JP6288410B2 - 静電容量型トランスデューサ、音響センサ及びマイクロフォン - Google Patents

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Description

本発明は、静電容量型トランスデューサ、音響センサ及びマイクロフォンに関する。具体的に言うと、本発明は、振動電極板（ダイアフラム）と固定電極板からなるコンデンサ構造によって構成された静電容量型トランスデューサに関する。また、本発明は、音響振動を電気信号に変換して出力する音響センサ（音響トランスデューサ）と、該音響センサを用いたマイクロフォンに関する。特に、本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を用いて製作される微小サイズの静電容量型トランスデューサや音響センサに関するものである。
図１は、ＭＥＭＳ技術により作製された従来の静電容量型の音響センサの一例を示す断面図である。この音響センサ１１では、基板１２に空洞１３が開口されており、空洞１３の上面開口を覆うようにして基板１２の上方にダイアフラム１４（振動電極板）が設けられている。たとえば矩形状のダイアフラム１４の場合であれば、その四隅部分をアンカー１５によって基板１２の上面で支持されている。基板１２の上面にはドーム状をしたバックプレート１６が形成されており、バックプレート１６はダイアフラム１４を覆っている。バックプレート１６の下面には固定電極板１７が設けられており、固定電極板１７はダイアフラム１４と対向している。ダイアフラム１４と固定電極板１７は互いに対向していて、音響振動を電気的な信号に変換するための可変コンデンサを構成している。また、バックプレート１６及び固定電極板１７には、円形のアコースティックホール１８が多数開口されている。バックプレート１６の下面には固定電極板１７から飛び出るようにして複数のストッパ１９が設けられている。このような音響センサとしては、たとえば特許文献１に開示されたものがある。
アコースティックホール１８は音響振動の通路となる孔である。たとえば、アコースティックホール１８から音響センサ１１内に入った音響振動は、ダイアフラム１４を振動させた後、空洞１３へ抜けてゆく。あるいは、空洞１３から音響センサ１１内に入った音響振動は、ダイアフラム１４を振動させた後、アコースティックホール１８から外部へ抜けてゆく。また、ストッパ１９は、ダイアフラム１４が固定電極板１７にスティック（固着）して離れなくなるのを防ぐために設けられている。ストッパ１９を設けていない場合には、たとえばダイアフラム１４と固定電極板１７との間に加えられているバイアス電圧のためにダイアフラム１４と固定電極板１７の間に静電吸引力が発生し、その静電吸引力のためにダイアフラム１４が固定電極板１７に固着して離れなくなることがある。あるいは、製造プロセスにおいて、ダイアフラム１４と固定電極板１７との間のエアギャップに残留した水分の表面張力によってダイアフラム１４が固定電極板１７に固着して離れなくなることもある。ストッパ１９は、このような場合に固定電極板１７よりも先にダイアフラム１４に当接し、ダイアフラム１４が固定電極板１７にくっつくのを防ぐものである。
このような静電容量型の音響センサでは、エアギャップにおける熱雑音に基因するＳ／Ｎ比の低下の問題がある。エアギャップにおける熱雑音とは、ダイアフラムと固定電極板との間のエアギャップ、すなわち準密閉空間内にある空気分子が、揺らぎ（熱運動）によってダイアフラムに衝突することにより発生するノイズである。ダイアフラムが空気分子の衝突によって受ける微小な力は、空気分子の揺らぎのためにランダムに変動するので、空気分子の衝突によってダイアフラムが不規則に振動し、音響センサには熱雑音に基因する電気的なノイズが発生する。特に、感度の高い音響センサでは、このような熱雑音に起因するノイズが大きく、Ｓ／Ｎ比が悪くなる。
このような熱雑音に起因するノイズは、バックプレート及び固定電極板に開口されているアコースティックホールの開口比率を大きくし、エアギャップ内の空気がアコースティックホールを通過しやすくすることにより軽減できる。したがって、上記音響センサ１１においても、Ｓ／Ｎ比を向上させるためには、アコースティックホール１８の開口面積（開口比率）を大きくする必要がある。
一方、ストッパ１９の直径（あるいは断面積）が小さ過ぎる場合には、音響センサ１１を落下させたときの衝撃によってダイアフラム１４とストッパ１９とが衝突し、ストッパ１９の先端によってダイアフラム１４が破損する場合がある。そのため、ストッパ１９はある程度の太さ（あるいは断面積）が必要とされる。
しかしながら、Ｓ／Ｎ比を向上させるためにアコースティックホール１８の開口面積を大きくすると、バックプレート１６においてアコースティックホール１８に囲まれた領域の面積が狭くなるので、直径の大きなストッパ１９を設けることができなくなる。そのためストッパ１９の直径を小さくせざるを得ず、上記のように音響センサ１１の落下衝撃時などにストッパ１９に衝突したダイアフラム１４が破損しやすくなる。
また、ストッパ１９の位置する箇所にはアコースティックホール１８を重ねて設けることはできないので、ストッパ１９の直径を太くすると、アコースティックホール１８の開口面積を大きくすることができなくなり、音響センサ１１のＳ／Ｎ比が低下する。
よって、従来の音響センサでは、Ｓ／Ｎ比を向上させるためにアコースティックホールの開口面積（開口比率）を大きくすることと、ダイアフラムの破損を防ぐためにストッパの直径（断面積）を大きくすることの間には、トレードオフの関係があった。
なお、特許文献２のFig.3に開示されたバックプレートでは、バックプレートの一部に他よりも広い領域（アコースティックホールのない領域）を設けている。しかし、特許文献２には、この広い領域にストッパを設けることは記載されていない。また、このような構造では、アコースティックホールの合計した開口面積が小さくなる。
特開２０１１−２３９３２４号公報 米国特許出願公開第２０１１／００７５８６６号明細書（Fig.3）
本発明の目的とするところは、アコースティックホールの開口面積を大きくしてＳ／Ｎ比を向上させることができ、かつ、振動電極板（ダイアフラム）の落下衝撃時などにおける耐久力を向上させることのできる静電容量型トランスデューサや音響センサなどを提供することにある。
本発明に係る第１の静電容量型トランスデューサは、空洞を有する基板と、前記基板の上方に設けられた振動電極板と、前記基板の上に設けられたバックプレートと、前記振動電極板に対向させて前記バックプレートに設けられた固定電極板と、前記バックプレート及び前記固定電極板に設けられた複数個の孔と、前記バックプレートの、前記振動電極板に対向する箇所に設けられた突起とを備え、前記バックプレート及び前記固定電極板に設けられた複数個の孔が規則的に配列しており、前記基板の上面に垂直な方向から見たとき、前記孔が規則的に配置された領域内に設けられた前記突起の断面中心から前記突起に隣接する孔の縁までの最短距離が、前記突起に隣接する前記孔のいずれについても、前記孔に囲まれていて前記突起が設けられていない領域の中心からその周囲の孔の縁までの最短距離よりも大きくなっていることを特徴としている。
本発明に係る第１の静電容量型トランスデューサによれば、前記基板の上面に垂直な方向から見たとき、前記突起の断面中心から前記突起に隣接する孔の縁までの最短距離が、前記孔に囲まれていて前記突起が設けられていない領域の中心からその周囲の孔の縁までの最短距離よりも大きくなっているので、孔の数を減らすことなく突起を設ける領域の面積を広くすることができる。その結果、孔の全開口面積をほぼ維持したままで突起の断面積を大きくすることができる。よって、静電容量型トランスデューサのＳ／Ｎ比を維持しつつ振動電極板の落下衝撃時などにおける耐久性を向上させることができる。
本発明に係る第１の静電容量型トランスデューサのある実施態様は、前記孔が一定面積の領域を単位として規則的に配列され、前記一定面積の領域のうち前記突起を有する領域に含まれる前記孔の総面積は、前記突起を有しない領域に含まれる前記孔の総面積よりも小さいことを特徴としている。かかる実施態様によれば、突起を有する領域で孔の総面積が小さくなっているので、その分だけ突起を設ける領域の面積を広くできる。一方、孔の開口面積は、突起の周囲だけで小さくなっており、全体としての孔の全開口面積の減少は小さなものである。よって、孔の全開口面積をほぼ維持したままで突起の断面積を大きくすることができる。
本発明に係る第１の静電容量型トランスデューサの別な実施態様は、前記突起に隣接する孔を囲む領域内に含まれる孔の数が、前記孔に囲まれていて前記突起が設けられていない領域の中心に隣接する孔を囲む領域内に含まれる孔の数に等しいことを特徴としている。かかる実施態様によれば、孔の数を減らすことなく突起を設ける領域の面積を広げているので、孔の全開口面積をほぼ維持したままで突起の断面積を大きくすることができる。
本発明に係る第２の静電容量型トランスデューサは、空洞を有する基板と、前記基板の上方に設けられた振動電極板と、前記基板の上に設けられたバックプレートと、前記振動電極板に対向させて前記バックプレートに設けられた固定電極板と、前記バックプレート及び前記固定電極板に設けられた複数個の孔と、前記バックプレートの、前記振動電極板に対向する箇所に設けられた突起とを備え、前記突起に隣接する前記孔のうち少なくとも１つの孔の面積が、前記突起に隣接しない孔の面積よりも小さいことを特徴としている。
本発明に係る第２の静電容量型トランスデューサによれば、突起に隣接する少なくとも１つの孔の面積を小さくすることで、突起を設けるための領域を広くでき、突起の断面積を大きくすることができる。しかも、孔の開口面積は、突起の周囲でだけ小さくなっているので、孔の全開口面積をほぼ維持したままで突起の断面積を大きくすることができる。本発明に係る第２の静電容量型トランスデューサにおいては、たとえば前記突起に隣接する孔と、それ以外の孔とが、相似な形状となっている。
本発明に係る第３の静電容量型トランスデューサは、空洞を有する基板と、前記基板の上方に設けられた振動電極板と、前記基板の上に設けられたバックプレートと、前記振動電極板に対向させて前記バックプレートに設けられた固定電極板と、前記バックプレート及び前記固定電極板に設けられた複数個の孔と、前記バックプレートの、前記振動電極板に対向する箇所に設けられた突起とを備え、前記突起に隣接する孔のうち少なくとも１つの孔が、他の孔に比べて前記突起に近い領域の縁が孔の内側へ引っ込んでいることを特徴としている。
本発明に係る第３の静電容量型トランスデューサによれば、突起に隣接する少なくとも１つの孔の縁が内側へ引っ込んでいるので、突起を設けるための領域を広くでき、突起の断面積を大きくすることができる。しかも、孔の開口面積は、突起の周囲でだけ小さくなっているので、孔の全開口面積をほぼ維持したままで突起の断面積を大きくすることができる。本発明に係る第３の静電容量型トランスデューサにおいては、たとえば前記突起に隣接する孔以外の孔は、互いに同一又は相似な形状を有しており、前記突起に隣接する孔のうち少なくとも１つの孔と、それ以外の孔とは、同一の形状でなく、かつ、相似な形状でもない。
本発明に係る第４の静電容量型トランスデューサは、空洞を有する基板と、前記基板の上方に設けられた振動電極板と、前記基板の上に設けられたバックプレートと、前記振動電極板に対向させて前記バックプレートに設けられた固定電極板と、前記バックプレート及び前記固定電極板に設けられた複数個の孔と、前記バックプレートの、前記振動電極板に対向する箇所に設けられた突起とを備え、前記突起に隣接する孔以外の孔が一定のピッチで規則的に配列しており、前記突起に隣接する孔の位置が、孔の規則的な位置よりも前記突起から離れる方向へ偏っていて、前記突起に隣接する孔どうしの間隔が、前記突起に隣接しない孔どうしの間隔よりも広くなっていることを特徴としている。
本発明に係る第４の静電容量型トランスデューサによれば、突起に隣接する孔どうしの間隔が広くなっているので、突起を設けるための領域を広くでき、突起の断面積を大きくすることができる。しかも、孔の開口面積を維持することができるので、Ｓ／Ｎ比を低下させることなく振動電極板の落下衝撃時などにおける耐性を向上させることができる。
本発明に係る第５の静電容量型トランスデューサは、空洞を有する基板と、前記基板の上方に設けられた振動電極板と、前記基板の上に設けられたバックプレートと、前記振動電極板に対向させて前記バックプレートに設けられた固定電極板と、前記バックプレート及び前記固定電極板に設けられた複数個の孔と、前記バックプレートの、前記振動電極板に対向する箇所に設けられた突起とを備え、前記突起に隣接する孔のうち少なくとも１つの孔が扁平な開口形状を有し、扁平な開口形状を有する孔は、その短軸方向が、その中心と前記突起の断面中心とを結ぶ方向を向いていることを特徴としている。
本発明に係る第５の静電容量型トランスデューサによれば、突起を設けるための領域を広くでき、突起の断面積を大きくすることができる。しかも、孔の開口面積を維持することができるので、Ｓ／Ｎ比を低下させることなく振動電極板の落下衝撃時などにおける耐性を向上させることができる。
本発明に係る第１から第５の静電容量型トランスデューサのさらに別な実施態様は、前記突起に隣接する孔の縁と前記突起の縁とが離間していることを特徴としている。かかる実施態様によれば、バックプレートの強度低下を防ぐことができる。
本発明に係る第１から第５の静電容量型トランスデューサのさらに別な実施態様は、前記突起に隣接する孔で囲まれた領域の面積が、前記突起の断面積よりも大きいことを特徴としている。かかる実施態様によれば、バックプレートの強度低下を防ぐことができる。
本発明に係る第１から第５の静電容量型トランスデューサのさらに別な実施態様は、ある突起に隣接する孔と、別な突起に隣接する孔とが重複しないように前記突起が配列されていることを特徴としている。ある突起に隣接する孔と別な突起に隣接する孔とが重複していると、孔の開口面積が小さくなるためである。
本発明に係る静電容量型トランスデューサは、音響センサとして用いることもできる。また、その音響センサに回路部を組みあわせたマイクロフォンとして用いることもできる。
なお、本発明における前記課題を解決するための手段は、以上説明した構成要素を適宜組み合せた特徴を有するものであり、本発明はかかる構成要素の組合せによる多くのバリエーションを可能とするものである。
図１は、従来の静電容量型の音響センサの一例を示す断面図である。 図２は、本発明の実施形態１に係る音響センサの平面図である。 図３は、図２に示した音響センサの断面図である。 図４は、図２に示した音響センサにおいて、基板の上面に設けられたダイアフラムを示す平面図である。 図５は、図２のＸ部を拡大した図である。 図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は、本発明の実施形態１の音響センサにおけるアコースティックホールの配置の特徴を説明するための図である。 図７は、本発明の実施形態２におけるアコースティックホールの配置を示す図である。 図８（Ａ）及び図８（Ｂ）は、本発明の実施形態２におけるアコースティックホールの配置の特徴を説明するための図である。 図９は、本発明の実施形態３におけるアコースティックホールの配置を示す図である。 図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）は、本発明の実施形態３におけるアコースティックホールの配置の特徴を説明するための図である。 図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）は、それぞれ本発明の変形例におけるアコースティックホールの配置を示す図である。 図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）は、それぞれ本発明の別な変形例におけるアコースティックホールの配置を示す図である。 図１３（Ａ）及び図１３（Ｂ）は、それぞれ本発明のさらに別な変形例におけるアコースティックホールの配置を示す図である。 図１４は、本発明のさらに別な変形例におけるアコースティックホールの配置を示す図である。 図１５は、本発明のさらに別な変形例におけるアコースティックホールの配置を示す図である。 図１６（Ａ）及び図１６（Ｂ）は、設計上の留意点を説明するための図である。 図１７（Ａ）及び図１７（Ｂ）は、別な設計上の留意点を説明するための図である。 図１８（Ａ）、図１８（Ｂ）及び図１８（Ｃ）は、さらに別な設計上の留意点を説明するための図である。 図１９は、本発明の実施形態４におけるアコースティックホールの配置を示す図である。 図２０は、本発明の実施形態５による音響センサの断面図である。 図２１は、本発明に係る音響センサを内蔵したマイクロフォンの断面図である。
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。但し、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設計変更することができる。
（実施形態１）
図２−図５を参照して本発明の実施形態１による音響センサ３１の構造を説明する。図２は本発明の実施形態１の音響センサ３１を示す平面図である。図３は、音響センサ３１の断面図である。図４は、基板３２の上面に形成されたダイアフラム３３（振動電極板）の形状を表した平面図である。図５は、図２のＸ部分を拡大して示す図である。
この音響センサ３１は、ＭＥＭＳ技術を利用して作製された静電容量型センサである。音響センサ３１においては、図３に示すように、シリコン基板等の基板３２の上面に振動電極板、すなわちダイアフラム３３が形成されており、微小なエアギャップ（空隙）を介してダイアフラム３３の上方にバックプレート３４が設けられている。
基板３２には、表面から裏面に貫通した空洞３５が開口されている。この空洞３５は、音響センサ３１の使用形態によって、バックチャンバとなり、あるいはフロントチャンバとなるものである。空洞３５の壁面は、基板３２の上面に垂直な面となっていてもよく、基板３２の上面に対して傾いていてもよい。
ダイアフラム３３は、導電性を有するポリシリコン薄膜によって形成されている。ダイアフラム３３は、図４に示すように、略矩形状に形成されていて、そのコーナーからはそれぞれ対角方向へ向けて水平に脚片３６が延出している。ダイアフラム３３は、空洞３５の上面を覆うようにして基板３２の上面に配置され、脚片３６の下面がアンカー３８により支持されている。よって、ダイアフラム３３は、基板３２の上面から浮かせた状態で基板３２の上面に配置されている。
空洞３５の周囲においてダイアフラム３３の下面と基板３２の上面との間には、図３に示すように、音響振動又は空気を通過させるための高さ方向に狭い隙間、すなわちベントホール３７が形成されている。ベントホール３７は、脚片３６と脚片３６の間において、ダイアフラム３３が基板３２の上面と向かい合っている部分に沿って形成されている。
基板３２の上面には、ＳｉＮからなるバックプレート３４が設けられている。バックプレート３４は、略矩形ドーム状に形成されていて、その空洞部分でダイアフラム３３を覆っている。バックプレート３４の下面には、ダイアフラム３３と対向するようにして、ポリシリコンからなる固定電極板４０が設けられている。
固定電極板４０の下面とダイアフラム３３の上面との間には微小なエアギャップ（空隙）が形成されている。固定電極板４０とダイアフラム３３は互いに対向しており、音響振動を検知して電気信号に変換するための可変コンデンサを構成している。
バックプレート３４及び固定電極板４０のほぼ全体には、上面から下面に貫通するようにして孔、すなわち音響振動を通過させるためのアコースティックホール４１が多数穿孔されている。図２及び図５に示すように、アコースティックホール４１は規則的に配列されている。図示例では、アコースティックホール４１は、互いに６０°又は１２０°の角度を成す３方向に沿って三角形状に配列されており、各アコースティックホール４１の中心は一定のピッチで規則的に並んでいる。
図３に示すように、バックプレート３４の下面には、円柱状をした微小な突起、すなわちストッパ４３が多数設けられており、各ストッパ４３は固定電極板４０を貫通して下方へ突出している。ストッパ４３は、バックプレート３４と同じくＳｉＮによって形成されており、絶縁性を有している。ストッパ４３は、ダイアフラム３３が固定電極板４０に固着するのを防ぐために設けられており、固定電極板４０を通過してバックプレート３４の下面から突出している。
また、図２に示すように、ダイアフラム３３の脚片３６からはリード４４が延出されており、リード４４は電極パッド４５と電気的に導通している。同様に、固定電極板４０からはリード４６が延出されており、リード４６は電極パッド４７と電気的に導通している。
この音響センサ３１は上記のような構造を有し、音響振動によってダイアフラム３３が振動すると、ダイアフラム３３と固定電極板４０との間の静電容量が変化することで、音響振動を電気信号に変換して出力するものである。
また、この音響センサ３１は、アコースティックホール４１の配置に特徴を有している。音響センサ３１では、図５に示すように、アコースティックホール４１が規則的に配列されており、ストッパ４３に隣接するアコースティックホール４１（以下、ストッパ４３に隣接するアコースティックホール４１を記号４１ａで示す。）の開口面積が、ストッパ４３に隣接しないアコースティックホール４１（ストッパ４３に隣接しないアコースティックホール４１を記号４１ｂで示す。）の開口面積よりも小さくなっている。すなわち、ストッパ４３を取り囲むアコースティックホール４１ａの開口面積が他のアコースティックホール４１ｂの開口面積よりも小さくなっている。典型的な例では、図示のようにアコースティックホール４１ａは、アコースティックホール４１ｂと相似な形状のままで開口面積が小さくなっている。
このようなアコースティックホール配置によれば、ストッパ４３の設けられている箇所では、アコースティックホール４１ａに囲まれた領域の面積が広くなるので、断面積の大きなストッパ４３を設けることが可能になり、落下衝撃時などにストッパ４３の先端でダイアフラム３３が破損されにくくなる（ただし、ストッパ４３の断面積が大き過ぎると、ダイアフラム３３がストッパ４３にスティックするおそれがあるので、最適な断面積を選択する必要がある）。しかも、この音響センサ３１では、ストッパ４３を取り囲むアコースティックホール４１ａの開口面積だけが小さくなっているので、断面積の大きなストッパ４３に合わせてアコースティックホール全体の開口面積を小さくした場合と比較すると、アコースティックホール４１ａ、４１ｂの全開口面積を大きくすることができ、音響センサ３１のＳ／Ｎ比を大きくできる。また、すべてのアコースティックホールが、アコースティックホール４１ｂと同じ大きさである場合（この場合には、断面積の大きなストッパ４３を設けることはできなくなるが、）と比較しても、アコースティックホールの数は減らず、一部のアコースティックホール（４１ａ）の開口面積が小さくなるだけであるので、Ｓ／Ｎ比の劣化も小さい。よって、本実施形態の音響センサ３１によれば、Ｓ／Ｎ比を向上させ、かつ、ダイアフラムの耐久性を向上させることが可能になる。
上記のような優れた作用効果を有する音響センサ３１におけるアコースティックホールの配置は、以下のような構成によって特徴づけられる。
まず、本実施形態におけるアコースティックホールは、図５に２点鎖線で示す三角形の領域を繰り返し最小単位として規則的に配列されている。そして、この一定面積の繰り返し最小単位のうちストッパ４３を有する繰り返し最小単位に含まれるアコースティックホール４１ａの総面積は、ストッパ４３を有しない繰り返し最小単位に含まれるアコースティックホール４１ｂの総面積よりも小さくなっている。そのため、ストッパ４３を設ける箇所では、アコースティックホール４１ａで囲まれた領域の面積が大きくなっている。
本実施形態の音響センサ３１では、図６（Ａ）に示すストッパ４３の断面中心Ｐからストッパ４３に隣接するアコースティックホール４１ａの縁までの最短距離Ｄが、図６（Ｂ）に示すストッパ４３が設けられていない領域におけるストッパの断面中心に相当する点、すなわち前記孔に囲まれていて前記突起が設けられていない領域の中心Ｑからその周囲のアコースティックホール４１ｂの縁までの最短距離ｄよりも長くなっている。
また、本実施形態の音響センサ３１において、図６（Ａ）に示すようにストッパ４３に隣接するアコースティックホール４１ａを囲む枠４２ａと、図６（Ｂ）に示すようにストッパ４３が設けられていない領域で、点Ｑに隣接するアコースティックホール４１ｂを囲む枠４２ｂを考える。このとき、本実施形態では、枠４２ａで囲まれた領域内に含まれるアコースティックホール４１ａの数が、枠４２ｂで囲まれた領域内に含まれるアコースティックホール４１ｂの数に等しい。
本実施形態では、上記のような特徴を有しているので、Ｓ／Ｎ比を向上させることができ、あるいはＳ／Ｎ比の低下を最小限に抑えることができるとともに、断面積の大きなストッパ４３を設けることが可能になる。
（実施形態２）
図７は、本発明の実施形態２による音響センサにおけるバックプレート３４の一部を拡大して示した図である。実施形態２においては、アコースティックホール４１（４１ａ、４１ｂ）を規則的に配列している。ストッパ４３に隣接するアコースティックホール４１ａは、ストッパ４３に近い領域の縁が内側へ引っ込んでいて他のアコースティックホール４１ｂよりも開口面積が小さくなっている。よって、アコースティックホール４１ａと他のアコースティックホール４１ｂとは、同一形状でもなく、相似な形状でもない。
実施形態２のアコースティックホール４１では、ストッパ４３の周囲のアコースティックホール４１ａの縁がストッパ４３から遠くなるように後退しているので、ストッパ４３の設けられている箇所においてアコースティックホール４１ａに囲まれた領域の面積が広くなる。よって、断面積の大きなストッパ４３を設けることが可能になり、落下衝撃時などにストッパ４３の先端でダイアフラム３３が破損されにくくなる。しかも、実施形態２でも、アコースティックホールの数は減らず、ストッパ４３を取り囲むアコースティックホール４１ａの開口面積だけが小さくなっているので、断面積の大きなストッパ４３に合わせてアコースティックホール全体の開口面積を小さくした場合と比較すると、アコースティックホール４１ａ、４１ｂの全開口面積を大きくすることができ、音響センサ３１のＳ／Ｎ比を向上させることができる。また、すべてのアコースティックホールが、アコースティックホール４１ｂと同じ大きさである場合（この場合には、断面積の大きなストッパ４３を設けることはできなくなるが、）と比較しても、Ｓ／Ｎ比の低下を最小限に抑えることができる。よって、実施形態２の場合においても、Ｓ／Ｎ比を向上させ、かつ、ダイアフラムの耐久性を向上させることが可能になる。
また、実施形態２のアコースティックホールも、実施形態１で述べたような特徴を備えている。すなわち、図７に示す２点鎖線で示す繰り返し最小単位のうちストッパ４３を有する繰り返し最小単位に含まれるアコースティックホール４１ａの総面積は、ストッパ４３を有しない繰り返し最小単位に含まれるアコースティックホール４１ｂの総面積よりも小さくなっている。
また、実施形態２のアコースティックホールでも、図８（Ａ）に示すストッパ４３の断面中心Ｐからストッパ４３に隣接するアコースティックホール４１ａの縁までの最短距離Ｄが、図８（Ｂ）に示すアコースティックホールに囲まれていてストッパ４３が設けられていない領域の中心Ｑからその周囲のアコースティックホール４１ｂの縁までの最短距離ｄよりも長くなっている。
また、実施形態２のアコースティックホールにおいても、図８（Ａ）に示すようにストッパ４３に隣接するアコースティックホール４１ａを囲む枠４２ａ内にあるアコースティックホール４１ａの数と、図８（Ｂ）に示すようにストッパ４３が設けられていない領域で、点Ｑに隣接するアコースティックホール４１ｂを囲む枠４２ｂ内にあるアコースティックホール４１ｂの数は等しくなっている。
（実施形態３）
図９は、本発明の実施形態３による音響センサにおけるバックプレート３４の一部を拡大して示した図である。実施形態３においては、ストッパ４３に隣接するアコースティックホール４１ａどうしの間隔が、ストッパ４３に隣接しないアコースティックホール４１ｂどうしの間隔よりも広くなっている。すなわち、この実施形態では、ストッパ４３に隣接するアコースティックホール４１ａ以外のアコースティックホール４１ｂが一定のピッチで規則的に配列している。一方、ストッパ４３に隣接するアコースティックホール４１ａの位置は、アコースティックホール４１ａをアコースティックホール４１ｂの規則的な位置に置いたときよりもストッパ４３から離れる方向へシフトしている。
実施形態３のアコースティックホール４１では、ストッパ４３の周囲のアコースティックホール４１ａがストッパ４３から遠くなる方向へ移動しているので、ストッパ４３の設けられている箇所においてアコースティックホール４１ａに囲まれた領域の面積が広くなる。よって、断面積の大きなストッパ４３を設けることが可能になり、落下衝撃時などにストッパ４３の先端でダイアフラム３３が破損されにくくなる。しかも、実施形態３でも、アコースティックホールの数は減らず、ストッパ４３を取り囲むアコースティックホール４１ａの開口面積だけが小さくなっているので、断面積の大きなストッパ４３に合わせてアコースティックホール全体の開口面積を小さくした場合と比較すると、アコースティックホール４１ａ、４１ｂの全開口面積を大きくすることができ、音響センサ３１のＳ／Ｎ比を向上させることができる。また、すべてのアコースティックホールが、アコースティックホール４１ｂと同じ大きさである場合（この場合には、断面積の大きなストッパ４３を設けることはできなくなるが、）と比較しても、Ｓ／Ｎ比の低下を最小限に抑えることができる。よって、実施形態２の場合においても、Ｓ／Ｎ比を向上させ、かつ、ダイアフラムの耐久性を向上させることが可能になる。
また、実施形態２のアコースティックホールも、実施形態１で述べたような特徴を備えている。すなわち、図１０（Ａ）に示すストッパ４３の断面中心Ｐからストッパ４３に隣接するアコースティックホール４１ａの縁までの最短距離Ｄが、図１０（Ｂ）に示すアコースティックホールに囲まれていてストッパ４３が設けられていない領域の中心Ｑからその周囲のアコースティックホール４１ｂの縁までの最短距離ｄよりも長くなっている。
また、実施形態３のアコースティックホールにおいても、図１０（Ａ）に示すようにストッパ４３に隣接するアコースティックホール４１ａを囲む枠４２ａ内にあるアコースティックホール４１ａの数と、図１０（Ｂ）に示すようにアコースティックホールに囲まれていてストッパ４３が設けられていない領域の中心Ｑに隣接するアコースティックホール４１ｂを囲む枠４２ｂ内にあるアコースティックホール４１ｂの数は等しくなっている。
上記実施形態１−３を比較すると、実施形態３のようにストッパ４３に隣接するアコースティックホール４１ａをシフトさせる方法では、アコースティックホール４１ａの開口面積を小さくすることなくストッパ４３の断面積を大きくすることが可能である。しかし、アコースティックホール４１ａ、４１ｂの開口面積を最大化している場合には、アコースティックホール４１ａをシフトさせる余裕がないので、実施形態３は採用できない。実施形態１、２では、アコースティックホール４１ｂが最大化されている場合でも採用することができる。しかも、実施形態１、２ではアコースティックホール４１ａの開口面積はアコースティックホール４１ｂの開口面積よりも小さいが、アコースティックホール４１ｂを最大化することでアコースティックホール全体の開口面積を大きくできるので、Ｓ／Ｎ比が良好になる。
（実施形態１−３の変形例）
実施形態３においては、アコースティックホール４１が三角形状に配列されていたが、アコースティックホール４１の配列の仕方は三角形状の配置に限らない。図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）では、円形を基本とするアコースティックホール４１を矩形状に配列している。特に、図１１（Ａ）の変形例では、アコースティックホール４１を矩形状に配列したうえで、ストッパ４３の周囲のアコースティックホール４１ａの開口面積を他のアコースティックホール４１ｂの開口面積よりも小さくし、さらに、ストッパ４３の周囲のアコースティックホール４１ａをストッパ４３から遠くなる方向へシフトさせている。このように、実施形態１−３を組み合わせることにより、アコースティックホール４１とストッパ４３の寸法を最適化し、アコースティックホール４１の開口面積を大きくし、かつ、より断面積の大きなストッパ４３を設けることが可能になる。
また、図１１（Ｂ）の変形例では、アコースティックホール４１を矩形状に配列し、ストッパ４３の周囲のアコースティックホール４１ａの縁をストッパ４３から遠くなる方向へ後退させてアコースティックホール４１ａの面積を小さくしている。このような形態においても、さらにアコースティックホール４１ａの大きさを相似的に小さくしたり、ストッパ４３から離れる方向へシフトさせる方法と組み合わせることができる。
図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）は、アコースティックホール４１を矩形状にした変形例である。図１２（Ａ）では、ストッパ４３の周囲のアコースティックホール４１ａの開口面積を他のアコースティックホール４１ｂの開口面積よりも小さくするとともに、アコースティックホール４１ａをストッパ４３から遠くなる方向へシフトさせている。図１２（Ｂ）では、ストッパ４３の周囲のアコースティックホール４１ａの縁をストッパ４３から遠くなる方向へ後退させてアコースティックホール４１ａの面積を小さくしている。なお、アコースティックホール４１の角はアールを施して応力集中を緩和させている。
図１３（Ａ）及び図１３（Ｂ）は、アコースティックホール４１を六角形状にしてハニカム状に配置した変形例である。図１３（Ａ）では、ストッパ４３の周囲のアコースティックホール４１ａの開口面積を他のアコースティックホール４１ｂの開口面積よりも小さくするとともに、アコースティックホール４１ａをストッパ４３から遠くなる方向へシフトさせている。図１３（Ｂ）では、ストッパ４３の周囲のアコースティックホール４１ａの縁をストッパ４３から遠くなる方向へ後退させてアコースティックホール４１ａの面積を小さくしている。
図１４は、ストッパ４３の周囲のアコースティックホール４１ａを扁平な形状、たとえば楕円形状にしたものである。アコースティックホール４１ａは、その短軸方向がストッパ４３の断面中心とアコースティックホール４１ａの中心とを結ぶ方向と平行となるように配置されている。この変形例では、アコースティックホール４１ａの開口面積をあまり小さくすることなく、好ましくはアコースティックホール４１ｂと同じ開口面積に保ったままで、ストッパ４３を設けるための領域の面積を広くすることができる。
図１５は、ストッパ４３を囲む複数個のアコースティックホール４１ａのうち一部のアコースティックホール４１ａにだけ実施形態１−３のような方法を適用したものである。図１５では、１個のアコースティックホール４１ａだけ開口面積を小さくしている。このような変形例では、アコースティックホール４１の総開口面積の減少を小さくしながら、ストッパ４３の断面積を大きくすることができる。
（設計上の留意点）
まず、ストッパ４３の配置は密になり過ぎないようにする。特に、図１６（Ａ）に示すようにストッパ４３を含む繰り返し最小単位が隣合い、あるストッパ４３に隣接するアコースティックホール４１ａと、別なストッパ４３に隣接するアコースティックホール４１ａとが重複しないようにストッパ４３が配列されていることが望ましい。第２の実施形態のような場合には、ストッパ４３を含む繰り返し最小単位が隣合っていると、図１６（Ｂ）に示すように、どのアコースティックホールの開口面積も小さくなり、アコースティックホールの総開口面積も小さくなるからである。また、第１の実施形態のような場合には、ストッパ４３を含む繰り返し最小単位が隣合っていると、大部分のアコースティックホールの開口面積が小さくなるためである。
また、ストッパ４３に隣接するアコースティックホール４１ａの縁とストッパ４３の縁とは、離間していることが望ましい。この場合には、ストッパ４３の周囲のアコースティックホール４１ａで囲まれる領域の面積は、図１７（Ａ）に示すように、ストッパ４３の断面積よりも大きくなっており、アコースティックホール４１ａで囲まれる領域内にストッパ４３が納まる。これに対し、図１７（Ｂ）に示すように、ストッパ４３の断面積が大きくなって、ストッパ４３の縁がアコースティックホール４１ａ内に飛び出たようになっていると、アコースティックホール４１ａ内に飛び出たストッパ４３の縁の端ｓに応力が集中し、バックプレート３４の強度が低下する。ストッパ４３に隣接するアコースティックホール４１ａの縁とストッパ４３の縁が離間していれば、このようなバックプレート３４の強度低下を防ぐことができる。
また、固定電極板４０は、ストッパ４３の周囲で途切れないようにすることが望ましい。すなわち、バックプレート３４に図１８（Ａ）のようにアコースティックホール４１ａとストッパ４３が設けられているとすると、固定電極板４０は、図１８（Ｂ）に示すように、アコースティックホール４１とストッパ４３の領域を除く領域の全面に設けておくことが望ましい。図１８（Ｃ）のように、ストッパ４３の周囲で固定電極板４０が途切れていると、途切れている部分の端ｓに応力が集中しやすく、音響センサを落下させたときに固定電極板４０やバックプレート３４が破損しやすくなるためである。
（実施形態４）
図１９は、本発明の実施形態４におけるストッパの配置を示す図である。この実施形態では、アコースティックホール４１に囲まれた各領域にストッパ４３、４８を設けてあり、一部のストッパ４３を囲むアコースティックホール４１ａだけに実施形態１−３のような変更を加えている。たとえば一部のストッパ４３を囲むアコースティックホール４１ａだけが、その縁を内側へ後退させてあり、ストッパ４３の断面積が他のストッパ４８の断面積よりも大きくなっている。かかる実施形態では、ストッパの数を増やすことができるので、ストッパ間にダイアフラム３３の一部が埋まり込んで固定電極板４０に固着するおそれがない。また、一部のストッパ４３の断面積が大きくなっているので、ダイアフラム３３がストッパ４３、４８に衝突しても、ダイアフラム３３が破損しにくい。しかも、アコースティックホール４１の開口面積を大きくできるので、音響センサのＳ／Ｎ比も向上させることができる。
（実施形態５）
図２０は、本発明の実施形態５に係る音響センサ５１の断面図であって、固定電極板４０の上方にダイアフラム３３を設けたことを特徴としている。音響センサ５１では、基板３２の上面に絶縁層５２を介して平板状のバックプレート３４を設けている。バックプレート３４の上面には、固定電極板４０が形成されている。空洞３５の上方において、バックプレート３４及び固定電極板４０には複数のアコースティックホール４１が開口されている。また、バックプレート３４の上面からは、ストッパ４３が突出している。この実施形態においても、アコースティックホール４１は上記各実施形態と同様な形状又は配置を有している。バックプレート３４の上方には、固定電極板４０と対向させるようにしてダイアフラム３３が配設されている。ダイアフラム３３は、バックプレート３４の上面に設けられたアンカー３８によって支持されている。
（マイクロフォンへの応用）
図２１は、本発明に係る音響センサ、たとえば実施形態１の音響センサ３１を内蔵したボトムポート型のマイクロフォン６１の概略断面図である。このマイクロフォン６１は、回路基板６２とカバー６３からなるパッケージ内に音響センサ３１と回路部である信号処理回路６５（ＡＳＩＣ）とを内蔵したものである。音響センサ３１と信号処理回路６５は、回路基板６２の上面に実装されている。回路基板６２には、音響センサ３１内に音響振動を導き入れるための音導入孔６４が開口されている。音響センサ３１は、空洞３５の下面開口を音導入孔６４に合わせ、音導入孔６４を覆うようにして回路基板６２の上面に実装されている。したがって、音響センサ３１の空洞３５がフロントチャンバとなり、パッケージ内の空間がバックチャンバとなる。
音響センサ３１と信号処理回路６５は、ボンディングワイヤ６６によって接続されている。さらに、信号処理回路６５は、ボンディングワイヤ６７によって回路基板６２に接続されている。なお、信号処理回路６５は、音響センサ３１へ電源を供給する機能や、音響センサ３１の容量変化信号を外部へ出力する機能を有する。
回路基板６２の上面には、音響センサ３１及び信号処理回路６５を覆うようにしてカバー６３が取り付けられる。パッケージは電磁シールドの機能を有しており、外部からの電気的な外乱や機械的な衝撃から音響センサ３１や信号処理回路６５を保護している。
こうして、音導入孔６４から空洞３５内に入った音響振動は、音響センサ３１によって検出され、信号処理回路６５によって増幅及び信号処理された後に出力される。このマイクロフォン６１では、パッケージ内の空間をバックチャンバとしているので、バックチャンバの容積を大きくでき、マイクロフォン６１を高感度化することができる。
なお、このマイクロフォン６１においては、パッケージ内に音響振動を導き入れるための音導入孔６４をカバー６３の上面に開口していてもよい。この場合には、音響センサ３１の空洞３５がバックチャンバとなり、パッケージ内の空間がフロントチャンバとなる。
３１、５１ 音響センサ
３２ 基板
３３ ダイアフラム
３４ バックプレート
４０ 固定電極板
４１、４１ａ、４１ｂ アコースティックホール
４２ａ、４２ｂ 枠
４３ ストッパ
６１ マイクロフォン
６２ 回路基板
６３ カバー
６４ 音導入孔
６５ 信号処理回路
Ｐ ストッパの断面中心
Ｑ アコースティックホールに囲まれていてストッパが設けられていない領域の中心
Ｄ 点Ｐからストッパに隣接するアコースティックホールの縁までの最短距離
ｄ 点Ｑからその周囲のアコースティックホールの縁までの最短距離

Claims (14)

  1. 空洞を有する基板と、
    前記基板の上方に設けられた振動電極板と、
    前記基板の上に設けられたバックプレートと、
    前記振動電極板に対向させて前記バックプレートに設けられた固定電極板と、
    前記バックプレート及び前記固定電極板に設けられた複数個の孔と、
    前記バックプレートの、前記振動電極板に対向する箇所に設けられた突起と、
    を備え、
    前記バックプレート及び前記固定電極板に設けられた複数個の孔が規則的に配列しており、
    前記基板の上面に垂直な方向から見たとき、前記孔が規則的に配置された領域内に設けられた前記突起の断面中心から前記突起に隣接する孔の縁までの最短距離が、前記突起に隣接する前記孔のいずれについても、前記孔に囲まれていて前記突起が設けられていない領域の中心からその周囲の孔の縁までの最短距離よりも大きくなっていることを特徴とする静電容量型トランスデューサ。
  2. 前記孔が一定面積の領域を単位として規則的に配列され、
    前記一定面積の領域のうち前記突起を有する領域に含まれる前記孔の総面積は、前記突起を有しない領域に含まれる前記孔の総面積よりも小さいことを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型トランスデューサ。
  3. 前記突起に隣接する孔を囲む領域内に含まれる孔の数が、前記孔に囲まれていて前記突起が設けられていない領域の中心に隣接する孔を囲む領域内に含まれる孔の数に等しいことを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型トランスデューサ。
  4. 空洞を有する基板と、
    前記基板の上方に設けられた振動電極板と、
    前記基板の上に設けられたバックプレートと、
    前記振動電極板に対向させて前記バックプレートに設けられた固定電極板と、
    前記バックプレート及び前記固定電極板に設けられた複数個の孔と、
    前記バックプレートの、前記振動電極板に対向する箇所に設けられた突起と、
    を備え、
    前記突起に隣接する前記孔のうち少なくとも１つの孔の面積が、前記突起に隣接しない孔の面積よりも小さいことを特徴とする静電容量型トランスデューサ。
  5. 前記突起に隣接する孔と、それ以外の孔とが、相似な形状であることを特徴とする、請求項４に記載の静電容量型トランスデューサ。
  6. 空洞を有する基板と、
    前記基板の上方に設けられた振動電極板と、
    前記基板の上に設けられたバックプレートと、
    前記振動電極板に対向させて前記バックプレートに設けられた固定電極板と、
    前記バックプレート及び前記固定電極板に設けられた複数個の孔と、
    前記バックプレートの、前記振動電極板に対向する箇所に設けられた突起と、
    を備え、
    前記突起に隣接する孔のうち少なくとも１つの孔は、他の孔に比べて前記突起に近い領域の縁が孔の内側へ引っ込んでいることを特徴とする静電容量型トランスデューサ。
  7. 前記突起に隣接する孔以外の孔は、互いに同一又は相似な形状を有しており、
    前記突起に隣接する孔のうち少なくとも１つの孔と、それ以外の孔とは、同一の形状でなく、かつ、相似な形状でないことを特徴とする、請求項６に記載の静電容量型トランスデューサ。
  8. 空洞を有する基板と、
    前記基板の上方に設けられた振動電極板と、
    前記基板の上に設けられたバックプレートと、
    前記振動電極板に対向させて前記バックプレートに設けられた固定電極板と、
    前記バックプレート及び前記固定電極板に設けられた複数個の孔と、
    前記バックプレートの、前記振動電極板に対向する箇所に設けられた突起と、
    を備え、
    前記突起に隣接する孔以外の孔が一定のピッチで規則的に配列しており、
    前記突起に隣接する孔の位置が、孔の規則的な位置よりも前記突起から離れる方向へ偏っていて、前記突起に隣接する孔どうしの間隔が、前記突起に隣接しない孔どうしの間隔よりも広くなっていることを特徴とする静電容量型トランスデューサ。
  9. 空洞を有する基板と、
    前記基板の上方に設けられた振動電極板と、
    前記基板の上に設けられたバックプレートと、
    前記振動電極板に対向させて前記バックプレートに設けられた固定電極板と、
    前記バックプレート及び前記固定電極板に設けられた複数個の孔と、
    前記バックプレートの、前記振動電極板に対向する箇所に設けられた突起と、
    を備え、
    前記突起に隣接する孔のうち少なくとも１つの孔が扁平な開口形状を有し、
    扁平な開口形状を有する孔は、その短軸方向が、その中心と前記突起の断面中心とを結ぶ方向を向いていることを特徴とする静電容量型トランスデューサ。
  10. 前記突起に隣接する孔の縁と前記突起の縁とが離間していることを特徴とする、請求項１、４、６、８または９のうちいずれか１項に記載の静電容量型トランスデューサ。
  11. 前記突起に隣接する孔で囲まれた領域の面積が、前記突起の断面積よりも大きいことを特徴とする、請求項１、４、６、８または９のうちいずれか１項に記載の静電容量型トランスデューサ。
  12. ある突起に隣接する孔と、別な突起に隣接する孔とが重複しないように前記突起が配列されていることを特徴とする、請求項１、４、６、８または９のうちいずれか１項に記載の静電容量型トランスデューサ。
  13. 請求項１、４、６、８または９のうちいずれか１項に記載の静電容量型トランスデューサを利用した音響センサであって、
    前記孔が、音響振動を通過させるためのアコースティックホールであることを特徴とする音響センサ。
  14. 請求項１３に記載の音響センサと、前記音響センサからの信号を増幅して外部に出力する回路部とを備えたマイクロフォン。
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