WO2024090331A1 - エレクトレット・コンデンサ・センサ、およびその製造方法 - Google Patents

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WO2024090331A1
WO2024090331A1 PCT/JP2023/037948 JP2023037948W WO2024090331A1 WO 2024090331 A1 WO2024090331 A1 WO 2024090331A1 JP 2023037948 W JP2023037948 W JP 2023037948W WO 2024090331 A1 WO2024090331 A1 WO 2024090331A1
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electret
electrode
protrusion
ecs
insulating layer
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PCT/JP2023/037948
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Inventor
健介 蔭山
Original Assignee
国立大学法人埼玉大学
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00—Electrostatic transducers
    • H04R19/01—Electrostatic transducers characterised by the use of electrets
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R31/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of transducers or diaphragms therefor

Definitions

  • the present invention relates to an electret capacitor sensor and a method for manufacturing the same.
  • An electret capacitor sensor consists of an electret placed between opposing electrodes (capacitors), and the electret creates an electric field in the air gap inside the capacitor.
  • ECS electret capacitor sensor
  • an ECS includes an electret electrode having an upper electrode and an electret layer, and an insulated electrode having a lower electrode and an insulating layer, and forms a microgap between the electret layer and the insulating layer.
  • This allows the electric field strength in the gap to be significantly increased, enabling transmission and reception over a wide frequency range.
  • the microgap has much greater rigidity than the macrogap, it also has improved pressure resistance, making it possible to measure vibrations, sounds, ultrasound, and the like not only in the air, but also in water, in living organisms, and in various materials.
  • ECS is suitable for measuring ultrasonic waves over a wide frequency range that propagate through low acoustic impedance such as living organisms. For this reason, it is used to measure the acoustic emissions (AE) of plants and microorganisms, as well as biological sounds such as pulse waves and heart sounds.
  • AE acoustic emissions
  • the objective of one embodiment of the present invention is to improve the sensitivity of electret condenser sensors.
  • the present application discloses an electret capacitor sensor including an insulating electrode including a first electrode and an insulating layer, and an electret electrode including a second electrode and an electret layer, the electret layer and the insulating layer being arranged so as to face each other, the insulating layer including a protrusion and a bottom other than the protrusion on an opposing surface facing the electret layer, and the electret electrode being formed with undulations corresponding to the protrusion and the bottom of the insulating layer.
  • the present application discloses an electret capacitor sensor in which the electret electrode has an upper portion facing the protrusion of the insulating layer, a lower portion facing the bottom of the insulating layer, and a side portion connecting the upper portion and the lower portion, and the side portion is inclined with respect to the protruding direction of the protrusion to connect the upper portion and the lower portion.
  • the present application discloses an electret capacitor sensor in which a first gap is formed between the bottom of the insulating layer and the lower part of the electret electrode, and a chamber having a second gap larger than the first gap is formed between the protrusion of the insulating layer and the side of the electret electrode.
  • the present application discloses an electret condenser sensor in which the width Wg of the bottom and the height dr of the protrusion are formed so that the ratio RC of the capacitance of the protrusion to the capacitance of the entire electret condenser sensor is 0.27 or less.
  • the present application discloses an electret capacitor sensor in which the width Wg of the bottom and the height dr of the protrusion are formed so that the plastic strain ⁇ of the electret electrode is equal to or less than the total elongation of the material used for the electret electrode.
  • the present application discloses an electret capacitor sensor in which the insulating layer has micro-protrusions on the bottom that are smaller than the protrusions.
  • the present application discloses an electret capacitor sensor in which the width Wg of the bottom is formed to be 500 times or less the size dmg of the first gap.
  • the present application discloses an electret capacitor sensor in which the protrusion has at least one of the following shapes: a ridge shape, a column shape, a hemispherical shape, a spherical shape, or a lattice shape.
  • the present application discloses a method for manufacturing an electret capacitor sensor, including the steps of forming a protrusion and a bottom portion other than the protrusion on an insulating layer of an insulated electrode including a first electrode and an insulating layer, arranging an electret electrode including a second electrode and an electret layer such that the electret layer and the insulating layer face each other, and pressing the electret electrode against the insulated electrode to deform the electret electrode so that undulations corresponding to the protrusion and the bottom portion of the insulating layer are formed.
  • the sensitivity of the electret condenser sensor can be improved.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an outline of an electret condenser sensor according to this embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing a method for manufacturing the electret condenser sensor of this embodiment.
  • FIG. 3A is a diagram showing an example of a protrusion of the electret condenser sensor of this embodiment.
  • FIG. 3B is a diagram showing an example of a protrusion of the electret condenser sensor of this embodiment.
  • FIG. 3C is a diagram showing an example of a protrusion of the electret condenser sensor of this embodiment.
  • FIG. 3D is a diagram showing an example of a protrusion of the electret condenser sensor of this embodiment.
  • FIG. 3A is a diagram showing an example of a protrusion of the electret condenser sensor of this embodiment.
  • FIG. 3B is a diagram showing an example of a protrusion of the electret condenser sensor of this embodiment
  • FIG. 3E is a diagram showing an example of a protrusion of the electret condenser sensor of this embodiment.
  • FIG. 4A is a cross-sectional view showing an outline of a modified example of the electret condenser sensor of this embodiment.
  • FIG. 4B is a cross-sectional view showing an outline of a modified example of the electret condenser sensor of this embodiment.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing an outline of a modified example of the electret condenser sensor of this embodiment.
  • FIG. 6A is a diagram showing a schematic bonding state of the protrusions of the electret capacitor sensor of this embodiment.
  • FIG. 6B is a diagram showing a schematic bonding state of the protrusions of the electret condenser sensor of this embodiment.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing an outline of a modified example of the electret condenser sensor of this embodiment.
  • FIG. 8A is a diagram for explaining the coating of the plastically deformed electret electrode.
  • FIG. 8B is a diagram for explaining the coating of the plastically deformed electret electrode.
  • FIG. 9 is a schematic diagram of an electret condenser sensor fabricated as one embodiment.
  • FIG. 10A is a diagram for explaining performance evaluation of an electret condenser sensor.
  • FIG. 10B is a diagram showing an example of a signal output of an electret capacitor sensor.
  • FIG. 10A is a diagram for explaining performance evaluation of an electret condenser sensor.
  • FIG. 11 is a diagram showing each parameter of the electret condenser sensor of this embodiment.
  • FIG. 12 is a graph showing the ECS output voltage versus base width.
  • FIG. 13 is a graph showing the output voltage of the ECS versus the height of the protrusion.
  • FIG. 14 is a diagram showing the concept of the actual deformation of the electrode layer and an approximate model when the electret electrode is plastically deformed.
  • FIG. 15A is a plan view of an insulated electrode in which the protrusions are ridged.
  • FIG. 15B is a plan view of an insulated electrode in which the protrusions are columnar.
  • FIG. 15C is a plan view of an insulated electrode in which the protrusions are semi-spherical or spherical.
  • FIG. 15A is a plan view of an insulated electrode in which the protrusions are ridged.
  • FIG. 15B is a plan view of an insulated electrode in which the protrusions are columnar
  • FIG. 16A is a plan view of an insulated electrode in which the protrusions are ridged.
  • FIG. 16B is a plan view of an insulated electrode in which the protrusions are columnar.
  • FIG. 16C is a plan view of an insulated electrode in which the protrusions are semi-spherical or spherical.
  • FIG. 17 is a graph showing the output voltage of the ECS versus the pressing load F (N) of the ECS.
  • FIG. 18A is a diagram showing the results of sensitivity measurement of an ECS having a PTFE electret and protrusions 122 after one week at room temperature and after further being held in a thermostatic oven at 60° C. for one week (annealing test).
  • FIG. 18B is a diagram showing the sensitivity measurement results of an island-shaped silica electret and an ECS without protrusions after one week at room temperature and after further being kept in a constant temperature furnace at 60° C. for one week (annealing test).
  • FIG. 18C is a diagram showing the sensitivity measurement results of an ECS having island-shaped electrets and protrusions 122 after one week at room temperature and after further being held in a constant temperature furnace at 60° C. for one week (annealing test).
  • FIG. 19 is a diagram showing a state in which a pseudo AE measurement was performed in a state in which the sensing part was significantly deformed by pressing the ECS against a PTFE round bar.
  • FIG. 20A is a diagram showing the change in sensitivity with respect to the pressing load of an ECS having island-shaped silica electrets and no protrusions.
  • FIG. 20B is a diagram showing the change in sensitivity with respect to the pressing load of an ECS having island-shaped electrets and protrusions.
  • FIG. 21A is a diagram showing the TR after one week of storage at room temperature for an ECS using a PTFE electret and having no protrusions, and an ECS using a PTFE electret and having protrusions.
  • FIG. 21B shows the TR after annealing test (1 week) of an ECS without protrusions using a PTFE electret and an ECS with protrusions using a PTFE electret.
  • FIG. 22 is a cross-sectional view showing an outline of the electret condenser sensor assembly of this embodiment.
  • FIG. 23 is a graph showing a comparison of the sensitivity TR of the ECSs produced
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an outline of the electret capacitor sensor of this embodiment.
  • the electret capacitor sensor 1000 includes an insulated electrode 100 including a first electrode 110 and an insulating layer 120, and an electret electrode 200 including a second electrode 210 and an electret layer 220.
  • the insulated electrode 100 and the electret electrode 200 are arranged so that the electret layer 220 and the insulating layer 120 face each other.
  • the material of the insulating layer 120 and the electret layer 220 can be a fluororesin (PTFE, PFA, FEP, etc.).
  • the insulating layer 120 includes protrusions 122 and a bottom portion 124 other than the protrusions on the surface facing the electret layer 220.
  • the electret electrode 200 is formed with undulations corresponding to the protrusions 122 and bottom portion 124 of the insulating layer 120.
  • the electret electrode 200 has an upper portion 230 facing the protrusion 122 of the insulating layer 120, a lower portion 240 facing the bottom portion 124 of the insulating layer 120, and a side portion 250 connecting the upper portion 230 and the lower portion 240.
  • the side portion 250 is inclined with respect to the protruding direction of the protrusion 122 to connect the upper portion 230 and the lower portion 240.
  • the electret capacitor sensor 1000 has a first gap (microgap) GP-1 formed between the bottom 124 of the insulating layer 120 and the lower portion 240 of the electret electrode 200.
  • the first gap GP-1 is, for example, 10 nm-10 ⁇ m.
  • the electret capacitor sensor 1000 has a chamber (cavity) CH formed between the protrusion 122 of the insulating layer 120 and the side portion 250 of the electret electrode 200, the chamber (cavity) CH having a second gap GP-2 larger than the first gap GP-1.
  • the chamber CH reduces the air resistance of the microgap GP-1, improving the sensitivity of the ECS.
  • the protrusions 122 it is possible to suppress the decrease in sensitivity due to the pressing load.
  • the charge retention characteristics can be improved by increasing the surface area of the electret layer 220 (increasing the amount of charge retention). Note that the effect of the chamber CH is effective when the microgap GP-1 is filled with a gas such as air, and is ineffective when it is sealed in a vacuum.
  • Figure 2 shows the method for manufacturing an electret condenser sensor of this embodiment.
  • the manufacturing method of the ECS includes step S102 of forming the protrusions 122 and the bottom 124 other than the protrusions on the insulating layer 120 of the insulated electrode 100 including the first electrode 110 and the insulating layer 120.
  • Step S102 can be performed, for example, by operating a CO2 laser with an output of 20 W at 3000 mm/min on the PTFE layer as the insulating layer 120 as shown in FIG. 2. That is, the protrusions 122 can be formed by removing the PTFE layer in the area that will become the bottom 124 by laser ablation.
  • the protrusions 122 and the bottom 124 can be formed on the insulating layer 120 using various methods such as various printing methods such as screen printing and inkjet printing, lithography, deposition, CVD, ion or plasma irradiation, and press processing (insulating electrode is press-molded after calcination, and press-molded at high temperature after sintering).
  • various printing methods such as screen printing and inkjet printing, lithography, deposition, CVD, ion or plasma irradiation, and press processing (insulating electrode is press-molded after calcination, and press-molded at high temperature after sintering).
  • the method for manufacturing the ECS also includes step S104 of arranging the electret electrode 200 including the second electrode 210 and the electret layer 220 so that the electret layer 220 faces the insulating layer 120.
  • the method for manufacturing the ECS also includes step S106 of pressing the electret electrode 200 against the insulating electrode 100 to deform the electret electrode 200 so that undulations corresponding to the protrusions 122 and the bottom 124 of the insulating layer 120 are formed.
  • Step S106 can be performed, for example, by pressing the electret electrode 200 against the insulating electrode 100 with a force of 40-50 N using a finger to plastically deform the electret electrode 200 along the protrusions 122 and the bottom 124.
  • the insulated electrode 100 and the electret electrode 200 are not parallel on the side of the protrusion 122, but the gap widens on the bottom 124 side, forming a chamber CH. This reduces the air resistance of the microgap GP-1 and increases the amount of charge held.
  • the contact surface of the protrusion 122 may be in dry contact, but is preferably bonded (when welding, room temperature curing with an adhesive, heat curing, or heating, it is preferable to heat only the protrusion 122).
  • an electret electrode 200 having an electret layer 220 is laminated on an insulated electrode 100 having an insulating layer 120 with periodic protrusions 122, and an electromechanical transducer is disclosed that has a micro gap GP-1 of 10 nm-10 ⁇ m at the bottom 124 and a chamber CH on the side of the protrusions 122.
  • the chamber CH itself contributes to improving the sensitivity of the ECS by providing an escape route for the air in the microgap GP-1, but the negative charges attached to the electret at the top of the chamber have almost no effect on the sensitivity of the ECS.
  • the microgap may be caused by the surface roughness of the film, or the spacer may be intentionally formed by finely patterning the insulating layer.
  • the microgap GP-1 deforms and is converted into an electrical signal, but as air flows in and out of the chamber CH, air resistance decreases and sensitivity improves.
  • the microgap GP-1 has high equivalent spring rigidity and can maintain a high electric field generated by the electret, making it possible to detect sound and vibration over a wide frequency range.
  • this embodiment makes it possible to perform non-contact sound measurements (including ultrasonic waves) and contact measurements of vibration and acoustic emission (AE).
  • the protrusion 122 When the ECS is pressed against a measurement object (a pressing force of about 5-50 N is sufficient), the protrusion 122 receives most of the static pressing load (compressive stress), so the compressive stress acting on the microgap GP-1 is reduced. When the microgap GP-1 is compressed, the equivalent spring stiffness increases and the sensitivity decreases, but this can be avoided.
  • the deformation of the ECS When the ECS is pressed against a curved object such as the stem of a plant, the deformation of the ECS is mainly around the protrusion 122, so excessive deformation of the microgap GP-1 can be suppressed. This makes it possible to prevent a decrease in the sensitivity of the ECS when it is pressed against an object of any shape (and in some cases improve it).
  • the reduction in static stress on the microgap GP-1 by the protrusion 122 is effective even if the microgap is sealed in a vacuum.
  • Figures 3A to 3E are diagrams showing examples of the protrusion of the electret condenser sensor of this embodiment.
  • the protrusion 122 may be ridged (groove-shaped). As shown in FIG. 3B, the protrusion 122 may be columnar. Although the protrusion 122 is shown to be angular in shape in FIGS. 3A and 3B, the protrusion 122 may be semispherical or spherical in shape, as shown in FIG. 3C. When the protrusion 122 is formed by laser ablation, the side of the protrusion 122 may be slightly inclined, so the protrusion 122 may be columnar (including needle-shaped) having a slope (side) at an angle other than 90° to the bottom 124.
  • FIGS. 3D and 3E show a top view and a side view of the insulated electrode 100.
  • the protrusions 122 may be lattice-shaped.
  • the shape of the bottom 124 may be rectangular as shown in FIG. 3D, or circular as shown in FIG. 3E.
  • the lattice pattern of the protrusions 122 is not limited to a square lattice, and may be formed in various patterns such as a triangular lattice, an oblique lattice, and a rectangular lattice.
  • the side area (chamber CH) of the protrusions 122 per unit area of the microgap GP-1 is increased, which is preferable compared to the structures shown in FIGS. 3A to 3C.
  • Figures 4A and 4B are cross-sectional views showing an outline of a modified example of the electret condenser sensor of this embodiment.
  • the insulating layer 120 may have micro-projections 126 at the bottom 124, the micro-projections 126 having a height smaller than that of the projections 122.
  • the size of the microgap GP-1 can be controlled by forming the micro-projections 126 at the bottom 124.
  • the projections 122 and the micro-projections 126 may be formed by dispersing two types of spherical or cylindrical powders or fibers of different sizes. In this case, although performance can be improved even if the distribution is random, a periodic arrangement will further improve performance.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing an outline of a modified example of the electret capacitor sensor of this embodiment.
  • the electret layer 220 may be provided with an electret having island-shaped silica (silica aggregates) on the surface of the electret layer 220, thereby forming micro-projections 126 on the electret layer 220 side.
  • Island-shaped silica means that adjacent silica aggregates are not bonded to each other and are independent at a distance.
  • the island-shaped silica can be used as the micro-projections 126, so that the effect of the island-shaped silica further improves the charge retention characteristics.
  • the electret layer 220 can be used as a micro-gap spacer by forming island-shaped silica (the charge retention characteristics are also improved).
  • island-shaped silica the contents of Japanese Patent No. 6214054 (Electret structure and manufacturing method thereof, and electrostatic induction conversion element) are cited in this application.
  • Figures 6A and 6B are diagrams that show the schematic adhesion state of the protrusion of the electret condenser sensor of this embodiment.
  • the contact portion between the insulated electrode 100 and the electret electrode 200 at the protrusion 122 is glued, since this prevents the electrodes from shifting when shearing force is applied.
  • the adhesion can be achieved by welding the electrodes by instantaneous heating such as flash annealing (heating for a short time prevents the diffusion of electric charges), by contacting only the protrusion 122 with a heated plate for a short time, or by pressing only the protrusion 122 against it for ultrasonic bonding.
  • the protrusion 122 and the electret layer 220 can be in dry contact by simply laminating them, but if they are glued together, the energy of the vibration is transmitted without attenuation.
  • the electret layer 220 has a negative charge attached (electretized), but adhesion is possible by applying an adhesive to the protrusion 122 or by welding the area around the protrusion 122 by heating it for a short time after laminating it.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing an outline of a modified example of the electret capacitor sensor of this embodiment.
  • the electret electrode 200 may include a back layer 260 bonded to the back surface of the second electrode 210 opposite the electret layer 220.
  • the electret electrode 200 can be used as the lower electrode by plastically deforming the electret electrode 200 and laminating it with the insulating electrode 100, and then bonding the back layer 260.
  • FIGs 8A and 8B are diagrams for explaining the coating of the plastically deformed electret electrode.
  • the electret electrode 200 may have a coating layer 270 provided by applying a resin such as an adhesive to the back surface of the second electrode 210.
  • the side surface of the protrusion 122 acts as a chamber CH, so there is no need for load or vibration to act on this surface. Therefore, the coating layer 270 can be formed simply by attaching a flexible tape such as a silicone resin tape. As shown in FIG.
  • adhesion can be improved by coating the top of the electret electrode 200 with resin to provide a covering layer 270.
  • simply attaching tape to the electret electrode 200 creates a gap between the side portion 250 and the covering layer 270, but this does not affect the sensitivity of the ECS of this embodiment. Therefore, the surface can be easily protected and adhesion improved by simply attaching a silicone resin tape or the like.
  • Figure 9 is a diagram showing an outline of the electret condenser sensor produced as one embodiment.
  • the ECS of one embodiment was produced as follows.
  • a PTFE dispersion was spin-coated on an 11 ⁇ m thick Al electrode, and the electrode was pre-baked and fired to obtain an insulated electrode 100 with a thickness of 5-12 ⁇ m.
  • a 3 ⁇ m thick PTFE layer was formed in the same manner, and then a negative charge was applied to the PTFE surface layer by corona discharge to obtain a PTFE electret electrode 200 with a surface potential of 0.36-0.39 kV.
  • the insulated electrode 100 had protrusions formed by laser ablation between pre-baking and firing. More specifically, a 20 W CO2 laser was operated at 3000 mm/min to remove the PTFE layer in the area that would become the bottom, forming a protrusion.
  • a 1.2-1.3 ⁇ m thick PTFE layer remained at the bottom to form an insulating layer, and the thickness of the sample only at the bottom was measured with a micrometer to find that the size of the microgap (height direction) dmg was approximately 2 ⁇ m.
  • PTFE a 1.2-1.3 ⁇ m thick PTFE layer
  • the laser output can be reduced to cause ablation, reducing damage to the PTFE.
  • colloidal silica is used to disperse fine islands of silica in the insulating layer 120, the silica absorbs the laser energy, so the laser output can be reduced to cause ablation, reducing damage to the insulating layer.
  • silica has excellent insulating properties, so the function of the insulating layer is not lost.
  • a 3 mm thick silicone resin was placed under the insulating electrode 100 as a back layer, and the insulating electrode 100 was attached to a substrate (PCB) on which an FET was mounted. Then, the electret electrode 200 was wrapped around it to form an ECS. The size of the sensing part of the manufactured ECS was 8 x 8 mm. After wrapping the electret electrode 200, the electret electrode 200 was plastically deformed along the protrusions by pressing it with a finger with a force of 40-50 N. Then, a coating layer was formed by wrapping a silicone resin tape with a thickness of 0.5 mm around the ECS.
  • the insulating electrode 100 may be formed directly on the substrate (PTFE is printed on the electrode part of the substrate).
  • the insulating electrode may be manufactured using MEMS, and the electret electrode 200 may be laminated on it (in this case, the disadvantage of MEMS microphones, that the vibrating part is easily broken, is improved).
  • FIG. 10A is a diagram for explaining the performance evaluation of an electret condenser sensor.
  • Figure 10B is a diagram showing an example of the signal output of an electret condenser sensor.
  • the piezoelectric sensor 300 as a transmitter and the ECS1000 were connected via the silicone resin block 310.
  • a burst wave (both amplitudes 0.06 V, frequency 500 kHz, wave number 1) was input to the piezoelectric sensor 300 to transmit a pseudo AE, and the pseudo AE propagated through the silicone resin block 310 was received by the ECS1000 and amplified by a preamplifier (amplification rate 68 dB, band 40-400 kHz) to measure the signal waveform.
  • a preamplifier amplification rate 68 dB, band 40-400 kHz
  • the pseudo AE measurement was then performed while controlling the pressing load F using a force logger.
  • the horizontal axis is time (ms)
  • the vertical axis is the output voltage (V) of the ECS1000.
  • the two amplitudes of the measured AE waveform were taken as Vpp and used as a guide for sensitivity.
  • FIG. 11 is a diagram showing the parameters of the electret condenser sensor of this embodiment.
  • Figure 12 is a graph showing the output voltage of the ECS versus the width of the bottom 124.
  • the horizontal axis is the width Wg (mm) of the bottom 124
  • the vertical axis is the output voltage Vpp (V) of the ECS 1000.
  • Graph 410 in FIG. 12 shows the output voltage Vpp of a conventional ECS that uses a PTFE electret and has no protrusions.
  • graph 420 shows a linear approximation of the output voltage Vpp (multiple circles 430 in FIG. 12) of the ECS 1000 of this embodiment using the least squares method.
  • the sensitivity is greatly improved by forming the protrusions 122 and bottom 124 and undulating the electret electrode 200 in response to the protrusions 122 and bottom 124.
  • the upper limit of Wg for which performance improvement can be expected is thought to be 1.0 mm. However, this value is strongly dependent on the flow path of the microgap GP-1. Meanwhile, experimental results show that the sensitivity of the ECS is improved even when Wg is small, but if Wg is too small, the capacitance of the protrusions 122 cannot be ignored and the sensitivity does not improve.
  • the upper limit of the width Wg of the bottom 124 will be explained. If the width Wg of the bottom 124 is too large, the air resistance in the microgap GP-1 will reduce the sensitivity of the ECS.
  • the chamber CH provided on the side of the protrusion 122 serves as an escape route for the air in the microgap when the microgap GP-1 deforms, which reduces the equivalent spring stiffness of the microgap, leading to improved sensitivity.
  • the width Wg of the bottom 124 is too large, the air resistance in the flow path through which the air in the microgap GP-1 reaches the chamber CH cannot be ignored, and the sensitivity will not improve.
  • the width Wg of the bottom 124 is formed to be 500 times or less than the size dmg of the first gap GP-1.
  • Figure 13 is a graph showing the output voltage of the ECS versus the height of the protrusion.
  • the horizontal axis is the height dr ( ⁇ m) of the protrusion 122
  • the vertical axis is the output voltage Vpp (V) of the ECS 1000.
  • Graph 510 in FIG. 13 shows the output voltage Vpp of a conventional ECS that uses a PTFE electret and has no protrusions.
  • graph 520 shows a linear approximation of the output voltage Vpp (multiple circles 530 in FIG. 13) of the ECS 1000 of this embodiment using the least squares method.
  • Figure 14 is a diagram showing the concept of the actual deformation of the electrode layer and an approximate model when the electret electrode is plastically deformed.
  • the upper part of Figure 14 shows a schematic diagram of the actual deformation of the electret electrode 200, and the lower part of Figure 14 shows an approximate model of the electrode deformation.
  • the electret layer 220 fluororesin and island silica
  • the amount of deformation of the fluororesin is significantly greater than that of the material used for the electrode (metals that can be plastically deformed, such as Al, Mg, and stainless steel).
  • the plastic strain of the electret electrode 200 is represented by ⁇ . If ⁇ is not equal to or less than the total elongation of the electrode material, the electret electrode 200 may break during plastic deformation. Therefore, it is necessary to design the height dr of the protrusion 122 so that ⁇ is equal to or less than the total elongation of the material of the electret electrode 200, and this affects the upper limit value of dr.
  • ⁇ also depends on Wg, and if the width Wg of the bottom 124 is too small, ⁇ may exceed the total elongation of the electrode material, which also affects the lower limit of Wg. For these reasons, it is preferable that the width Wg of the bottom 124 and the height dr of the protrusion 122 are formed so that the plastic strain ⁇ of the electret electrode 200 is equal to or less than the total elongation of the material used for the electret electrode 200.
  • the lower limit values of the width Wg of the bottom 124 and the height dr of the protrusion 122 will be explained. Since the inter-electrode distance of the protrusion 122 is larger than that of the bottom 124, the electric field strength is reduced even if a negative charge remains. Furthermore, when pressed, the microgap of the protrusion 122 is compressed. Due to these factors, the sensitivity of the protrusion 122 is extremely reduced, and if the capacitance of the protrusion 122 is large, the protrusion 122 acts as a parasitic capacitance and affects the sensitivity of the entire ECS element.
  • the ratio of the capacitance of the protrusion 122 to the capacitance of the entire ECS element is represented by RC, and if RC is too high, the parasitic capacitance of the protrusion 122 will prevent the sensitivity from improving. Therefore, the lower limit values of the width Wg of the bottom 124 and the height dr of the protrusion 122 depend on RC. In the ECS of this embodiment, the lower limit value of dr was 0.8 ⁇ m, and in this case, RC is 0.27. From the above formula for RC, if either the value of Wg or dr becomes small, RC increases. Wg and dr must be designed so that RC is 0.27 or less, which affects the lower limit values of Wg and dr.
  • the width Wg of the bottom 124 and the height dr of the protrusion 122 are formed so that the ratio RC of the capacitance of the protrusion 122 to the capacitance of the entire ECS is 0.27 or less.
  • design guidelines for Wg and dr are as follows: (1) Design guidelines for Wg: Wg is 500 times or less than dmg; RC is 0.27 or less; ⁇ is the total elongation or less of the material used in the electrode layer that undergoes plastic deformation. (2) Design guidelines for dr: RC is 0.27 or less; ⁇ is the total elongation or less of the material used in the electrode layer that undergoes plastic deformation.
  • design guidelines for Wg and dr have been described as effective when the protrusion 122 has a wavy shape, they can also be applied when the protrusion 122 has a shape other than a wavy shape. As shown below, the design guidelines for Wg and dr are also effective when the protrusion 122 has a columnar, hemispherical, spherical, or lattice shape.
  • RC is set to 0.27 or less. This is because RC represents the proportion of the capacitance of the protrusion 122 in the capacitance of the entire ECS element, and if RC is too high, the parasitic capacitance of the protrusion 122 will reduce the sensitivity. The same phenomenon will occur regardless of the shape of the protrusion, so RC can be obtained by calculating the capacitance of the protrusion and the entire ECS element for that shape, and by keeping RC at 0.27 or less, it is possible to prevent a reduction in sensitivity.
  • the formula for calculating RC is expressed by the following formula, where Ar and Ag are the area ratios (proportions to the total area) of the protrusion 122 and the bottom 124 in a plan view of the insulated electrode, regardless of the shape of the protrusion.
  • RC Ar x dg / ⁇ (Ar + Ag) x dg + Ag x dr ⁇
  • FIG. 15A is a plan view of the insulated electrode 100 when the protrusions 122 are ridge-shaped.
  • FIG. 15B is a plan view of the insulated electrode 100 when the protrusions 122 are column-shaped.
  • FIG. 15C is a plan view of the insulated electrode 100 when the protrusions 122 are hemispherical or spherical.
  • Ar Wr2 /(Wr+Wg) 2
  • Ar ⁇ /4 ⁇ Wr 2 / (Wr + Wg) 2
  • Ag 1 ⁇ Ar.
  • the average height of the protrusion dra ⁇ /4 x dr is used instead of dr.
  • ⁇ is set to be less than or equal to the total elongation of the material used in the electrode layer that is to be plastically deformed, which affects the lower limit of Wg and the upper limit of dr. This is to prevent the electret electrode 200 from breaking during plastic deformation if ⁇ is not set to be less than or equal to the total elongation of the electrode material.
  • Wr and Wg are the widths of the protrusions and the base in the direction in which adjacent protrusions are closest to each other, as shown in Figures 15A, 15B, and 15C. Since the width of the base is the narrowest in this direction, the amount of plastic deformation of the electret electrode is the greatest. Therefore, if ⁇ in this direction is equal to or less than the total elongation, it is possible to prevent the electret electrode from being destroyed by plastic deformation in all directions.
  • the design guideline for Wg which states that Wg should be no more than 500 times dmg, can also be applied to shapes other than ridged shapes. We will explain this by taking columnar and hemispherical shapes as examples.
  • the width Wg of the bottom 124 is too large, the air resistance in the flow path through which the air in the microgap GP-1 reaches the chamber CH cannot be ignored, and the sensitivity will not improve.
  • the width of the bottom at the position and direction where the flow path is the longest in the microgap is taken as Wgx, and this can be used as the standard.
  • FIG. 16A is a plan view of an insulated electrode 100 in which the protrusions 122 are ridge-shaped.
  • FIG. 16B is a plan view of an insulated electrode 100 in which the protrusions 122 are column-shaped.
  • FIG. 16C is a plan view of an insulated electrode 100 in which the protrusions 122 are hemispherical or spherical.
  • dg and Wr may be determined according to the design guidelines and the required performance and specifications.
  • Figure 17 is a graph showing the ECS output voltage versus the ECS pressing load F (N).
  • the horizontal axis is the ECS pressing load F (N)
  • the vertical axis is the output voltage Vpp (V) of the ECS 1000.
  • the sensitivity of the ECS is improved compared to PTFE electrets by using island silica electrets, but it can be seen that even an ECS using PTFE electrets has a significantly improved sensitivity by providing protrusions compared to an ECS using island silica electrets without protrusions.
  • the sensitivity decreases monotonically as the pressing load increases due to the compression of the microgap, but by providing the protrusion 122, the sensitivity does not decrease unless a pressing load of 20 N or more is applied. In this way, it can be seen that by providing the protrusion 122, not only does the presence of the chamber CH increase the sensitivity, but it is also possible to suppress the decrease in sensitivity due to pressing.
  • the annealing test corresponds to an accelerated test for evaluating long-term reliability.
  • the sensitivity of the ECS using PTFE electret is significantly increased by having protrusions, but the sensitivity decreases by about 13-35% after the annealing test.
  • the sensitivity decrease after the annealing test for the ECS without protrusions is 15-28%, and no significant difference is observed in the charge retention characteristics between the PTFE electret and the ECS with protrusions. It is generally known that the charge retention characteristics are improved when island-shaped silica electrets are used, but by forming protrusions, the PTFE electret shows the same charge retention characteristics. Furthermore, as shown in FIG.
  • Figure 19 shows a pseudo AE measurement performed in a state where the sensing part was significantly deformed by pressing the ECS against a PTFE round bar.
  • a PTFE round bar 610 with a diameter of 10 mm was placed between the silicone resin block 620 and the ECS 1000, and the ECS 1000 was pressed against the PTFE round bar 610 to perform a pseudo AE measurement using the same procedure as above.
  • the horizontal axis is the pressing load F (N) of the ECS
  • the vertical axis is the output voltage Vpp (V) of the ECS1000.
  • Figures 20A and 20B show the output voltage Vpp (V) of the ECS1000 when the pressing load of the ECS1000 against the PTFE round bar 610 is increased and then decreased.
  • the transmitter ECS did not have a FET mounted, and the receiver was placed facing the transmitter at a distance of 56 m.
  • a burst wave (wave number: 5) was input to the transmitter to oscillate ultrasonic waves, and the signal received by the receiver was amplified by a preamplifier (amplification rate 68 dB, band 40-400 kHz) and the signal waveform was recorded.
  • the transmission and reception sensitivity TR was calculated by subtracting the preamplifier amplification rate from the intensity ratio of the frequency spectrum of the input waveform and output waveform.
  • the horizontal axis indicates the frequency (kHz) of the burst wave
  • the vertical axis indicates TR (dB).
  • graph L indicates the TR of an ECS with a protrusion
  • graph P indicates the TR of an ECS without a protrusion.
  • 21A and 21B show the results after one week of holding at room temperature and after an annealing test, as above, and it can be seen that the TR of the ECS according to this embodiment has increased significantly even after the annealing test, and long-term reliability has also improved.
  • the transmission output of the transmitter is increased, and together with the increase in the reception sensitivity of the receiver, a significant improvement in transmission and reception sensitivity is obtained as shown in Figures 21A and 21B. That is, when the ECS is used as a transmitter, the electric field strength acting on the microgap GP-1 of the ECS fluctuates due to the input burst wave, which causes a fluctuating stress in the vibrating part and generates vibration. At this time, the higher the electric field strength of the microgap GP-1 generated by the electret and the lower the equivalent spring stiffness of the vibrating part, the higher the transmission output.
  • the chamber CH reduces the air resistance of the microgap GP-1, which in turn reduces the equivalent spring stiffness of the vibrating part.
  • the charge retention characteristics of the electret due to the excess negative charge attached around the chamber are improved, and the electric field strength of the electret increases accordingly, improving the transmission output.
  • Figure 22 is a cross-sectional view showing an outline of the electret condenser sensor assembly of this embodiment.
  • the electret capacitor sensor assembly 1100 includes the above-mentioned ECS 1000, a backing layer 1010 attached to the insulated electrode 100 of the ECS 1000, a guard layer 1020 arranged to surround the ECS 1000 and the backing layer 1010, and a coupling layer 1030 attached to the electret electrode 200 of the ECS 1000 and the guard layer 1020.
  • the ECS 1000, backing layer 1010, guard layer 1020, and coupling layer 1030 may be integrated and housed in a casing 1040.
  • the electret capacitor sensor assembly 1100 is configured to receive a pressing load F or pressure P through the coupling layer 1030.
  • the guard layer 1020 can be made of a hard material with negligible deformation.
  • the guard layer 1020 can be made of a material with a durometer hardness A of 100° or more, and the area of the pressure-receiving portion (contact portion with the coupling layer 1030) can be adjusted according to the size of the ECS 1000 and the range of the pressing load F or pressure P.
  • the back layer 1010 and the coupling layer 1030 can be made of a material softer than the guard layer 1020.
  • the back layer 1010 and the coupling layer 1030 can be made of a material such as silicone resin that has a durometer hardness A of 5-70° and is flexible but has a resilient force, and their hardness and thickness can be adjusted according to the range of the pressing load F or pressure P.
  • the electret condenser sensor assembly 1100 of this embodiment can improve the pressure resistance of the ECS1000.
  • the ECS1000 can be contacted by providing the microgap GP-1 as described above, making it a low-cost, wide-band AE sensor, but the sensitivity of the ECS1000 alone changes significantly when a pressing load of more than 20 N is applied.
  • the electret condenser sensor assembly 1100 of this embodiment by disposing a hard guard layer 1020, which has negligible deformation, around the ECS 1000, and a flexible but repulsive coupling layer 1030 and back layer 1010, it is possible to significantly improve pressure resistance.
  • a hard guard layer 1020 which has negligible deformation
  • sensitivity decreased when a pressing load exceeding 20 N was applied, but in the case of the electret condenser sensor assembly 1100, sensitivity did not decrease even when a pressing load exceeding 50 N was applied.
  • An example of the production of an ECS having a guard layer 1020 as shown in Fig. 22 is shown below.
  • An ABS casing 1040 integrated with the guard layer 1020 was produced by a 3D printer, and an ECS was produced having a back layer 1010 (silicon resin) with a hardness of 50° and a thickness of 3 mm and a coupling layer 1030 (silicon resin) with a hardness of 10° and a thickness of 3 mm.
  • the difference ⁇ h in the height of the ECS sensing part relative to the height of the guard layer 1020 shown in Fig. 22 was set to -0.2 mm.
  • Figure 23 shows a comparison of the sensitivity TR of the ECSs we created, measured in the same way as in Figure 17.
  • TR represents the ratio of Vpp to both amplitudes of the burst wave input to the transmitter (the amplification factor of the amplifier has been subtracted).
  • SS indicates an ECS without island-shaped silica electrets and protrusions (same as SS in Figure 17).
  • GS indicates an ECS with the guard layer 1020 shown in Figure 22 added to SS.
  • LGS indicates an ECS with island-shaped silica electrets and protrusions and the guard layer 1020 shown in Figure 22 added to ECS. (An ECS equivalent to Figure 18C with the guard layer 1020 added)
  • F 10N
  • the amount of deformation of the coupling layer is small and the ECS sensing part is located lower than the guard layer, so at low loads the pressing force increases only at the center of the ECS sensing part, while the sensitivity decreases due to insufficient pressing force at the periphery. Therefore, even if there are no protrusions, pressure resistance can be improved by adding a guard layer, but conversely, sensitivity at low loads decreases, limiting the range of loads at which high sensitivity can be maintained.
  • LGS has protrusions that give it much higher sensitivity than SS and GS from low to high loads, and the sensitivity fluctuation is also significantly lower than SS and GS at less than 2 dB.
  • the electret condenser sensor assembly 1100 of this embodiment allows the ECS 1000 to be firmly attached when performing AE measurements on trees, making it easy to perform AE measurements on fruit trees such as mandarin oranges.
  • the increased resistance to water pressure allows for inexpensive measurement of underwater bioacoustics.
  • Insulated electrode 110 First electrode 120 Insulating layer 122 Protrusion 124 Bottom 126 Microprotrusion 200 Electret electrode 210 Second electrode 220 Electret layer 230 Top 240 Bottom 250 Side 1000 Electret capacitor sensor CH Chamber (cavity) GP-1 First gap (microgap) GP-2 Second Gap GP-3 Gap

Landscapes

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Abstract

【課題】エレクトレット・コンデンサ・センサの感度を向上させる。 【解決手段】エレクトレット・コンデンサ・センサ１０００は、第１の電極１１０および絶縁層１２０を含む絶縁電極１００と、第２の電極２１０およびエレクトレット層２２０を含み、エレクトレット層２２０と絶縁層１２０が対向するように配置されたエレクトレット電極２００と、を含む。絶縁層１２０は、エレクトレット層２２０と対向する対向面に、突起部１２２と、突起部１２２以外の底部１２４と、を含み、エレクトレット電極２００は、絶縁層１２０の突起部１２２および底部１２４に対応する起伏を有して形成される。

Description

エレクトレット・コンデンサ・センサ、およびその製造方法
　本発明は、エレクトレット・コンデンサ・センサ、およびその製造方法に関する。
　エレクトレット・コンデンサ・センサ（ＥＣＳ）は、対向配置された電極（コンデンサ）間にエレクトレットを配置して構成されており、エレクトレットによりコンデンサ内部の空気ギャップに電界が形成される。ＥＣＳでは、機械的振動によりギャップが変形すると、コンデンサ間の電位差が変化し、電気信号に変換される。
　例えば特許文献１に開示されているように、上部電極およびエレクトレット層を有するエレクトレット電極と、下部電極および絶縁層を有する絶縁電極と、を備えており、エレクトレット層と絶縁層との間にマイクロギャップを形成するＥＣＳが知られている。これによりギャップ内の電界強度を大幅に増加することができ、広帯域周波数での送受信が可能となる。また、マイクロギャップはマクロギャップより剛性がはるかに大きいため、耐圧も向上して空中だけでなく、水中、生体中、各種材料中の振動、音響・超音波などを測定できる。
　ＥＣＳは、生体のような低音響インピーダンスを伝播する超音波を広帯域周波数で測定するのに適している。そのため、植物や微生物のアコースティック・エミッション（ＡＥ）測定、および脈波や心音などの生体音測定に用いられている。
特許第５３０５３０４号公報
　しかしながら、例えば植物や微生物のＡＥは非常に微弱であり、媒質（植物体、培地）の音響減衰も大きいため、高感度なセンサが必要とされる。そのため、ＥＣＳのさらなる感度向上が求められている。
　そこで本願発明の一実施形態は、エレクトレット・コンデンサ・センサの感度を向上させることを課題とする。
　本願は、一実施形態として、第１の電極および絶縁層を含む絶縁電極と、第２の電極およびエレクトレット層を含み、前記エレクトレット層と前記絶縁層が対向するように配置されたエレクトレット電極と、を含み、前記絶縁層は、前記エレクトレット層と対向する対向面に、突起部と、前記突起部以外の底部と、を含み、前記エレクトレット電極は、前記絶縁層の前記突起部および前記底部に対応する起伏を有して形成される、エレクトレット・コンデンサ・センサを開示する。
　さらに、本願は、一実施形態として、前記エレクトレット電極は、前記絶縁層の前記突起部に対向する上部と、前記絶縁層の前記底部に対向する下部と、前記上部と前記下部とを連結する側部と、を有し、前記側部は前記突起部の突出方向に対して傾斜して前記上部と前記下部とを連結する、エレクトレット・コンデンサ・センサを開示する。
　さらに、本願は、一実施形態として、前記絶縁層の前記底部と前記エレクトレット電極の前記下部との間に第１のギャップが形成され、前記絶縁層の前記突起部と前記エレクトレット電極の前記側部との間に、前記第１のギャップより大きな第２のギャップを有するチャンバが形成される、エレクトレット・コンデンサ・センサを開示する。
　さらに、本願は、一実施形態として、前記底部の幅Ｗｇおよび前記突起部の高さｄｒは、エレクトレット・コンデンサ・センサ全体の静電容量に対する前記突起部の静電容量の比ＲＣが０．２７以下になるように形成される、エレクトレット・コンデンサ・センサを開示する。
　さらに、本願は、一実施形態として、前記底部の幅Ｗｇおよび前記突起部の高さｄｒは、前記エレクトレット電極の塑性ひずみεが前記エレクトレット電極に使用する材料の全伸び以下となるように形成される、エレクトレット・コンデンサ・センサを開示する。
　さらに、本願は、一実施形態として、前記絶縁層は、前記底部に、前記突起部よりも小さな微小突起部を有する、エレクトレット・コンデンサ・センサを開示する。
　さらに、本願は、一実施形態として、前記底部の幅Ｗｇは、前記第１のギャップの大きさｄｍｇの５００倍以下になるように形成される、エレクトレット・コンデンサ・センサを開示する。
　さらに、本願は、一実施形態として、前記突起部は、うね形状、柱形状、半球形状、球形状、または格子形状の少なくとも１つの形状を有する、エレクトレット・コンデンサ・センサを開示する。
　さらに、本願は、一実施形態として、第１の電極および絶縁層を含む絶縁電極の前記絶縁層に、突起部と、前記突起部以外の底部と、を形成するステップと、第２の電極およびエレクトレット層を含むエレクトレット電極を、前記エレクトレット層と前記絶縁層が対向するように配置するステップと、前記エレクトレット電極を前記絶縁電極に押し付けて、前記絶縁層の前記突起部および前記底部に対応する起伏が形成されるように前記エレクトレット電極を変形させるステップと、を含む、エレクトレット・コンデンサ・センサの製造方法を開示する。
　本願発明の一実施形態によれば、エレクトレット・コンデンサ・センサの感度を向上させることができる。
図１は、本実施形態のエレクトレット・コンデンサ・センサの概略を示す断面図である。 図２は、本実施形態のエレクトレット・コンデンサ・センサの製造方法を示す図である。 図３Ａは、本実施形態のエレクトレット・コンデンサ・センサの突起部の一例を示す図である。 図３Ｂは、本実施形態のエレクトレット・コンデンサ・センサの突起部の一例を示す図である。 図３Ｃは、本実施形態のエレクトレット・コンデンサ・センサの突起部の一例を示す図である。 図３Ｄは、本実施形態のエレクトレット・コンデンサ・センサの突起部の一例を示す図である。 図３Ｅは、本実施形態のエレクトレット・コンデンサ・センサの突起部の一例を示す図である。 図４Ａは、本実施形態のエレクトレット・コンデンサ・センサの変形例の概略を示す断面図である。 図４Ｂは、本実施形態のエレクトレット・コンデンサ・センサの変形例の概略を示す断面図である。 図５は、本実施形態のエレクトレット・コンデンサ・センサの変形例の概略を示す断面図である。 図６Ａは、本実施形態のエレクトレット・コンデンサ・センサの突起部の接着状態を概略的に示す図である。 図６Ｂは、本実施形態のエレクトレット・コンデンサ・センサの突起部の接着状態を概略的に示す図である。 図７は、本実施形態のエレクトレット・コンデンサ・センサの変形例の概略を示す断面図である。 図８Ａは、塑性変形させたエレクトレット電極の被覆について説明するための図である。 図８Ｂは、塑性変形させたエレクトレット電極の被覆について説明するための図である。 図９は、一実施形態として製作したエレクトレット・コンデンサ・センサの概略を示す図である。 図１０Ａは、エレクトレット・コンデンサ・センサの性能評価について説明するための図である。 図１０Ｂは、エレクトレット・コンデンサ・センサの信号出力の一例を示す図である。 図１１は、本実施形態のエレクトレット・コンデンサ・センサの各パラメータを示す図である。 図１２は、底部の幅に対するＥＣＳの出力電圧を示すグラフである。 図１３は、突起部の高さに対するＥＣＳの出力電圧を示すグラフである。 図１４は、エレクトレット電極を塑性変形させる場合の、電極層の実際の変形と近似モデルの概念を示す図である。 図１５Ａは、突起部がうね形状の場合の絶縁電極の平面図である。 図１５Ｂは、突起部が柱形状の場合の絶縁電極の平面図である。 図１５Ｃは、突起部が半球形状または球形状の場合の絶縁電極の平面図である。 図１６Ａは、突起部がうね形状の場合の絶縁電極の平面図である。 図１６Ｂは、突起部が柱形状の場合の絶縁電極の平面図である。 図１６Ｃは、突起部が半球形状または球形状の場合の絶縁電極の平面図である。 図１７は、ＥＣＳの押付荷重Ｆ（Ｎ）に対するＥＣＳの出力電圧を示すグラフである。 図１８Ａは、ＰＴＦＥエレクトレットと突起部１２２を有するＥＣＳの常温１週間経過後とさらに６０℃の恒温炉に１週間保持（アニール試験）後の感度測定結果を示す図である。 図１８Ｂは、島状シリカエレクトレットと突起部の無いＥＣＳの常温１週間経過後とさらに６０℃の恒温炉に１週間保持（アニール試験）後の感度測定結果を示す図である。 図１８Ｃは、島状エレクトレットと突起部１２２を有するＥＣＳの常温１週間経過後とさらに６０℃の恒温炉に１週間保持（アニール試験）後の感度測定結果を示す図である。 図１９は、ＥＣＳをＰＴＦＥの丸棒に押し付けることで受感部を大きく変形させた状態で疑似ＡＥ測定を行った様子を示す図である。 図２０Ａは、島状シリカエレクトレットがあり突起部の無いＥＣＳの押付荷重に対する感度の変化を示す図である。 図２０Ｂは、島状エレクトレットと突起部を有するＥＣＳの押付荷重に対する感度の変化を示す図である。 図２１Ａは、ＰＴＦＥエレクトレットを使用して、突起部の無いＥＣＳと、ＰＴＦＥエレクトレットを使用して、突起部を有するＥＣＳの、常温１週間保持後のＴＲを示す図である。 図２１Ｂは、ＰＴＦＥエレクトレットを使用して、突起部の無いＥＣＳと、ＰＴＦＥエレクトレットを使用して、突起部を有するＥＣＳの、アニール試験（１週間）後のＴＲを示す図である。 図２２は、本実施形態のエレクトレット・コンデンサ・センサ組立体の概略を示す断面図である。 図２３は、製作したＥＣＳについて、図１７と同様の測定を行い、ＥＣＳの感度ＴＲを比較した図である。
　以下、図面を参照して、本実施形態のエレクトレット・コンデンサ・センサ、およびその製造方法について説明する。
　図１は、本実施形態のエレクトレット・コンデンサ・センサの概略を示す断面図である。図１に示すように、エレクトレット・コンデンサ・センサ１０００は、第１の電極１１０および絶縁層１２０を含む絶縁電極１００と、第２の電極２１０およびエレクトレット層２２０を含むエレクトレット電極２００と、を含む。絶縁電極１００およびエレクトレット電極２００は、エレクトレット層２２０と絶縁層１２０が対向するように配置される。なお、絶縁層１２０およびエレクトレット層２２０の材質は、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＦＥＰなど）とすることができる。
　図１に示すように、絶縁層１２０は、エレクトレット層２２０と対向する対向面に、突起部１２２と、突起部以外の底部１２４と、を含む。一方、エレクトレット電極２００は、絶縁層１２０の突起部１２２および底部１２４に対応する起伏を有して形成される。
　より具体的には、エレクトレット電極２００は、絶縁層１２０の突起部１２２に対向する上部２３０と、絶縁層１２０の底部１２４に対向する下部２４０と、上部２３０と下部２４０とを連結する側部２５０と、を有する。側部２５０は、突起部１２２の突出方向に対して傾斜して上部２３０と下部２４０とを連結する。
　また、エレクトレット・コンデンサ・センサ１０００は、図１に示すように、絶縁層１２０の底部１２４とエレクトレット電極２００の下部２４０との間に第１のギャップ（マイクロギャップ）ＧＰ－１が形成される。第１のギャップＧＰ－１は、例えば、１０ｎｍ－１０μｍである。一方、エレクトレット・コンデンサ・センサ１０００は、絶縁層１２０の突起部１２２とエレクトレット電極２００の側部２５０との間に、第１のギャップＧＰ－１より大きな第２のギャップＧＰ－２を有するチャンバ（空洞）ＣＨが形成される。
　チャンバＣＨによりマイクロギャップＧＰ－１の空気抵抗が低下するのでＥＣＳの感度を向上させることができる。また、突起部１２２を形成することにより押付荷重による感度の低下を抑制することができる。さらに、エレクトレット層２２０の表面積が増加（電荷保持量増加）することにより電荷保持特性を向上させることができる。なお、チャンバＣＨの効果はマイクロギャップＧＰ－１に空気などの気体が充填されているとき有効で、真空に封入されるときは効果が無い。
　次に、エレクトレット・コンデンサ・センサの製造方法を説明する。図２は、本実施形態のエレクトレット・コンデンサ・センサの製造方法を示す図である。
　ＥＣＳの製造方法は、第１の電極１１０および絶縁層１２０を含む絶縁電極１００の絶縁層１２０に、突起部１２２と、突起部以外の底部１２４と、を形成するステップＳ１０２を含む。ステップＳ１０２は、例えば、図２に示すように、絶縁層１２０としてのＰＴＦＥ層に対して、出力２０ＷのＣＯ２レーザを３０００ｍｍ／ｍｉｎで操作することによって実行することができる。すなわち、レーザアブレーションにより底部１２４となる領域のＰＴＦＥ層を除去することで突起部１２２を形成することができる。なお、レーザを用いる他、スクリーン印刷、インクジェットプリンティングなどの各種印刷手法、リソグラフィ、蒸着、ＣＶＤ、イオンやプラズマ照射、プレス加工（仮焼後に絶縁電極をプレス成形、焼成後に高温でプレス成形）など、各種方法を用いて、絶縁層１２０に突起部１２２と底部１２４を形成することができる。
　また、ＥＣＳの製造方法は、第２の電極２１０およびエレクトレット層２２０を含むエレクトレット電極２００を、エレクトレット層２２０と絶縁層１２０が対向するように配置するステップＳ１０４を含む。また、ＥＣＳの製造方法は、エレクトレット電極２００を絶縁電極１００に押し付けて、絶縁層１２０の突起部１２２および底部１２４に対応する起伏が形成されるようにエレクトレット電極２００を変形させるステップＳ１０６を含む。ステップＳ１０６は、例えば、指を用いて４０－５０Ｎの力でエレクトレット電極２００を絶縁電極１００に押し付けて、突起部１２２および底部１２４に沿ってエレクトレット電極２００を塑性変形させることによって実行することができる。
　上記のＥＣＳの製造方法によれば、突起部１２２側面では、絶縁電極１００とエレクトレット電極２００は平行ではなく、底部１２４側では間隔が広くなり、チャンバＣＨが形成される。これにより、マイクロギャップＧＰ－１の空気抵抗が低減するとともに電荷保持量が増加する。なお、突起部１２２の接触面は乾燥接触でもよいが、接着している方が望ましい（溶着、接着剤による常温硬化、熱硬化、加熱する場合、突起部１２２だけを加熱するのが望ましい）。
　以上、本実施形態によれば、周期的に突起部１２２を設けた絶縁層１２０を有する絶縁電極１００に対して、エレクトレット層２２０を有するエレクトレット電極２００を積層し、底部１２４において１０ｎｍ－１０μｍのマイクロギャップＧＰ－１を有し、突起部１２２側面においてチャンバＣＨを備えた機械電気変換素子が開示される。
　また、本実施形態によれば、フィルム状のエレクトレット電極２００をエレクトレット化後（チャージして負電荷を付着後）、絶縁電極１００に押し付け、永久変形（塑性変形）させることで、容易にＥＣＳの構造を形成できる。ここで、チャンバＣＨ自体は、マイクロギャップＧＰ－１の空気の逃げ道としてＥＣＳの感度向上に寄与するが、チャンバ上部のエレクトレットに付着している負電荷はＥＣＳの感度にほとんど影響しない。これにより、マイクロギャップＧＰ－１の表面方向への負電荷の拡散を抑制できるため、電荷保持特性（耐熱性と長期信頼性）が向上する。なお、マイクロギャップは、フィルムの表面粗さに起因して生じてもよいし、意図的に絶縁層を微細にパターニングしてスペーサを形成してもよい。
　さらに、エレクトレット電極２００が振動すると、マイクロギャップＧＰ－１が変形することで電気信号に変換されるが、チャンバＣＨに空気が出入りすることで空気抵抗が低下して感度が向上する。また、マイクロギャップＧＰ－１は、等価バネ剛性が高く、エレクトレットにより生じる電界も高く保持できるので、広帯域周波数で音響や振動を検出できる。また、本実施形態によれば、非接触での音響測定（超音波を含む）、接触での振動やアコースティック・エミッション(ＡＥ)の測定が可能となる。
　また、ＥＣＳを測定対象に押し付けて使用するとき（押付力は５‐５０Ｎ程度でよい）、突起部１２２が静的な押付荷重（圧縮応力）の大半を受けるので、マイクロギャップＧＰ－１に作用する圧縮応力が減少する。マイクロギャップＧＰ－１が圧縮されると、等価バネ剛性が増加して感度が低下するがこれを回避できる。また、植物の茎部など曲面形状の対象物にＥＣＳを押し付けて測定する場合、ＥＣＳの変形は突起部１２２周辺の変形が主となるため、マイクロギャップＧＰ－１の過度な変形を抑制できる。これにより任意形状の対象物に対して押し付けて使用する場合のＥＣＳの感度低下を防げる（場合によっては向上する）ことができる。なお、突起部１２２によるマイクロギャップＧＰ－１への静的応力の低減は、マイクロギャップが真空に封入されていても有効である。
　次に、突起部１２２と底部１２４の形状のバリエーションについて説明する。図３Ａから図３Ｅは、本実施形態のエレクトレット・コンデンサ・センサの突起部の一例を示す図である。
　図３Ａに示すように、突起部１２２は、うね形状（溝形状）であってもよい。また、図３Ｂに示すように、突起部１２２は、柱形状であってもよい。図３Ａおよび図３Ｂでは、角形状の突起部１２２を示したが、これに限らず、図３Ｃに示すように、突起部１２２は、半球形状または球形状であってもよい。なお、レーザアブレーションによって突起部１２２を形成した場合には、突起部１２２の側面に多少傾斜が生じ得るので、突起部１２２は、底部１２４に対して９０°以外の角度の斜面（側面）を有する柱形状（針状を含む）であってもよい。
　図３Ｄおよび図３Ｅは、絶縁電極１００の上面図および側面図を示している。図３Ｄおよび図３Ｅに示すように、突起部１２２は、格子形状であってもよい。この場合、底部１２４の形状は、図３Ｄに示すように矩形であってもよいし、図３Ｅに示すように円形であってもよい。また、突起部１２２の格子パターンは、正方格子だけに限らず、三角格子、斜方格子、直方格子など様々なパターンで形成することもできる。突起部１２２を格子形状にすることによって、図３Ａから図３Ｃに示した構造に比べて、マイクロギャップＧＰ－１の単位面積当たりの突起部１２２の側面面積（チャンバＣＨ）が増大するので好ましい。
　次に、ＥＣＳの変形例について説明する。図４Ａおよび図４Ｂは、本実施形態のエレクトレット・コンデンサ・センサの変形例の概略を示す断面図である。
　図４Ａに示すように、ＥＣＳ１０００において、絶縁層１２０は、底部１２４に、突起部１２２の高さよりも小さな高さを有する微小突起部１２６を有していてもよい。底部１２４に微小突起部１２６を形成することによってマイクロギャップＧＰ－１の大きさを制御することができる。また、図４Ｂに示すように、２種類のサイズの異なる球状または円柱状の粉末または繊維を分散させることで、突起部１２２と微小突起部１２６を形成してもよい。その際、分布がランダムになっても性能向上が期待できるが、周期的な配置の方がさらに性能が向上する。
　図５は、本実施形態のエレクトレット・コンデンサ・センサの変形例の概略を示す断面図である。図５に示すように、エレクトレット層２２０の表面に、島状シリカ（シリカ凝集体）を有するエレクトレットを設けることによって、エレクトレット層２２０側に微小突起部１２６を形成してもよい。島状シリカとは、隣接するシリカ凝集体同士が接着しておらず距離をあけて独立していることを示す。島状シリカエレクトレットを用いる場合は、島状シリカを微小突起部１２６として使用することができるので、島状シリカの効果により電荷保持特性がさらに向上する。この時、突起部１２２にもマイクロギャップが形成されるが、後述するように、性能への影響は小さい。エレクトレット層２２０は島状シリカを形成することでマイクロギャップのスペーサとすることができる（電荷保持特性も向上する）。なお、島状シリカについては、特許６２１４０５４号公報（エレクトレット構体及びその製造方法並びに静電誘導型変換素子）の内容が本願に引用される。
　次に、ＥＣＳの突起部１２２の接着状態について説明する。図６Ａおよび図６Ｂは、本実施形態のエレクトレット・コンデンサ・センサの突起部の接着状態を概略的に示す図である。
　図６Ａに示すように、突起部１２２における絶縁電極１００とエレクトレット電極２００との接触部は、接着されていた方が、せん断力が作用した場合の両電極のずれを抑止できるので望ましい。接着は、フラッシュアニールなどの瞬間的な加熱により溶着する方法（短時間加熱で電荷の拡散を防ぐ）、加熱したプレートに突起部１２２のみを短時間接触させることで溶着させる方法、突起部１２２のみを押し付けて超音波接合などが考えられる。なお、突起部１２２とエレクトレット層２２０は積層しただけの乾燥接触でもよいが、接着していると振動のエネルギーが減衰せずに伝わる。エレクトレット層２２０は負電荷を付着している（エレクトレット化）しているが、突起部１２２に接着剤を塗布するか、積層後、短時間突起部１２２周辺を加熱することで溶着させることで接着が可能である。
一方、図６Ｂに示すように、突起部１２２における絶縁電極１００とエレクトレット電極２００との接触部が接着されておらず乾燥接触状態であっても、感度には大きな影響はない。突起部１２２はマイクロギャップＧＰ－１と比較して両電極間の距離が大きく静電容量が低下する。そのため、ＥＣＳ素子全体の静電容量に対する突起部１２２の静電容量の比ＲＣが十分小さければ、突起部１２２周辺の変形は感度にほとんど影響しない。
　図７は、本実施形態のエレクトレット・コンデンサ・センサの変形例の概略を示す断面図である。図７に示すように、エレクトレット電極２００は、第２の電極２１０のエレクトレット層２２０とは反対側の裏面に接着された背面層２６０を含んでいてもよい。このように、エレクトレット電極２００を塑性変形して絶縁電極１００と積層後に、背面層２６０を接着させることで、エレクトレット電極２００を下部電極とすることもできる。
　以下は、エレクトレット電極２００を上部電極として塑性変形させた場合について述べる。図８Ａおよび図８Ｂは、塑性変形させたエレクトレット電極の被覆について説明するための図である。
　植物の茎部に取り付けるなど、測定対象と接触させてＥＣＳを使用する場合、上部電極は平坦である方が、測定対象と密着しやすい。また、電極の損傷を防ぐためにも保護層が必要となる。そのため、図８Ａに示すように、エレクトレット電極２００は、第２の電極２１０の裏面に接着剤などの樹脂を塗布することで設けられた被覆層２７０を有してもよい。本実施形態のＥＣＳは、突起部１２２の側面はチャンバＣＨとして作用するため、ここに荷重や振動が作用する必要はない。そのため、シリコーン樹脂テープのような柔軟なテープを貼り付けるだけでも被覆層２７０となる。なお、図８Ｂに示すように、エレクトレット電極２００の下部２４０と被覆層２７０が密着していればよく、エレクトレット電極２００の側部２５０と被覆層２７０との間には隙間ＧＰ－３があっても問題ない。
　植物の茎部でＡＥを測定する場合、茎部に密着させるために５－２０Ｎ程度の荷重（受感部８×８ｍｍ、応力にして８０－３００ｋＰａ）でＥＣＳを押し付ける必要がある。しかし、ＥＣＳのマイクロギャップは、押付荷重により圧縮されると、ギャップの縮小によるギャップ内部の空気抵抗の増加、エレクトレット層２２０と絶縁層１２０の接触点密度の増加により、振動部の等価剛性が増加するため感度が低下する。また、茎のような円柱形状にＥＣＳを押し付けると受感部にしわが発生しやすく、しわが発生するとマイクロギャップが過大に変形するため性能が大きく低下する。
　これに対して、ＥＣＳを測定対象に接触させて用いるとき、エレクトレット電極２００の上部に樹脂をコーティングして被覆層２７０を設けることで密着性が向上する。このとき、エレクトレット電極２００にテープを張り付けるだけでは、側部２５０と被覆層２７０との間に隙間が生じるが、本実施形態のＥＣＳでは感度に影響しない。そのため、シリコーン樹脂テープなどを貼り付けるだけで簡単に表面を保護し、密着性を改善できる。
　次に、一実施形態として製作したＥＣＳについて説明する。図９は、一実施形態として製作したエレクトレット・コンデンサ・センサの概略を示す図である。一実施形態のＥＣＳは、以下のようにして製作された。
　厚さ１１μｍのＡｌ電極にＰＴＦＥディスパージョンをスピンコートして、仮焼および焼成することで厚さ５－１２μｍの絶縁電極１００を得た。また、同様の手順で厚さ３μｍのＰＴＦＥ層を形成後、コロナ放電によりＰＴＦＥ表層に負電荷を付着させ、表面電位０．３６－０．３９ｋＶのＰＴＦＥエレクトレット電極２００を得た。絶縁電極１００は、仮焼と焼成の間にレーザアブレーションにより突起部を形成した。より具体的には、ＰＴＦＥ層を、出力２０ＷのＣＯ２レーザを３０００ｍｍ／ｍｉｎで操作してレーザアブレーションにより底部となる領域のＰＴＦＥ層を除去することで突起部を形成した。このとき、底部には厚さ１．２－１．３μｍのＰＴＦＥ層が残存して絶縁層を形成しており、底部のみのサンプルのマイクロメータによる厚さ測定から、マイクロギャップの大きさ（高さ方向）ｄｍｇはおよそ２μｍであった。なお、絶縁層１２０にＰＴＦＥを用いる場合、仮焼して焼成する前にレーザ照射すると、レーザの出力を抑えてアブレーションを生じさせることができるのでＰＴＦＥに与えるダメージが低減する。また、絶縁層１２０にコロイダルシリカを用いて微細な島状シリカを分散させると、レーザのエネルギーをシリカが吸収するため、レーザの出力を抑えてアブレーションを生じさせることができるので絶縁層に与えるダメージが低減する。また、シリカは絶縁性に優れるので絶縁層の機能は失われない。
　そして、絶縁電極１００の下に背面層として厚さ３ｍｍのシリコーン樹脂を設置して、絶縁電極１００を、ＦＥＴを実装した基板（ＰＣＢ）に取り付けた。そして、エレクトレット電極２００を巻き付けることでＥＣＳとした。製作したＥＣＳの受感部の大きさは８×８ｍｍである。エレクトレット電極２００を巻き付けたのち、４０－５０Ｎの力によって指で押し付けることで、エレクトレット電極２００を突起部に沿って塑性変形させた。その後、ＥＣＳに厚さ０．５ｍｍのシリコーン樹脂テープを巻き付けることで被覆層を形成した。なお、絶縁電極１００は基板に直接形成（基板の電極部にＰＴＦＥを印刷）してもよい。絶縁電極までをＭＥＭＳで製作し、エレクトレット電極２００を積層してもよい（この場合、振動部が壊れやすいというＭＥＭＳマイクの欠点が改善される）。
　製作したＥＣＳを用いてシリコーン樹脂中を伝播する疑似ＡＥの測定を行った。図１０Ａは、エレクトレット・コンデンサ・センサの性能評価について説明するための図である。図１０Ｂは、エレクトレット・コンデンサ・センサの信号出力の一例を示す図である。
　図１０Ａに示すように、シリコーン樹脂ブロック３１０を介在させて送信子としての圧電センサ３００とＥＣＳ１０００とを連結した。そして、圧電センサ３００にバースト波（両振幅０．０６Ｖ、周波数５００ｋＨｚ、波数１）を入力して疑似ＡＥを送信し、シリコーン樹脂ブロック３１０を伝播してきた疑似ＡＥをＥＣＳ１０００で受信してプリアンプ（増幅率６８ｄＢ、帯域４０－４００ｋＨｚ）で増幅した信号波形を測定した。このとき、圧電センサ３００とＥＣＳ１０００の中心はシリコーン樹脂ブロック３１０の軸と一致しており、軸方向にＥＣＳ１０００を押し付けた。そして、フォースロガーを用いて押付荷重Ｆを制御しながら疑似ＡＥ測定を行った。図１０Ｂにおいて横軸は時間（ｍｓ）であり、縦軸はＥＣＳ１０００の出力電圧（Ｖ）である。図１０Ｂに示すように、測定されたＡＥ波形の両振幅をＶｐｐとして感度の目安とした。
　図１１は、本実施形態のエレクトレット・コンデンサ・センサの各パラメータを示す図である。図３Ａに示すようなうね形状の突起部１２２を有するＥＣＳ１０００の各部材の設計指針となるパラメータは以下の通りである。
ｄｅ：エレクトレット層の厚さ（島状シリカのスペーサ部分を除く）
ｄｉ：絶縁層の最大厚さ
ｄｇ：絶縁層の底部の厚さ
ｄｒ：絶縁層の突起部の高さ
ｄｍｇ：第１のギャップ（マイクロギャップ）の大きさ（高さ方向）
Ｗｒ：突起部の幅
Ｗｇ：底部の幅
ＲＣ：ＥＣＳ素子全体の静電容量に対する突起部の静電容量の比
ＲＣ＝Ｗｒ×ｄｇ／（Ｗｒ×ｄｇ＋Ｗｇ×ｄｉ）＝Ｗｒ×ｄｇ／｛（Ｗｒ＋Ｗｇ）×ｄｇ＋Ｗｇ×ｄｒ｝
ε：塑性変形させる電極層の塑性ひずみ
ε＝２×ｄｒ／（Ｗｇ＋Ｗｒ）
　次に、底部１２４の幅（溝幅）と突起部１２２の高さの範囲について説明する。図１２は、底部１２４の幅に対するＥＣＳの出力電圧を示すグラフである。図１２において横軸は底部１２４の幅Ｗｇ（ｍｍ）であり、縦軸はＥＣＳ１０００の出力電圧Ｖｐｐ（Ｖ）である。
　図１２におけるグラフ４１０はＰＴＦＥエレクトレットを用いた突起部無の従来型ＥＣＳの出力電圧Ｖｐｐを示している。これに対して、グラフ４２０は、本実施形態のＥＣＳ１０００の出力電圧Ｖｐｐ（図１２における複数の円４３０）を最小二乗法によって線形近似したものである。
　図１２に示すように、突起部１２２および底部１２４を形成して、エレクトレット電極２００を突起部１２２および底部１２４に対応して起伏させることによって大きく感度が向上していることが分かる。また、Ｗｇ＝０．２５－０．２６付近で最も感度が向上しており、Ｗｇが大きすぎると、マイクロギャップＧＰ－１中の空気がチャンバＣＨまで流れる流路の増加に伴い空気抵抗も増加し、感度が低下する。グラフ４２０から見積もると、性能向上を見込めるＷｇの上限値は１．０ｍｍと考えられる。しかし、この値は、マイクロギャップＧＰ－１の流路に強く依存する。一方、実験結果ではＷｇが小さくてもＥＣＳの感度は向上しているが、Ｗｇが小さすぎると突起部１２２の静電容量が無視できなくなり、感度は向上しなくなる。
　次に、底部１２４の幅Ｗｇの上限値について説明する。底部１２４の幅Ｗｇが大きすぎると、マイクロギャップＧＰ－１中の空気抵抗によりＥＣＳの感度が低下する。突起部１２２の側面に設けたチャンバＣＨは、マイクロギャップＧＰ－１が変形する際にマイクロギャップの空気の逃げ道になっており、これによりマイクロギャップの等価バネ剛性が低下して、感度の向上につながる。しかし、底部１２４の幅Ｗｇが大きすぎると、マイクロギャップＧＰ－１の空気がチャンバＣＨに到達する流路における空気抵抗が無視できなくなり、感度は向上しなくなる。そして、実験条件から、ｄｍｇ＝２．０μｍにおいてＷｇの上限値は１．０ｍｍであったことから、底部１２４の幅Ｗｇは、第１のギャップＧＰ－１の大きさｄｍｇの５００倍以下になるように形成されるのが好ましい。
　次に、突起部１２２の高さｄｒが感度に及ぼす影響について説明する。図１３は、突起部の高さに対するＥＣＳの出力電圧を示すグラフである。図１３において横軸は突起部１２２の高さｄｒ（μｍ）であり、縦軸はＥＣＳ１０００の出力電圧Ｖｐｐ（Ｖ）である。
　図１３におけるグラフ５１０はＰＴＦＥエレクトレットを用いた突起部無の従来型ＥＣＳの出力電圧Ｖｐｐを示している。これに対して、グラフ５２０は、本実施形態のＥＣＳ１０００の出力電圧Ｖｐｐ（図１３における複数の円５３０）を最小二乗法によって線形近似したものである。
　突起部１２２の高さｄｒが小さすぎると、突起部１２２の静電容量が無視できなくなるとともにチャンバＣＨの体積が不足して、ＥＣＳの感度は向上しない。そして、グラフ５２０から見積もると性能向上を見込めるｄｒの下限値は０．８μｍと考えられる。一方、実験結果ではｄｒが大きくてもＥＣＳの感度は向上しているが、ｄｒが大きすぎると電極の塑性変形時に、電極材料の塑性変形可能なひずみ（全伸び）を超えるひずみが生じて電極を破壊してしまう。以下、この点について説明する。
　図１４は、エレクトレット電極を塑性変形させる場合の、電極層の実際の変形と近似モデルの概念を示す図である。図１４の上部は実際のエレクトレット電極２００の変形を模式的に示しており、図１４の下部は電極変形の近似モデルを示している。エレクトレット電極２００を塑性変形させる場合、材料の全伸びを超えない範囲で塑性ひずみを与える必要がある。エレクトレット層２２０（フッ素樹脂および島状シリカ）は、フッ素樹脂が、電極の用いる材料（Ａｌ、Ｍｇ、ステンレスなどの塑性変形可能な金属）より著しく変形量が大きいため、電極層の塑性変形の限界を検討する場合は無視してよい。
　図１４の近似モデルでは、エレクトレット電極２００の塑性ひずみはεで表される。そして、εが電極材料の全伸び以下としなければエレクトレット電極２００は塑性変形時に破壊する恐れがある。したがって、εがエレクトレット電極２００の材料の全伸び以下となるように突起部１２２の高さｄｒを設計する必要があり、これがｄｒの上限値に影響する。
　本実施形態のＥＣＳの場合、電極材料は純アルミニウム(Ａ１１００)のＯ材を使用しており、全伸びは０．３５である。そして、Ｗｇ＝０．２５ｍｍ、Ｗｒ＝０．１５ｍｍでεを０．３５以下とするためには、ｄｒは７０μｍ以下とする必要があり、これが上限値となる。
　また、εはＷｇにも依存しており、底部１２４の幅Ｗｇが小さすぎるとεが電極材料の全伸びを超える恐れがあるため、Ｗｇの下限値にも影響する。以上より、底部１２４の幅Ｗｇおよび突起部１２２の高さｄｒは、エレクトレット電極２００の塑性ひずみεがエレクトレット電極２００に使用する材料の全伸び以下となるように形成されるのが好ましい。
　次に、底部１２４の幅Ｗｇおよび突起部１２２の高さｄｒの下限値について説明する。突起部１２２は電極間距離が底部１２４より大きいため負電荷が残存していても電界強度が低下している。さらに、押し付けると突起部１２２のマイクロギャップは圧縮される。これらの要因から突起部１２２では感度は極端に低下しており、突起部１２２の静電容量が大きいと突起部１２２が寄生容量としてＥＣＳ素子全体の感度に影響する。
　突起部１２２の静電容量がＥＣＳ素子全体の静電容量に占める割合はＲＣで表され、ＲＣが高すぎると、突起部１２２の寄生容量により感度が向上しなくなる。そのため、底部１２４の幅Ｗｇおよび突起部１２２の高さｄｒの下限値はＲＣに依存する。本実施形態のＥＣＳでは、ｄｒの下限値は０．８μｍであったが、このとき、ＲＣは０．２７となる。上記のＲＣの式から、Ｗｇとｄｒのいずれかの値が小さくなると、ＲＣは増加する。ＲＣが０．２７以下となるように、Ｗｇとｄｒを設計する必要があり、これがＷｇとｄｒの下限値に影響する。したがって、底部１２４の幅Ｗｇおよび突起部１２２の高さｄｒは、ＥＣＳ全体の静電容量に対する突起部１２２の静電容量の比ＲＣが０．２７以下になるように形成されるのが好ましい。
　以上をまとめるとＷｇとｄｒの設計指針は以下の通りとなる。
（１）Ｗｇの設計指針
・Ｗｇはｄｍｇの５００倍以下
・ＲＣが０．２７以下
・εが塑性変形させる電極層に使用する材料の全伸び以下
（２）ｄｒの設計指針
・ＲＣが０．２７以下
・εが塑性変形させる電極層に使用する材料の全伸び以下
　なお、このＷｇとｄｒの設計指針は、突起部１２２がうね形状の場合に有効な設計指針として説明したが、突起部１２２がうね形状以外の場合にも適用することができる。このＷｇとｄｒの設計指針は、以下に示すように、突起部１２２が柱形状、半球形状、球形状、または格子形状の場合にも有効である。
　Ｗｇとｄｒの設計指針として、ＲＣが０．２７以下となっているが、これは突起部１２２の静電容量がＥＣＳ素子全体の静電容量に占める割合はＲＣで表され、ＲＣが高すぎると、突起部１２２の寄生容量により感度が低下するのを防ぐためである。そして、いずれの突起部の形状であっても、同じ現象が生じるため、その形状における突起部とＥＣＳ素子全体の静電容量を算出すればＲＣが得られ、ＲＣを０．２７以下とすることで、感度の低下を防ぐことができる。
　このときＲＣの算出式は、いずれの突起部の形状であっても絶縁電極の平面図における突起部１２２と底部１２４の面積比（全体の面積に対する割合）をそれぞれＡｒ，Ａｇとすることで以下の式で表される。
　ＲＣ＝Ａｒ×ｄｇ／｛（Ａｒ＋Ａｇ）×ｄｇ＋Ａｇ×ｄｒ｝
　図１５Ａは、突起部１２２がうね形状の場合の絶縁電極１００の平面図である。図１５Ｂは、突起部１２２が柱形状の場合の絶縁電極１００の平面図である。図１５Ｃは、突起部１２２が半球形状または球形状の場合の絶縁電極１００の平面図である。
　ＡｒとＡｇは、例えば、図１５Ａでは、
　Ａｒ＝Ｗｒ／（Ｗｒ＋Ｗｇ）
　図１５Ｂでは、
　Ａｒ＝Ｗｒ２／（Ｗｒ＋Ｗｇ）２
　図１５Ｃでは、
　Ａｒ＝π／４×Ｗｒ２／（Ｗｒ＋Ｗｇ）２
　となり、いずれの場合も、Ａｇ＝１―Ａｒである。
　ただし、突起部が球形状および半球形状の場合はｄｒではなく、突起部の平均高さｄｒａ＝π／４×ｄｒをｄｒの代わりに使用する。
　Ｗｇとｄｒの設計指針として、εが塑性変形させる電極層に使用する材料の全伸び以下となっており、これがＷｇの下限値とｄｒの上限値に影響する。これは、εが電極材料の全伸び以下としなければエレクトレット電極２００は塑性変形時に破壊するのを防ぐためである。
　εを算出するにあたって、うね形状以外の突起部の場合を考える。このとき、ＷｒとＷｇは、図１５Ａ，Ｂ，Ｃに示すように隣接する突起部が最も接近している方向での突起部と底部の幅をＷｒとＷｇとする。この方向では底部の幅が最も狭いため、エレクトレット電極の塑性変形量が最大になる。そのため、この方向でのεが全伸び以下であれば、全ての方向においてエレクトレット電極が塑性変形により破壊することを防ぐことができる。
　また、半球形状および球形状においては、ｄｒを用いてεを算出すると実際に生じる変形量より大きな値となるが、この値を設計指針とすればエレクトレット電極が塑性変形により破壊することを防ぐことができるので問題はない。
　Ｗｇの設計指針のうち、Ｗｇはｄｍｇの５００倍以下とする指針がうね形状以外の場合にも適用可能である根拠を柱形状、半球形状を例にとり説明する。
　底部１２４の幅Ｗｇが大きすぎると、マイクロギャップＧＰ－１の空気がチャンバＣＨに到達する流路における空気抵抗が無視できなくなり、感度は向上しなくなる。つまり、マイクロギャップ中で最も流路が長くなる位置と方向での底部の幅をＷｇｘとして、これを基準にすればよい。
　図１６Ａは、突起部１２２がうね形状の場合の絶縁電極１００の平面図である。図１６Ｂは、突起部１２２が柱形状の場合の絶縁電極１００の平面図である。図１６Ｃは、突起部１２２が半球形状または球形状の場合の絶縁電極１００の平面図である。
　図１６Ａに示すようなうね形状の突起を有する場合、溝形状の底部の中心線（図中の点線）が最も流路が長くなる位置であり、この位置から最も流路が短くなる方向での底部の幅はＷｇとなるため、Ｗｇｘ＝Ｗｇである。
　次に、図１６Ｂに示すような柱形状の突起を有する場合、４つの突起部に囲まれた底部の中心点（図中のａ）が最も流路が長くなる位置となる。そして、この位置から突起部までの最短距離の２倍をＷｇｘとすればよく、以下の式で算出できる。
　Ｗｇｘ＝２０．５×（Ｗｇ＋Ｗｒ）―Ｗｒ
　同様に図１６Ｃに示すような半球形状の突起を有する場合も、４つの突起部に囲まれた底部の中心点（図中のａ）が最も流路が長くなる位置となる。そして、この位置から突起部までの最短距離の２倍をＷｇｘとすればよく、以下の式で算出できる。
　Ｗｇｘ＝２０．５×Ｗｇ
　その他の形状の突起を有する場合も、同様に最も流路が長くなる位置から、突起部までの最短距離の２倍をＷｇｘとすればよい。そして、Ｗｇ＝Ｗｇｘではない場合は、Ｗｇｘがｄｍｇの５００倍以下となる条件を満たすようにＷｇとＷｒを決定すればよい。
　なお、ｄｇとＷｒは設計指針と要求される性能や仕様に応じて決定すればよい。文献ａでは、熱ナノインプリントを用いて、ＰＥＴ樹脂でｄｇ＝０．０１μｍ、Ｗｒ＝８０ｎｍの溝加工、フッ素樹脂ではｄｇ＝０．０１μｍ（孔径）、Ｗｒ＝０．２５μｍホールピラー形状の孔加工が可能なことを示している。また、特許文献１では、ｄｇの範囲は、０．０１－１００μｍと規定している。これらの結果から、フッ素樹脂で突起部１２２を形成する場合、ｄｇ＝０．０１－１００μｍ、Ｗｒ＝０．２５μｍ～１．０ｍｍが現実的に製造可能な数値範囲となる。
文献ａ：金子奈帆、ｅｔ　ａｌ.「熱ナノインプリントによるフッ素樹脂・ＰＥＴ等ポリマーシートのナノレベル表面パターニングと機能性薄膜堆積」応用物理学会学術講演会講演予稿集　第　６７回応用物理学会春季学術講演会　公益社団法人　応用物理学会、２０２０
　次に、押付荷重がＥＣＳの感度に及ぼす影響について説明する。図１７は、ＥＣＳの押付荷重Ｆ（Ｎ）に対するＥＣＳの出力電圧を示すグラフである。図１７において横軸はＥＣＳの押付荷重Ｆ（Ｎ）であり、縦軸はＥＣＳ１０００の出力電圧Ｖｐｐ（Ｖ）である。
　図１７において、ＬＰは、ＰＴＦＥエレクトレットと突起部１２２を有するＥＣＳ（Ｗｇ＝０．２５ｍｍ、Ｗｒ＝０．１５ｍｍ、ｄｍｇ＝２μｍ、ｄｒ＝７μｍ、ｄｇ＝１．２μｍ）の押付荷重による感度の変化を示している。また、ＳＳは、島状シリカエレクトレットと突起部の無いＥＣＳ（ｄｍｇ＝３μｍ、ｄｉ＝３μｍ）の押付荷重による感度の変化を示している。突起部が無い場合、島状シリカエレクトレットを用いることでＰＴＦＥエレクトレットよりＥＣＳの感度は向上するが、ＰＴＦＥエレクトレットを用いたＥＣＳであっても突起部を設けることで、突起部の無い島状シリカエレクトレットを用いたＥＣＳより感度が大幅に向上していることが分かる。
　また、突起部が無い場合、押付荷重の増加に伴い、マイクロギャップが圧縮されることにより感度が単調に低下していくが、突起部１２２を設けることで、２０Ｎ以上の押付荷重を付加しないと感度は低下しない。このように、突起部１２２を設けることでチャンバＣＨの存在により感度が増加するだけでなく、押付による感度低下を抑制できることが分かる。
　次に、突起部と島状エレクトレットによる長期信頼性の向上について説明する。図１８Ａは、ＰＴＦＥエレクトレットと突起部１２２を有するＥＣＳ（Ｗｇ＝０．２５ｍｍ、Ｗｒ＝０．１５ｍｍ、ｄｍｇ＝２μｍ、ｄｒ＝７μｍ、ｄｇ＝１．２μｍ）の常温１週間経過後とさらに６０℃の恒温炉に１週間保持（アニール試験）後の感度測定結果を示す図である。図１８Ｂは、島状シリカエレクトレットと突起部の無いＥＣＳ（ｄｍｇ＝３μｍ、ｄｉ＝３μｍ）の常温１週間経過後とさらに６０℃の恒温炉に１週間保持（アニール試験）後の感度測定結果を示す図である。図１８Ｃは、島状エレクトレットと突起部１２２を有するＥＣＳ（Ｗｇ＝０．２５ｍｍ、Ｗｒ＝０．１５ｍｍ、ｄｍｇ＝３μｍ、ｄｒ＝７μｍ、ｄｇ＝１．２μｍ）の常温１週間経過後とさらに６０℃の恒温炉に１週間保持（アニール試験）後の感度測定結果を示す図である。アニール試験は長期信頼性を評価するための加速試験に相当する。
　図１８Ａに示すように、ＰＴＦＥエレクトレットを用いたＥＣＳは、突起部を有することで大幅に感度が構造するが、アニール試験後に感度は１３－３５％程度低下する。一方、図１８Ｂに示すように、島状シリカエレクトレットを用いても、突起部無のＥＣＳではアニール試験後の感度低下は１５－２８％の感度低下であり、ＰＴＦＥエレクトレットと突起部有のＥＣＳと電荷保持特性に大きな差は認められない。一般的に島状シリカエレクトレットを用いると電荷保持特性が向上することが知られているが、突起部を形成したことで、ＰＴＦＥエレクトレットでも同等の電荷保持特性を示している。さらに、図１８Ｃに示すように、島状シリカエレクトレットに加えて突起部を有するＥＣＳの場合、感度低下は最大で５％までに抑えられており、電荷保持特性は大きく向上する。このように、突起部１２２を設けることで突起部周辺に余剰の負電荷が蓄積されるため、電荷保持特性が向上し、島状シリカエレクトレットを用いることで従来よりも大幅に電荷保持特性が向上したＥＣＳを製造できる。
　次に、曲面形状に変形させたＥＣＳの受信感度測定について説明する。図１９は、ＥＣＳをＰＴＦＥの丸棒に押し付けることで受感部を大きく変形させた状態で疑似ＡＥ測定を行った様子を示す図である。図１９に示すように、径１０ｍｍのＰＴＦＥ丸棒６１０をシリコーン樹脂ブロック６２０とＥＣＳ１０００の間に置き、ＥＣＳ１０００をＰＴＦＥ丸棒６１０に押し付けて上記と同様の手順で疑似ＡＥ測定を行った。
　図２０Ａは、島状シリカエレクトレットがあり突起部の無いＥＣＳ（ｄｍｇ＝３μｍ、ｄｉ＝３μｍ）の押付荷重に対する感度の変化を示す図である。図２０Ｂは、島状エレクトレットと突起部を有するＥＣＳ（Ｗｇ＝０．２５ｍｍ、Ｗｒ＝０．１５ｍｍ、ｄｍｇ＝３μｍ、ｄｒ＝７μｍ、ｄｇ＝１．２μｍ）の押付荷重に対する感度の変化を示す図である。図２０Ａおよび図２０Ｂにおいて横軸はＥＣＳの押付荷重Ｆ（Ｎ）であり、縦軸はＥＣＳ１０００の出力電圧Ｖｐｐ（Ｖ）である。図２０Ａおよび図２０Ｂでは、ＰＴＦＥ丸棒６１０に対するＥＣＳ１０００の押付荷重を増加した後、減少させたときのＥＣＳ１０００の出力電圧Ｖｐｐ（Ｖ）を示している。
　押付荷重が増加すると丸棒６１０とＥＣＳ１０００およびシリコーン樹脂ブロック６２０の接触面積が増加するため、疑似ＡＥは伝播しやすくなる。しかし、図２０Ａに示すように、突起部が無いＥＣＳでは、押付荷重が増加しても感度はわずかに低下している。これは、押付による感度低下の影響が強いためである。一方、図２０Ｂに示すように、突起部１２２を有するＥＣＳ１０００は、押付荷重の増加に伴い感度が増加しており、丸棒６１０との接触面積の増加に対応している。植物のＡＥ測定では複雑な形状を有する茎部にＥＣＳを押し付けて測定するが、突起部１２２を設けることでＥＣＳ１０００の感度を損なうことなく茎部に取り付けることができる。
　次に、空中超音波の送受信測定について説明する。上記と同様の手順で製作したＥＣＳを同条件で２個製作し、片方を送信子、もう片方を受信子として、空中超音波の送受信測定を行った。送信子のＥＣＳはＦＥＴを実装せず、受信子を送信子と対向させて５６ｍの距離に設置した。そして、送信子にバースト波（波数:５）を入力して超音波を発振させ、受信子で受信した信号をプリアンプ（増幅率６８ｄＢ、帯域４０－４００ｋＨｚ）で増幅して信号波形を記録した。そして、入力波形と出力波形の周波数スペクトルの強度比からプリンアンプの増幅率を差し引くことで、送受信感度ＴＲを算出した．
　図２１Ａは、ＰＴＦＥエレクトレットを使用して（ｄｅ＝２．５μｍ）、突起部の無いＥＣＳ（ｄｍｇ＝２μｍ、ｄｉ＝２μｍ）と、ＰＴＦＥエレクトレットを使用して（ｄｅ＝２．５μｍ）、突起部を有するＥＣＳ（Ｗｇ＝０．６５ｍｍ、Ｗｒ＝０．１５ｍｍ、ｄｍｇ＝２μｍ、ｄｒ＝７μｍ、ｄｇ＝１．２μｍ）の、常温１週間保持後のＴＲを示す図である。図２１Ｂは、ＰＴＦＥエレクトレットを使用して（ｄｅ＝２．５μｍ）、突起部の無いＥＣＳ（ｄｍｇ＝２μｍ、ｄｉ＝２μｍ）と、ＰＴＦＥエレクトレットを使用して（ｄｅ＝２．５μｍ）、突起部を有するＥＣＳ（Ｗｇ＝０．６５ｍｍ、Ｗｒ＝０．１５ｍｍ、ｄｍｇ＝２μｍ、ｄｒ＝７μｍ、ｄｇ＝１．２μｍ）の、アニール試験（１週間）後のＴＲを示す図である。
　図２１Ａおよび図２１Ｂにおいて、横軸はバースト波の周波数（ｋＨｚ）を示しており、縦軸はＴＲ（ｄＢ）を示している。図２１Ａおよび図２１Ｂにおいて、グラフＬは突起部を有するＥＣＳのＴＲを示しており、グラフＰは突起部の無いＥＣＳのＴＲを示している。図２１Ａおよび図２１Ｂに示すように、突起部１２２を設けることで大幅に送受信感度が向上していることが分かる。このように、非接触での音響や超音波の測定においても本実施形態によりＥＣＳの性能が向上する。また、図２１Ａおよび図２１Ｂでは、上記と同様に常温保持１週間後とアニール試験後の結果を示しているが、本実施形態のＥＣＳではアニール試験後もＴＲは大きく増加しており、長期信頼性も向上していることが分かる。
　また、突起部１２２を設けることで、送信子の送信出力も増加しており、受信子の受信感度の増加と併せて、図２１Ａおよび図２１Ｂのような大幅な送受信感度の向上が得られる。すなわち、ＥＣＳを送信子として使用する場合、入力されるバースト波によりＥＣＳのマイクロギャップＧＰ－１に作用する電界強度が変動し、これにより振動部に変動応力が生じて振動が発生する。このとき、エレクトレットによって生じているマイクロギャップＧＰ－１の電界強度が高く、振動部の等価バネ剛性が低いほど送信出力は向上する。この点、突起部１２２を設けると、チャンバＣＨによりマイクロギャップＧＰ－１の空気抵抗が低下し、これに伴い振動部の等価バネ剛性が低下する。その結果、チャンバ周辺に付着した余剰の負電荷によるエレクトレットの電荷保持特性が向上し、これに伴いエレクトレットの電界強度が上昇することで、送信出力が向上する。このように、ＥＣＳに突起部を設けることで、受信子だけでなく送信子の性能も向上させることができる。
　次に、エレクトレット・コンデンサ・センサ組立体について説明する。図２２は、本実施形態のエレクトレット・コンデンサ・センサ組立体の概略を示す断面図である。
　図２２に示すように、エレクトレット・コンデンサ・センサ組立体１１００は、上述のＥＣＳ１０００と、ＥＣＳ１０００の絶縁電極１００に取り付けられた背面層１０１０と、ＥＣＳ１０００および背面層１０１０の周りを囲むように配置されたガード層１０２０と、ＥＣＳ１０００のエレクトレット電極２００およびガード層１０２０に取り付けられたカップリング層１０３０と、を含んで構成される。
　ＥＣＳ１０００、背面層１０１０、ガード層１０２０、およびカップリング層１０３０は一体化され、ケーシング１０４０に収容されてもよい。エレクトレット・コンデンサ・センサ組立体１１００は、カップリング層１０３０を介して押付荷重Ｆまたは圧力Ｐを受けるように構成される。
　ガード層１０２０は、硬く、変形が無視できる部材によって構成することができる。例えば、ガード層１０２０は、デュロメータ硬さＡで１００°以上の硬さを有する材質を用いて構成することができ、ＥＣＳ１０００の大きさと押付荷重Ｆまたは圧力Ｐの範囲に応じて受圧部（カップリング層１０３０との接触部）の面積を調節することができる。
　背面層１０１０およびカップリング層１０３０は、ガード層１０２０よりも軟らかい部材によって構成することができる。例えば、背面層１０１０およびカップリング層１０３０は、シリコーン樹脂のようなデュロメータ硬さＡで５－７０°の硬さを有し、柔軟だが反発力を有する材質を用いて構成することができ、押付荷重Ｆまたは圧力Ｐの範囲に応じてそれらの硬さと厚さを調節することができる。
　本実施形態のエレクトレット・コンデンサ・センサ組立体１１００によれば、ＥＣＳ１０００の耐圧性を向上させることができる。すなわち、ＥＣＳ１０００は、上述のようにマイクロギャップＧＰ－１を設けることで接触可能で、低コスト・広帯域のＡＥセンサとなるが、ＥＣＳ１０００単体では２０Ｎを超える押付荷重により感度が大きく変化する。
　これに対して、本実施形態のエレクトレット・コンデンサ・センサ組立体１１００によれば、図２２に示すように、ＥＣＳ１０００の周辺に硬く変形が無視できるガード層１０２０と、柔軟だが反発力があるカップリング層１０３０および背面層１０１０と、を配置することで、著しく耐圧性を向上させることができる。例えば、８×８ｍｍの受感部を有するＥＣＳ１０００では、２０Ｎを超える押付荷重を受けると感度が低下したが、エレクトレット・コンデンサ・センサ組立体１１００では、５０Ｎを超える押付荷重を受けても感度が低下しなかった。以下、ガード層を用いたＥＣＳの実施例を説明する。
　（ガード層を用いたＥＣＳの実施例）
　以下、図２２に示すようなガード層１０２０を有するＥＣＳの製作例を示す。ガード層１０２０と一体化したＡＢＳ製のケーシング１０４０を３Ｄプリンタにより製作し、硬さ５０°厚さ３ｍｍの背面層１０１０（シリコン樹脂）と硬さ１０°厚さ３ｍｍのカップリング層１０３０（シリコン樹脂）を有するＥＣＳを製作した。このとき、図２２に示すガード層１０２０の高さに対するＥＣＳ受感部の高さの差Δｈを―０．２ｍｍとした。
　図２３は、製作したＥＣＳについて、図１７と同様の測定を行い、ＥＣＳの感度ＴＲを比較した図である。ＴＲは、送信子へ入力したバースト波の両振幅に対するＶｐｐの比率を表す（アンプの増幅率を差し引いている）。
　ＳＳは、島状シリカエレクトレットと突起部の無いＥＣＳ（図１７のＳＳと同等）を示す。ＧＳは、ＳＳに図２２に示すガード層１０２０を追加したＥＣＳを示す。ＬＧＳは、島状シリカエレクトレットと突起部を有するＥＣＳに図２２に示すガード層１０２０を追加したＥＣＳを示す。（図１８Ｃと同等のＥＣＳにガード層１０２０を追加したもの）
　ＳＳと比較するとＧＳはガード層を加えることでＦが３０Ｎ以上で大きく感度が向上するが、低荷重（Ｆ＝１０Ｎ）では感度は低下する。低荷重の場合、カップリング層の変形量も少なく、ＥＣＳの受感部はガード層より低い位置にあるため、低荷重ではＥＣＳ受感部の中心部のみ押付力が増し、周辺部は押付力が不足することで感度が低下する。そのため、突起部が無い場合でもガード層を追加することで耐圧性を向上できるが、逆に低荷重での感度が低下するため、高い感度を保持できる荷重の範囲は制限される。
　一方、ＬＧＳは、突起部を有することで低荷重から高荷重までＳＳやＧＳより感度が大幅に向上しており、感度の変動も２ｄＢ以内とＳＳ，ＧＳより著しく抑えられている。突起部を有する絶縁層は突起部が変形することで突起部が無い絶縁層より変形能に優れる。そのため、中心部が大きく変形することで低荷重であっても受感部が均一に押し付けられるようになる。その結果、Ｆ＝１０－５０Ｎの広い荷重範囲で高い感度を有していた。このように、突起部を有する絶縁電極とガード層を併用することで、感度向上と耐圧性向上だけでなく、適用可能な押付荷重範囲を大幅に広げることができる。
　以上、本実施形態のエレクトレット・コンデンサ・センサ組立体１１００によれば、樹木でのＡＥ測定において強固にＥＣＳ１０００を取り付けることが可能になるので、みかんなどの果樹でのＡＥ測定を簡単に行うことができる。また、水圧に対しても耐圧性が増すことから、海中の生物音響を安価に測定することができる。
１００　絶縁電極
１１０　第１の電極
１２０　絶縁層
１２２　突起部
１２４　底部
１２６　微小突起部
２００　エレクトレット電極
２１０　第２の電極
２２０　エレクトレット層
２３０　上部
２４０　下部
２５０　側部
１０００　エレクトレット・コンデンサ・センサ
ＣＨ　チャンバ（空洞）
ＧＰ－１　第１のギャップ（マイクロギャップ）
ＧＰ－２　第２のギャップ
ＧＰ－３　隙間

 

Claims (9)

  1. 　第１の電極および絶縁層を含む絶縁電極と、
    　第２の電極およびエレクトレット層を含み、前記エレクトレット層と前記絶縁層が対向するように配置されたエレクトレット電極と、
    　を含み、
    　前記絶縁層は、前記エレクトレット層と対向する対向面に、突起部と、前記突起部以外の底部と、を含み、
    　前記エレクトレット電極は、前記絶縁層の前記突起部および前記底部に対応する起伏を有して形成される、
    　エレクトレット・コンデンサ・センサ。
  2. 　前記エレクトレット電極は、前記絶縁層の前記突起部に対向する上部と、前記絶縁層の前記底部に対向する下部と、前記上部と前記下部とを連結する側部と、を有し、前記側部は前記突起部の突出方向に対して傾斜して前記上部と前記下部とを連結する、
    　請求項１に記載のエレクトレット・コンデンサ・センサ。
  3. 　前記絶縁層の前記底部と前記エレクトレット電極の前記下部との間に第１のギャップが形成され、前記絶縁層の前記突起部と前記エレクトレット電極の前記側部との間に、前記第１のギャップより大きな第２のギャップを有するチャンバが形成される、
    　請求項２に記載のエレクトレット・コンデンサ・センサ。
  4. 　前記底部の幅Ｗｇおよび前記突起部の高さｄｒは、エレクトレット・コンデンサ・センサ全体の静電容量に対する前記突起部の静電容量の比ＲＣが０．２７以下になるように形成される、
    　請求項１から３のいずれか一項に記載のエレクトレット・コンデンサ・センサ。
  5. 　前記底部の幅Ｗｇおよび前記突起部の高さｄｒは、前記エレクトレット電極の塑性ひずみεが前記エレクトレット電極に使用する材料の全伸び以下となるように形成される、
    　請求項１から３のいずれか一項に記載のエレクトレット・コンデンサ・センサ。
  6. 　前記絶縁層は、前記底部に、前記突起部よりも小さな微小突起部を有する、
    　請求項１から３のいずれか一項に記載のエレクトレット・コンデンサ・センサ。
  7. 　前記底部の幅Ｗｇは、前記第１のギャップの大きさｄｍｇの５００倍以下になるように形成される、
    　請求項３に記載のエレクトレット・コンデンサ・センサ。
  8. 　前記突起部は、うね形状、柱形状、半球形状、球形状、または格子形状の少なくとも１つの形状を有する、
    　請求項１から３のいずれか一項に記載のエレクトレット・コンデンサ・センサ。
  9. 　第１の電極および絶縁層を含む絶縁電極の前記絶縁層に、突起部と、前記突起部以外の底部と、を形成するステップと、
    　第２の電極およびエレクトレット層を含むエレクトレット電極を、前記エレクトレット層と前記絶縁層が対向するように配置するステップと、
    　前記エレクトレット電極を前記絶縁電極に押し付けて、前記絶縁層の前記突起部および前記底部に対応する起伏が形成されるように前記エレクトレット電極を変形させるステップと、
    　を含む、エレクトレット・コンデンサ・センサの製造方法。

     
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