JP6264969B2 - 音響トランスデューサ - Google Patents

Description

本発明は、音響トランスデューサに関する。

周知のように、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を利用して、小型のコンデンサ型の音響トランスデューサを製造すること（例えば、特許文献１〜３参照）が行われている。

以下、図１５を用いて、既存の一般的な音響トランスデューサの構成を説明する。

図示してあるように、音響トランスデューサは、可動電極としてのダイヤフラム６０と、絶縁性材料からなるプレート部７１に固定電極７２を設けたバックプレート７０とを、空隙を介して対向させた構成を有している。

バックプレート７０には、音響振動を通過させるための複数の音孔７５が設けられている。また、バックプレート７０には、プレート部７１から固定電極７２を貫通する形で突出した、プレート部７１と同じ材料からなる複数のストッパ７４が設けられている。

ストッパ７４は、音響トランスデューサの製造時や使用時に、ダイヤフラム６０がバックプレート７０（固定電極７２）に固着しないようにするために設けられているものである。

より具体的には、音響トランスデューサを製造するために行われる、犠牲層エッチング後の洗浄工程では、ダイヤフラム６０と固定電極７２との間の空隙に水分が浸入する。また、音響トランスデューサの使用中にも、ダイヤフラム６０と固定電極７２との間の空隙に、湿気や水濡れによる水分が浸入することがある。そして、音響トランスデューサのダイヤフラム６０と固定電極７２との間の間隔は、数μｍ程度であり、ダイヤフラム６０は、薄い（通常１μｍ程度）ため、弾性力（復元力）が弱い。そのため、空隙に水分が浸入すると、浸入した水分の毛細管力や表面張力等によりダイヤフラム６０が固定電極７２に吸着され、水分の蒸発後にも、ダイヤフラム６０と固定電極７２の間に働く分子間力や表面間力、静電気力などにより、ダイヤフラム６０が固定電極７２から離れない場合がある。

また、音響トランスデューサの駆動時には固定電極７２とダイヤフラム６０との間に電圧が印加される。固定電極７２・ダイヤフラム６０間に電圧が印加されている状態で、外部からの衝撃、風などによる外力や大音圧がダイヤフラム６０に加わることによりダイヤフラム６０が大きく変位して固定電極７２と接触すると、ショートが発生して音響トランスデューサが破損してしまう場合がある。

ストッパ７４を設けておけば、水分の蒸発後にもダイヤフラム６０が固定電極７２から離れないという現象（ダイヤフラム６０がバックプレート７０に固着するという現象）が発生しないようにすること、及び、ダイヤフラム６０・バックプレート７０（固定電極７２）がショートしないようにすることが出来る。そのため、ストッパ７４が設けられているのである。

尚、図１５に示した音響トランスデューサは、基板６５、ダイヤフラム６０、バックプレート７０がこの順に並び、ストッパ７４がバックプレート７０側に設けられているもの
であるが、基板６５、バックプレート７０、ダイヤフラム６０がこの順に並んだ音響トランスデューサや、ストッパ７４がダイヤフラム６０側に設けられている音響トランスデューサも知られている。

特開２０１１−２３９３２４号公報 米国特許出願公開第２０１２／０３１９２１７号明細書 特開２００８−３０１４３０号公報

上記したように、ストッパ７４を設けておけば、音響トランスデューサの製造時や通常の使用時に、ダイヤフラム６０がバックプレート７０に固着しないようにすることや、ダイヤフラム６０・バックプレート７０（固定電極７２）がショートしないようにすることが出来る。ただし、既存の音響トランスデューサは、使用状況によっては、ダイヤフラム６０がバックプレート７０に固着する場合があるものとなっている。

具体的には、既に説明したように、音響トランスデューサは、ダイヤフラム６０とバックプレート７０（固定電極７２）との間に電圧を印加して使用するものである。そのため、何らかの衝撃がダイヤフラム６０に加わることによりダイヤフラム６０・バックプレート７０間の距離が小さくなり、その結果として、ダイヤフラム６０・バックプレート７０間の静電引力がダイヤフラム６０の弾性力（復元力）を上回ると、静電引力によりダイヤフラム６０がバックプレート７０に張り付いている状態（以下、プルイン状態と表記する）が形成される。

このプルイン状態は、通常は、ダイヤフラム６０・バックプレート７０間への電圧の印加を中止すれば解消されるものである。ただし、既存の音響トランスデューサは、プルイン状態となったままでダイヤフラム６０とバックプレート７０との間に、長時間（通常、数日以上）に亘り電圧を印加し続けると、電圧の印加を中止してもプルイン状態が解消されない場合があるものとなっている。

電圧印加を中止してもプルイン状態が解消されないという上記現象（以下、プルイン状態持続現象と表記する）が発生し得るのは、プルイン状態となったままでダイヤフラム６０と固定電極７２との間に長時間に亘り電圧を印加し続けた場合である。すなわち、プルイン状態持続現象は、音響トランスデューサに稀な負荷が重なった場合にしか発生しないのであるが、プルイン状態持続現象が発生し得ると言うことは好ましいことではない。

そこで、本発明の課題は、プルイン状態持続現象の発生を抑止できる音響トランスデューサを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の音響トランスデューサは、固定電極を有するバックプレートと、前記バックプレートと空隙を介して対向する、可動電極としてのダイヤフラムと、前記バックプレートまたは前記ダイヤフラムの前記空隙側の面から突出したストッパ部とを備え、前記ストッパ部は、前記固定電極および前記可動電極から電気的に孤立した、前記ダイヤフラムの変形により前記ストッパ部に対向する前記固定電極または前記可動電極の表面と接触し得る導電性部を含む構成を有する。

すなわち、既存の音響トランスデューサでプルイン状態持続現象が発生する理由は以下
のものであると考えられる。

プルイン状態となっている既存の音響トランスデューサのダイヤフラム（可動電極）とバックプレート（固定電極）との間に長時間に亘り電圧を印加し続けると、絶縁体であるストッパに電荷がチャージされていく。電圧印加を中止すれば、ストッパへの電荷のチャージも中止されるが、一旦、ストッパにチャージされた電荷は、ストッパが絶縁体であるが故に、ストッパ内を移動しにくいし、ストッパ外へも移動しにくい。そのため、長時間に亘る電圧印加により、ダイヤフラムの弾性力（復元力）を上回る静電引力が発生する量の電荷がストッパ内にチャージされた場合、電圧印加を中止してもプルイン状態が解消されないというプルイン状態持続現象が生ずる。

プルイン状態持続現象は上記のような理由（原理）で発生すると考えられるのであるが、本発明の音響トランスデューサは、『前記バックプレートまたは前記ダイヤフラムの前記空隙側の面から突出したストッパ部』であって、『前記固定電極および前記可動電極から電気的に孤立した、前記ダイヤフラムの変形により前記ストッパ部に対向する前記固定電極または前記可動電極の表面と接触し得る導電性部を含む』ストッパ部を、備えている。

すなわち、本発明の音響トランスデューサのストッパ部は、ダイヤフラム・バックプレート間への電圧印加によりチャージされた電荷が、導電性部に移動する（導電性部にチャージされる）構成を有している。そして、導電性部は、『前記ダイヤフラムの変形により前記ストッパ部に対向する前記固定電極または前記可動電極の表面と接触し得る』もの（つまり、音響トランスデューサがプルイン状態となったときに、導電性を有する固定電極または可動電極の表面と接触するもの）となっており、導電性を有する部材間の電荷の移動速度は極めて速い。従って、上記構成を有する本発明の音響トランスデューサは、プルイン状態持続現象の発生を抑止できるものとなっていると言うことが出来る。

本発明の音響トランスデューサを、空洞部が形成されているシリコン基板、バックプレート、ダイヤフラムがこの順に並んだデバイスとして実現（製造）しても良く、空洞部が形成されているシリコン基板、ダイヤフラム、バックプレートがこの順に並んだデバイスとして実現しても良い。

また、本発明の音響トランスデューサの“固定電極を有するバックプレート”は、固定電極として機能する導電性部材であっても、固定電極が絶縁性の板状部材の裏面（ダイヤフラム側ではない面）又は表面に設けられたものであっても良い。本発明の音響トランスデューサの“可動電極としてのダイヤフラム”も、可動電極として機能する導電性部材であっても、可動電極が絶縁性の板状部材の裏面（バックプレート側ではない面）又は表面に設けられたものであっても良い。

また、本発明の音響トランスデューサを、『前記導電性部は、前記ストッパ部の少なくとも一部を覆う導電性膜を含む』ものとして実現することも、『前記ストッパ部が、前記バックプレートの前記空隙側の面から突出した、前記導電性部以外の部分も導電性を有する部材である』ものとして実現することも出来る。

また、本発明の音響トランスデューサを、『前記ストッパ部が突出した前記バックプレートまたは前記ダイヤフラムは、電気絶縁性を有する板状部と、前記板状部の前記空隙側の面に設けられた、前記固定電極又は前記可動電極としての、開口部を有する電極膜とを含み、前記ストッパ部が、前記電極膜に覆われていない部分がある形で前記板状部から突出しており、前記ストッパ部の前記導電性膜が、前記電極膜の前記開口部内に設けられている』ものとして実現しても良い。換言すれば、本発明の音響トランスデューサを、『バ
ックプレートからストッパ部が突出した音響トランスデューサであって、バックプレートが、電気絶縁性を有する板状部と、板状部の空隙側の面に設けられた、開口部を有する固定電極とを含み、ストッパ部が、固定電極に覆われていない部分がある形で板状部から突出しており、ストッパ部の導電性膜が、固定電極の開口部内に設けられている音響トランスデューサ』や『ダイヤフラムからストッパ部が突出した音響トランスデューサであって、ダイヤフラムが、電気絶縁性を有する板状部と、板状部の空隙側の面に設けられた、開口部を有する可動電極とを含み、ストッパ部が、可動電極に覆われていない部分がある形で板状部から突出しており、ストッパ部の導電性膜が、可動電極の開口部内に設けられている音響トランスデューサ』として実現しても良い。

また、導電性膜や固定電極又は可動電極としての電極膜が鋭角な角部を有していると、膜形成後の製造プロセス中でかかる応力に対する耐性や製造完了後の落下耐性（以下、落下耐性等と表記する）が低下する。そのため、音響トランスデューサの各導電性膜は、その平面視形状が、外縁部に鋭角な角部を持たない形状となるように形成しておくことが好ましい。また、音響トランスデューサの電極膜は、その平面視形状が、各縁部に鋭角な角部を持たない形状となるように形成しておくことが好ましい。

また、本発明の音響トランスデューサを、『前記ストッパ部が、前記バックプレートから突出しており、前記導電性膜が、前記ストッパ部に隣接する、前記バックプレートに設けられている複数の音孔の中心を頂点とした多角形内に収まる形状を有する』ものとして実現しても良い。尚、そのようなものとして本発明の音響トランスデューサを実現しておけば、導電性膜と接触しないように形成される電極膜（固定電極）の面積が過度に小さくならないようにすることが出来る。従って、既存の音響トランスデューサと感度が変わらない、又は、導電性膜を設けたことによる感度の低下量が比較的に少ない音響トランスデューサが得られることになる。

本発明の音響トランスデューサを実現する際における電極膜（固定電極又は可動電極）と導電性膜との間の絶縁の仕方（電極膜と導電性膜との間の分離法）は特に限定されない。例えば、ストッパ部がバックプレートから突出しているタイプの音響トランスデューサを、『前記導電性膜及び前記電極膜（固定電極）が、前記導電性膜と前記電極膜との間を絶縁する絶縁部に前記音孔が含まれない形状を有する』ように実現（製造）しておいても良く、『前記導電性膜と前記電極膜（固定電極）との間が、前記バックプレートに設けられている複数の音孔を通る絶縁部によって絶縁されている』ように実現しておいても良い。

本発明の音響トランスデューサを実現する際、電極膜（固定電極又は可動電極）の形成プロセスとは別プロセスで複数の導電性膜を形成することも出来る。ただし、電極膜と導電性膜とを、同じ面に設ける場合には、既存の音響トランスデューサと本質的には同じ製造プロセスで製造できるようにするために、『前記電極膜及び前記複数の導電性膜が、同プロセス（１つのプロセス又は一連のプロセス）により形成された導電性部材が分離されることにより形成されている』ようにしておくことが好ましい。換言すれば、固定電極と複数の導電性膜とを板状部のダイヤフラムと対向する側の面に設けた音響トランスデューサの製造時には、既存の音響トランスデューサと本質的には同じ製造プロセスで製造できるようにするために、導電性部材を形成し、形成した導電性部材を分離する（パターニングする）ことにより固定電極と複数の導電性膜とを形成するといった製造手順を採用しておくことが好ましい。

導電性膜は、ストッパ部の少なくとも一部を覆うものであれば良いが、導電性膜とダイヤフラム（又はバックプレート）の接触面積が大きい方が、落下衝撃などの負荷で、ダイヤフラムがストッパに衝突した際（又は、ストッパがバックプレートに衝突した際）のダ
イヤフラムの応力集中による破損を防ぐことができる。また、ストッパ部内に貯まった電荷がダイヤフラム（又はバックプレート）に移動しやすくなる。そのため、各導電性膜を、ストッパ部の頂部を覆う形状を有するものとしておくことが好ましい。

また、本発明の音響トランスデューサを実現する際には、前記導電性膜と前記電極膜との間の最小間隔が、前記板状部の材料の絶縁耐圧を前記ダイヤフラムの振動量の検知時に前記固定電極と前記ダイヤフラムとの間に印加する電圧で割ることにより得られる値よりも大きな間隔となるようにしておくことが出来る。

また、本発明の音響トランスデューサを、『前記ストッパ部が突出した前記バックプレートまたは前記ダイヤフラムの前記空隙側の面から突出した、電気絶縁性を有する第２ストッパ部を、さらに備える』ものや、『前記第２ストッパ部が、前記板状部材の前記電極膜が設けられている領域よりも外側の領域に設けられている』ものとして実現しておいても良い。

さらに、本発明の音響トランスデューサを、『前記ストッパ部が突出した前記バックプレートまたは前記ダイヤフラムは、開口部を有する電極膜を含み、前記ストッパ部が、前記電極膜の開口部から突出している』ものや、『前記ストッパ部が突出した前記バックプレートまたは前記ダイヤフラムは、電気絶縁性の板状部と、前記板状部の前記空隙側とは異なる側の面に設けられた電極膜とを含む』ものや、『前記ストッパ部が突出した前記バックプレートまたは前記ダイヤフラムが、導電性材料製の部材である』ものとして実現することも出来る。

本発明によれば、プルイン状態持続現象の発生を抑止できる音響トランスデューサを提供することが出来る。

図１は、本発明の一実施形態に係る音響トランスデューサの概略断面図である。 図２は、実施形態に係る音響トランスデューサの上面図である。 図３は、シリコン基板の空洞部の形状例の説明図である。 図４は、実施形態に係る音響トランスデューサの製造手順の説明図である。 図５は、各種構成を有するバックプレートの、ダイヤフラム側から見た構成の説明図である。 図６は、導電性膜及び境界部の形状例の説明図である。 図７は、境界部の形状例の説明図である。 図８は、境界部の形状例の説明図である。 図９は、既存の音響トランスデューサでプルイン状態持続現象の発生原因の説明図である。 図１０は、実施形態に係る音響トランスデューサでプルイン状態持続現象が発生しない理由の説明図である。 図１１は、実施形態の音響トランスデューサの変形形態の説明図である。 図１２は、実施形態の音響トランスデューサの変形形態の説明図である。 図１３は、実施形態の音響トランスデューサの変形形態の説明図である。 図１４は、実施形態の音響トランスデューサの変形形態の説明図である。 図１５は、既存の音響トランスデューサの構成図である。

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。ただし、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の変更／変形が行えるものである。

まず、図１〜図３を用いて、本発明の一実施形態に係る音響トランスデューサ１０の基本的な構成を説明する。尚、以下で説明する音響トランスデューサ１０は、ストッパ２４ａと導電膜２５とからなる部分が、本発明のストッパ部に対応し、導電膜２５が本発明の導電性部に対応するものである。また、音響トランスデューサ１０は、電極支持部２２が、本発明の板状部に対応し、ストッパ２４ｂが本発明の第２ストッパ部に対応するものともなっている。また、図１、図２は、それぞれ、音響トランスデューサ１０の概略断面図、上面図である。ただし、図２の上面図は、実際には見えない線も実線で示したものとなっている。図３は、シリコン基板１１の空洞部１１ａの形状例の説明図である。

本実施形態に係る音響トランスデューサ１０は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical
Systems）技術を利用して製造されるコンデンサ型の音響トランスデューサである。図１に示してあるように、音響トランスデューサ１０は、空洞部１１ａが形成されているシリコン基板１１と、ダイヤフラム１３と、バックプレート２０とを備える。また、図２に示してあるように、音響トランスデューサ１０の上面（バックプレート２０側の面）には、音響トランスデューサ１０の使用時に、それらの間に電圧が印加される固定電極用パッド３５及び可動電極用パッド３６が設けられている。そして、固定電極用パッド３５は、引出し配線３７を介してバックプレート２０の固定電極２３（詳細は後述）と接続されており、可動電極用パッド３６は、引出し配線３８を介して図２には非図示のダイヤフラム１３（図１参照）と接続されている。

シリコン基板１１（図１）に形成されている空洞部１１ａは、バックチャンバーとして機能する部分である。図１に示してある空洞部１１ａは、側面がシリコン基板１１の厚さ方向に平行なものであるが、空洞部１１ａの形状は、他の形状、例えば、側面が傾斜面となっている形状であっても良い。また、図３に模式的に示してあるように、シリコン基板１１に、「ヘ」の字状に折曲した壁面を有する空洞部１１ａを設けておいても良い。

ダイヤフラム１３（図１）は、可動電極（振動電極）として機能する、導電性を有する薄膜（通常、ポリシリコン薄膜）である。ダイヤフラム１３の外周部は、複数のアンカー１４を介してシリコン基板１１の上面に固定されている。尚、アンカー１４の構成材料としては、通常、ＳｉＯ_２が使用される。

バックプレート２０は、プレート部２１と固定電極２３とを主要構成要素とした部材である。

プレート部２１は、絶縁性材料（通常、Ｓｉ_３Ｎ_４）からなる、ドーム形状（キャップ形状）を有する部材である。プレート部２１の中央部分には、板状の電極支持部２２が設けられており、プレート部２１は、電極支持部２２とダイヤフラム１３とが、所定間隔（通常、数μｍ程度）の空隙を介して対向する形状を有している。

固定電極２３は、電極支持部２２の下面（ダイヤフラム１３側の面）側に位置する、導電性材料（通常、ポリシリコン）からなる連続膜である。図１及び図２に示してあるように、この固定電極２３のサイズは、電極支持部２２のサイズよりも小さくなっている。従って、電極支持部２２の下面には、固定電極２３で覆われていない部分（領域）が存在している。

また、図１及び図２に示してあるように、バックプレート２０には、音響振動を通過させるための複数の音孔３０が形成されている。より具体的には、バックプレート２０の電
極支持部２２の、固定電極２３で覆われていない部分には、音響振動を通過させるための、電極支持部２２のみを貫通する音孔３０が形成されている。また、バックプレート２０の電極支持部２２の、固定電極２３で覆われている部分には、音響振動を通過させるための、電極支持部２２及び固定電極２３を貫通する音孔３０が形成されている。尚、図２には、互いに１２０°の角度を成す３方向に沿って音孔３０が三角形状に配置されたバックプレート２０（電極支持部２２）を示してあるが、音孔３０の配置パターンは、これに限られるものではない。例えば、音孔３０を、格子状に配置しておくことも、同心円状に配置しておくことも出来る。

図１に示してあるように、バックプレート２０の電極支持部２２の下面からは、絶縁性材料（プレート部２１の構成材料）からなる複数のストッパ２４（２４ａ、２４ｂ）が突出している。ストッパ２４には、電極支持部２２下面の、固定電極２３で覆われている部分から突出したストッパ２４ａと、電極支持部２２下面の、固定電極２３で覆われていない部分から突出したストッパ２４ｂとがある。そして、本実施形態に係る音響トランスデューサ１０は、図１に示してあるように、各ストッパ２４ａの頂部（ダイヤフラム１３に対向している部分）が、固定電極２３から電気的に孤立した導電膜２５で覆われた構成を有するものとなっている。

以下、音響トランスデューサ１０の構成をさらに具体的に説明する。

まず、図４を用いて、図１に示した音響トランスデューサ１０の製造手順を簡単に説明する。

図１に示した音響トランスデューサ１０の製造時には、最初に、空洞部１１ａが設けられていないシリコン基板１１上に犠牲層５１が形成される。次いで、犠牲層５１上にダイヤフラム１３が形成されてから、犠牲層５１及びダイヤフラム１３上に犠牲層５２が形成される（図４（Ａ））。

その後、犠牲層５２上面の、ストッパ２４を形成する各部分に凹部５３が形成される（図４（Ｂ））。次いで、複数の凹部５３が形成されている犠牲層５２上に、導電材料層５４が形成される（図４（Ｃ））。そして、導電材料層５４から不要な部分が除去されて、固定電極２３及び複数の導電膜２５が形成される（図４（Ｄ））。尚、この際、形成される固定電極２３は、音孔３０となる各部分が開口しているものである。

図４（Ｄ）に示した構造（積層体）が得られた後には、複数の導電膜２５及び固定電極２３が形成された犠牲層５２上に絶縁材料（通常、Ｓｉ_３Ｎ_４）を堆積させることにより、複数のストッパ２４とプレート部２１（音孔３０が設けていないもの）が形成される。その後、音孔３０を形成するためのプロセス、シリコン基板１１に空洞部１１ａを形成するためのプロセス、アンカー１４となる部分を残した形で犠牲層５１、５２を除去するプロセス等が行われることにより、音響トランスデューサ１０が製造される。

次に、音響トランスデューサ１０のストッパ２４、固定電極２３及び導電膜２５について説明する。尚、以下の説明では、固定電極２３及び複数の導電膜２５を形成するために導電材料層５４から除去される部分（図４（Ｄ）参照）のことを、分離境界と表記する。また、完成した音響トランスデューサ１０の固定電極２３と各導電膜２５との間に存在する、絶縁体（プレート部２１の構成材料又は空気）が充填されている部分のことを、境界部（本発明の絶縁部に対応）と表記する。

図５（Ａ）〜（Ｅ）に、各種構成を有する（音孔３０の配置パターン等が異なる）バックプレート２０の、ダイヤフラム１３側から見た平面図を示す。尚、図５（Ａ）〜（Ｅ）
において、濃いグレーで示してある部分は、プレート部２１の構成材料が充填されている部分（境界部又は境界部の一部）である。

既に説明したように、音孔３０の配置パターンとしては、様々なものを採用することが出来るが、ストッパ２４ａの位置は、通常、図５（Ａ）〜図５（Ｄ）に示したように、或るパターンで規則的に並んだ音孔３０中の、互いに隣接する３つ以上の音孔３０の中央部とされる。ただし、ストッパ２４ａの位置をそのような位置としなければならない訳ではない。例えば、音孔３０が近接しているが故に、互いに隣接する複数の音孔３０の中央部に所望サイズのストッパ２４を形成できる領域を確保できない場合等には、図５（Ｅ）に示したように、規則的な配置のため音孔３０を形成しなければならない場所に、ストッパ２４ａを形成しておいても良い。

尚、ストッパ２４ｂは、ストッパ２４ａと同様の位置と、音孔３０から離れた位置（図２参照）とに形成することが出来る。また、ストッパ２４ｂを、電極支持部２２下面の、固定電極２３で覆われている部分に形成しておいても良い。換言すれば、電極支持部２２下面の、固定電極２３で覆われている部分に、導電膜２５がその頂部に設けられているストッパ２４と導電膜２５がその頂部に設けられていないストッパ２４とを混在させておいても良い。

導電膜２５の形状は、ストッパ２４ａの頂部の少なくとも一部を覆う形状であれば良いが、導電膜２５とダイヤフラム１３の接触面積が大きい方がストッパ２４ａにたまった電荷（詳細は後述）が、ダイヤフラム１３側に移動しやすくなる。そのため、導電膜２５の形状は、ストッパ２４ａの頂部を覆う形状であることが好ましい。

ただし、導電膜２５の面積が大きくなるにつれ、固定電極２３の面積が減少する。そして、固定電極２３の面積が減少すると、音響トランスデューサ１０の感度が低下するので、導電膜２５の形状は、固定電極２３の面積が過度に減少しない形状、すなわち、図５（Ａ）、〜（Ｅ）に示してあるような、導電膜２５が、ストッパ２４ａに隣接する複数の音孔３０の中心を頂点とした多角形内に収まる形状としておくことが好ましい。また、導電性膜２５の形状は、ストッパ２４ａよりも僅かに大きな形状（図５（Ａ）、（Ｃ）、（Ｆ））や、図６（Ａ）、（Ｂ）に模式的に示したように、ストッパ２４ａの頂部のみや頂部とその近傍のみを覆う形状としておくことが、より好ましい。

ただし、ストッパ２４ａの壁面に精度良く境界部を設けること（図６（Ａ）、（Ｂ）参照）は、困難である。従って、図６（Ｃ）（及び図５（Ａ）〜（Ｆ））に示してあるように、固定電極２３と同じ高さの部分に境界部を設けておくことが好ましい。

また、導電膜２５の外縁部に鋭角な角部があると、当該角部に応力が集中しやすくなるため、導電膜２５の外縁部に鋭角な角部がない場合に比して、膜形成後の製造プロセス中でかかる応力に対する耐性や製造完了後の落下耐性（以下、落下耐性等と表記する）が低下する。同様に、固定電極２３の各縁部（外縁部、各開口部の縁部）に鋭角な角部がある場合も、固定電極２３のいずれの縁部にも鋭角な角部がない場合に比して落下耐性等が低下する。そのため、各導電膜２５及び固定電極２３の縁部に鋭角な角部がないことが好ましい。しかしながら、音孔３０との間の間隔が狭いストッパ２４ａの周りに分離境界を設けた場合には、分離境界が音孔３０を横切ることになる結果として、図７に模式的に示したように、鋭角な角部が固定電極２３の各所に形成されてしまうことになる。

一方、図５（Ｂ）、（Ｄ）に示してあるように、ストッパ２４ａに隣接する複数の音孔３０中の各２音孔３０の中心を通る線分上に位置する直線状部分と複数の音孔３０とからなる部分が、分離境界となるようにしておけば、各導電膜２５及び固定電極２３の縁部に
過度に鋭角な角部がないようにすることが出来る。従って、落下耐性等を低下させないことを優先して、各導電膜２５及び固定電極２３の形状（各導電膜２５と固定電極２３との間の分離境界の形状）を、図５（Ｂ）、（Ｄ）に示したようなものとしておいても良い。

また、分離境界の形状を図５（Ｂ）に示したものとする代わりに、図８に示したように、固定電極２３を鋭角な角部を有さない形状にパターニングしておくことも出来る。尚、この図８に示した構成を採用しておけば、分離境界の形状を図５（Ｂ）に示したものとした場合よりも固定電極２３の面積が大きくなる。従って、図８に示した構成を採用しておけば、分離境界の形状を図５（Ｂ）に示したものとした音響トランスデューサ１０よりも感度の高い音響トランスデューサ１０を得ることが出来る。

上記したいずれの構成を採用する場合にも、各境界部の最小幅（固定電極２３と各導電膜２５との間の最小間隔）は、音響トランスデューサ１０の使用時に、各境界部内の絶縁体（プレート部２１の構成材料又は空気）に絶縁破壊が生じないように定められる。

具体的には、例えば、プレート部２１の構成材料（例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４）の絶縁耐圧がおよそ３．７ＭＶ／ｃｍであり、音響トランスデューサ１０の使用時にダイヤフラム１３と固定電極２３との間に印加する電圧が１５Ｖである場合、各境界部の最小幅が、３．７ＭＶ／ｃｍ÷１５Ｖ＝４１ｎｍよりも大きくなくてはならないことになる。

そして、製造プロセスのばらつきによっても境界部の幅は変動する。従って、固定電極２３と各ストッパ２４ａとの間の境界部の最小間隔は、絶縁耐圧等から求められる上記間隔と、製造プロセスのばらつきによる境界部の幅の変動量とを考慮して定めることが望ましいことになる。ただし、通常は（プレート部２１の構成材料として絶縁耐圧が極めて低い材料を使用せず、且つ、過度に精度が悪い製造プロセスを使用しない場合には）、各境界部の最小幅が１μｍ又はそれ以上の値となるようにしておけば良い。

上記構成（ストッパ２４ａの頂部に導電膜２５を設ける構成）を採用した音響トランスデューサ１０では、『電圧印加を中止してもプルイン状態が解消されない』というプルイン状態持続現象の発生を抑止できる（電圧印加を中止すればプルイン状態が解消される）ことが各種実験から確認できている。そのため、プルイン状態持続現象が、従来の音響トランスデューサでは発生することがあり、音響トランスデューサ１０では発生しない理由は、以下のものであると考えられる。

まず、図９を用いて、従来の音響トランスデューサにてプルイン状態持続現象が発生する理由を説明する。

何らかの衝撃が、従来の音響トランスデューサのダイヤフラムに加わることによりダイヤフラム・バックプレート間の距離が小さくなり、その結果として、ダイヤフラム・バックプレート間の静電引力がダイヤフラムの弾性力を上回った場合を考える。この場合、図９（Ａ）に示したように、プルイン状態が形成されることになる。そして、プルイン状態となっているままでダイヤフラム・バックプレート間への電圧印加が継続されると、ストッパに電荷がチャージされる。絶縁体であるストッパへの電荷のチャージ速度は非常に遅いが、ダイヤフラム・バックプレート間への電圧印加が長時間に亘って継続されると、図９（Ｂ）に模式的に示してあるように、ストッパにかなりの量の電荷がチャージされることになる。

そして、ストッパに一旦チャージされた電荷は移動しにくい。そのため、図９（Ｂ）に示したような状態となった後に、ダイヤフラム・バックプレート間への電圧印加を中止しても、図９（Ｃ）に示したように、ストッパにチャージされている電荷に起因する静電引
力によりプルイン状態が持続してしまう（プルイン状態が解消されない）のである。

次に、図１０を用いて、音響トランスデューサ１０の構成を採用しておけば、プルイン状態持続現象の発生を抑止できる理由を説明する。

図１０（Ａ）に示してあるように、音響トランスデューサ１０もプルイン状態となり得るものである。また、音響トランスデューサ１０でも、図１０（Ｂ）に示してあるように、ダイヤフラム１３・固定電極２３間への電圧印加がプルイン状態のままで継続されると、絶縁体であるストッパ２４ａに電荷がチャージされる。ただし、ストッパ２４ａの頂部に導電膜２５が存在しているため、ストッパ２４ａにチャージされた電荷が短時間のうちにダイヤフラム１３側の電荷によって相殺される（図１０（Ｃ））。従って、音響トランスデューサ１０では、プルイン状態となっているままでダイヤフラム１３・固定電極２３間に電圧を長時間に亘って印加し続けても、ストッパ２４ａ内に大量の電荷がチャージされることがない。

そのため、音響トランスデューサ１０では、電圧印加を中止すればプルイン状態が解消されるのである。

《変形形態》
上記した音響トランスデューサ１０は、各種の変形を行えるものである。具体的には、『電圧印加を中止してもプルイン状態が解消されない』という現象は、バックプレート又はダイヤフラムにストッパが設けられているもので音響トランスデューサであれば、実際の構成により程度の差はあるものの、発生し得る現象である。

従って、音響トランスデューサ１０のバックプレート２０を、図１１（Ａ）に示した構成を有するもの、すなわち、固定電極２３が、プレート部２１のダイヤフラム１３と対向しない側の面に設けられているバックプレート２０に変形することが出来る。また、バックプレート２０を、図１１（Ｂ）に示した構成を有するもの、すなわち、非導電性のストッパ２４ａ及び導電膜２５の代わりに、導電性のストッパ２４ｃが設けられているバックプレート２０に変形することも出来る。

また、バックプレート２０を、図１１（Ｃ）に示した構成を有するもの、すなわち、固定電極２３が、プレート部２１のダイヤフラム１３と対向しない側の面に設けられており、且つ、非導電性のストッパ２４ａ及び導電膜２５の代わりに、導電性のストッパ２４ｃが設けられているバックプレート２０に変形することも出来る。さらに、バックプレート２０を、図１１（Ｄ）に示した構成を有するもの、すなわち、その中央部（ストッパ２４ａ及び導電膜２５が設けられる部分）に、プレート部２１に相当する絶縁性部材が存在しないバックプレート２０に変形することも出来る。

また、図１２に模式的に示したように、音響トランスデューサ１０を、シリコン基板１１、図６や図１１（Ａ）〜（Ｄ）に示してあるようなバックプレート２０、ダイヤフラム１３がこの順に並んだものに変形することも出来る。その際、ストッパ２４ａ及び導電膜２５はダイヤフラム１３側に突出する形で使用されていれば良い。

音響トランスデューサ１０を、ダイヤフラム１３に、ストッパ２４ａ及び導電膜２５や、ストッパ２４ｃが設けられているものに変形することも出来る。

具体的には、図１３（Ａ）に示したように、音響トランスデューサ１０のダイヤフラム１３のバックプレート２０と対向する側の面に、ストッパ２４ａ及び導電膜２５を設けておくことが出来る。尚、図１３（Ａ）〜（Ｅ）に関する説明において、バックプレート２
０と対向する側の面とは、図１３（Ａ）〜（Ｅ）における上側の面のことである。

図１３（Ｂ）に示したように、音響トランスデューサ１０に、絶縁性材料からなる支持部１３ａのバックプレート２０と対向する側の面に、可動電極１３ｂと、複数組（図１３（Ｂ）では１組）のストッパ２４ａ及び導電膜２５とを、各導電膜２５が他の導電性部材（可動電極１３ｂ等）から電気的に孤立するように設けたダイヤフラム１３を採用しておくことも出来る。

図１３（Ｃ）に示したように、音響トランスデューサ１０に、絶縁性材料からなる支持部１３ａのバックプレート２０と対向しない側の面に可動電極１３ｂが設けられたダイヤフラム１３を採用した上で、当該ダイヤフラム１３の支持部１３ａのバックプレート２０と対向する側の面に、複数のストッパ２４ｃ（導電性を有するストッパ）を設けておくことも出来る。また、図１３（Ｄ）に示したように、音響トランスデューサ１０に、絶縁性材料からなる支持部１３ａのバックプレート２０と対向する側の面に、可動電極１３ｂと、複数組のストッパ２４ｃとを、各ストッパ２４ｃが他の導電性部材から電気的に孤立するように設けたダイヤフラム１３を採用しておくことも出来る。

図１３（Ｅ）に示したように、音響トランスデューサ１０に、絶縁性材料からなる支持部１３ａのバックプレート２０と対向しない側の面に可動電極１３ｂが設けられたダイヤフラム１３を採用した上で、当該ダイヤフラム１３の支持部１３ａのバックプレート２０と対向する側の面に、複数組のストッパ２４ａ及び導電膜２５とを設けておくことも出来る。

尚、上記したようなダイヤフラム１３は、ストッパ２４ａ、２４ｂが、バックプレート２０側に突出する形で使用されていれば良い。従って、上記したようなダイヤフラム１３を用いた音響トランスデューサ１０は、図１４（Ａ）、（Ｂ）に模式的に示してあるように、シリコン基板１１、ダイヤフラム１３、バックプレート２０がこの順に並んだもの（図１４（Ａ））としても、シリコン基板１１、バックプレート２０、ダイヤフラム１３がこの順に並んだもの（図１４（Ｂ））としても実現（製造）することが出来る。

１０ 音響トランスデューサ
１１ シリコン基板
１１ａ 空洞部
１３ ダイヤフラム
２０ バックプレート
２１ プレート部
２２ 電極支持部
２３ 固定電極
２４，２４ａ，２４ｂ，２４ｃ ストッパ
２５ 導電膜
３０ 音孔
３５ 固定電極用パッド
３６ 可動電極用パッド
３７，３８ 引出し配線
５１，５２ 犠牲層
５３ 凹部
５４ 導電材料層

Claims (17)

1. 固定電極を有するバックプレートと、
   前記バックプレートと空隙を介して対向する、可動電極としてのダイヤフラムと、
   前記バックプレートまたは前記ダイヤフラムの前記空隙側の面から突出したストッパ部と、
   を備え、
   前記ストッパ部は、前記固定電極および前記可動電極から電気的に孤立した、前記ダイヤフラムの変形により前記ストッパ部に対向する前記固定電極または前記可動電極の表面と接触し得る導電性部を含む
   ことを特徴とする音響トランスデューサ。
2. 前記導電性部は、前記ストッパ部の少なくとも一部を覆う導電性膜を含む、請求項１に記載の音響トランスデューサ。
3. 前記ストッパ部が突出した前記バックプレートまたは前記ダイヤフラムは、電気絶縁性を有する板状部と、前記板状部の前記空隙側の面に設けられた、前記固定電極又は前記可動電極としての、開口部を有する電極膜とを含み、
   前記ストッパ部が、前記電極膜に覆われていない部分がある形で前記板状部から突出しており、
   前記ストッパ部の前記導電性膜が、前記電極膜の前記開口部内に設けられている
   ことを特徴とする請求項２に記載の音響トランスデューサ。
4. 前記導電性膜の平面視形状が、外縁部に鋭角な角部を持たない形状である
   ことを特徴とする請求項３に記載の音響トランスデューサ。
5. 前記電極膜の平面視形状が、各縁部に鋭角な角部を持たない形状である
   ことを特徴とする請求項３又は４に記載の音響トランスデューサ。
6. 前記ストッパ部が、前記バックプレートから突出しており、
   前記導電性膜が、前記ストッパ部に隣接する、前記バックプレートに設けられている複数の音孔の中心を頂点とした多角形内に収まる形状を有する
   ことを特徴とする請求項３から５のいずれか一項に記載の音響トランスデューサ。
7. 前記導電性膜及び前記電極膜が、前記導電性膜と前記電極膜との間を絶縁する絶縁部に前記音孔が含まれない形状を有する
   ことを特徴とする請求項６に記載の音響トランスデューサ。
8. 前記ストッパ部が、前記バックプレートから突出しており、
   前記導電性膜と前記電極膜との間が、前記バックプレートに設けられている複数の音孔を通る絶縁部によって絶縁されている
   ことを特徴とする請求項３から５のいずれか一項に記載の音響トランスデューサ。
9. 前記電極膜及び前記導電性膜が、同プロセスにより形成された導電性部材が分離されることにより形成されている
   ことを特徴とする請求項３から８のいずれか一項に記載の音響トランスデューサ。
10. 前記導電性膜が、前記ストッパ部の頂部を覆う形状を有する
    ことを特徴とする請求項３から９のいずれか一項に記載の音響トランスデューサ。
11. 前記導電性膜と前記電極膜との間の最小間隔が、前記板状部の材料の絶縁耐圧を前記ダイヤフラムの振動量の検知時に前記固定電極と前記ダイヤフラムとの間に印加する電圧で割ることにより得られる値よりも大きな間隔である
    ことを特徴とする請求項３から１０のいずれか一項に記載の音響トランスデューサ。
12. 前記ストッパ部が突出した前記バックプレートまたは前記ダイヤフラムの前記空隙側の面から突出した、電気絶縁性を有する第２ストッパ部を、さらに備える
    ことを特徴とする請求項３から請求項１１のいずれか一項に記載の音響トランスデューサ。
13. 前記第２ストッパ部が、前記板状部の前記電極膜が設けられている領域よりも外側の領域に設けられている
    ことを特徴とする請求項１２に記載の音響トランスデューサ。
14. 前記ストッパ部が、前記導電性部以外の部分も導電性を有する部材である
    ことを特徴とする請求項１に記載の音響トランスデューサ。
15. 前記ストッパ部が突出した前記バックプレートまたは前記ダイヤフラムは、開口部を有する電極膜を含み、
    前記ストッパ部が、前記電極膜の開口部から突出している
    ことを特徴とする請求項１又は１４に記載の音響トランスデューサ。
16. 前記ストッパ部が突出した前記バックプレートまたは前記ダイヤフラムは、電気絶縁性の板状部と、前記板状部の前記空隙側とは異なる側の面に設けられた電極膜とを含む
    ことを特徴とする請求項１又は１４に記載の音響トランスデューサ。
17. 前記ストッパ部が突出した前記バックプレートまたは前記ダイヤフラムが、導電性材料製の部材である
    ことを特徴とする請求項１に記載の音響トランスデューサ。