WO2007125985A1

WO2007125985A1 - 機械電気変換素子及びその製造方法

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Publication number: WO2007125985A1
Application number: PCT/JP2007/059041
Authority: WO
Inventors: Kensuke Kageyama
Original assignee: National University Corporation Saitama University
Priority date: 2006-04-27
Filing date: 2007-04-26
Publication date: 2007-11-08
Also published as: US20090202083A1; EP2019298A4; EP2019298A1; JP2007298297A; US8265287B2; JP4810661B2

Abstract

　平坦な振動面を有する導電体からなる振動子（振動板）１４と、振動子（振動板）１４の振動面に対向した平坦な第１主面及びこの第１主面に平行に対向する第２主面で定義され、分極方向を揃えた誘電分極板１３と、誘電分極板１３の第２主面に接合された背面電極１２と、振動子（振動板）１４と背面電極１２間に振動面の変位に伴い誘導される電荷を測定する誘導電荷測定手段（２１，９）とを備えるマイクロフォンカプセルである。ここで、誘導電荷測定手段（２１，９）は、背面電極１２に接続された増幅器（ＦＥＴ）２１と、増幅器（ＦＥＴ）２１に接続された出力回路９を備える。

Description

明細書

機械電気変換素子及びその製造方法

技術分野

[0001] 本発明は、電気音響変換素子等の、機械的振動を電気信号に変換する機械電気変換素子及びその製造方法に関する。

背景技術

[0002] ポリカーボネートなどのある種の高分子化合物は、外部から高い電界を加えると、表面に誘導された電荷が、半永久的に保持されるという性質がある。へヴィサイトは、このような半永久的に電荷が保持された状態になっている材料を、「エレクトレット」と名付けた。振動板と一体のコイル (ボイスコイル）が磁界の中で動く構造のダイナミックマイクロフォンに対し、エレクトレットコンデンサマイクロフォン（ECM)は、振動板に近接して平行に、エレクトレットが配置されている。そして、振動板が音で振動するとェレクトレットとの距離が変動するので、エレクトレットの帯電状況が変化して音信号を電気の変動として取り出すことができる。し力しこの信号は非常に小さいので、マイク口フォンユニットに内蔵された電界効果トランジスタで増幅するようになっている。

[0003] ECMの性能を向上させるためには、高分子フィルムのエレクトレット量（分極量）を増加させることが必要である力コロナ放電を使用して高分子をエレクトレツトイ匕する手法では，残留分極量は 30 CZm²程度が限界となっている。又、 ECMの電極間の空間は極めて清浄であることが求められるため、 ECMの製造はクリーンルームのような清浄な環境で行われる必要がある。

[0004] 一方，強誘電材料は，上記のエレクトレットフィルムより 1万倍以上もの残留分極を有する材料が存在する。しかし，エレクトレットとして使用するためには、表面に吸着した荷電粒子の影響を取り除く必要がある等の問題がある。

発明の開示

[0005] 上記のように、従来の ECMの製造はクリーンルームのような清浄な環境で行われる必要があり、製造コストが割高になる難点を有していた。更に、コロナ放電により空間電荷を保持させて製造したエレ外レットフィルムは，長期間使用すると空間電荷の移動が無視できなくなり分極量が劣化するため，動作の安定性や、エレクトレットとして使用する高分子フィルムの耐熱性に問題があった。更に、高分子フィルムのエレクトレット量 (分極量)が小さいため、増幅器等を内蔵することが必須であり、小型化にも問題があった。

[0006] 一方，非常に高い残留分極量を有する強誘電材料をエレクトレットとして使用するためには、表面に吸着した荷電粒子の影響がを除去しなければならない問題があつた。

[0007] 上記問題を鑑み、本発明は、製造コストが低ぐ耐熱性が高ぐ小型化が容易で、且つ動作の安定性の高 1、機械電気変換素子及びその製造方法を提供することを目的とする。

[0008] 上記目的を達成するために、本発明の態様は、 (a)平坦な振動面を有する導電体力もなる振動子と、（b)振動面に対向した平坦な第 1主面及びこの第 1主面に平行に対向する第 2主面で定義される強誘電体からなる誘電分極板と、 (c)第 2主面に接合された背面電極と、（d)振動面の変位に伴い、誘電分極板に誘導される電荷を測定する誘導電荷測定手段とを備える機械電気変換素子であることを特徴とする。ここで、「強誘電体」について少し説明する。「誘電体」とは、物質に電界を加えると正電荷はマイナス方向に、負電荷はプラス方向に引かれて分極を生じる電気的絶縁体のことである。この誘電体において、結晶構造が対称中心を持たず（=非対称な構造を有する）、イオンが変位して分極を生じた物質が「圧電体」と呼ばれる。これらの圧電体の中で、永久双極子を有し、配向分極を生じるものが焦電体と呼ばれる。更に、これらの焦電体において永久双極子が外部電界によって人工的に反転させることが出来る物質が「強誘電体」と呼ばれる。したがって、強誘電体は、焦電性、圧電性、誘電性を示す。したがって、「強誘電体」の上位概念を階層的に示せば：

誘電体 >圧電体 >焦電体 >強誘電体

のようになる。

[0009] 従来エレクトレットとして使用されている高分子フィルムは、コロナ放電により空間電荷を注入するタイプで，圧電体に含まれ一部は焦電体でもある。しかし、強誘電体ではない。「強誘電体」の定義は以下の通りである： (a)外力電界を与えなくても、自発的に分極 (自発分極)して、る誘電体である。

(b)外から強ヽ電界を与えると自発分極が反転するヒステリシス特性を有する。

(c)非極性相となるキュリー温度 (キュリー点）が存在する。

[0010] 本発明の態様に係る機械電気変換素子に用いる強誘電体は、主として強誘電体セラミックスの単結晶若しくは多結晶であり、キュリー温度を有する一部の結晶性高分子も含まれる。

[0011] 強誘電体セラミックスとしては、以下のようなぺロブスカイト型化合物、タングステンブロンズ構造化合物、ビスマス系層状構造化合物、ウルッ鉱 (ウルッアイト型)構造結晶、酸化亜鉛、水晶、ロッシエル塩 (NaK (C H O ) ·4Η Ο)力採用可能である：

4 4 6 2

I.ぺロブスカイト型化合物

1- 1.チタン酸鉛 (PbTiO )

3

残留分極 0. 2C/

PbTiO薄膜 (水熱合成）：残留分極 lCZm²

3

キュリー温度は 490°C付近

1- 2.チタン酸ジルコン酸鉛（PZT)

残留分極 0. 15〜0. 7CZm² (組成により複雑に変化する）

キュリー温度は組成により複雑に変化する力概ね 130〜400°Cである。例えば、 Pb (TiO ) — Pb (ZrO ) では、残留分極 0. 4C/m²,キュリー温度 300°C

0.3 3 0.7 0.7 3 0.3

であり、 Pb (TiO )— 0· 5Pb (ZrO )では、残留分極 0· 5C/m²,キュリー温度 3

0.5 3 0.5 3

50°Cである。

1- 3.ランタンドープジノレコン酸チタン酸翁 (PLZT)

1-4.チタン酸バリウム（BaTiO )

3

キュリー温度は 130°C付近

1- 5.ニオブ酸リチウム（LINbO )

3

キュリー温度は 1210°C

II.タングステンブロンズ構造ィ匕合物

II— 1.メタニオブ酸鉛 (PbNb O )

2 6

キュリー温度は 570°C付近 II - 2.タングステン酸ビスマス（Bi WO )

2 6

キュリー温度 940°C,残留分極 0. 02C/m²

III.ビスマス系層状構造化合物

ビスマス.ランタン.チタン酸化物（BLT) (残留分極 0. 15CZm²) , Bi Ti O (

4 3 12 残留分極 0. 4C/m²) , CaBi Ti O (残留分極 0. 25C /rn )

4 4 15

IV.ウルッ鉱（ウルッアイト型)構造結晶

V.酸ィ匕亜鉛 (ZnO)

VI.水晶（SiO )

2

キュリー温度は 573°C付近

VII.ロッシエル塩（NaK (C H O ) · 4Η Ο)

4 4 6 2

一方、「キュリー温度を有する一部の結晶性高分子」としては、以下のようなフッ素系高分子強誘電体等が採用可能である：

I.ポリフッ化ビ-リデン（PVDF)

II.フッ化ビニリデン ·三フッ化ビニリデン共重合体単結晶

残留分極 0. l lC/m²,キュリー温度は 120°C付近

III. VDFオリゴマー

残留分極. 13C/m²

IV.ジヒドロキシ p ベンゾキノン類（クロラ-ル酸）

残留分極 8mCZm²

本発明の他の態様は、（a)平坦な第 1主面及びこの第 1主面に平行に対向する第 2 主面で定義される強誘電体力なる誘電分極板の第 2主面に背面電極を接合する工程と、（b)誘電分極板を、脱分極温度からキュリー温度の間の除電温度まで加熱し、誘電分極板の表面に帯電していた電荷を除去する工程と、（c)平坦な振動面を有する導電体からなる振動子を用意し、振動面に第 1主面が対向するようにして、誘電分極板及び背面電極を、除電温度において、振動子と共に導電性のケースに収納し、振動子と誘電分極板間の空間を密閉する工程と、（d)振動子と誘電分極板間の空間を密閉後、誘電分極板を室温に戻す工程とを含む機械電気変換素子の製造方法であることを特徴とする。ここで、「脱分極温度 (depolarization temperature)」とは、強誘電体 (より一般的には圧電体)の分極が急激に減少し始める温度の事を！ヽぅ。強誘電体 (圧電体)の分極完全に消滅する温度は「キュリー温度」であるが、現実のェ業的応用においては、「何 °Cで分極が大幅に消滅する力」という点で、キュリー温度よりも重要視されている。脱分極温度の多くは、摂氏でキュリー温度の 40〜80%の範囲にある。脱分極温度はふつう、分極した試料をゆっくりと加熱しながら、焦電電流を測定していくと、残留分極が消滅する際に急激に大量の電流が流れる温度が観察される事から、この温度をもって脱分極温度とする事が多い。例えば、以下の表 1に例示するように、チタン酸バリウム (BaTiO )のキュリー温度は 130°C付近であるが、

3

脱分極温度 80°Cである。又、チタン酸鉛 (PbTiO )のキュリー温度は 490°C付近で

3

あるが、脱分極温度 300°Cである。チタン酸ジルコン酸鉛（PZT: Pb (TiO ) -Pb

0.5 3 0.5

(ZrO ) )のキュリー温度 350°Cである力脱分極温度は、 190°Cである。

0.5 3 0.5

[表 1]

(表 1 )

したがって、より多くの脱分極温度は、摂氏でキュリー温度の 50〜70%の範囲にあり、更により多くは、摂氏でキュリー温度の 55〜65%の範囲にあると言える。「脱分極温度力キュリー温度の間の除電温度」であるので、除電温度の上限は、キュリー温度である。キュリー温度に近づくほど残留分極の減少が大きくなるため、材料によつては、除電温度をキュリー温度ギリギリまで設定することもありうる。しかし、実用上の観点からは、キュリー温度より 10°C〜20°C程度低い温度に除電温度を設定しても、脱分極温度以上であれば、十分に効果が期待できる。プロセスの低温下という意味では、キュリー温度より 20°C程度低い温度の範囲内に除電温度を設定しても、脱分極温度以上である限り、十分に本発明の効果が期待できる。

[0014] 本発明によれば、製造コストが低ぐ耐熱性が高ぐ小型化が容易で、且つ動作の安定性の高い機械電気変換素子及びその製造方法を提供できる。

図面の簡単な説明

[0015] [図 1]本発明の第 1の実施の形態に係る機械電気変換素子 (マイクロフォンカプセル）の概略構成を説明する模式的な断面図である。

[図 2]本発明の第 1の実施の形態に係る機械電気変換素子の設計パラメータを説明する模式的な断面図である。

[図 3]本発明の第 1の実施の形態に係る機械電気変換素子 (マイクロフォンカプセル）の製造方法を説明する模式的な工程断面図である。

[図 4]本発明の第 1の実施の形態の変形例に係る機械電気変換素子 (マイクロフォンカプセル)の概略構成を説明する模式的な断面図である。

[図 5]本発明の第 2の実施の形態に係る機械電気変換素子 (マイクロフォンカプセル）の概略構成を説明する模式的な断面図である。

[図 6]本発明の第 2の実施の形態に係る機械電気変換素子 (マイクロフォンカプセル）の製造方法を説明する模式的な工程断面図である。

[図 7]本発明の第 3の実施の形態に係る機械電気変換素子 (マイクロフォンカプセル）の概略構成を説明する模式的な断面図である。

[図 8]本発明の第 3の実施の形態に係る機械電気変換素子 (マイクロフォンカプセル）の製造方法を説明する模式的な工程断面図である。

[図 9]本発明の第 3の実施の形態の変形例に係る機械電気変換素子 (マイクロフォンカプセル)の概略構成を説明する模式的な断面図である。

[図 10]本発明の第 4の実施の形態に係る機械電気変換素子 (マイクロフォンカプセル )の概略構成を説明する模式的な断面図である。

[図 11]本発明の第 4の実施の形態に係る機械電気変換素子 (マイクロフォンカプセル )の感度回復方法を説明する模式的な工程断面図である。

[図 12]本発明の第 5の実施の形態に係る機械電気変換素子 (AEセンサ）の概略構成を説明する模式的な断面図である。

[図 13]本発明の第 6の実施の形態に係る機械電気変換素子 (加速度センサ)の概略構成を説明する模式的な断面図である。

[図 14]本発明の第 6の実施の形態の変形例に係る機械電気変換素子 (加速度センサ)の概略構成を説明する模式的な断面図である。

[図 15]本発明の第 7の実施の形態に係る機械電気変換素子の概略構成を説明する模式的な断面図である。

[図 16]本発明の第 8の実施の形態に係る機械電気変換素子 (ァクチユエータ)の概略構成を説明する模式的な断面図である。

[図 17]本発明の第 8の実施の形態に係る機械電気変換素子の振動板に、スピーカから音響を与える様子を示す模式図である。

[図 18]図 17に示すァクチユエータを用いて、スピーカからの 1kHzの音響を与えた場合の出力を、従来技術に係る市販のマイクロフォンと比較して示す図である。

[図 19]第 8の実施の形態に係るァクチユエータに交流電源から交流電圧を印加し、振動板の変位をレーザー変位計により測定する様子を示す模式図である。

[図 20]図 19に示す測定システムを用いて得られた変位と入力電圧の関係を示す図である。

発明を実施するための最良の形態

[0016] 次に、図面を参照して、本発明の第 1〜第 8の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。又、第 1〜第 8の実施の形態で例示的に記述した各層の厚さや寸法等も限定的に解釈すべきではなく、具体的な厚みゃ寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものであり、特に、以下において式（1)〜（3) 等で示される設計指針と要求される特性や仕様に応じて、種々の値に決定されることが可能であることに留意すべきである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

[0017] 又、以下に示す第 1及び第 2の実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

[0018] (第 1の実施の形態）

図 1に示すように、本発明の第 1の実施の形態に係る機械電気変換素子は、平坦な振動面を有する導電体からなる振動子 (振動板） 14と、振動板 14の振動面に対向した平坦な第 1主面及びこの第 1主面に平行に対向する第 2主面で定義され、分極方向を揃えた誘電分極板 13と、誘電分極板 13の第 2主面に接合された背面電極 12 と、振動板 14と背面電極 12間に、振動面の変位に伴い誘導される電荷を測定する誘導電荷測定手段（21, 9)とを備えるマイクロフォンカプセルである。無負荷時には、誘電分極板 13の第 1主面は、振動板 14の振動面に平行に対向している。ここで、誘導電荷測定手段（21, 9)は、背面電極 12に接続された増幅器 (FET) 21と、増幅器 (FET) 21に接続された出力回路 9を備える。出力回路 9は、一方の端子を接地した直流電源 Eと、この直流電源 Eと増幅器 (FET) 21との間に接続された出力抵抗 R と、出力抵抗 Rと増幅器 (FET) 21との接続ノードに一方の電極を接続し、他方の電極を出力端子とする結合容量 Cを備える。誘導電荷測定手段 (21, 9)の出力端子となる結合容量 Cの出力端子には、外部回路（図示省略)が接続され、外部回路によりマイクロフォンに接続される通信装置や記録装置に必要な信号処理がなされる。本発明の第 1の実施の形態に係る機械電気変換素子の誘導電荷測定手段（21, 9)は、背面電極 12と振動板 14間の電位を増幅器 (FET) 21で増幅することにより、振動板 14の振動面の変位に伴い、誘電分極板 13に誘導される電荷を測定している。

[0019] 平面図や鳥瞰図の図示を省略しているが、図 1に示すマイクロフォンカプセルの振動板 14、誘電分極板 13及び背面電極 12はそれぞれ半径 3〜40mmの円板形状である。図 1に示すように、円板状の誘電分極板 13及び背面電極 12は、絶縁体のスぺーサリング 17と円筒状の絶縁体力もなるホルダ 16との間に挟み込まれている。スぺーサリング 17の上端面には、円板状の振動板 14の周辺部が接続されている。即ち、スぺーサリング 17は、互いに平行に対向する振動板 14と誘電分極板 13との間隔を規定している。誘電分極板 13の厚さは例えば 20〜400 /ζ πι程度、背面電極 12の厚さは例えば 10〜： LOO /z m程度、振動板 14の厚さは例えば 10〜： LOO m程度に選定することができるが、振動板 14、誘電分極板 13及び背面電極 12の具体的な厚さや半径は、後述する式（1)〜（3)に示される設計指針と要求される性能や仕様に応じて決定されるちのである。

[0020] ホルダ 16の下端面には、配線用開口を有する金属製円板力なる底板 15が接続され、底板 15、ホルダ 16、スぺーサリング 17及び振動板 14が、導電性 (金属製)のケース 11に収納されてマイクロフォンカプセルを構成して、る。導電性 (金属製)のケース 11と底板 15とは、ハンダ 151, 152で接続され、底板 15と FET21からの接地配線も底板 15の配線用開口において、ハンダ 153で接続されている。 FET21は、背面電極 12の中央部近傍に融着されたハンダ 122を介して、背面電極 12に電気的に接続されている。背面電極 12及び誘電分極板 13には、背面電極 12及び誘電分極板 13を貫通する貫通孔 131, 132が設けられている力貫通孔 131, 132は、誘電分極板 13と振動板 14とのギャップ空間に、（必要に応じて)絶縁性の高い気体 (絶縁ガス）を封入できるように、ハンダ 121, 123を用いて封じられている。絶縁ガスとしては、窒素，六フッ化硫黄などが採用可能である。絶縁ガスの他、シリコーンオイルなど絶縁流体を誘電分極板 13と振動板 14とのギャップ空間を満たしても、絶縁破壊強度が増し、放電が生じに《なる。その結果、放電により付着する誘電分極板 13の表面の電荷量を低減でき、感度が向上する。絶縁ガスや絶縁流体を満たす代わりに、誘電分極板 13と振動板 14とのギャップ空間を真空状態としても、感度を向上させることができる。

[0021] なお、振動板 14、誘電分極板 13及び背面電極 12はそれぞれ円板形状である必要はなぐ楕円形、矩形等他の幾何学的形状でも構わないし、この場合、導電性 (金属製)のケース 11等他の部材も、振動板 14、誘電分極板 13及び背面電極 12の幾何学的形状に適合するように設計されることは勿論である。

[0022] 本発明の第 1の実施の形態に係る機械電気変換素子 (マイクロフォンカプセル）にぉヽては、残留分極量の大きヽ強誘電体を誘電分極板 13として使用してヽる点が、従来の高分子フィルムをエレクトレットとして用いたマイクロフォンカプセルとは、異なる点である。強誘電体の残留分極量は、従来エレクトレットとして使用されている高分子フィルム (最大 50 CZm²程度)より大幅に大きい。従来エレクトレットとして使用されている高分子フィルムは、コロナ放電により空間電荷を注入するタイプで、強誘電体の上位概念に位置する圧電体に含まれ、一部は焦電体でもある。

[0023] 第 1の実施の形態に係る機械電気変換素子 (マイクロフォンカプセル)の誘電分極板 13に用いる強誘電体としては、既に「発明の開示」の欄で述べたような、強誘電体セラミックスの単結晶若しくは多結晶、又は、キュリー温度を有する一部の結晶性高分子等が採用可能である。

[0024] <機械電気変換素子の設計 >

従来の ECMカプセルに用いられるエレクトレットは、コロナ放電により空間電荷を注入するタイプで，圧電体に含まれ一部は焦電体でもある。しかし、第 1の実施の形態に係る機械電気変換素子 (マイクロフォンカプセル)の誘電分極板 13では、圧電特性ではなく強誘電体としての、残留分極が高いことが求められる。そのため、従来の ECMカプセルとは設計指針が異なる。

[0025] 図 2に示すように、振動板 14の厚さを t ,振動板 14と誘電分極板 13とのギャップの間隔を t ,誘電分極板 13の厚さを t ,振動板 14及び誘電分極板 13の半径を rとした g e

場合、コンデンサ回路の式と梁の橈みの式を用いることにより、単位音圧あたりの出力 V (V/Pa)は、以下の式で与えられる：

ν =(Ε /4σ ) · ( ε t + ε t)/ ε (1)

max max e g g e e

ここで、 ε は誘電分極板 13の誘電率、 ε はギャップを満たす媒体の誘電率、 Ε は

e g max 絶縁破壊強度 (VZm)、 σ は最大許容音圧である。このとき、ギャップの間隔 tは

max g

、以下の値となるように設計される。

[0026] t =(2aa /S)-(r⁴/t ³)-( ε / ε )t (2)

g max v g e e

ここで、 Sは振動板の弾性率、 aは形状係数である。又、このとき必要な残留分極 ( C/m)は、以下の値となる。

[0027] Ρ =(Ε /2)·( ε t + ε t /t ) (3)

r max e g g e e

厚さ lmm以内の超小型マイクロフォンカプセルの設計例を表 2に示す。

[表 2] (表 2)

[0028] 表 2に示すように、誘電分極板 13の厚さ t = 200 m,ギャップの間隔 t = 267 m,振動板 14の厚さ t = 20 m(t +t +tの合計が 500 m以下）で， v = 16. 7V

ZPaと飛躍的に大きな単位音圧あたりの出力を得ることが可能である。このとき必要とされる残留分極量 Pは 0. 059CZm²であり、強誘電セラミックスの大半がこれを大幅に超える残留分極量 Pを有する。

[0029] <マイクロフォンカプセルの製造方法 >

図 3を用いて、本発明の第 1の実施の形態に係る機械電気変換素子 (マイクロフォンカプセル)の製造方法を説明する。なお、以下に述べる機械電気変換素子 (マイク口フォンカプセル)の製造方法は、一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により、実現可能であることは勿論である。

[0030] (a)前駆体としての円板状の誘電分極板 13のグリーン体 (粉末成形体)を用意し、誘電分極板 13を貫通する貫通孔 131, 132を開口する。このグリーン体を焼結して強誘電セラミックス焼結体を得るとともに，焼結時にこの誘電分極板 13の両面に円板状の金属板を焼き付ける。その後、分極処理を施す。金属板 (焼き付け電極)は片側だけを背面電極 12として残す。又は、最初カゝら背面電極 12となる片側のみに金属板 (焼き付け電極)を取り付けて分極処理を施す。なお、背面電極 12となる片側の金属板 (焼き付け電極）には、誘電分極板 13に設けられた貫通孔 131, 132に連続する開口部を焼き付け前、若しくは焼き付け後に設けておく。そして、片側に背面電極（焼き付け電極） 12が付いた円形の誘電分極板 13を、図 3 (a)に示すように、金属基板 31の上に乗せる。

[0031] (b)そして、誘電分極板 13の脱分極温度からキュリー温度の間に予め設定された除電温度 (例えば PZTの場合は、 150°C程度〜 300°C程度)まで、誘電分極板 13を加熱し、図 3 (b)に示すように、誘電分極板 13の残留分極を低下させ、表面電荷を除去する。この際、背面電極 12の中央部近傍に、融点が加熱温度と同程度、若しくは、加熱温度より少し融点が低いハンダ 122を融着する。後述する本発明の第 4の実施の形態に係る機械電気変換素子 (マイクロフォンカプセル)の感度回復方法のように、再加熱により感度回復をする場合は、高融点ハンダ等、融点が誘電分極板 13のキュリー温度と同程度、若しくは、キュリー温度より高めの値のものを選ぶのが好ましい（この時点で、 FET21に接続する配線を、高融点ハンダを介して、背面電極 12〖こ接続しておいても良い。 )

[0032] (c)円板状の金属（導電体)からなる振動板 14の周辺に絶縁体のスぺーサリング 1 7を接続した構造物を用意し、その上に、誘電分極板 13を取り付ける。更に、図 3 (c) に示すように、誘電分極板 13及び背面電極 12を挟み込むように、円筒状の絶縁体力もなるホルダ 16を接続する。この際、必要に応じて絶縁性の高い気体 (絶縁ガス）を、誘電分極板 13と振動板 14のギャップ空間に送り込む。この状態では、貫通孔 13 1, 132は、空気又は絶縁ガスの流路になっている。

[0033] (d)その後、誘電分極板 13を常温に冷却し、図 3 (d)に示すように、ハンダ 121, 12 3を用いて、貫通孔 131, 132を塞ぎ、振動板 14と誘電分極板 13の間を気密に密閉する（後述する本発明の第 4の実施の形態に係る機械電気変換素子の感度回復方法のように、再加熱により感度回復をする場合は、ハンダ 121, 123には、高融点ハンダ等、融点が誘電分極板 13のキュリー温度と同程度、若しくは、キュリー温度より高めの値のものを選び、誘電分極板 13を常温に冷却する前に、ハンダ 121, 123を用いて、貫通孔 131, 132を塞いだ後、常温に冷却するのが好ましい。 ) o更に、ハンダ 122を介して、 FET21などの電子部品を接続し、ホルダ 16の上端に、配線用開口を有する金属製円板力もなる底板 15を接続し、これを図 3 (e)に示すように、導電性（金属製)のケース 11に収納する (後述する本発明の第 4の実施の形態に係る機械電気変換素子の感度回復方法のように、再加熱により感度回復をする場合は、 FET21 などの電子部品には、 200°C程度〜 300°C程度の温度に耐えられるものを選定するの力好ましい。 ) o導電性 (金属製)のケース 11と底板 15とをノヽンダ 151, 152で接続し、底板 15と FET21からの接地配線も底板 15の配線用開口において、ハンダ 15 3で接続すれば、図 1に示すようなマイクロフォンカプセルが完成する。

[0034] 以上のように、誘電分極板 13は分極方向が揃っていても、その表面は荷電粒子を吸着しているため、そのままでは、第 1の実施の形態に係るマイクロフォンカプセルに使用することはできない。しかし、強誘電体はキュリー温度近傍まで加熱すると、自発分極量が大幅に低下する。そのため、背面電極 12とともに強誘電体からなる誘電分極板 13を、高々、キュリー温度より 10°C程度低い除電温度まで加熱すると、容易に表面電荷を除去することが可能である。このように、誘電分極板 13の分極量を大きく低減させ、誘電分極板 13の上面を接地して表面に吸着していた荷電粒子の影響を除去する。そして、振動板 14とケースに誘電分極板 13を組み込み冷却する。すると、誘電分極板 13の分極が加熱前の状態に戻るため、電極間に高い電界が生じる。電界の大きさは誘電分極板 13の分極特性と厚さ、電極間距離による力 kV/mm 以上の電界を生じさせることが容易に可能である。

[0035] キュリー温度に近づくほど自発分極が低下するので，キュリー温度から 10〜20°C 低!ヽ除電温度まで加熱することが望ま Uヽが、チタン酸ジルコン酸鉛 (PZT)のような残留分極が大きい強誘電体は、自発分極の低下がわずかでも本発明の効果を得ることができるので，脱分極温度以上であれば、もっと低い除電温度までの加熱で構わない。例えば、 Pb (TiO ) -Pb (ZrO ) の残留分極は、室温では 0. 4CZm²

0.3 3 0.7 0.7 3 0.3

である力 100。Cでは。. 25CZm²であり、 200。Cで。. 2CZm²であり、 250。Cで。. lCZm²である。

[0036] PZTを誘電分極板 13として用、て製造した第 1の実施の形態に係るマイクロフォンカプセル A, Bと従来技術（市販の ECMカプセル）との特性の比較を表 2に示す。 10 0〜： LOOOHzにおける従来技術に対する出力比の測定では、従来技術と第 1の実施の形態に係るマイクロフォンカプセル A, Bとで、入力音圧、増幅アンプは同一条件としている。

[表 3]

(表 3)

[0037] 表 3において、マイクロフォンカプセル A, Bは、上述した図 3 (b)に示す段階での製造工程では、空気中で、加熱温度は 200°Cとしている。振動板 14の厚さ t = 20 μ ηι のマイクロフォンカプセル Βでは、 100〜1000Ηζにおいて、従来技術に対する出力比 32dBであり、大幅に感度が向上したマイクロフォンカプセルが得られたことが分かる。マイクロフォンカプセル Bの残留分極は最大 12mCZm²であり、 PZTの残留分極はこれより桁違いに大き!/、ため，もっと低!、除電温度でも同様な性能を得ることが可能と考えられる。

[0038] 振動板 14の厚さ t = 100 μ mのマイクロフォンカプセル Αでも、 100〜： LOOOHzにおいて、従来技術に対する出力比 8dBであり、感度が向上していることが分かる。マイク口フォンカプセル Aの残留分極は最大 4. 5mCZm²であり、この場合でも、 PZT の残留分極はこれより桁違いに大きいことが分かる。

[0039] 但し、マイクロフォンカプセル A, Bは、クリーンベンチやクリーンルームを使用せず、清浄空気中で製造していないため、絶縁破壊強度は低い可能性があるので、タリーンベンチやクリーンルーム中で製造した場合は、更に感度の高いマイクロフォン力プセルの製造が可能である。

[0040] 表 3に示したマイクロフォンカプセル Bの出力特性力も分力るように、振動板 14や誘電分極板 13の形状'寸法等を含めて、マイクロフォンカプセルを適切に設計すれば、 Vオーダーの出力を得ることが可能であり、図 4に示す変形例のように、図 1に示した構造における増幅器 (FET) 21及び出力回路 9を省略可能である。図 4に示すマイクロフオンカプセルの構造では、背面電極 12の中央に、ハンダ 122で接続された出力用リード (配線)が、「振動面の変位に伴い誘導される電荷を測定する誘導電荷測定手段」に相当する。即ち、図 4に示す第 1の実施の形態の変形例に係るマイクロフオンカプセルの構造では、背面電極 12と振動板 14間の電位を直接出力することにより、振動板 14の振動面の変位に伴い、誘電分極板 13に誘導される電荷を測定している。出力用リード (配線)の出力端子には、外部回路（図示省略)が接続され、外部回路によりマイクロフォンに接続される通信装置や記録装置に必要な信号処理がなされる。図 4に示す第 1の実施の形態の変形例に係る機械電気変換素子によれば、無電源のマイクロフォンカプセルを製造することもでき、増幅器 (FET) 21や出力回路 9が不要となるので、小型化が容易で、製造コストも低減できる。

[0041] <低コスト環境における製造 >

電極間の空間に不純物が浮遊していると、それが帯電して、放電を引き起こす。これを防ぐために、クリーンベンチ、クリーンルームや真空中などの清浄雰囲気で製造を行うことが、感度特性の向上には望ましいことは上述した通りである。

[0042] しかし、一方で、誘電分極板 13は浮遊して、る荷電粒子を吸着する特性を利用して、低コストでの製造することもできる。例えば、誘電分極板 13表面がポーラスな状態であれば、図 3 (d)の段階で、冷却すると、誘電分極板 13の分極の増大により電極間中の荷電粒子は誘電分極板 13中に吸着される。これにより電極に影響を及ぼす誘電分極板 13の分極量は減少するが、誘電分極板 13の分極特性と厚さ、電極間距離を適切に設計すれば、それでもなお電極間に高い電界を保持することが可能である。このため、クリーンルーム設備等の清浄空気中以外の環境でも、製造可能であり、設備投資を考慮すれば、低コストでの製造も可能となる。

[0043] <耐熱性が高い > 従来の ECMのエレクトレットとして使用されている高分子フィルムは、温度が上昇すると分極量が低下し元に戻ることはなぐ感度が低下する。しかし、強誘電体は、キユリ一温度まで温度が上昇しない限り温度上昇により自発分極量が一時的に低下しても、温度が室温に下がると自発分極量は元に戻るので、第 1の実施の形態に係る機械電気変換素子の耐熱性は高ぐ感度の低下がない。又、温度上昇時は、強誘電体の自発分極量の低下に伴い感度は一時的に低下している力製造時に加熱した温度近傍まで使用可能であるため、第 1の実施の形態に係る機械電気変換素子の耐熱性は高い。

[0044] (第 2の実施の形態）

第 1の実施の形態に係る機械電気変換素子で説明した通り、強誘電体は従来の E CMカプセルに用いられていたエレクトレットフィルムと比較して残留分極量が大幅に大きいため、振動子 (振動板） 14と誘電分極板 13との間に高い電界が生じる。電界の大きさは誘電分極板 13の分極特性と厚さ、電極間距離による力 kVZmm以上の電界を生じさせることも可能であり、この場合、金属電極である振動子 14から放電が生じる場合もある。振動板 14と誘電分極板 13との間で放電が生じてしまえば、誘電分極板 13の表面が再びある程度帯電する。そのため、強誘電体の優れた分極特性が充分に発揮できない。これを防ぐために、第 1の実施の形態に係る機械電気変換素子では、振動板 14と誘電分極板 13との間のギャップ空間に絶縁ガスや絶縁流体を満たして絶縁破壊強度を増し、放電が生じに《していた。

[0045] 本発明の第 2の実施の形態に係る機械電気変換素子においては、図 5に示すように、振動板 14の誘電分極板 13に対向する面 (振動面）に、絶縁コート膜 32を形成し、絶縁コーティングを行っている点が、第 1の実施の形態に係る機械電気変換素子と異なる特徴である。図 5に示すように、振動板 14に、絶縁コート膜 32を形成することにより、放電により誘電分極板 13の表面に付着する電荷量を低減でき、マイクロフォンカプセルの感度を向上させることができる。

[0046] 即ち、図 5に示すように、本発明の第 2の実施の形態に係る機械電気変換素子は、平坦な振動面を有する導電体からなる振動子 (振動板） 14と、振動板 14の振動面にコーティングした絶縁コート膜 32と、絶縁コート膜 32に対向した平坦な第 1主面及びこの第 1主面に平行に対向する第 2主面に挟まれ、分極方向を揃えた誘電分極板 13 と、誘電分極板 13の第 2主面に接合された背面電極 12と、振動面の変位に伴い誘電分極板 13に誘導される電荷を測定する誘導電荷測定手段（21, 9)とを備えるマイクロフオンカプセルである。無負荷時には、誘電分極板 13の第 1主面は、絶縁コート膜 32に平行に対向している。

[0047] ここで、誘導電荷測定手段（21, 9)は、第 1の実施の形態に係る機械電気変換素子と同様に、背面電極 12に接続された増幅器 (FET) 21と、増幅器 (FET) 21に接続された出力回路 9を備えるが、第 1の実施の形態に係る機械電気変換素子で説明したように、増幅器 (FET) 21や出力回路 9は省略可能である。誘導電荷測定手段（ 21, 9)の出力端子となる結合容量 Cの出力端子には、外部回路（図示省略)が接続され、外部回路によりマイクロフォンに接続される通信装置や記録装置に必要な信号処理がなされる。本発明の第 2の実施の形態に係る機械電気変換素子の誘導電荷測定手段（21, 9)は、背面電極 12と振動板 14間の電位を増幅器 (FET) 21で増幅することにより、振動板 14の振動面の変位に伴い、誘電分極板 13に誘導される電荷を測定している。

[0048] 「絶縁コート膜 32」としては、例えば、ポリテトラフロロエチレン (PTFE)などの高分子膜や石英などのガラス膜等、コーティングすると絶縁破壊強度を増すことができる材料が採用可能である。そして、振動板 14、絶縁コート膜 32、誘電分極板 13、背面電極 12及び増幅器 (FET) 21が導電性 (金属製)のケース 10に収納されて、る。

[0049] 平面図や鳥瞰図の図示を省略している力図 5に示すマイクロフォンカプセルの振動板 14、絶縁コート膜 32、誘電分極板 13及び背面電極 12はそれぞれ円板形状である。又、図 5の断面図では図示を省略しているが、図 1に示したと同様に、円板状の誘電分極板 13及び背面電極 12を、絶縁体カゝらなるスぺーサリング 17と円筒状の絶縁体力もなるホルダ 16との間に挟み込むようにしても良い。この場合は、図 1に示したと同様に、スぺーサリング 17の上端面には、円板状の振動板 14の周辺部が接続されているようにしても良ぐホルダ 16の下端面には、配線用開口を有する金属製円板力なる底板 15が接続されるような構造でも良い。

[0050] 勿論、誘電分極板 13と絶縁コート膜 32とのギャップ空間に、第 1の実施の形態に係る機械電気変換素子と同様に絶縁ガスや絶縁流体を満たせば、更に絶縁破壊強度が増し、放電が生じに《なる。その結果、放電により付着する誘電分極板 13の表面の電荷量を低減でき、感度が向上する。絶縁ガスや絶縁流体を満たす代わりに、誘電分極板 13と絶縁コート膜 32とのギャップ空間を真空状態としても、感度を向上させることができる。

[0051] 第 2の実施の形態に係る機械電気変換素子 (マイクロフォンカプセル)の誘電分極板 13には、主として強誘電体セラミックス単結晶又は強誘電体セラミックス多結晶，一部の結晶性高分子等が採用可能である等、他の構成や特徴等は、第 1の実施の形態に係る機械電気変換素子 (マイクロフォンカプセル)と実質的に同様であるので、重複した説明を省略する。

[0052] 本発明の第 2の実施の形態に係る機械電気変換素子 (マイクロフォンカプセル）によれば、振動板 14の振動面に絶縁コート膜 32をコーティングするとにより、振動板 14 と誘電分極板 13間での放電が生じに《なり、絶縁破壊強度を増すことができるので、強誘電体の優れた分極特性が充分に発揮できる。このため、放電により誘電分極板 13の表面に付着する電荷量を低減でき、マイクロフォンカプセルの感度を向上させることができる。

[0053] 図 6を用いて、本発明の第 2の実施の形態に係る機械電気変換素子 (マイクロフォンカプセル)の製造方法を説明する。なお、以下に述べる機械電気変換素子の製造方法は、一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により、実現可能であることは勿論である。

[0054] (a)第 1の実施の形態に係る機械電気変換素子の製造方法と同様に、焼結等により、円形の誘電分極板 13を、図 6 (a)に示すように、円形の背面電極 12の上に金属学的に接合する。誘電分極板 13の厚さは、上述の式（1)〜（3)を用いて説明した設計指針を考慮して決定されるが、例えば、 20〜400 /ζ πι程度にすれば良い。背面電極 12の厚さは例えば 10〜： LOO μ m程度の範囲で選定すれば良い。このままでは、誘電分極板 13は分極方向が揃っていても、その表面は、図 6 (a)に示すように、荷電粒子を吸着しているため、第 2の実施の形態に係るマイクロフォンカプセルに使用することはできない。そこで、第 1の実施の形態に係る機械電気変換素子の製造方法と同様に、脱分極温度とキュリー温度の間で予め設定した除電温度 (例えば PZTの場合は、 200°C程度〜 300°C程度）に誘電分極板 13を加熱，図 6 (b)に示すように、誘電分極板 13の残留分極を低下させる。図 6 (b)に示す状態では、未だ、誘電分極板 13の表面には表面電荷が残留しているので、更に、図 6 (c)に示すように、誘電分極板 13を加熱した状態で、誘電分極板 13の表面の表面電荷を除去（除電)する。

[0055] (b)一方、厚さ 10〜： LOO μ mの金属（導電体）の上に、厚さ 5〜150 μ m程度の絶縁膜をコートした構造物を用意する。この構造物を、誘電分極板 13と同一半径となるように、ワイヤソーゃダイアモンドブレード等で切り出し、振動板 14と、この振動板 14 に接合した絶縁コート膜 32からなる円板を用意する（振動板 14の厚さは、上述の式（ 1)〜（3)を用いて説明した設計指針を考慮して決定される。；)。例えば、 PTFE等のフッ素系榭脂を絶縁コート膜 32としてコートするのであれば、エアガン塗装のように金属板に吹きつけても良ぐ PTFEシート等の高分子フィルムを金属板に貼り付けても良い。その他、エアレスガン塗装、流動浸漬法、静電塗装法、ディビング法、溶射法、プラズマ CVD法、スパッタリング法等の種々の方法で、金属板の上に、所望の種々の絶縁膜をコートすることが可能である。そして、背面電極 12が接合した誘電分極板 13を加熱したまま (PZTの場合では、 200°C程度〜 300°C程度の高温状態のまま）、図 6 (d)に示すように、絶縁コート膜 32の接合した振動板 14と、増幅器 (FET) 21と共に、導電性 (金属製)のケース 10の内部に組み込む。

[0056] (c)その後、常温に冷却すれば、図 6 (e)に示すように、分極状態が戻る。なお、図 6 (d)に示す段階で、図 3 (c)に示すように、絶縁コート膜 32の接合した振動板 14の側を下にして、絶縁コート膜 32の周辺に絶縁体のスぺーサリング 17を接続し、その上に、第 2主面に背面電極 12が接合された誘電分極板 13を取り付け、誘電分極板 1 3及び背面電極 12を、スぺーサリング 17とホルダ 16とで挟み込むようにし、導電性（金属製)のケース 10の内部に組み込んでも良い。こうすれば、導電性 (金属製)のケース 10を常温に冷却した後、熱に弱い増幅器 (FET) 21を組み込むことが可能となる。但し、後述する本発明の第 4の実施の形態に係る機械電気変換素子の感度回復方法のように、再加熱により感度回復をする場合は、 FET21などの電子部品には、 2 00°C程度〜 300°C程度の温度に耐えられるものを選定するので、図 6 (d)に示すように、絶縁コート膜 32の接合した振動板 14と、増幅器 (FET) 21と共に、高温状態で、導電性 (金属製)のケース 10の内部に組み込んだ後、常温に冷却すれば良い。

[0057] (第 3の実施の形態）

第 1及び第 2の実施の形態に係る機械電気変換素子で説明した通り、振動板 14と誘電分極板 13との間で放電が生じてしまえば、誘電分極板 13の表面が、ある程度、再帯電するので、強誘電体の優れた分極特性が充分に発揮できない。これを防ぐために、第 2の実施の形態に係る機械電気変換素子では、図 5に示すように、振動板 1 4の誘電分極板 13に対向する面 (振動面）に、絶縁コート膜 32を形成し、絶縁コーテイングを行っていたが、図 7に示すように、誘電分極板 13側に絶縁コート膜 33を形成しても良い。即ち、図 7に示すように、誘電分極板 13側に絶縁コート膜 33を形成することにより、放電により誘電分極板 13の表面に付着する電荷量を低減でき、マイクロフォンカプセルの感度を向上させることができる。

[0058] 具体的に説明すれば、図 7に示す通り、本発明の第 3の実施の形態に係る機械電気変換素子は、平坦な振動面を有する導電体からなる振動子 (振動板） 14と、振動板 14に対向した平坦な主面を有する絶縁コート膜 33と、絶縁コート膜 33に接合した平坦な第 1主面及びこの第 1主面に平行に対向する第 2主面で挟まれ、分極方向を揃えた誘電分極板 13と、誘電分極板 13の第 2主面に接合された背面電極 12と、振動面の変位に伴ヽ誘電分極板 13に誘導される電荷を測定する誘導電荷測定手段（ 21, 9)とを備えるマイクロフォンカプセルである。無負荷時には、絶縁コート膜 33は、振動板 14の振動面に平行に対向している。

[0059] ここで、誘導電荷測定手段（21, 9)は、第 1及び第 2の実施の形態に係る機械電気変換素子と同様に、背面電極 12に接続された増幅器 (FET) 21と、増幅器 (FET) 2 1に接続された出力回路 9を備えるが、第 1及び第 2の実施の形態に係る機械電気変換素子で説明したように、増幅器 (FET) 21や出力回路 9は省略可能である。誘導電荷測定手段 (21, 9)の出力端子となる結合容量 Cの出力端子には、外部回路（図示省略)が接続され、外部回路によりマイクロフォンに接続される通信装置や記録装置に必要な信号処理がなされる。本発明の第 3の実施の形態に係る機械電気変換素子の誘導電荷測定手段 (21, 9)は、背面電極 12と振動板 14間の電位を増幅器 (F ET) 21で増幅することにより、振動板 14の振動面の変位に伴い、誘電分極板 13に誘導される電荷を測定してヽる。

[0060] 「絶縁コート膜 33」としては、第 2の実施の形態に係る機械電気変換素子で例示したような PTFEなどの高分子膜や石英などのガラス膜等、コーティングすると絶縁破壊強度を増すことができる材料が採用可能である。そして、振動板 14、絶縁コート膜 33、誘電分極板 13、背面電極 12及び増幅器 (FET) 21が導電性 (金属製)のケース 10に収納されている。

[0061] 平面図や鳥瞰図の図示を省略しているが、図 7に示すマイクロフォンカプセルの振動板 14、絶縁コート膜 33、誘電分極板 13及び背面電極 12はそれぞれ円板形状である。又、図 7の断面図では図示を省略しているが、図 1に示したと同様に、円板状の絶縁コート膜 33、誘電分極板 13及び背面電極 12を、絶縁体カゝらなるスぺーサリング 17と円筒状の絶縁体力もなるホルダ 16との間に挟み込むようにしても良い。

[0062] 勿論、振動板 14と絶縁コート膜 33とのギャップ空間に、第 1及び第 2の実施の形態に係る機械電気変換素子と同様に絶縁ガスや絶縁流体を満たせば、更に絶縁破壊強度が増し、放電が生じに《なる。その結果、放電により付着する誘電分極板 13の表面の電荷量を低減でき、感度が向上する。絶縁ガスや絶縁流体を満たす代わり〖こ、振動板 14と絶縁コート膜 33とのギャップ空間を真空状態としても、感度を向上させることがでさる。

[0063] 第 3の実施の形態に係る機械電気変換素子 (マイクロフォンカプセル)の誘電分極板 13には、主として強誘電体セラミックス単結晶又は強誘電体セラミックス多結晶，一部の結晶性高分子等が採用可能である等、他の構成や特徴等は、第 1及び第 2の実施の形態に係る機械電気変換素子 (マイクロフォンカプセル)と実質的に同様であるので、重複した説明を省略する。

[0064] 本発明の第 3の実施の形態に係る機械電気変換素子 (マイクロフォンカプセル）によれば、誘電分極板 13の第 1主面に絶縁コート膜 33をコーティングするとにより、振動板 14と誘電分極板 13間での放電が生じに《なり、絶縁破壊強度を増すことができるので、強誘電体の優れた分極特性が充分に発揮できる。このため、放電により誘電分極板 13の表面に付着する電荷量を低減でき、マイクロフォンカプセルの感度を向上させることができる。

[0065] 図 8を用いて、本発明の第 3の実施の形態に係る機械電気変換素子 (マイクロフォンカプセル)の製造方法を説明する。なお、以下に述べる機械電気変換素子の製造方法は、一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により、実現可能であることは勿論である。

[0066] (a)第 1及び第 2の実施の形態に係る機械電気変換素子の製造方法と同様に、焼結等により、円形の誘電分極板 13を、図 8 (a)に示すように、円形の背面電極 12の上に金属学的に接合する。更に、第 1及び第 2の実施の形態に係る機械電気変換素子の製造方法と同様に、脱分極温度とキュリー温度の間で予め設定した誘電分極板 13の除電温度まで誘電分極板 13を加熱し、図 8 (b)に示すように、誘電分極板 13の残留分極を低下させる。更に、図 8 (c)に示すように、誘電分極板 13を加熱した状態で、誘電分極板 13の表面の表面電荷を除去（除電)する。

[0067] (b)更に、除電温度に誘電分極板 13を加熱した状態で、誘電分極板 13の表面 (第 1主面）に、図 8 (d)に示すように、厚さ 1〜20 m程度の絶縁コート膜 33をコートする。コーティングは、第 2の実施の形態に係る機械電気変換素子の製造方法と同様に、エアガン塗装、エアレスガン塗装、流動浸漬法、静電塗装法、ディビング法、溶射法、プラズマ CVD法、スパッタリング法等の種々の方法が採用可能である。第 2主面に背面電極 12が接合され、第 1主面に絶縁コート膜 33がコートされた誘電分極板 13を、加熱した温度を維持して（PZTの場合では、 200°C程度〜 300°C程度の高温状態のまま)、図 8 (e)に示すように、振動板 14及び増幅器 (FET) 21と共に、導電性 (金属製)のケース 10の内部に組み込む。

[0068] (c)その後、常温に冷却すれば、図 8 (f)に示すように、分極状態が戻る。なお、図 8

(e)に示す段階で、図 3 (c)に示すように、振動板 14の側を下にして、振動板 14の周辺に絶縁体のスぺーサリング 17を接続し、その上に、第 2主面に背面電極 12が接合され、第 1主面に絶縁コート膜 33がコートされた誘電分極板 13を取り付け、背面電極 12、誘電分極板 13及び絶縁コート膜 33を、スぺーサリング 17とホルダ 16とで挟み込むようにし、導電性 (金属製)のケース 10の内部に組み込んでも良い。こうすれば、導電性 (金属製)のケース 10を常温に冷却した後、熱に弱い増幅器 (FET) 21を組み込むことが可能となる。

[0069] <第 3の実施の形態の変形例 >

振動板 14と誘電分極板 13との間の放電を防ぐために、第 2の実施の形態に係る機械電気変換素子では、図 5に示すように、振動板 14の誘電分極板 13に対向する面（振動面）に、絶縁コート膜 32を形成し、第 3の実施の形態に係る機械電気変換素子では、図 7に示すように、誘電分極板 13側に絶縁コート膜 33を形成した。しかし、図 9 に示すように、図 5に示す構造と図 7に示す構造とを組み合わせ、振動板 14側に絶縁コート膜 32を、誘電分極板 13側に絶縁コート膜 33を形成することにより、意図しない放電により誘電分極板 13の表面に付着する電荷量を更に低減でき、マイクロフォンカプセルの感度を、より一層向上させることができる。

[0070] 具体的に説明すれば、図 9に示す通り、本発明の第 3の実施の形態の変形例に係る機械電気変換素子は、平坦な振動面を有する導電体からなる振動子 (振動板） 14 と、振動板 14の振動面にコーティングした絶縁コート膜 32と、絶縁コート膜 32に対向した平坦な主面を有する絶縁コート膜 33と、絶縁コート膜 33に接合した平坦な第 1 主面及びこの第 1主面に平行に対向する第 2主面で挟まれ、分極方向を揃えた誘電分極板 13と、誘電分極板 13の第 2主面に接合された背面電極 12と、振動面の変位に伴い誘電分極板 13に誘導される電荷を測定する誘導電荷測定手段（21, 9)とを備えるマイクロフォンカプセルである。ここで、誘導電荷測定手段（21, 9)は、背面電極 12に接続された増幅器 (FET) 21と、増幅器 (FET) 21に接続された出力回路 9 を備えるが、増幅器 (FET) 21や出力回路 9は省略可能である。「絶縁コート膜 33」としては、第 2及び第 3の実施の形態に係る機械電気変換素子で例示したような PTFE などの高分子膜や石英などのガラス膜等、コーティングすると絶縁破壊強度を増すことができる材料が採用可能である。そして、振動板 14、絶縁コート膜 32、絶縁コート膜 33、誘電分極板 13、背面電極 12及び増幅器 (FET) 21が導電性 (金属製)のケース 10に収納されている。

[0071] 平面図や鳥瞰図の図示を省略しているが、図 9に示すマイクロフォンカプセルの振動板 14、絶縁コート膜 32、絶縁コート膜 33、誘電分極板 13及び背面電極 12はそれぞれ円板形状である。又、図 9の断面図では図示を省略しているが、図 1に示したと同様に、円板状の絶縁コート膜 33、誘電分極板 13及び背面電極 12を、絶縁体からなるスぺーサリング 17と円筒状の絶縁体力もなるホルダ 16との間に挟み込むようにしても良い。

[0072] 勿論、絶縁コート膜 32と絶縁コート膜 33とのギャップ空間に、第 1〜第 3の実施の形態に係る機械電気変換素子と同様に絶縁ガスや絶縁流体を満たせば、更に絶縁破壊強度が増し、放電が生じに《なる。その結果、放電により付着する誘電分極板 13の表面の電荷量を低減でき、感度が向上する。

[0073] 第 3の実施の形態の変形例に係る機械電気変換素子 (マイクロフォンカプセル)の誘電分極板 13には、主として強誘電体セラミックス単結晶又は強誘電体セラミックス多結晶，一部の結晶性高分子等が採用可能である等、他の構成や特徴等は、第 1 〜第 3の実施の形態に係る機械電気変換素子 (マイクロフォンカプセル)と実質的に同様であるので、重複した説明を省略する。

[0074] 本発明の第 3の実施の形態の変形例に係る機械電気変換素子 (マイクロフォンカブセル）によれば、振動板 14の振動面に絶縁コート膜 32を、誘電分極板 13の第 1主面に絶縁コート膜 33を共に一ティングするとにより、振動板 14と誘電分極板 13間での放電が生じにくくなり、絶縁破壊強度を更に、増すことができるので、強誘電体の優れた分極特性が、より一層、充分に発揮できる。このため、放電により誘電分極板 13 の表面に付着する電荷量をより一層、低減でき、マイクロフォンカプセルの感度をより一層、向上させることができる。

[0075] 本発明の第 3の実施の形態の変形例に係る機械電気変換素子 (マイクロフォンカブセル)の製造方法は、図 6及び図 8に示した、第 2及び第 3の実施の形態に係る機械電気変換素子の製造方法を組み合わせれば容易に実現できるので、重複した説明を省略する。

[0076] (第 4の実施の形態）

既に、第 1の実施の形態で説明した通り、本発明に係る機械電気変換素子の耐熱性は高い。更に、第 1〜第 3の実施の形態に係る機械電気変換素子で説明した通り、誘電分極板 13の表面に付着した電荷量が増加すると感度は低下する。しかし、この状態で再びキュリー温度近傍に加熱すると、誘電分極板 13を構成する強誘電体内部の分極が大幅に減少するため、表面電荷が発生する電界が支配的となる。すると逆向きの放電を起こして、電界が絶縁破壊強度以下となるまで表面電荷は逆側の電極に吸収されていく。この結果、再加熱することにより強誘電体表面に付着した電荷を減らすことができ、マイクロフォンカプセルの感度が再び向上する。

[0077] このとき、機械電気変換素子 (マイクロフォンカプセル)を構成する部材の熱膨張係数差を利用して加熱時に、振動板 14と誘電分極板 13とのギャップが狭くなる、又は振動板 14と誘電分極板 13とが互いに接触するように設計できれば、より多くの表面電荷を、誘電分極板 13の表面力も除去することが可能となる。

[0078] 本発明の第 4の実施の形態に係る機械電気変換素子においては、図 10に示すように、誘電分極板 13の第 2主面に接合された背面電極 12と導電性 (金属製)のケース 10の底面との間に、高膨張率の榭脂層 18が挟むことにより、再加熱することにより強誘電体表面に付着した電荷を減らすことができ、マイクロフォンカプセルの感度を向上させることができる。

[0079] また，加熱すると強誘電体の表面抵抗や体積抵抗が低下することを利用して表面電荷を除去することも可能である。通常，セラミックスは 25°C以上に加熱すると抵抗率が減少していく，例えば，表面抵抗または体積抵抗が 10^U Q cm以下となる温度まで加熱すれば，数秒で表面電荷は背面電極 12またはケース 10に移動し，表面から除去される。このような加熱だけで表面電荷を除去する方法は，マイクロフォンを製作する時にも有効である。

[0080] 即ち、図 10に示すように、本発明の第 4の実施の形態に係る機械電気変換素子は、平坦な振動面を有する導電体からなる振動子 (振動板） 14と、振動板 14に対向した平坦な第 1主面及びこの第 1主面に平行に対向する第 2主面に挟まれ、分極方向を揃えた誘電分極板 13と、誘電分極板 13の第 2主面に接合された背面電極 12と、背面電極 12の下に挿入され、中央に配線用貫通孔を有する円柱状の榭脂層 18とを備えるマイクロフォンカプセルである。無負荷時には、誘電分極板 13の第 1主面は、振動板 14の振動面に平行に対向している。ここで、振動板 14、誘電分極板 13、背面電極 12及び榭脂層 18は、導電性 (金属製)のケース 10に収納されてヽる。

[0081] 例えば、 PTFEの 25〜250°Cにおける線膨張率は 1. 7 X 10— ⁴Z°Cであるので、厚さ 500 μ mの PTFEを榭脂層 18として 250°Cに加熱すると、約 21 μ m分、振動板 14 と誘電分極板 13とのギャップの間隔が縮まる。榭脂層 18に好適な榭脂としては、線膨張率 2. 0 X 10— ⁴/°Cのシリコーン榭脂、線膨張率 1. 8 X 10— ⁴/°Cのエポキシ榭脂、 1. 3 X 10—ソ。 Cのポリイミド榭脂、 1. 1 X 10—ソ。 Cのポリアミド榭脂、等の樹脂が好適である。

[0082] また，榭脂層 18は，形状記憶合金を使用することも可能である。例えば， NiTi合金は回復温度 100°C,回復量 8%を示す。また， Ti-Zr- Ni合金， Zr- Ni-Co合金は，回復温度を 100°C以上にすることが可能である。これらの形状記憶合金は，動作温度は低 V、ものの大きな変形を得ることが可能である。

[0083] 第 1〜第 3の実施の形態に係る機械電気変換素子で説明したように、第 1〜第 3の実施の形態に係る機械電気変換素子に用いていた増幅器 (FET) 21や出力回路 9 は、第 4の実施の形態に係る機械電気変換素子では省略している。図 10に示す構造では、背面電極 12の中央に、高融点ハンダ等で接続された出力用リード (配線）力「振動面の変位に伴い誘導される電荷を測定する誘導電荷測定手段」に相当する。図 10に示す第 4の実施の形態に係るマイクロフォンカプセルの構造では、背面電極 12と振動板 14間の電位を直接出力することにより、振動板 14の振動面の変位に伴い、誘電分極板 13に誘導される電荷を測定している。出力用リード (配線)の出力端子には、外部回路（図示省略)が接続され、外部回路によりマイクロフォンに接続される通信装置や記録装置に必要な信号処理がなされる。し力しながら、第 1〜第 3の実施の形態に係る機械電気変換素子と同様に、増幅器 (FET) 21及び出力回路 9を用いて、誘導電荷測定手段を構成しても構わない。

[0084] 平面図や鳥瞰図の図示を省略している力図 10に示すマイクロフォンカプセルの振動板 14、誘電分極板 13及び背面電極 12はそれぞれ円板形状である。

[0085] 勿論、誘電分極板 13と振動板 14とのギャップ空間に、第 1〜第 3の実施の形態に係る機械電気変換素子と同様に絶縁ガスや絶縁流体を満たせば、更に絶縁破壊強度が増し、放電が生じに《なる。その結果、放電により付着する誘電分極板 13の表面の電荷量を低減でき、感度が向上する。更に、振動板 14と誘電分極板 13との間の放電を防ぐために、第 2の実施の形態に係る機械電気変換素子のように、振動板 1 4の誘電分極板 13に対向する面 (振動面）に、絶縁コート膜 32を形成しても良ぐ第 3の実施の形態に係る機械電気変換素子のように、誘電分極板 13側に絶縁コート膜 33を形成しても良い。更に、図 9に示したと同様に、第 2及び第 3の実施の形態に係る機械電気変換素子の構造を互いに組み合わせ、振動板 14側に絶縁コート膜 32を、誘電分極板 13側に絶縁コート膜 33を形成すれば、意図しない放電により誘電分極板 13の表面に付着する電荷量を更に低減でき、マイクロフォンカプセルの感度を、より一層向上させることができる。

[0086] 第 4の実施の形態に係る機械電気変換素子 (マイクロフォンカプセル)の誘電分極板 13には、主として強誘電体セラミックス単結晶又は強誘電体セラミックス多結晶，一部の結晶性高分子等が採用可能である等、他の構成や特徴等は、第 1〜第 3の実施の形態に係る機械電気変換素子 (マイクロフォンカプセル)と実質的に同様であるので、重複した説明を省略する。

[0087] 図 11を用いて、本発明の第 4の実施の形態に係る機械電気変換素子 (マイクロフォンカプセル)の感度回復方法を説明する。

[0088] (a)第 1〜第 3の実施の形態に係る機械電気変換素子の製造方法と同様に、焼結等により、厚さ 20〜400 /ζ πιの円形の誘電分極板 13を厚さ 0. 05〜： LOO /z mで円形の背面電極 12の上に金属学的に接合する。更に、厚さ 10〜： LOO /z mの金属（導電体)からなる振動板 14を、誘電分極板 13と同一半径となるように、厚さ 0. l〜5mm の榭脂層 18を、誘電分極板 13の半径よりも少し小さめとなるように切り出す。榭脂層 18の中央には、配線用貫通孔を設ける。背面電極 12の中央に、高融点ハンダ等で出力用リード (配線)を接続する。高融点ハンダの融点は、誘電分極板 13のキュリー温度より高めの値のものを選ぶ。そして、榭脂層 18の中央の配線用貫通孔を介して、出力用リード (配線)を、図 10のように、導電性 (金属製)のケース 10の底面中央の穴に導くようにして、振動板 14、誘電分極板 13、背面電極 12及び榭脂層 18を導電性 (金属製)のケース 10に収納する。この際、第 1〜第 3の実施の形態に係る機械電気変換素子の製造方法と同様に、脱分極温度とキュリー温度の間で予め設定した誘電分極板 13の除電温度まで誘電分極板 13を加熱し、誘電分極板 13の表面の表面電荷を除去 (除電)して、誘電分極板 13を加熱したまま、導電性 (金属製)のケース 1 0の内部に組み込み、図 10に示すマイクロフォンカプセルが完成する。

[0089] (b)さて、完成したマイクロフォンカプセルの使用中、過大な音圧により、振動板 14 と誘電分極板 13とのギャップ中で放電、又は振動板 14と誘電分極板 13とが接触する等の事態が生じて、誘電分極板 13の表面が、図 11 (a)に示すように、帯電し、感度が低下したとする。第 4の実施の形態に係るマイクロフォンカプセルの感度回復方法では、この場合、マイクロフォンカプセルを、予め設定した誘電分極板 13の除電温度に再加熱する。マイクロフォンカプセルを再加熱すると、誘電分極板 13の残留分極が低下すると同時に、図 11 (b)に示すように、榭脂層 18が膨張し、振動板 14と誘電分極板 13とのギャップの間隔が減少し、振動板 14と誘電分極板 13とのギャップ中で放電し、誘電分極板 13の表面の電荷が減少する。

[0090] (c)その後、常温に冷却すれば、図 11 (c)に示すように、榭脂層 18が収縮し、振動板 14と誘電分極板 13とのギャップの間隔が増大し、分極状態が戻る。

[0091] このようにして、第 4の実施の形態に係るマイクロフォンカプセルの感度回復方法によれば、一度何らかの原因で低下したマイクロフォンカプセルの感度を復活させることがでさる。

[0092] (第 5の実施の形態）

第 1〜第 4の実施の形態においては、マイクロフォンカプセルにつ、て説明したが、本発明の機械電気変換素子は、マイクロフォンカプセルに限定されるものではなぐ機械的振動を検出する種々のセンサとしても適用可能である。本発明の第 5の実施の形態においては、そのような種々の機械的振動を検出するセンサの一例として、ァコースティック ·ェミッション (音響の放出）を検出するアコースティック ·ェミッション (A E)センサについて説明する。 AEとは、固体が変形或いは破壊するときに発生する音を弾性波として放出する現象のことであり、 AEの測定対象が平面で導電性を有していれば、振動板無しで、この弾性波を本発明の第 5の実施の形態に係る機械電気変換素子によって検出し、非破壊的に評価することが可能である。

[0093] 即ち、図 12に示すように、本発明の第 5の実施の形態に係る機械電気変換素子は、平坦な振動面を有する導電体からなる振動子 (測定対象物) 61と、測定対象物 61 に対向した平坦な第 1主面及びこの第 1主面に平行に対向する第 2主面に挟まれ、分極方向を揃えた誘電分極板 13と、誘電分極板 13の第 2主面に接合された背面電極 12と、背面電極 12の上に配置入され、中央に配線用貫通孔を有する円柱状の榭脂層 46と、測定対象物 61に下部端面 (開口端部)を接し、且つ誘電分極板 13、背面電極 12及び榭脂層 46とを収納する導電性 (金属製)のケース 45を備える AEセンサである。無負荷時には、誘電分極板 13の第 1主面は、測定対象物 61の振動面に平行に対向している。図 12に示す AEセンサの構造では、背面電極 12の中央に接続された出力用リード (配線)が、測定対象物 61の「振動面の変位に伴い誘導される電荷を測定する誘導電荷測定手段」に相当する。出力用リード (配線)の出力端子には、外部回路（図示省略)が接続され、外部回路により AEセンサに必要な信号処理がなされる。図 12に示す第 5の実施の形態に係る AEセンサの構造では、背面電極 1 2と測定対象物 61間の電位を直接出力することにより、測定対象物 61の振動面の変位に伴い、誘電分極板 13に誘導される電荷を測定している。

[0094] 導電性 (金属製）のケース 45には、 AEセンサの組み立て時に開口され、 AEセンサとしての使用時 (動作時）には封止されている穴 451が設けられている。図 12に示す第 5の実施の形態に係る AEセンサは、組み立て時に穴 451を開口した状態で加熱すると、背面電極 12の上面の榭脂層 46の熱膨張により誘電分極板 13が測定対象物 61に接触し、表面電荷が除電される。その後冷却した後に穴 451を塞ぐ。しかし、高真空中での計測の場合は、真空雰囲気中に設置した後，加熱するだけで穴 451 を塞ぐ必要はない。

[0095] 第 5の実施の形態に係る AEセンサによれば、感度を落とさずに誘電分極板 13と測定対象物 61との間を絶縁できるので，腐食の心配もない。特に，真空中での計測では、真空の絶縁破壊強度が高、ために優れた感度を得ることが可能である。

[0096] 第 1〜第 3の実施の形態に係る機械電気変換素子に用いていた増幅器 (FET) 21 や出力回路 9は、第 5の実施の形態に係る機械電気変換素子では省略しているが、第 1〜第 3の実施の形態に係る機械電気変換素子と同様に、増幅器 (FET) 21及び出力回路 9を用いて「誘導電荷測定手段」を構成しても構わな!/、。

[0097] 平面図や鳥瞰図の図示を省略しているが、図 12に示す AEセンサの誘電分極板 1 3及び背面電極 12はそれぞれ円板形状である。 [0098] AEは破壊に至るはるか以前から、小さな変形や微小クラックの発生'進展に伴って発生するので、図 12に示した状態で、測定対象物 61に負荷をかけ、それによる AE の発生挙動を捉えることで、測定対象物 61の欠陥や破壊を発見 ·予知を、リアルタイムで観測できる。したがって、第 5の実施の形態に係る AEセンサは、種々の製品の検査や試験、構造物の安全監視、新材料開発などに応用できる。

[0099] 勿論、誘電分極板 13と測定対象物 61とのギャップ空間に、第 1〜第 3の実施の形態に係る機械電気変換素子と同様に絶縁ガスや絶縁流体を満たせば、更に絶縁破壊強度が増し、放電が生じに《なる。その結果、放電により付着する誘電分極板 13 の表面の電荷量を低減でき、感度が向上する。更に、測定対象物 61と誘電分極板 1 3との間の放電を防ぐために、第 3の実施の形態に係る機械電気変換素子のように、誘電分極板 13側に絶縁コート膜 33を形成しても良、。

[0100] また、 AEによる測定対象物表面の振動はわずかであるため、ギャップ空間をフッ素榭脂ゃポリエチレンなどの絶縁性に優れ、測定対象物と同等またはそれ以下の音響インピーダンスを有する材料を充填しても AEを測定することが有効である。この場合、ギャップ空間を充填しても測定対象表面の振動は最大でも半分程度にしか下がらず、一方で大幅に絶縁破壊強度を増すことができるため，感度の大幅な向上を見込める。

[0101] さらに、減衰の大きい材料をギャップに充填すると音響によるギャップや強誘電体の共振を抑制することが可能となる。圧電効果を利用した超音波センサでは、共振により測定周波数帯域が狭められることが問題となる。図 12に示したセンサは超音波センサとしても使用することができ、共振を抑制することにより、超広帯域 (例えば 100〜 1MHz)での測定が可能となる。

[0102] 第 5の実施の形態に係る機械電気変換素子 (AEセンサ）の誘電分極板 13には、主として強誘電体セラミックス単結晶又は強誘電体セラミックス多結晶，一部の結晶性高分子等が採用可能である等、他の構成や特徴等は、第 1〜第 4の実施の形態に係る機械電気変換素子と実質的に同様であるので、重複した説明を省略する。

[0103] (第 6の実施の形態）

第 5の実施の形態において AEセンサについて説明したように、本発明の機械電気変換素子は、第 1〜第 4の実施の形態において説明したマイクロフォンカプセルに限定されるものではなぐ機械的振動を検出する種々のセンサとしても適用可能である。本発明の第 6の実施の形態においては、そのような種々の機械的振動を検出するセンサの一例として、加速度センサについて説明する。

[0104] 即ち、図 13に示すように、本発明の第 6の実施の形態に係る機械電気変換素子は、導電性 (金属製)のケース 45と、ケース 45の中央部に重りとして懸架され、両面に平坦な振動面を有する導電体からなる振動子 (振動板） 14と、重りとしての振動板 14 の左面に対向し、平坦な第 1主面及びこの第 1主面に平行に対向する第 2主面に挟まれ、分極方向を揃えた第 1誘電分極板 13aと、第 1誘電分極板 13aの第 2主面に接合された第 1背面電極 12aと、第 1背面電極 12aの左に配置入された円柱状の第 1榭脂層 41と、重りとしての振動板 14の右面に対向し、平坦な第 1主面及びこの第 1主面に平行に対向する第 2主面に挟まれ、分極方向を揃えた第 2誘電分極板 13bと、第 2誘電分極板 13bの第 2主面に接合された第 2背面電極 12bと、第 2背面電極 12b の右に配置入された円柱状の第 2榭脂層 42とを備える加速度センサである。即ち、導電性 (金属製)のケース 45の内部に、振動板 14、第 1誘電分極板 13a,第 2誘電分極板 13b、第 1背面電極 12a,第 2背面電極 12b、第 1榭脂層 41,第 2榭脂層 42とが収納されている。無負荷時には、第 1誘電分極板 13aの第 1主面は、振動板 14の左面 (振動面）に平行に対向し、第 2誘電分極板 13bの第 1主面は、振動板 14の右面 (振動面）に平行に対向して、る。

[0105] 図 13に示すように、第 1誘電分極板 13aと第 2誘電分極板 13bとは同じ方向に分極しているが，振動板 14から見ると第 1誘電分極板 13aと第 2誘電分極板 13bの分極方向は逆向きであるので，振動板 14の左右の振動に対して同一の極性を出力する。例えば，振動板 14が左方向へ変位すれば振動板 14が誘電分極板 13aに近づくため背面電極 12aから正の出力が得られる。このとき振動板 14は，誘電分極板 13bから遠ざかるが，振動板 14から見ると誘電分極板 13bの分極方向は誘電分極板 13aと逆方向であるため，背面電極 13bからも正の出力が得られることになる。このように第 1誘電分極板 13aと第 2誘電分極板 13bは，同一の極性を出力するので、第 1誘電分極板 13a及び第 2誘電分極板 13bからの出力は、それぞれ、第 1背面電極 12a及び第 2背面電極 12bを介したのち、集合され、同一の増幅器 51に入力される。図 13に示す第 6の実施の形態に係る機械電気変換素子では、増幅器 51が、「振動面の変位に伴い誘導される電荷を測定する誘導電荷測定手段」として機能する。増幅器 51 の出力端子には、外部回路（図示省略)が接続され、外部回路により加速度センサに必要な信号処理がなされる。図 13に示す第 6の実施の形態に係る加速度センサの構造では、増幅器 51で第 1背面電極 12aと振動板 14間及び第 2背面電極 12bと振動板 14間の電位を重畳して増幅することにより、振動板 14の振動面の変位に伴い、第 1誘電分極板 13aと第 2誘電分極板 13bに誘導される電荷を測定している。

[0106] 平面図や鳥瞰図の図示を省略している力図 13に示す加速度センサの振動板 14 、第 1誘電分極板 13a,第 2誘電分極板 13b、第 1背面電極 12a及び第 2背面電極 1 2bはそれぞれ円板形状である。

[0107] 勿論、第 1誘電分極板 13aと振動板 14とのギャップ空間及び第 2誘電分極板 13bと振動板 14とのギャップ空間に、第 1〜第 3の実施の形態に係る機械電気変換素子と同様に絶縁ガスや絶縁流体を満たせば、更に絶縁破壊強度が増し、放電が生じにくくなる。その結果、放電により付着する第 1誘電分極板 13a,第 2誘電分極板 13bの表面の電荷量を低減でき、感度が向左する。更に、振動板 14と第 1誘電分極板 13a ,第 2誘電分極板 13bとの間の放電を防ぐために、第 2の実施の形態に係る機械電気変換素子のように、振動板 14の左右の両面に絶縁コート膜 32を形成しても良ぐ或いは、第 3の実施の形態に係る機械電気変換素子のように、第 1誘電分極板 13a, 第 2誘電分極板 13b側に絶縁コート膜 33をそれぞれ形成しても良い。

[0108] 第 6の実施の形態に係る機械電気変換素子 (加速度センサ）の第 1誘電分極板 13 a,第 2誘電分極板 13bには、主として強誘電体セラミックス単結晶又は強誘電体セラミックス多結晶，一部の結晶性高分子等が採用可能である等、他の構成や特徴等は、第 1〜第 5の実施の形態に係る機械電気変換素子と実質的に同様であるので、重複した説明を省略する。

[0109] 従来の加速度センサは圧電素子に負荷を与えるため、素子が損傷する恐れがある力第 6の実施の形態に係る機械電気変換素子 (加速度センサ）によれば、加速度の発生により振動するのは中央部にある振動板 14のみであり、第 1誘電分極板 13a及び第 2誘電分極板 13bは、負荷をほとんど受けないため耐久性が向上する。

[0110] <第 6の実施の形態の変形例 >

図 14に示すように、本発明の第 6の実施の形態の変形例に係る機械電気変換素子は、導電性 (金属製)のケース 45と、ケース 45の中央部に重りとして懸架され、両面に平坦な振動面を有する導電体からなる振動子 (振動板） 14と、重りとしての振動板 14の左面に対向し、平坦な第 1主面及びこの第 1主面に平行に対向する第 2主面に挟まれ、分極方向を揃えた第 1誘電分極板 13aと、第 1誘電分極板 13aの第 2主面に接合された第 1背面電極 12aと、第 1背面電極 12aの左に配置入された円柱状の第 1榭脂層 41と、重りとしての振動板 14の右面に対向し、平坦な第 1主面及びこの第 1主面に平行に対向する第 2主面に挟まれ、分極方向を揃えた第 2誘電分極板 13 bと、第 2誘電分極板 13bの第 2主面に接合された第 2背面電極 12bと、第 2背面電極 12bの右に配置入された円柱状の第 2榭脂層 42とを備える加速度センサである点では、図 13に示した第 5の実施の形態の変形例に係る機械電気変換素子と同様である。

[0111] しかし、図 14に示すように、第 1誘電分極板 13aと第 2誘電分極板 13bとは反対の極性に分極対しているので、第 1誘電分極板 13a及び第 2誘電分極板 13bからの出力は、それぞれ、第 1背面電極 12a及び第 2背面電極 12bを介して差動増幅器 52の非反転入力端子（+端子)及び反転入力端子（一端子）にそれぞれに入力され、差動増幅される点が、図 13に示した第 5の実施の形態の変形例に係る機械電気変換素子と異なる特徴である。図 14に示す第 6の実施の形態に係る機械電気変換素子では、差動増幅器 52が、「振動面の変位に伴い誘導される電荷を測定する誘導電荷測定手段」として機能する。差動増幅器 52の出力端子には、外部回路（図示省略）が接続され、外部回路により加速度センサに必要な信号処理がなされる。図 14に示す第 6の実施の形態の変形例に係る加速度センサの構造では、差動増幅器 52で第 1背面電極 12aと振動板 14間及び第 2背面電極 12bと振動板 14間の電位を差動増幅することにより、振動板 14の振動面の変位に伴い、第 1誘電分極板 13aと第 2誘電分極板 13bに誘導される電荷を測定している。

[0112] 他は、図 13に示した第 6の実施の形態の変形例に係る機械電気変換素子と実質的に同様であるので、重複した説明を省略する。

[0113] (第 7の実施の形態）

本発明の第 1及び第 2の実施の形態では、振動子 (振動板） 14と誘電分極板 13との間のギャップ空間で放電が生じてしまえば、誘電分極板 13の表面が、ある程度、再帯電するので、強誘電体の優れた分極特性が充分に発揮できない。しかし，放電によって生じた電荷が振動板に付着せず，ギャップ空間に留まれば，感度の劣化を防ぐことができる。

[0114] 図 15にその例を示すように、本発明の第 7の実施の形態に係る機械電気変換素子では、繊維質層及び多孔質層の少なくともいずれかを含むギャップ空間充填層 19をギャップ空間に充填している。繊維質層又は多孔質層は、フッ素榭脂ゃポリエチレンなどの負に帯電しやすく絶縁性の優れる物質であることが好ま、。

[0115] 振動板 14側の強誘電体表面が分極により負に帯電して、る場合，振動板 14と誘電分極板 13との間のギャップ空間に放電が生じ，放電により生じた正の電荷が誘電分極板 13の表面に付着し，分極により生じた負の電荷を打ち消しても，ギャップ空間充填層 19がギャップ空間に充填されていれば、放電により生じた負の電荷がギヤップ空間充填層 19に留まるため，ギャップ空間の電界が維持される。これにより空気の絶縁破壊電界よりも高い電界をギャップ空間に維持させることが可能となる。一方，ギヤップ空間充填層 19をギャップ空間に充填することにより，振動板 14は空気のみのギャップ空間と比較して変形し難くなる。そのため，ギャップ電界の増加による感度向上が振動板 14の変形量の抑制による感度低下を上回るように，ギャップ空間充填層 19の材質を設計する必要がある。

[0116] 他は、第 1及び第 2の実施の形態に係る機械電気変換素子と実質的に同様であるので、重複した説明を省略する。

[0117] (第 8の実施の形態）

圧電型センサが逆圧電効果を利用すればァクチユエータとして動作するように、本発明の機械電気変換素子はァクチユエータとしても動作する。

[0118] 本発明の第 8の実施の形態に係るァクチユエータ (機械電気変換素子)の例を、図 16に示す。これは表面電荷を除去した誘電分極板 13の表面に、表面が粗い絶縁フイルム 25を設置し、絶縁フィルム 25の上に振動板 14がある機械電気変換素子であり ,第 2および第 3の実施の形態を統合した実施の形態となる。表面が粗い絶縁フィルム 25としては、表面が粗いフッ素榭脂フィルムが好適である。絶縁フィルム 25の表面粗さは、 JISB 0601— 1994に規定された算術平均粗さ Ra=0. 01〜： LOO m程度が好ましぐより好ましい算術平均粗さ Raは、 0. 1〜1 μ m程度である。絶縁フィルム 25を有する以外の構造は、第 2及び第 3の実施の形態に係る機械電気変換素子と実質的に同様であるので、重複した説明を省略する。

[0119] 第 8の実施の形態に係るァクチユエータは、図 17に示すように、振動板 14がスピー力 8から音響を受けると絶縁フィルム 25の表面の凹凸により作られる空気ギャップが変形し、振動が電気信号に変換される。一方、逆に背面電極 12と振動板 14との間に電圧を負荷すると、ギャップ空間の電界に応じて振動板 14に加わる電気的引力が変化するので、振動板 14を動かすことができる。

[0120] 図 18は、図 17に示すァクチユエータを用いて、スピーカ 8からの 1kHzの音響を測定した例であるが，試作したマイクロフォンは，従来技術に係る市販のマイクロフォン（感度— 45dB)と同等の感度を持つことがわかる。

[0121] 一方で，図 19に示すように、ァクチユエータに交流電源 6から 10Vの交流電圧を印加し、振動板 14の変位をレーザー変位計 7により測定した結果が図 20である。図 20 力も 10Vという低い電圧で， lOOnm以上の変位を得ることができ，ァクチユエータとしても動作していることが分かる。ちなみに，同形状の圧電ァクチユエータの場合 (厚さ 2mm) , 10Vの交流電圧を負荷しても 7nm以下の変位しカゝ得ることができない。

[0122] 第 8の実施の形態に係るァクチユエータは、発生力は圧電セラミックスより大幅に小さいものの、空気中であれば大きな変位を得ることができる。これを利用すれば、一つの素子でァクチユエータだけでなくスピーカとして使用することが可能であり、ギヤップに減衰の大きな材料を用いて共振を抑えれば、非常に広!、周波数帯域 (例えば 100〜1ΜΗζ)で動作する。

[0123] また、第 8の実施の形態に係るァクチユエータは、水中や生体のような柔軟な材料に対しても圧電セラミックスよりも大きな変位を発生する。つまり、このような材料中に超音波を照射し、反射又は透過してきた超音波を検出する超音波プローブとして使用することができる。この場合、上記スピーカと同様に、ギャップに減衰の大きな材料を用いて共振を抑えれば、非常に広い周波数帯域 (例えば 10k〜10MHz)で動作する。

[0124] (その他の実施の形態）

上記のように、本発明は第 1〜第 8の実施の形態によって記載した力この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な態様や代替実施の形態、実施例及び運用技術が明ら力となろう。

[0125] 例えば、第 1〜第 8の実施の形態においては、室温で分極量が最大となる誘電分極板 13を使用した場合で例示的に説明したが、第 1の実施の形態において説明したように、ぺロブスカイト型化合物のような 3元系若しくは 4元系以上の化合物力なる混晶の強誘電体は、その糸且成を制御することにより、分極量が最大となる温度を変化させることが可能である。したがって、第 1〜第 8の実施の形態で説明した機械電気変換素子とは逆に、加熱，冷却により荷電粒子を吸着させるようにしても良い。例えば、 200°C近辺で分極量が最大となるように設計した強誘電体を背面電極 12に取り付けてから 200°Cに加熱して荷電粒子を吸着させ、機械電気変換素子を組み上げて室温まで冷却すれば、誘電分極板 13の分極は消失する。したがって、室温で、誘電分極板 13の表面の荷電粒子が除電された状態で、振動子の振動による電極間の帯電状態を測定するようにすることも可能である。

[0126] 特に、キュリー温度の高い強誘電体を用いて、キュリー温度近傍まで加熱して製造すれば、キュリー温度近傍までの高温でも使用可能であるので、耐熱性の高い機械電気変換素子を提供できる。

[0127] このように、本発明はここでは記載して、な、様々な態様や実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

産業上の利用の可能性

[0128] 本発明の機械電気変換素子は、従来の機械電気変換素子よりも振動子 (振動板）の剛性を高めても同等の感度が得られ、減衰の大きな材料をギャップ空間に充填することにより共振を抑えることもできるため、広範囲の音圧および周波数に対応した超広帯域マイクロフォンとして音響機器の分野、或いは、超広帯域音響センサ、超広帯域超音波センサとして測定機器の分野で利用可能である。

[0129] 特に、音響機器の分野においては、本発明の機械電気変換素子は、水中や生体中のような低音響インピーダンス媒体を伝播する音響の計測においても、圧電セラミッタスよりも感度と帯域に優れたマイクロフォンとして利用可能である（例えば超広帯域ハイド口フォン）。

[0130] 更に、本発明の機械電気変換素子は、ァクチユエータとしても動作することから，医療用超音波プローブとして医療機器の分野で利用可能である。特に、医療機器の分野においては、周波数帯域が広いことから体内を伝播するうちに周波数が変化する超音波を高感度に検出できる。

[0131] いずれの場合も、感度が劣化しても加熱により簡単に初期の感度に戻すことが可能であり、本発明の機械電気変換素子が圧電効果を利用していないことから、電極と強誘電体との接合状態により感度が大幅に劣化することもないため、本発明の機械電気変換素子は極めて長寿命のセンサ、ァクチユエータ、プローブとして使用可能であり、これらを用、た電子機器等の分野で利用可能である。

Claims

請求の範囲

[1] 平坦な振動面を有する導電体からなる振動子と、

前記振動面に対向した平坦な第 1主面及び該第 1主面に平行に対向する第 2主面で定義される強誘電体からなる誘電分極板と、

前記第 2主面に接合された背面電極と、

前記振動面の変位に伴！ヽ、前記誘電分極板に誘導される電荷を測定する誘導電荷測定手段

とを備えることを特徴とする機械電気変換素子。

[2] 前記強誘電体は、強誘電体の単結晶若しくは多結晶、又は結晶性高分子のいずれかであることを特徴とする請求項 1に記載の機械電気変換素子。

[3] 前記強誘電体セラミックスは、ぺロブスカイト型化合物、タングステンブロンズ構造化合物、ビスマス系層状構造化合物、ウルッ鉱構造結晶、酸化亜鉛、水晶、ロッシェル塩、の!ヽずれかであることを特徴とする請求項 2に記載の機械電気変換素子。

[4] 前記振動面に絶縁コート膜を有することを特徴とする請求項 1〜3のいずれ力 1項に記載の機械電気変換素子。

[5] 前記第 1主面に絶縁コート膜を有することを特徴とする請求項 1〜4のいずれ力 1項に記載の機械電気変換素子。

[6] 前記振動子と前記誘電分極板との間のギャップ空間に、繊維質層及び多孔質層の少なくともいずれかを含むギャップ空間充填層を充填したことを特徴とする請求項 1

〜3の、ずれか 1項に記載の機械電気変換素子。

[7] 前記振動子と前記誘電分極板との間に、表面が粗い絶縁フィルムを設置したことを特徴とする請求項 1〜3のいずれ力 1項に記載の機械電気変換素子。

[8] 前記振動子、前記誘電分極板及び前記背面電極が導電性のケースに収納されていることを特徴とする請求項 1〜5のいずれ力 1項に記載の機械電気変換素子。

[9] 前記誘電分極板及び前記背面電極が導電性のケースに収納され、

前記振動子は、アコースティック'ェミッションを行う測定対象物であり、前記ケースの開口端部が前記測定対象物に接していることを特徴とする請求項 1

〜5の、ずれか 1項に記載の機械電気変換素子。

[10] 前記背面電極と前記ケースの間に榭脂層が挿入されていることを特徴とする請求項 8又は 9に記載の機械電気変換素子。

[11] 前記振動子の対向する 2面の中心面を鏡像面とし、

該鏡像面に関し、前記誘電分極板と鏡像関係になる第 2誘電分極板と、該鏡像面に関し、前記背面電極と鏡像関係になる第 2背面電極

とを更に備え、前記誘導電荷測定手段は、前記誘電分極板と前記第 2誘電分極板に誘導される電荷を測定することを特徴とする請求項 1〜5のいずれか 1項に記載の機械電気変換素子。

[12] 平坦な第 1主面及び該第 1主面に平行に対向する第 2主面で定義される強誘電体からなる誘電分極板の前記第 2主面に背面電極を接合する工程と、

前記誘電分極板を、脱分極温度からキュリー温度の間の除電温度まで加熱し、前記誘電分極板の表面に帯電していた電荷を除去する工程と、

平坦な振動面を有する導電体からなる振動子を用意し、前記振動面に前記第 1主面が対向するようにして、前記誘電分極板及び前記背面電極を、前記除電温度において、前記振動子と共に導電性のケースに収納し、前記振動子と前記誘電分極板間の空間を密閉する工程と、

前記振動子と前記誘電分極板間の空間を密閉後、前記誘電分極板を室温に戻す工程

とを含むことを特徴とする機械電気変換素子の製造方法。