れ曲がり部分を有し、支持部３２の折れ曲がった部分がダイアフラム４の上面４１に接触している。また、支持部３２が突出部を有し、支持部３２の突出部がダイアフラム４の上面４１に接触してもよい。ダイアフラム４が、シリコン基板２及び支持部３２で挟まれた状態で、固定部４３によってシリコン基板２に固定されている。支持部３２の一部がダイアフラム４の上面４１に接触しているため、バックプレート３が、シリコン基板２によって支持されると共に、ダイアフラム４によっても支持されている。これにより、バックプレート３の強度が向上する。

貫通孔３３の開口の形状が円形又は楕円形である場合、貫通孔３３の開口の形状が多角形である場合と比較して、貫通孔３３の周囲の部分の強度が高い。中央領域３４及び周辺領域３５Ａ〜３５Ｃに含まれる貫通孔３３の開口の形状が円形及び楕円形からなる群より選択される１種以上の形状である場合、中央領域３４及び周辺領域３５Ａ〜３５Ｃに含まれる貫通孔３３の周囲におけるバックプレート３の強度が向上する。図９に示したように、バックプレート３の外周に応力ピークが存在しているため、バックプレート３の外周近傍における貫通孔３３の周囲の部分の強度を向上することが好ましい。例えば、周辺領域３５Ｃに含まれる貫通孔３３の開口の形状が円形及び楕円形からなる群より選択される１種以上の形状である場合、周辺領域３５Ｃに含まれる貫通孔３３の周囲の部分の強度が向上する。

周辺領域３５Ａ〜３５Ｃに含まれる貫通孔３３の開口の形状が楕円形である場合、貫通孔３３楕円形の長手方向が、中央領域３４を向いていてもよい。周辺領域３５Ａ〜３５Ｃに含まれる複数の貫通孔３３について、貫通孔３３の楕円形の長手方向が中央領域３４を向くことで、貫通孔３３の楕円形の短手方向において、隣接する２つの貫通孔３３の間の距離が大きくなる。その結果、周辺領域３５Ａ〜３５Ｃに含まれる複数の貫通孔３３の周囲におけるバックプレート３の梁６２の断面係数が大きくなり、バックプレート３の梁６２の曲げ応力に対する強度が向上する。楕円形の短手方向は、楕円形の長手方向と直交する方向である。

中央領域３４に含まれる貫通孔３３の開口の形状を六角形（略六角形を含む）とすることにより、中央領域３４の開口率を高くすることができる。周辺領域３５Ａ〜３５Ｃの形
状が、直線的な形状及び曲線的な形状を含む場合であっても、周辺領域３５Ａ〜３５Ｃの各領域に含まれる貫通孔３３の開口の形状を六角形（略六角形を含む）とすることにより、周辺領域３５Ａ〜３５Ｃの各開口率を高くすることができる。

１静電容量型トランスデューサ
２シリコン基板
３バックプレート
４ダイアフラム
２１孔
３１本体部
３２支持部
３３貫通孔
３４中央領域
３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃ周辺領域

Claims

孔を有する基板と、
前記基板の前記孔の開口に対向配置されたバックプレートと、
前記バックプレートとの間に空隙を介して前記バックプレートに対向配置されたダイアフラムと、
を備え、
前記バックプレートは、本体部と、前記本体部を支持し、前記基板に接続された支持部と、前記本体部を貫通する複数の貫通孔とを有し、
前記本体部は、前記複数の貫通孔の一部を有する中央領域と、前記中央領域を連続的又は離散的に囲み、前記複数の貫通孔の他の一部を有する３以上の周辺領域とを有し、
前記３以上の周辺領域の各々が、前記中央領域を連続的又は離散的に囲み、
前記中央領域及び前記３以上の周辺領域の各々における前記貫通孔の開口率が互いに異なり、
前記中央領域及び前記３以上の周辺領域の各々における前記開口率が、前記中央領域内及び前記各周辺領域内で一定であり、
前記中央領域における前記開口率が、前記３以上の周辺領域の各々における前記開口率よりも高く、
前記本体部の外周側の前記周辺領域における前記開口率が、前記中央領域側の前記周辺領域における前記開口率よりも低い、
トランスデューサ。
前記バックプレートの前記ダイアフラムとの対向面の法線方向から見て、前記本体部は対向する二辺を有する多角形状であり、
前記本体部の外周から前記中央領域の外周までの距離が、前記対向する二辺の間の距離の２５％以下である、
請求項１に記載のトランスデューサ。
前記バックプレートの前記ダイアフラムとの対向面の法線方向から見て、前記本体部は円形状であり、
前記本体部の外周から前記中央領域の外周までの距離が、前記円形状の直径の２５％以下である、
請求項１に記載のトランスデューサ。
前記中央領域における前記開口率が５０％以上である、
請求項１から３の何れか一項に記載のトランスデューサ。
前記貫通孔は、前記バックプレートの前記ダイアフラムとの対向面から反対面に向かって広がるテーパー状の内面を有し、
前記バックプレートの前記ダイアフラムとの対向面に対する前記貫通孔の前記内面の角度が７０度以上９０度以下である、
請求項１から４の何れか一項に記載のトランスデューサ。
前記支持部の一部が前記ダイアフラムの前記バックプレートとの対向面に接触している、
請求項１から５の何れか一項に記載のトランスデューサ。
前記本体部と前記支持部とが、一体である、
請求項１から６の何れか一項に記載のトランスデューサ。
前記本体部と前記支持部とが、別部材で形成されている、
請求項１から６の何れか一項に記載のトランスデューサ。
前記貫通孔の開口の形状が円形、楕円形、多角形及び角が丸い多角形からなる群より選択される１種以上の形状である、
請求項１から８の何れか一項に記載のトランスデューサ。
前記３以上の周辺領域のうちの少なくとも一つにおける前記貫通孔の開口の形状が円形及び楕円形からなる群より選択される１種以上の形状である、
請求項１から９の何れか一項に記載のトランスデューサ。
前記中央領域と、前記３以上の周辺領域のうち前記本体部の外周に最も近い前記周辺領域以外の前記周辺領域とにおける前記貫通孔の開口の形状が略六角形である、
請求項１から１０の何れか一項に記載のトランスデューサ。
前記中央領域における複数の前記貫通孔が規則的に配置されている、
請求項１から１１の何れか一項に記載のトランスデューサ。
前記３以上の周辺領域のうちの少なくとも一つにおける前記貫通孔の開口の形状が楕円形であり、
前記楕円形の長手方向が前記中央領域を向いている、
請求項１から１２の何れか一項に記載のトランスデューサ。
前記基板の前記孔は、前記基板を非貫通である、
請求項１から１３の何れか一項に記載のトランスデューサ。