(57)【要約】  この機械電気変換素子は、振動電極（１５ｂ）と、振動電極（１５ｂ）の下面に設けられた振動電極絶縁フィルム（１５ａ）と、振動電極（１５ｂ）に対向したエレクトレット層（１３）と、エレクトレット層（１３）の上面に接合されたエレクトレット絶縁層（１４ｅ）と、エレクトレット層（１３）の下面に接した背面電極１７とを備える。振動電極絶縁フィルム（１５ａ）とエレクトレット絶縁層（１４ｅ）との間に１０ｎｍ〜１００μｍのマイクロギャップ部を有する。撓みを含めた振動電極（１５ｂ）の中心線平均粗さＲａが、振動電極（１５ｂ）の下面とエレクトレット層（１３）の上面との間で定義されるギャップ幅の１／１０以下である。
2009125773.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無負荷時において平坦な振動面を有する振動電極と、
前記振動電極の下面に設けられた振動層絶縁層と、
前記振動電極に対向したエレクトレット層と、
前記エレクトレット層の下面に接した背面電極とを備え、
前記振動層絶縁層と前記エレクトレット層との間に１０ｎｍ〜１００μｍのマイクロギャップ部を有し、負荷時の撓みを含めた前記振動電極の中心線平均粗さＲａが、前記振動電極の下面と前記エレクトレット層の上面との間で定義されるギャップ幅の１／１０以下であることを特徴とする機械電気変換素子。
【請求項２】
無負荷時において平坦な振動面を有する振動電極と、
前記振動電極に対向したエレクトレット層と、
前記エレクトレット層の上面に接合されたエレクトレット絶縁層と、
前記エレクトレット層の下面に接した背面電極とを備え、
前記振動電極と前記エレクトレット絶縁層との間に１０ｎｍ〜１００μｍのマイクロギャップ部を有し、負荷時の撓みを含めた前記振動電極の中心線平均粗さＲａが、前記振動電極の下面と前記エレクトレット層の上面との間で定義されるギャップ幅の１／１０以下であることを特徴とする機械電気変換素子。
【請求項３】
無負荷時において平坦な振動面を有する振動電極と、
前記振動電極の下面に設けられた振動層絶縁層と、
前記振動電極に対向したエレクトレット層と、
前記エレクトレット層の上面に接合されたエレクトレット絶縁層と、
前記エレクトレット層の下面に接した背面電極とを備え、
前記振動層絶縁層と前記エレクトレット絶縁層との間に１０ｎｍ〜１００μｍのマイクロギャップ部を有し、負荷時の撓みを含めた前記振動電極の中心線平均粗さＲａが、前記振動電極の下面と前記エレクトレット層の上面との間で定義されるギャップ幅の１／１０以下であることを特徴とする機械電気変換素子。
【請求項４】
前記マイクロギャップ部は、前記振動層絶縁層の下面にスペーサとして設けられた突起の高さにより制御されることを特徴とする請求項１又は３に記載の機械電気変換素子。
【請求項５】
前記マイクロギャップ部は、前記エレクトレット絶縁層の上面にスペーサとして設けられた突起の高さにより制御されることを特徴とする請求項２又は３に記載の機械電気変換素子。
【請求項６】
前記マイクロギャップ部は、前記振動層絶縁層と前記エレクトレット層との間にスペーサとして設けられた微粒子の粒径により制御され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。
【請求項７】
前記マイクロギャップ部は、前記振動電極と前記エレクトレット絶縁層との間にスペーサとして設けられた微粒子の粒径により制御され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。
【請求項８】
前記マイクロギャップ部は、前記振動層絶縁層と前記エレクトレット絶縁層との間にスペーサとして設けられた微粒子の粒径により制御されることを特徴とする請求項３に記載の機械電気変換素子。
【請求項９】
前記マイクロギャップ部は、前記振動層絶縁層と前記エレクトレット絶縁層との間に間に設けられた複数の貫通孔を有するスペーサ層の厚さにより制御されることを特徴とする請求項３に記載の機械電気変換素子。
【請求項１０】
前記振動層絶縁層と前記エレクトレット層との間の周辺部に、前記マイクロギャップ部を囲むスペーサリングを更に備えることを特徴とする請求項１又は６に記載の機械電気変換素子。
【請求項１１】
前記振動電極と前記エレクトレット絶縁層との間の周辺部に、前記マイクロギャップ部を囲むスペーサリングを更に備えることを特徴とする請求項２又は７に記載の機械電気変換素子。
【請求項１２】
前記振動層絶縁層と前記エレクトレット絶縁層との間の周辺部に、前記マイクロギャップ部を囲むスペーサリングを更に備えることを特徴とする請求項３又は８に記載の機械電気変換素子。
【請求項１３】
前記振動電極の上面に、音響インピーダンスの整合性を高めるための整合層を更に備えることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の機械電気変換素子。
【請求項１４】
前記エレクトレット層は、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１〜１３のいずれか１項に記載の機械電気変換素子。
【請求項１５】
振動層絶縁層上に振動電極を積層して振動層を構成する工程と、
前記振動層を裏返し、前記振動層絶縁層上にスペーサを設ける工程と、
前記スペーサを介して前記振動層絶縁層上にエレクトレット絶縁層を積層する工程と、
背面電極を有するエレクトレット層を用意する工程と、
前記背面電極を有するエレクトレット層と、前記振動層の上に前記スペーサを介してエレクトレット絶縁層を積層した構造物とを、前記エレクトレット絶縁層と前記エレクトレット層が接するようにしてケースに組み込む工程
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。
【請求項１６】
振動電極と、
前記振動電極との間にエレメント空間を設けるように対向したエレクトレット層と、
前記エレクトレット層の下面に接した背面電極と、
前記エレメント空間の内部を上下方向に分離するように挿入され、前記エレメント空間の内部に、それぞれの間隔が１０ｎｍ〜４０μｍのマイクロギャップを複数積層するギャップ絶縁層と、
前記振動電極と前記背面電極との間に電気的に接続された増幅回路
とを備え、前記複数のマイクロギャップをそれぞれ定義する面のそれぞれの実効的な表面粗さが、前記エレメント空間のギャップ幅の１／１０以下であることを特徴とするフィルム状機械電気変換装置。
【請求項１７】
前記ギャップ絶縁層を複数枚備えることを特徴とする請求項１６に記載のフィルム状機械電気変換装置。
【請求項１８】
前記振動電極の下面に設けられた振動電極絶縁フィルムを更に備えることを特徴とする請求項１６又は１７に記載のフィルム状機械電気変換装置。
【請求項１９】
前記エレクトレット層の上面に接合されたエレクトレット絶縁フィルムを更に備えることを特徴とする請求項１６〜１８のいずれか１項に記載のフィルム状機械電気変換装置。
【請求項２０】
増幅回路を備える基体と、
前記基体の下面に少なくとも一部を接し、前記増幅回路に電気的に接続された下側振動電極、前記下側振動電極との間に下側エレメント空間を設けるように対向した下側エレクトレット層、前記下側エレクトレット層の下面に接した下側背面電極、前記下側エレメント空間の内部を上下方向に分離するように挿入され、前記下側エレメント空間の内部にそれぞれの間隔が１０ｎｍ〜４０μｍの下側マイクロギャップを複数積層する下側ギャップ絶縁層を有するフィルム状下側エレメントと、
前記基体の上面に少なくとも一部を接し、前記増幅回路に電気的に接続された上側背面電極、前記上側背面電極の上面に接した上側エレクトレット層、前記上側エレクトレット層との間に上側エレメント空間を設けるように対向した上側振動電極、前記上側エレメント空間の内部を上下方向に分離するように挿入され、前記上側エレメント空間の内部にそれぞれの間隔が１０ｎｍ〜４０μｍの上側マイクロギャップを複数積層する上側ギャップ絶縁層を有するフィルム状上側エレメント
とを備え、前記上側マイクロギャップ及び前記下側マイクロギャップをそれぞれ定義する面のそれぞれの実効的な表面粗さが、前記下側エレメント空間及び上側エレメント空間のそれぞれのギャップ幅の１／１０以下であることを特徴とする機械電気変換装置。
【請求項２１】
前記下側ギャップ絶縁層及び前記上側ギャップ絶縁層を、それぞれ複数枚備えることを特徴とする請求項２０に記載の機械電気変換装置。
【請求項２２】
増幅回路に接続された共通背面電極と、
前記共通背面電極の下面に接した下側エレクトレット層、下側エレクトレット層との間に下側エレメント空間を設けるように対向した下側振動電極、前記下側エレメント空間の内部を上下方向に分離するように挿入され、前記下側エレメント空間の内部にそれぞれの間隔が１０ｎｍ〜４０μｍの下側マイクロギャップを複数積層する下側ギャップ絶縁層を有する下側エレメントと、
前記共通背面電極上面に接した上側エレクトレット層、前記上側エレクトレット層との間に上側エレメント空間を設けるように対向した上側振動電極、前記上側エレメント空間の内部を上下方向に分離するように挿入され、前記上側エレメント空間の内部にそれぞれの間隔が１０ｎｍ〜４０μｍの上側マイクロギャップを複数積層する上側ギャップ絶縁層を有する上側エレメント
とを備え、前記上側マイクロギャップ及び前記下側マイクロギャップをそれぞれ定義する面のそれぞれの実効的な表面粗さが、前記下側エレメント空間及び上側エレメント空間のそれぞれのギャップ幅の１／１０以下であることを特徴とするフィルム状機械電気変換装置。
【請求項２３】
振動電極と、
前記振動電極との間にエレメント空間を設けるように対向したエレクトレット層と、
前記エレクトレット層の下面に接した背面電極と、
前記エレメント空間の内部を上下方向に分離するように挿入され、前記エレメント空間の内部に、それぞれの間隔が１０ｎｍ〜４０μｍのマイクロギャップを複数積層するギャップ絶縁層
とを備えるエレメントの複数個を、各エレメントの振動電極及び各エレメントの背面電極がそれぞれ共通電位となるように互いに接続して共通のスペーサフィルム上に配列し、前記背面電極を共通の増幅回路に接続したフィルム状機械電気変換装置であって、
前記各エレメントにおいて、前記複数のマイクロギャップをそれぞれ定義する面のそれぞれの実効的な表面粗さが、前記エレメント空間のギャップ幅の１／１０以下であることを特徴とするフィルム状機械電気変換装置。
【請求項２４】
前記振動電極の平面パターンが前記背面電極の平面パターンとは異なることを特徴とする請求項２３に記載のフィルム状機械電気変換装置。
【請求項２５】
前記スペーサフィルム、前記振動電極、前記エレクトレット層、前記背面電極及び前記ギャップ絶縁層が、透明な材料からなることを特徴とする請求項２３又は２４に記載のフィルム状機械電気変換装置。
【請求項２６】
増幅回路に接続され、マトリクス状に空隙部を有する内部電極膜と、
前記内部電極膜の下面に接した下側エレクトレット層と、
前記下側エレクトレット層との間に下側エレメント空間を設けるように対向し、前記内部電極膜の平面パターンとは異なる空隙部のパターンを有する下側外部電極膜と、
前記下側エレメント空間の内部を上下方向に分離するように挿入され、前記下側エレメント空間の内部に、それぞれの間隔が１０ｎｍ〜４０μｍの下側マイクロギャップを複数積層する下側ギャップ絶縁層と、
前記内部電極膜上面に接した上側エレクトレット層と、
前記上側エレクトレット層との間に上側エレメント空間を設けるように対向し、前記内部電極膜の平面パターンとは異なる空隙部のパターンを有する上側外部電極膜と、
前記上側エレメント空間の内部を上下方向に分離するように挿入され、前記上側エレメント空間の内部に、それぞれの間隔が１０ｎｍ〜４０μｍの上側マイクロギャップを複数積層する上側ギャップ絶縁層
とを備え、前記上側マイクロギャップ及び前記下側マイクロギャップをそれぞれ定義する面のそれぞれの実効的な表面粗さが、前記下側エレメント空間及び上側エレメント空間のそれぞれのギャップ幅の１／１０以下であることを特徴とするフィルム状機械電気変換装置。
【請求項２７】
前記内部電極膜、前記下側エレクトレット層、前記上側エレクトレット層、前記下側外部電極膜、前記上側外部電極膜、前記下側ギャップ絶縁層、前記内部電極膜上面に接した上側エレクトレット層、前記上側ギャップ絶縁層が、透明な材料からなることを特徴とする請求項２６に記載のフィルム状機械電気変換装置。
【請求項２８】
前記下側ギャップ絶縁層及び前記上側ギャップ絶縁層を、それぞれ複数枚備えることを特徴とする請求項２２，２６、２７のいずれか１項に記載のフィルム状機械電気変換装置。
【請求項２９】
垂直方向に走行する複数の垂直信号線と、
前記複数の垂直信号線と絶縁され、前記複数の垂直信号線に直交する方向に走行する複数の垂直選択信号配線と、
前記複数の垂直信号線、前記複数の垂直選択信号配線の上方に設けられ、前記複数の垂直信号線と前記複数の垂直選択信号配線が構成する格子のパターンの内部となる位置に、貫通孔をそれぞれ配列したスペーサフィルムと、
センサアレイ部の全面に設けられ、前記スペーサフィルムの上面に接した共通のエレクトレット層と、
前記貫通孔の内部のそれぞれにおいて、前記エレクトレット層の下面の一部に接するように、互いに独立して配列された背面電極と、
前記貫通孔の内部にそれぞれ独立して配列され、前記背面電極、前記複数の垂直信号線のいずれか、前記複数の垂直選択信号配線のいずれかにそれぞれ接続された増幅回路と、
前記貫通孔のそれぞれの上方に、互いに独立したエレメント空間を配列するように、前記エレクトレット層に対向した振動電極と、
前記エレメント空間のそれぞれの内部を上下方向に分離するように挿入され、前記エレメント空間のそれぞれの内部に、それぞれの間隔が１０ｎｍ〜４０μｍのマイクロギャップを複数積層するように設けられたギャップ絶縁層
とを備え、前記複数のマイクロギャップをそれぞれ定義する面のそれぞれの実効的な表面粗さが、前記エレメント空間のギャップ幅の１／１０以下であることを特徴とするフィルム状機械電気変換装置。
【請求項３０】
前記複数の垂直信号線、前記複数の垂直選択信号配線、前記スペーサフィルム、前記エレクトレット層、前記背面電極、前記振動電極、前記ギャップ絶縁層が、透明な材料からなることを特徴とする請求項２９に記載のフィルム状機械電気変換装置。
【請求項３１】
前記ギャップ絶縁層を複数枚備えることを特徴とする請求項２９又は３０に記載のフィルム状機械電気変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械的振動を電気信号に変換する機械電気変換素子、機械電気変換装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話などにおいては、省スペースのため、マイクロフォンの小型化が求められている。又、ギターなどの音響機器のピックアップマイクロフォンとして楽器に簡単取り付けできる小型のマイクロフォンが求められている。特に、携帯電話などを防水とするために、小型の防水マイクロフォンの需要がある。【０００３】
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。ヘヴィサイトは、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。振動層と一体のコイル（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、振動層に近接して平行に、エレクトレットが配置されている。そして、振動層が音で振動するとエ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。しかしこの信号は非常に小さいので、マイクロ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。【０００４】
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が、コロナ放電を使用して高分子をエレクトレット化する手法では、残留分極量は３０μＣ／ｍ２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。【０００５】
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。【０００６】
マイクロフォンの小型化を鑑み、半導体基板（シリコン基板）に直接マイクロフォンを実装する小型化が試みられている。例えば、半導体基板の中央部に、半導体基板を選択的に除去したメンブレン領域を備え、導電膜により、下部電極と引出し配線が設け、この下部電極を、メンブレン領域の内側に設けることにより、寄生容量を抑制し、高性能なＥＣＭを実現せんとした提案がある（特許文献１参照。）。特許文献１に記載のＥＣＭでは、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜及びシリコン窒化膜の端面は、半導体基板と重なるように設けることにより、振動層の共振周波数特性を制御している。【０００７】
一方、ＰＰやＰＴＦＥフィルムを延伸・発泡させ、その後独立気泡内で放電を生じさせてエレクトレットとし、柔軟なマイクロフォンとして、音響機器のピックアップに使用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−０７４１０２号公報
【発明の概要】
【０００９】
特許文献１に記載された半導体基板上に直接ＥＣＭを製造する手法においては、半導体基板を選択的に除去したメンブレン領域の撓みはエアギャップの１０分の１以上となり、空気の絶縁破壊強度が低く、より強い音圧に耐えらない問題がある。特に、シリコン基板は衝撃に弱いため、シリコンマイクロフォン自体は小型であっても、緩衝層が必要となる。
【００１０】
多孔質フィルムにより防水性を向上させることは可能だが，音の減衰が生じるため、感度が低下する。又、多孔質ＰＰやＰＴＦＥの気泡内部でエレクトレット化させたフィルムは、１００℃を超えると，エレクトレットが劣化するため、使用温度範囲が狭い。
【００１１】
一方、圧電プローブとしてＰＺＴを使用することも試みられているが、共振周波数でしか使用できないので、広い周波数帯域での使用が困難である。
【００１２】
上記問題を鑑み、本発明は、柔軟で形状の自由度が高く、且つ、感度が高く、より強い音圧に耐えられ、しかも広い周波数帯域での使用可能な機械電気変換素子、機械電気変換装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、（イ）無負荷時において平坦な振動面を有する振動電極と、（ロ）振動電極の下面に設けられた振動層絶縁層と、（ハ）振動電極に対向したエレクトレット層と、（ニ）エレクトレット層の下面に接した背面電極とを備え、（ホ）振動層絶縁層とエレクトレット層との間に１０ｎｍ〜１００μｍのマイクロギャップ部を有し、負荷時の撓みを含めた振動電極の中心線平均粗さＲａが、振動電極の下面とエレクトレット層の上面との間で定義されるギャップ幅の１／１０以下である機械電気変換素子であることを要旨とする。
【００１４】
本発明の第２の態様は、（イ）無負荷時において平坦な振動面を有する振動電極と、（ロ）振動電極に対向したエレクトレット層と、（ハ）エレクトレット層の上面に接合されたエレクトレット絶縁層と、（ニ）エレクトレット層の下面に接した背面電極とを備え、（ホ）振動電極とエレクトレット絶縁層との間に１０ｎｍ〜１００μｍのマイクロギャップ部を有し、負荷時の撓みを含めた振動電極の中心線平均粗さＲａが、振動電極の下面とエレクトレット層の上面との間で定義されるギャップ幅の１／１０以下である機械電気変換素子であることを要旨とする。
【００１５】
本発明の第３の態様は、（イ）無負荷時において平坦な振動面を有する振動電極と、（ロ）振動電極の下面に設けられた振動層絶縁層と、（ハ）振動電極に対向したエレクトレット層と、（ニ）エレクトレット層の上面に接合されたエレクトレット絶縁層と、（ホ）エレクトレット層の下面に接した背面電極とを備え、（ヘ）振動層絶縁層とエレクトレット絶縁層との間に１０ｎｍ〜１００μｍのマイクロギャップ部を有し、負荷時の撓みを含めた振動電極の中心線平均粗さＲａが、振動電極の下面とエレクトレット層の上面との間で定義されるギャップ幅の１／１０以下である機械電気変換素子であることを要旨とする。
【００１６】
本発明の第４の態様は、（イ）振動層絶縁層上に振動電極を積層して振動層を構成するする工程と、（ロ）振動層を裏返し、振動層絶縁層上にスペーサを設ける工程と、（ハ）スペーサを介して振動層絶縁層上にエレクトレット絶縁層を積層する工程と、（ニ）背面電極を有するエレクトレット層を用意する工程と、（ホ）背面電極を有するエレクトレット層と、振動層の上にスペーサを介してエレクトレット絶縁層を積層した構造物とを、エレクトレット絶縁層とエレクトレット層が接するようにしてケースに組み込む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要旨とする。
【００１７】
本発明の第５の態様は、（イ）振動電極と、振動電極との間にエレメント空間を設けるように対向したエレクトレット層と、エレクトレット層の下面に接した背面電極と、エレメント空間の内部を上下方向に分離するように挿入され、エレメント空間の内部に、それぞれの間隔が１０ｎｍ〜４０μｍのマイクロギャップを複数積層するギャップ絶縁層と、振動電極と背面電極との間に電気的に接続された増幅回路とを備えるフィルム状機械電気変換装置であることを要旨とする。この本発明の第５の態様に係るフィルム状機械電気変換装置においては、複数のマイクロギャップをそれぞれ定義する面のそれぞれの実効的な表面粗さが、エレメント空間のギャップ幅の１／１０以下である。
【００１８】
本発明の第６の態様は、（イ）増幅回路を備える基体と、（ロ）基体の下面に少なくとも一部を接し、増幅回路に電気的に接続された下側振動電極、下側振動電極との間に下側エレメント空間を設けるように対向した下側エレクトレット層、下側エレクトレット層の下面に接した下側背面電極、下側エレメント空間の内部を上下方向に分離するように挿入され、下側エレメント空間の内部にそれぞれの間隔が１０ｎｍ〜４０μｍの下側マイクロギャップを複数積層する下側ギャップ絶縁層を有するフィルム状下側エレメントと、（ハ）基体の上面に少なくとも一部を接し、増幅回路に電気的に接続された上側背面電極、上側背面電極の上面に接した上側エレクトレット層、上側エレクトレット層との間に上側エレメント空間を設けるように対向した上側振動電極、上側エレメント空間の内部を上下方向に分離するように挿入され、上側エレメント空間の内部にそれぞれの間隔が１０ｎｍ〜４０μｍの上側マイクロギャップを複数積層する上側ギャップ絶縁層を有するフィルム状上側エレメントとを備える機械電気変換装置であることを要旨とする。この本発明の第７の態様に係る機械電気変換装置においては、上側マイクロギャップ及び下側マイクロギャップをそれぞれ定義する面のそれぞれの実効的な表面粗さが、下側エレメント空間及び上側エレメント空間のそれぞれのギャップ幅の１／１０以下である。
【００１９】
本発明の第７の態様は、（イ）増幅回路に接続された共通背面電極と、（ロ）共通背面電極の下面に接した下側エレクトレット層、下側エレクトレット層との間に下側エレメント空間を設けるように対向した下側振動電極、下側エレメント空間の内部を上下方向に分離するように挿入され、下側エレメント空間の内部にそれぞれの間隔が１０ｎｍ〜４０μｍの下側マイクロギャップを複数積層する下側ギャップ絶縁層を有する下側エレメントと、（ハ）共通背面電極上面に接した上側エレクトレット層、上側エレクトレット層との間に上側エレメント空間を設けるように対向した上側振動電極、上側エレメント空間の内部を上下方向に分離するように挿入され、上側エレメント空間の内部にそれぞれの間隔が１０ｎｍ〜４０μｍの上側マイクロギャップを複数積層する上側ギャップ絶縁層を有する上側エレメントとを備えることを要旨とする。この本発明の第７の態様に係るフィルム状機械電気変換装置においては、上側マイクロギャップ及び下側マイクロギャップをそれぞれ定義する面のそれぞれの実効的な表面粗さが、下側エレメント空間及び上側エレメント空間のそれぞれのギャップ幅の１／１０以下である。
【００２０】
本発明の第８の態様は、振動電極と、振動電極との間にエレメント空間を設けるように対向したエレクトレット層と、エレクトレット層の下面に接した背面電極と、エレメント空間の内部を上下方向に分離するように挿入され、エレメント空間の内部に、それぞれの間隔が１０ｎｍ〜４０μｍのマイクロギャップを複数積層するギャップ絶縁層とを備えるエレメントを基礎（ユニット）としている。本発明の第８の態様に係るフィルム状機械電気変換装置では、このエレメントの複数個を、各エレメントの振動電極及び各エレメントの背面電極がそれぞれ共通電位となるように互いに接続して共通のスペーサフィルム上に配列し、背面電極を共通の増幅回路に接続している。そして、本発明の第８の態様に係るフィルム状機械電気変換装置の各エレメントにおいて、複数のマイクロギャップをそれぞれ定義する面のそれぞれの実効的な表面粗さが、エレメント空間のギャップ幅の１／１０以下である。
【００２１】
本発明の第９の態様は、増幅回路に接続され、マトリクス状に空隙部を有する内部電極膜と、内部電極膜の下面に接した下側エレクトレット層と、下側エレクトレット層との間に下側エレメント空間を設けるように対向し、内部電極膜の平面パターンとは異なる空隙部のパターンを有する下側外部電極膜と、下側エレメント空間の内部を上下方向に分離するように挿入され、下側エレメント空間の内部に、それぞれの間隔が１０ｎｍ〜４０μｍの下側マイクロギャップを複数積層する下側ギャップ絶縁層と、内部電極膜上面に接した上側エレクトレット層と、上側エレクトレット層との間に上側エレメント空間を設けるように対向し、内部電極膜の平面パターンとは異なる空隙部のパターンを有する上側外部電極膜と、上側エレメント空間の内部を上下方向に分離するように挿入され、上側エレメント空間の内部に、それぞれの間隔が１０ｎｍ〜４０μｍの上側マイクロギャップを複数積層する上側ギャップ絶縁層とを備えるフィルム状機械電気変換装置であることを要旨とする。この本発明の第９の態様に係るフィルム状機械電気変換装置においては、上側マイクロギャップ及び下側マイクロギャップをそれぞれ定義する面のそれぞれの実効的な表面粗さが、下側エレメント空間及び上側エレメント空間のそれぞれのギャップ幅の１／１０以下である。
【００２２】
本発明の第１０の態様は、垂直方向に走行する複数の垂直信号線と、複数の垂直信号線と絶縁され、複数の垂直信号線に直交する方向に走行する複数の垂直選択信号配線と、複数の垂直信号線、複数の垂直選択信号配線の上方に設けられ、複数の垂直信号線と複数の垂直選択信号配線が構成する格子のパターンの内部となる位置に、貫通孔をそれぞれ配列したスペーサフィルムと、センサアレイ部の全面に設けられ、スペーサフィルムの上面に接した共通のエレクトレット層と、貫通孔の内部のそれぞれにおいて、エレクトレット層の下面の一部に接するように、互いに独立して配列された背面電極と、貫通孔の内部にそれぞれ独立して配列され、背面電極、複数の垂直信号線のいずれか、複数の垂直選択信号配線のいずれかにそれぞれ接続された増幅回路と、貫通孔のそれぞれの上方に、互いに独立したエレメント空間を配列するように、エレクトレット層に対向した振動電極と、エレメント空間のそれぞれの内部を上下方向に分離するように挿入され、エレメント空間のそれぞれの内部に、それぞれの間隔が１０ｎｍ〜４０μｍのマイクロギャップを複数積層するように設けられたギャップ絶縁層とを備えるフィルム状機械電気変換装置であることを要旨とする。この本発明の第１０の態様に係るフィルム状機械電気変換装置においては、複数のマイクロギャップをそれぞれ定義する面のそれぞれの実効的な表面粗さが、エレメント空間のギャップ幅の１／１０以下である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態に係る機械電気変換素子（超音波プローブ)の概略構成を説明する模式的な断面図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施の形態に係る機械電気変換素子のマイクロギャップ部の変形による振動を説明する模式的な断面図である。
【図３】図３は、振動層絶縁層とエレクトレット絶縁層の厚さの公差が±１０％ある状況において、振動層絶縁層とエレクトレット絶縁層との間が、凝集したシリコーン粒子を介して接触してマイクロギャップを形成した状態を説明する模式的な断面図である。
【図４】図４は、第１の実施の形態に係る機械電気変換素子を送信用超音波プローブとして用いて、超音波を発生させ、シリコーンブロック中を伝播させ、シリコーンブロック中を伝播した超音波を、第１の実施の形態に係る機械電気変換素子を受信用超音波プローブとして用いて受信する構成を説明する模式的な断面図である。
【図５】図５は、図４に示す送信用超音波プローブと受信用超音波プローブとを用いて、超音波をシリコーンブロック中を伝播させたときの送受信特性を示す図である。
【図６】図６は、第１の比較例に係る機械電気変換素子を送信用超音波プローブとして用いて、超音波を発生させ、シリコーンブロック中を伝播させ、シリコーンブロック中を伝播した超音波を、第１の比較例に係る機械電気変換素子を受信用超音波プローブとして用いて受信する構成を説明する模式的な断面図である。
【図７】図７は、図５に示す第１の比較例に係る送信用超音波プローブと第１の比較例に係る受信用超音波プローブとを用いて、超音波をシリコーンブロック中を伝播させたときの送受信特性を示す図である。
【図８】図８は、第２の比較例に係る機械電気変換素子を送信用超音波プローブとして用いて、超音波を発生させ、シリコーンブロック中を伝播させ、シリコーンブロック中を伝播した超音波を、第２の比較例に係る機械電気変換素子を受信用超音波プローブとして用いて受信する構成を説明する模式的な断面図である。
【図９】図９は、図８に示す第２の比較例に係る送信用超音波プローブと第２の比較例に係る受信用超音波プローブとを用いて、超音波をシリコーンブロック中を伝播させたときの送受信特性を示す図である。
【図１０】図１０は、図４の第１の実施の形態に係る機械電気変換素子に正弦波信号（１波）を入力して送受信を行った結果を示す図である。
【図１１】図１１は、図８の第２の比較例に係る機械電気変換素子に正弦波信号（１波）を入力して送受信を行った結果を示す図である。
【図１２】図１２は、エレクトレット層の電荷保持特性を、振動電極の撓みによって測定する実験装置の断面図である。
【図１３】図１３は、図１２に示すエレクトレット層の電荷保持特性を、振動電極の撓みによって示すｘ−ｙ相関図である。
【図１４】図１４は、本発明の第１の実施の形態に係る機械電気変換素子（超音波プローブ）の製造方法を説明する模式的な工程断面図である。
【図１５】図１５は、本発明の第２の実施の形態に係る機械電気変換素子（ハイドロフォン）の概略構成を説明する模式的な断面図である。
【図１６】図１６は、本発明の第２の実施の形態に係る機械電気変換素子（ハイドロフォン）の製造方法を説明する模式的な工程断面図である。
【図１７】図１７は、本発明の第３の実施の形態に係る機械電気変換素子（超音波センサ）の概略構成を説明する模式的な断面図である。
【図１８】図１８は、本発明の第３の実施の形態に係る機械電気変換素子（超音波センサ）の製造方法を説明する模式的な工程断面図である。
【図１９】図１９は、本発明の第４の実施の形態に係る機械電気変換素子（ＭＥＭＳマイクロフォン）の概略構成を説明する模式的な断面図である。
【図２０】図２０は、本発明の第５の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置の概略構成を説明する模式的な断面図である。
【図２１】図２１は、第５の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置のマイクロギャップの詳細な構造を説明する模式的な断面図である。
【図２２】図２２は、第５の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置の感度と周波数の関係を、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）フィルムの積層枚数をｎ（ｎ＝５，１０，４０，１００）をパラメータとして示す図である。
【図２３】図２３は、第５の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置の製造方法を説明するための模式的な工程断面図である（その１）。
【図２４】図２４は、第５の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置の製造方法を説明するための模式的な工程断面図である（その２）。
【図２５】図２５は、第５の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置の製造方法を説明するための模式的な工程断面図である（その３）。
【図２６】図２６は、第５の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置の製造方法を説明するための模式的な工程断面図である（その４）。
【図２７】図２７は、第５の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置の製造方法を説明するための模式的な工程断面図である（その５）。
【図２８】図２８は、第５の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置の製造方法を説明するための模式的な工程断面図である（その６）。
【図２９】図２９は、図２３〜図２８に示したフィルム状機械電気変換装置の製造方法の概要（要部）を説明するための概念的な工程断面図である。
【図３０】図３０（ａ）は、振動層側から音圧Φ１を受ける場合のフィルム状機械電気変換装置（マイクロフォンＡ）の概略構成を説明する模式的な断面図で、図３０（ｂ）は、エレクトレット層側から音圧Φ2を受ける場合のフィルム状機械電気変換装置（マイクロフォンＢ）の概略構成を説明する模式的な断面図である。
【図３１】図３１は、図３０（ａ）に示したマイクロフォンＡと、図３０（ｂ）に示したマイクロフォンＢとを利用した、本発明の第２の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置の概略構成を説明する模式的な断面図である。
【図３２】図３２は、本発明の第７の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置の概略構成を説明する模式的な断面図である。
【図３３】図３３は、測定対象の表面が曲面であるときに、その曲面形状にフィットするように、本発明の第８の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置を貼り付けた状態を説明する模式図である。
【図３４】図３４は、お椀状に変形させた第８の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置を用いて、測定対象から発信された超音波Φを収束させる様子を説明する模式図である。
【図３５】図３５は、単位ユニットをｎ枚（ｎ＝２）を積層して貼り合わせた、本発明の第９の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置の概略構成を説明する模式的な断面図である。
【図３６】図３６は、第９の実施の形態に係る他のフィルム状機械電気変換装置の概略構成を説明する模式的な断面図で、単位ユニットをｎ枚（ｎ≧３）を積層して貼り合わせた場合を示す。
【図３７】図３７は、受感部を多数のエレメントに分割した，本発明の第１０の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置の概略構成を説明する模式的な断面図である。
【図３８】図３８は、受感部を多数のエレメントに分割した，本発明の第１１の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置の配線構造の概略を説明する平面図である。
【図３９】図３９は、図３８のＡ−Ａ方向から見た断面図である。
【図４０】図４０は、第１１の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置の内部電極膜及び外部電極膜のパターンを説明する模式的な平面図である。
【図４１】図４１は、使用状況（被測定対象物の形状）に応じて、第１１の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置の一部を切断して、平面的な形状を変更する状況を説明する模式的な平面図である。
【図４２】図４２は、本発明の第１２の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置の全体を説明する模式的な平面図である。
【図４３】図４３は、図４２に示した第１２の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置のエレメントの一部の構造を説明する模式的な断面図である。
【図４４】図４４は、第１２の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置の各エレメントに内蔵された増幅回路の概略構成を説明する回路図である。
【図４５】図４５は、本発明の第１３の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置の概略構成を説明する模式的な断面図である。
【図４６】図４６は、本発明の第１３の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置のマイクロギャップの構造を説明する模式的な断面図である。
【図４７】図４７は、本発明の第１３の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置のマイクロギャップの構造を説明する模式的な断面図である。
【図４８】図４８は、本発明の第１３の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置の突起なしの場合の概略構成を説明する模式的な断面図である。
【図４９】図４９は、本発明の第１３の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置の、突起あり場合、突起なしの場合それぞれに１ｋＨｚの音響を照射した場合の出力電圧を示す図である。
【図５０】図５０は、本発明の他の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置のマイクロギャップの構造を説明する模式的な断面図である。
【図５１】図５１は、本発明の更に他の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置のマイクロギャップの構造を説明する模式的な断面図である。
【図５２】図５２は、本発明の更に他の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置のマイクロギャップの構造を説明する模式的な断面図である。
【図５３】図５３は、本発明の更に他の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置のマイクロギャップの構造を説明する模式的な断面図である。
【図５４】図５４は、本発明の更に他の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置のマイクロギャップの構造を説明する模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
次に、図面を参照して、本発明の第１〜第１３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１３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、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものであり、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。
【００２５】
又、以下に示す第１〜第１３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。
【００２６】
（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、無負荷時において平坦な振動面を有する振動層１５と、振動層１５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、分極方向を揃えたエレクトレット層１３と、エレクトレット層１３の第２主面に接した背面電極１７と、振動層１５と背面電極１７との間に、接続された増幅手段（１９、９）とを備える超音波プローブである。背面電極１７とエレクトレット層１３とは、金属学的に接合していてもよく、接着剤等により接着されていてもよく、或いは、機械的な圧力で単に接している状態でもよい。平面図や鳥瞰図の図示を省略しているが、図１に示す超音波プローブの振動層１５、エレクトレット層１３及び背面電極１７は、例えば、それぞれ半径３〜４０ｍｍの円板形状とすることが可能である。振動層１５は、図１に示すように、導電体からなる振動電極１５ｂと振動電極１５ｂの下面の振動電極絶縁フィルム１５ａを備える。図示を省略しているが、振動層１５は、必要に応じて振動電極１５ｂの上面に絶縁層からなる整合層を設けて、媒体との音響インピーダンスの整合性を高めるようにしてもよい。
【００２７】
無負荷時には、エレクトレット層１３の第１主面は、振動層１５の振動面に平行に対向している。ここで、増幅手段（１９、９）は、背面電極１７に接続された増幅回路１９と、アンプ（ＦＥＴ）１９に接続された外付け回路９を備える。図１は受信用超音波プローブを示すが、受信用超音波プローブにおいては、外付け回路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とアンプ（ＦＥＴ）１９との間に接続されたバッファ抵抗Ｒと、バッファ抵抗Ｒとアンプ（ＦＥＴ）１９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。増幅手段（１９、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増幅手段（１９、９）は、背面電極１７と振動層１５間の電位をアンプ（ＦＥＴ）１９で増幅することにより、振動層１５の振動面の変位に伴い、エレクトレット層１３に誘導される電荷を測定している。一方、送信用超音波プローブにおいては、外付け回路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とアンプ（ＦＥＴ）１９との間に接続されたバッファ抵抗Ｒと、バッファ抵抗Ｒとアンプ（ＦＥＴ）１９との接続ノードに一方の電極を接続し、他方の電極を入力端子とする結合容量Ｃを備える。増幅手段（１９、９）の入力端子となる結合容量Ｃの入力端子には、外部回路（図示省略）が接続され、外部回路から入力信号が入力され、背面電極１７と振動層１５間にアンプ（ＦＥＴ）１９で増幅した入力信号を印加する。
【００２８】
振動電極１５ｂとエレクトレット層１３の間が、巨視的な「ギャップ幅Ｗｇ」を定義している。Ｗgは０．１〜１００μｍの範囲内である。振動電極絶縁フィルム１５ａとエレクトレット絶縁層１４ｅとの間に定義される微視的な空気ギャップであるマイクロギャップとは、ギャップ幅が１０ｎｍ〜１００μｍでギャップ中の空気の絶縁破壊強度が５〜２００ＭＶ／ｍと巨視的なギャップ中よりも向上しているギャップである。巨視的なギャップ幅Ｗgの場合、空気の絶縁破壊強度は３ＭＶ／ｍ程度である。但し、巨視的なギャップ幅Ｗg中は空気以外にフッ素系ガスなどの絶縁ガスを注入すること、或いは真空にすることにより更に絶縁破壊強度を向上できる。
【００２９】
振動電極１５ｂはエレクトレット層１３の静電力により引き付けられて撓むが、これがマイクロギャップの絶縁破壊強度を低下させる。撓んだ状態での振動電極１５ｂのギャップ側の面の凹凸を中心線平均粗さＲａで表した場合、上記のような高い絶縁破壊強度を得るためには、中心線平均粗さＲａはギャップ幅の１０分の１以下でなければならない。ギャップ幅１０分の１の根拠については、図１２及び図１３を用いて後述する。
【００３０】
振動層１５は、撓みがギャップ幅Ｗgの１０分の１以下であり、振動電極１５ｂが導電性に優れ、振動電極絶縁フィルム１５ａが電気絶縁性に優れていれば、どのような材料を使用してもかまわない。振動層１５は、剛性が高い必要があるが、高い周波数に追随できるために軽量である方が好ましい。そのため、振動層１５の振動電極１５ｂ、振動電極１５ｂの下面の振動電極絶縁フィルム１５ａ、振動電極１５ｂの上面の整合層（図１では図示を省略した。）のいずれかに比剛性（弾性率）／密度）の値が大きい材料の方を用いることが好ましい。このため、振動層１５としては、アルミニウムとその合金又は、マグネシウムとその合金を振動電極１５ｂとして用い、振動電極絶縁フィルム１５ａとして４フッ化エチレン６フッ化プロピレン共重合樹脂（ＦＥＰ樹脂）層を貼り付けたものが採用可能である。或いは、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等を振動電極絶縁フィルム１５ａとして用い、この振動電極絶縁フィルム１５ａ上にアルミニウムを蒸着して振動電極１５ｂとしてもよい。或いは、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素セラミックス等を振動電極絶縁フィルム１５ａとして用い、この振動電極絶縁フィルム１５ａ上にアルミニウムを蒸着又は、銀を焼付して振動電極１５ｂとしてもよい。その他にも、従来のエレクトレットマイクロフォンの絶縁層に使用しているＦＥＰ樹脂やシリカ層を有するシリコン基板などを振動電極絶縁フィルム１５ａに用いることも可能であるが、この場合、撓みがギャップ幅の１０分の１以下となるように厚さを増すことが必要であり、従来のエレクトレットマイクロフォンの設計思想とは大きく異なる。又、その他の絶縁性に優れた樹脂（シリコーン系樹脂、フッ素系樹脂、ポリエチレン系樹脂、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリスチレン、ウレタン、ＡＢＳ、軟質塩化ビニルなど）等を振動電極絶縁フィルム１５ａとして用い、この振動電極絶縁フィルム１５ａ上に、接着、蒸着、焼付により振動電極１５ｂを取り付け、振動層１５とすることも可能である。この場合、振動電極１５ｂか振動電極絶縁フィルム１５ａの厚さを増して、振動層１５に必要な剛性を確保する。
【００３１】
スペーサ４１とエレクトレット絶縁層１４ｅはいずれも電気絶縁性に優れた材料を使用する必要がある。具体的には、シリカ、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素などのセラミックス、シリコーン系樹脂、フッ素系樹脂、ポリエチレン系樹脂（ＰＥＴなどを含む）、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリスチレン、ウレタン、ＡＢＳ、軟質塩化ビニルなどの樹脂が使用可能である。又、スペーサ４１とエレクトレット絶縁層１４ｅのいずれか又は、両方を弾性率が２ＧＰａ以下の材料を使用する。但し、振動層１５側に振動電極絶縁フィルム１５ａがあり、その振動電極絶縁フィルム１５ａの弾性率が２ＧＰａ以下である場合は、スペーサ４１とエレクトレット絶縁層１４ｅの弾性率に制限はない。電気絶縁性に優れ弾性率が２ＧＰａ以下の材料には、具体的には、シリコーン系樹脂、フッ素系樹脂、ポリエチレン系樹脂、ポリエステル樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリスチレン樹脂、ウレタン樹脂、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合合成樹脂（ＡＢＳ樹脂）、軟質塩化ビニル樹脂などの樹脂がある。
【００３２】
スペーサ４１は、図１に示すような、粒径が１０ｎｍ〜１００μｍの微粒子の他、振動電極絶縁フィルム１５ａの下面、エレクトレット絶縁層１４ｅの上面、振動電極絶縁フィルム１５ａを省略した場合は、振動電極１５ｂの下面、エレクトレット絶縁層１４ｅを省略した場合はエレクトレット層１３上面のいずれかの表面、又は対向する両面側に、パルスレーザー照射、リソグラフィー、エッチング、プレスなどで形成させた高さ１０ｎｍ〜１００μｍの微小突起を設けてもよい。粒子や突起は、振動電極絶縁フィルム１５ａとエレクトレット絶縁層１４ｅとの間、振動電極絶縁フィルム１５ａを省略した場合は、振動電極１５ｂとエレクトレット絶縁層１４ｅとの間、エレクトレット絶縁層１４ｅを省略した場合は振動電極絶縁フィルム１５ａとエレクトレット層１３との間、振動電極絶縁フィルム１５ａ及びエレクトレット絶縁層１４ｅの両方を省略した場合は振動電極１５ｂとエレクトレット層１３との間で支持部となり、これによりマイクロギャップが形成される。マイクロギャップを形成できればスペーサ４１の形状はどのようなものでも構わないが、突起の接触点の曲率が大きい方が望ましい。又、最大高さ（Ｒmax）が１０ｎｍ〜１００μｍの表面粗さをもつ層を積層すれば、スペーサ４１がなくてもマイクロギャップを形成できる。
【００３３】
振動電極絶縁フィルム１５ａ及びエレクトレット絶縁層１４ｅは、上述のように１０ｎｍ〜１００μｍの突起を形成させるか、粒径が１０ｎｍ〜１００μｍの微粒子を表面に付着させた絶縁体の層である。必要に応じて複数の絶縁層を積層して、マイクロギャップ層の数を増やすことができる。又は、一部の絶縁層の表面にのみ突起の形成又は微粒子の付着を行い、残りは、密着させるか、乾燥接触させて表面粗さによりマイクロギャップを形成することも可能である。ギャップ幅が１００μｍ以内に収まれば、絶縁フィルムの積層枚数が多い方が、音響のダンピング特性が向上する。又、絶縁層を厚くするとギャップ幅も大きくなるが、これにより振動電極１５ｂの撓みによるマイクロギャップの絶縁破壊強度の低下を防ぐことができる。しかし、ギャップ幅の増大は、ギャップ中の電界強度の低下にもつながる。そのため、絶縁層の厚さ、マイクロギャップの構造などにより最適な積層枚数が決まる。
【００３４】
エレクトレット層１３は、ギャップに５〜２００ＭＶ／ｍの電界を発生させるだけの表面電位を有していなければならない。エレクトレット層１３の代表例して以下の二種類が採用可能である：
（イ）コロナ放電により帯電させた絶縁層：
フッ素系樹脂又はシリカ表面にコロナ放電により電荷を帯電させてエレクトレット層１３としたもの；
（ロ）加熱により帯電させた強誘電層：
強誘電層としては、強誘電体の単結晶若しくは多結晶、又は結晶性高分子が採用可能で、強誘電体としては、ペ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、ウルツ鉱構造結晶、酸化亜鉛、水晶、ロッシェル塩、等が使用できる。例えば、チタン酸ジルコニウム酸鉛（ＰＺＴ）、ＬｉＮｂＯ3、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）などの分極方向が一方向に配向した強誘電体を加熱し、焦電効果により一時的に分極を低下させて表面電荷を除去し、再び室温に冷却することでエレクトレット層１３としたもの。
【００３５】
エレクトレット層１３の厚さは例えば２０〜４００μｍ程度、背面電極１７の厚さは例えば１０〜１００μｍ程度、振動層１５の厚さは例えば１０〜１００μｍ程度に選定することができるが、振動層１５、エレクトレット層１３及び背面電極１７の具体的な厚さや半径は、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。
【００３６】
ホルダ８９の下端面には、配線用開口を有する金属製円板からなるケース８１の底板が接続されている。導電性（金属製）のケース８１は、ケース本体と底板とをハンダ等で接続して構成してもよい。増幅回路１９からの接地配線はケース８１の底板とハンダで接続されている。増幅回路１９は、背面電極１７の中央部近傍に融着されたハンダ９１を介して、背面電極１７に電気的に接続されている。背面電極１７及びエレクトレット層１３には、背面電極１７及びエレクトレット層１３を貫通する貫通孔（図示省略。）が設けられているが、貫通孔は、エレクトレット層１３と振動層１５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、ハンダ等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エレクトレット層１３と振動層１５とのギャップ空間を満たしても、絶縁破壊強度が増し、放電が生じにくくなる。その結果、放電により付着するエレクトレット層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、エレクトレット層１３と振動層１５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。
【００３７】
なお、振動層１５、エレクトレット層１３及び背面電極１７はそれぞれ円板形状である必要はなく、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８１等他の部材も、振動層１５、エレクトレット層１３及び背面電極１７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。
【００３８】
−マイクロギャップ中の空気の絶縁破壊強度−
空気ギャップを有する二つの電極に電位差を与えた場合、空気の絶縁破壊強度は、大気圧中では電極間距離が減少するに従い増加し、電極間距離が１〜２μｍ程度で最大値を示すことが知られている。但し、電極の表面の突起の曲率が大きくなるに従い、電界が突起部に集中し、絶縁破壊強度は低下する。そのため、電極表面の凹凸を中心線平均粗さＲａで表すとすると、図１２及び図１３を用いて後述するように、Ｒａがギャップ幅の１０分の１以下でなければならず、１００分１以下が望ましい。
【００３９】
従来のエレクトレットマイクロフォンはいずれも振動電極１５ｂがエレクトレット層１３の静電力により大きく撓んでいるが、振動電極１５ｂの表面の中心線平均粗さＲａは振動電極１５ｂの撓みによる変形も含めた値である。そのため、従来のエレクトレットマイクロフォンの振動電極１５ｂの中心線平均粗さＲａはギャップ幅Ｗg（従来のエレクトレットマイクロフォンの場合、図１において、振動電極絶縁フィルム１５ａ及びエレクトレット絶縁層１４ｅの両方を省略した場合に相当し、エレクトレット層１３と振動電極１５ｂとの間の距離である。）の１０分の１を越えてしまう。
【００４０】
本発明の第１の実施の形態に係る機械電気変換素子においては、振動電極絶縁フィルム１５ａとエレクトレット絶縁層１４ｅとの間のマイクロギャップの幅が、空気の絶縁破壊強度を決める。第１の実施の形態に係る機械電気変換素子の場合、振動電極絶縁フィルム１５ａ及びエレクトレット絶縁層１４ｅを挿入することによってギャップ幅Ｗgを広げて、振動電極絶縁フィルム１５ａの下面（振動電極絶縁フィルム１５ａを省略した場合は、振動電極１５ｂの下面）の中心線平均粗さＲａ（スペーサ４１を介した振動電極１５ｂの撓みに起因した変動分を含む）がギャップ幅Ｗgの１０分の１以下とすることができる。又、エレクトレット絶縁層１４ｅの上面（エレクトレット絶縁層１４ｅを省略した場合はエレクトレット層１３の上面）の表面粗さも、同様にギャップ中の空気の絶縁破壊強度に影響を与え、エレクトレット絶縁層１４ｅの上面の表面のＲａもギャップ幅の１０分の１以下でなければならず、１００分１以下が望ましい。
【００４１】
−受信感度−
本発明の第１の実施の形態に係る機械電気変換素子を超音波プローブとして用いた場合、振動層１５の撓みとマイクロギャップでの接触点の変形により、振動層１５が振動して、音響（超音波）の送受信を行う。超音波プローブの振動層１５が音響（超音波）により振動した場合、エレクトレットコンデンサマイクロフォンと同様の原理により、ギャップの静電容量変化が電極間の電位差の変化となって出力ΔＶoutが以下の式のように得られる：
ΔＶout＝ΔＷgＥg  ……（１）
Ｅg＝Ｖe／Ｗg                                ……（２）
Ｅgはギャップ中の電界強度、ΔＷgは振動層１５の振幅で撓みによる振動と接触点の変形による振動の振幅の和となる。Ｗgはギャップ全体の幅、Ｖeはエレクトレット層１３の表面電位の大きさである。このとき、振動層１５は、ｑdを単位電荷として、エレクトレット層１３から静電力σeで引き付けられる：
σe＝ｑdＥg＝εgＥg2                         ……（３）
εgは、絶縁層を含むギャップ全体の誘電率である。静電力σeにより振動層１５はマイクロギャップ部の突起（微粒子を含む）を支点としてエレクトレット層１３の静電力によりギャップ側に引き付けられ、静的に撓んでいることに注意が必要である。即ち静的に撓んだ状態での振動電極１５ｂのギャップ側の面のＲａがギャップ幅の１０分の１以下となるように振動層１５の剛性とマイクロギャップ部での接触点密度や配置を設計する必要がある。又、撓みによってマイクロギャップを構成する二つの層が突起とは別の位置で接触すると、接触点の増加により接触剛性が大きく低下することになるので、振動層１５の剛性を高めるか突起の高さや密度を高くしてこれを避けなければならない。
【００４２】
−振動層の撓みによる振動−
振動層の撓みによる振動は、従来のエレクトレットマイクロフォンでも同様に生じる。又、想定される最大の音圧による撓みが生じても、マイクロギャップを構成する二つの層が突起以外の位置で接触してはならない。
【００４３】
−マイクロギャップ部の変形による振動−
図１に示した構造は例示であり、マイクロギャップは微粒子をスペーサ４１として用いなくても実現可能である。乾燥接触によりマイクロギャップを形成させた場合のモデルとして、図２のように非常に平滑な振動電極絶縁フィルム１５ａの下面と、一定の半径ｒの微小突起をもつエレクトレット絶縁層１４ｅの上面とが、乾燥接触している場合を考える。図２示すような一定の半径ｒの微小突起は、振動電極絶縁フィルム１５ａの下面に対しパルスレーザーを照射による局所的な熱変形を生じさせてもよく、振動電極絶縁フィルム１５ａを構成するフィルム全体を加熱してオリゴマーの析出や高分子の自己組織化をさせてもよく、或いは、プレスによる振動電極絶縁フィルム１５ａの加工などにより形成してもよい。
【００４４】
図２のような一定の半径ｒの微小突起を振動電極絶縁フィルム１５ａの下面がもつモデルにおいては、接触圧力σは、σeと等しく、以下の式で表される：
σ＝σe＝（４／３）ｎＳ'ｒ1/2ｗ3/2                     ……（４）
１／Ｓ'＝（（１−νd2）／Ｓｄ）＋（（１−νg2）／Ｓｇ） ……（５）
ここで、ｎは突起の面密度、ｗは面圧による振動電極絶縁フィルム１５ａの変位を表す。νdとνｇはそれぞれ振動電極絶縁フィルム１５ａとエレクトレット絶縁層１４ｅのポアソン比を示し、ＳｄとＳｇはそれぞれ振動電極絶縁フィルム１５ａとエレクトレット絶縁層１４ｅの貯蔵弾性率を示す。ここで、貯蔵弾性率とは受信用超音波プローブが受信する音響の周波数帯域（２０Ｈｚ〜１０ＧＨｚ）での弾性変形に対する弾性率を示しており、周波数が高いほどＳｄ、Ｓｇはともに増加する傾向にあるので、使用する最大周波数における値とする。
【００４５】
そして、振動電極絶縁フィルム１５ａとエレクトレット絶縁層１４ｅの間のマイクロギャップにおける単位面積あたりのバネ定数である接触剛性（界面剛性）Ｋｇは、σをｗに対して微分して得られる：
Ｋｇ＝２ｎＳ'（ｒｗ）1/2                                ……（６）
Ｋｇ≪Ｓ'であれば、振動電極絶縁フィルム１５ａの振幅はマイクロギャップ部の振動と一致し、Ｋｇに反比例する：
ΔＷg＝Δσd／Ｋg                                     ……（７）
（１），（３），（５），（６），（７）式より、ΔＶoutは以下のように表される：
ΔＶout＝Δσd（Ｅg／（６εgＳ'2ｎ2ｒ））1/3              ……（８）
（８）式より、受信感度を向上させるためには、ギャップ中の電界強度Ｅgを増すとともに、マイクロギャップを挟み込んでいる二つの層のいずれか又は両方の貯蔵弾性率Ｓｄ，Ｓｇを低くし、突起の半径ｒを小さくするとともに突起の密度ｎを低く（間隔を広く）すればよい。但し、突起の半径ｒと密度ｎの低下は、振動電極絶縁フィルム１５ａの撓みを増すことになる。したがって、前述したように振動電極絶縁フィルム１５ａの中心線平均粗さＲａがギャップ幅の１０分の１以下で、撓みによりマイクロギャップ部の接触密度が増さないように注意する必要がある。
【００４６】
−送信出力に及ぼす影響−
送信については、送信用超音波プローブに振幅ΔＶinの電圧パルスを入力した場合、送信時の振動電極絶縁フィルム１５ａに発生する圧力Δσoutは、以下のように表される：
Δσout＝εg（（Ｖe＋ΔＶin）／Ｗg）2−εg（Ｖe／Ｗg）2
≒（２εgＥgΔＶin）／Ｗg）2                     ……（９）
振動電極絶縁フィルム１５ａの撓み、マイクロギャップ部の接触点の変形ともに、Δσoutに応じて変化し、振動電極絶縁フィルム１５ａの振動が生じて、音響が送信される。したがって、（９）式より、ギャップ幅Ｗgが狭くギャップの電界強度Ｅgが高い方が送信音圧が大きくなり、送信出力が向上することが分かる。
【００４７】
−音響のダンピング−
マイクロギャップのもう１つの利点として、超音波のダンピング（減衰）がある。マイクロギャップ部ではスペーサ４１により接触していない境界部では、音響の反射が生じる。そのため、エレクトレット層１３まで伝播する音響が大きく減衰する。エレクトレット層１３まで音響が伝播すると、エレクトレット層１３がひずみを生じて圧電効果による出力が受信出力に重なることになる。これは、エレクトレットプローブ（超音波プローブ）の性能を低下させるので、音響はギャップ部で可能な限り減衰させたい。マイクロギャップを有することにより、ギャップ部での音響の減衰は飛躍的に増加する。
【００４８】
−超音波送受信特性−
図１に示した第１の実施の形態に係る機械電気変換素子を、空中超音波の超音波プローブ（空中超音波プローブ）に適用した場合を考える。振動層１５は、振動電極絶縁フィルム１５ａとしての厚さ６０μｍのポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂フィルムが、振動電極１５ｂとしての厚さ１μｍ以下のＡｌ電極層の下面に蒸着されており、Ａｌ電極層の振動電極絶縁フィルム１５ａに対する表面を鏡面に仕上げてある。又、表面電位が−２ｋＶのエレクトレット層１３の上には、厚さ１０μｍのＰＥＴ樹脂層が、エレクトレット絶縁層１４ｅとして積層され、エレクトレット絶縁層１４ｅの上に直径５μｍのシリコーン粒子が平均間隔５００μｍでスペーサ４１として付着している。シリコーン粒子によりＰＥＴ樹脂層間にマイクロギャップが形成され、約３０ＭＶ／ｍの電界がエレクトレット層１３から作用している。このとき、振動電極１５ｂの撓みとシリコーン粒子の変形量の和は３．８μｍ以下であり、振動電極絶縁フィルム１５ａとエレクトレット絶縁層１４ｅ同士が接触することはない。又、マイクロギャップが５μｍ以下の場合、空気の絶縁破壊強度は６０ＭＶ／ｍ以上であるため、マイクロギャップ中の空気の絶縁破壊は生じない。  この超音波プローブの受信感度は２０Ｈｚ〜１ＭＨｚにおいて−５０ｄＢ以上である。共振を利用した狭帯域の圧電空中超音波センサの受信感度は−４０ｋＨｚにおいて−６０ｄＢ程度が一般的であり、これよりはるかに高感度でしかも広帯域で受信が可能である。
【００４９】
又、送信については１Ｖの電圧パルス入力に対して３．４ｎｍの振動振幅が得られる。圧電プローブとしてチタン酸ジルコニウム酸鉛（ＰＺＴ）を使用した場合、共振を利用すればこれより大きな振動振幅を得ることが可能であるが、共振周波数でしか使用できない。共振しない条件であれば、ＰＺＴでは０．３ｎｍ程度の振動振幅しか得られない。したがって、広い周波数帯域での送信においては本発明の超音波プローブの方がはるかに有利である。
【００５０】
第１の実施の形態に係る機械電気変換素子を、水中や生体材料などの低音響インピーダンス材料を媒体とする超音波の超音波プローブに適用した場合を考える。
【００５１】
図４に示すように、第１の実施の形態に係る送信用超音波プローブは、振動層（１５ｐ、１５ｘ）と、振動層（１５ｐ、１５ｘ）の振動面に対向したエレクトレット層１３ｓと、エレクトレット層１３ｓの第２主面に接した背面電極１７ｓと、エレクトレット層１３ｓの第１主面に接合されたエレクトレット絶縁層１４ｘを備え、振動層絶縁層１５ｘとエレクトレット絶縁層１４ｘとの間にはスペーサ４１ｓが挿入され、振動層絶縁層１５ｘとエレクトレット絶縁層１４ｘとの間に定義される「マイクロギャップ」の間隔を制御している。同様に、第１の実施の形態に係る受信用超音波プローブは、振動層（１５ｑ、１５ｙ）と、振動層（１５ｑ、１５ｙ）の振動面に対向したエレクトレット層１３ｒと、エレクトレット層１３ｒの第２主面に接した背面電極１７ｒと、エレクトレット層１３ｒの第１主面に接合されたエレクトレット絶縁層１４ｙが設けられ、振動層絶縁層１５ｙとエレクトレット絶縁層１４ｙとの間にはスペーサ４１ｒが挿入され、振動層絶縁層１５ｙとエレクトレット絶縁層１４ｙとの間に定義される「マイクロギャップ」の間隔を制御している。
【００５２】
振動電極１５ｐ，１５ｑは厚さ１２μｍのアルミニウムであり、振動電極１５ｐ，１５ｑのギャップに対向する側の表面は、鏡面に仕上げてある。又、エレクトレット層１３ｓ，１３ｒとしてＰＺＴを用い、表面電位が−２ｋＶとしている。エレクトレット層１３ｓの上には、振動層絶縁層１５ｘ，エレクトレット絶縁層１４ｘとして、厚さ１２μｍのＦＥＰ樹脂層がそれぞれ積層され、エレクトレット層１３ｒの上には、振動層絶縁層１５ｙ及びエレクトレット絶縁層１４ｙとして、厚さ１２μｍのＦＥＰ樹脂層がそれぞれ積層されている。振動層絶縁層１５ｘとエレクトレット絶縁層１４ｘとの間、及び振動層絶縁層１５ｙとエレクトレット絶縁層１４ｙとの間には、直径２μｍのシリコーン粒子が、スペーサ４１ｓ，４１ｒとして、平均間隔１０μｍでそれぞれ付着している。但し、シリコーン粒子は図３に示すように、面内方向に凝集しており、凝集体の平均間隔は１００μｍである。又、振動層絶縁層１５ｘ，１５ｙ及びエレクトレット絶縁層１４ｘ，１４ｙとしてのＦＥＰ樹脂層の厚さの公差は±１０％ある。そのため、図３のように、振動層絶縁層１５ｘ，１５ｙとエレクトレット絶縁層１４ｘ，１４ｙとの間では、凝集したシリコーン粒子の一部を介して接触してマイクロギャップを形成している。このとき、マイクロギャップ内には約７０ＭＶ／ｍの電界がエレクトレット層１３ｓ，１３ｒから作用している。
【００５３】
図４に示すように、送信用超音波プローブに送信用増幅回路１０２ｓを介してステップ電圧を入力して超音波を発生させ、シリコーンブロック７中を伝播した超音波を、受信用超音波プローブで受信して、受信用増幅回路１０２ｒで増幅して検出した結果を図５に示す。
【００５４】
これに対して、スペーサとしてのシリコーン粒子を使用しない第１の比較例に係る超音波プローブの構造を図６に示す。図６に示すように、第１の比較例に係る送信用超音波プローブは、振動層（１５ｐ、１５ｘ）と、振動層（１５ｐ、１５ｘ）の振動面に対向したエレクトレット層１３ｓと、エレクトレット層１３ｓの第２主面に接した背面電極１７ｓと、エレクトレット層１３ｓの第１主面に接合されたエレクトレット絶縁層１４ｘを備え、振動層絶縁層１５ｘとエレクトレット絶縁層１４ｘとは巨視的には直接接触している。同様に、第１の比較例に係る受信用超音波プローブは、振動層（１５ｑ、１５ｙ）と、振動層（１５ｑ、１５ｙ）の振動面に対向したエレクトレット層１３ｒと、エレクトレット層１３ｒの第２主面に接した背面電極１７ｒと、エレクトレット層１３ｒの第１主面に接合されたエレクトレット絶縁層１４ｙが設けられ、振動層絶縁層１５ｙとエレクトレット絶縁層１４ｙとは巨視的には直接接触している。エレクトレット層１３ｓ，１３ｒとしては、図４に使用したエレクトレット層１３ｓ，１３ｒと同じ形状の材質のＰＺＴを用いている。
【００５５】
図６に示すように、送信用超音波プローブに送信用増幅回路１０２ｓを介してステップ電圧を入力して超音波を発生させ、シリコーンブロック７中を伝播した超音波を、受信用超音波プローブで受信して、受信用増幅回路１０２ｒで増幅して検出した結果を図７に示す。スペーサとしてのシリコーン粒子を使用しない場合でも、振動層絶縁層１５ｘ，１５ｙ及びエレクトレット絶縁層１４ｘ，１４ｙとしてのＦＥＰ樹脂層の厚さの公差は±１０％あるので、図３から理解できるように、振動層絶縁層１５ｘとエレクトレット絶縁層１４ｘとの間、及び振動層絶縁層１５ｙとエレクトレット絶縁層１４ｙとの間には、微視的にはマイクロギャップが形成されている。
【００５６】
スペーサとしてのシリコーン粒子を使用しないのに加え、振動層絶縁層及びエレクトレット絶縁層を使用しない第２の比較例に係る超音波プローブ（圧電プローブ）の構造を図８に示す。図８に示すように、第２の比較例に係る送信用圧電プローブ（送信用超音波プローブ）は、振動電極１５ｐと、振動電極１５ｐの振動面に対向したエレクトレット層１３ｓと、エレクトレット層１３ｓの第２主面に接した背面電極１７ｓとを備えている。同様に、第２の比較例に係る受信用圧電プローブ（受信用超音波プローブ）は、振動電極１５ｑと、振動電極１５ｑの振動面に対向したエレクトレット層１３ｒと、エレクトレット層１３ｒの第２主面に接した背面電極１７ｒとを備えている。エレクトレット層１３ｓ，１３ｒとしては、図４及び図６に使用したエレクトレット層１３ｓ，１３ｒと同じ形状の材質のＰＺＴを用いている。図８に示すように、送信用圧電プローブ（送信用超音波プローブ）に送信用増幅回路１０２ｓを介してステップ電圧を入力して超音波を発生させ、シリコーンブロック７中を伝播した超音波を、受信用圧電プローブ（受信用超音波プローブ）で受信して、受信用増幅回路１０２ｒで増幅して検出した結果を図９に示す。
【００５７】
図５，図７のいずれの結果も、送信用超音波プローブからシリコーンブロック７を伝播してきた超音波と、シリコーンブロック７中を反射により１往復してきた超音波を受信している。シリコーン粒子を使用しない場合でも、振動層絶縁層１５ｘ及びエレクトレット絶縁層１４ｘとしてのＦＥＰ樹脂層には公差が±１０％もあるため、振動電極１５ｐ、振動層絶縁層１５ｘ、エレクトレット絶縁層１４ｘ、エレクトレット層１３ｓの各層間にマイクロギャップが形成されるはずである。しかし、図５，図７の結果を比較すれば明らかなように、図５のシリコーン粒子をスペーサ４１ｓ，４１ｒとして用いてマイクロギャップを形成することにより、超音波の送受信感度が大きく増加している。このことから、マイクロギャップの接触点数及び接触部の直径を小さくすることが感度に大きな影響を与えていることが分かる。
【００５８】
又、図４のエレクトレットプローブ（超音波プローブ）は、図８の圧電プローブと比較すると、測定感度に大きな差はないが、受信波形は入力したステップ電圧波形のように立ち上がりのみ鋭い波形となっており、共振もほとんど見られないことが分かる。
【００５９】
又、図１０は図４のエレクトレットプローブ（超音波プローブ）に正弦波信号（１波）を入力して送受信を行った結果である。図８の圧電プローブを用い、同様に正弦波信号により送受信した結果を図１１に示す。
【００６０】
図４のエレクトレットプローブ（超音波プローブ）は、広い周波数帯域で、入力信号に近い波形を送受信でき、その感度に大きな変化はない。しかし、図８の圧電プローブの場合、共振周波数付近の信号波形しか送受信できず、入力信号の周波数が共振周波数からずれるに従い、送受信感度も大きく低下する。このように、マイクロギャップを有するエレクトレットプローブ（超音波プローブ）により、広帯域で高い送受信感度をもった超音波プローブを得ることができる。
【００６１】
図５，図７，図９〜図１１に示す結果は、シリコーンブロック７を媒体としたものであるが、シリコーンブロック７は水や人体と音響インピーダンスが近いため、これらを媒体とした場合でも同じような性能を得ることができる。医療用超音波プローブによる診断手法の１つに、マイクロバブルを生体に注入し、血流などを造影する手法がある。この手法は、超音波が照射された際のマイクロバブルの共振、崩壊、消失により発生した超音波を受信する方法である。しかし、マイクロバブルのサイズは均一でないため、マイクロバブルにより発生する超音波の周波数はばらつきがある。共振型の圧電プローブは特定の周波数しか受信できないため、マイクロバブルにより発生する超音波の受信感度が低下する。第１の実施の形態に係る超音波プローブによれば、様々な周波数の超音波を送受信することが可能になり、マイクロバブルのサイズが不均一でも、圧電プローブより多くの超音波を受信することが可能となり、造影効果が増す。
【００６２】
−ギャップ幅１０分の１の根拠−
振動電極１５ｂの中心線平均粗さＲａとギャップ幅Ｗｇの比率がエレクトレットの電荷保持特性に及ぼす影響を調べた実験結果を説明する。
【００６３】
まず、図１２に示すように、厚さ１２．５μｍのコロナ放電によりテトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重含体（ＰＦＡ）フィルム表面に負電荷をチャージしてエレクトレット層１３とした。このとき、ＰＦＡフィルムの表面電位は、−１ｋＶであった。そして、エレクトレット層１３をアルミニウムからなる背面電極１７の上にのせ、その上に幅１ｍｍのスリットを設けた厚さ１２．５μｍのＰＦＡフィルム６５を積層し、更にその上に厚さ５０μｍのアルミニウムからなる振動電極１５ｂをのせた。このとき、上下の振動電極１５ｂ及び背面電極１７がコンデンサを構成し、幅１ｍｍのスリットにより形成された空気ギャップ中にはエレクトレット層１３によって電界が生じ、上部の振動電極１５ｂが引き付けられて撓む。この状態で２４時間保持した後、レーザー変位計により振動電極１５ｂの撓みを測定した。
【００６４】
測定結果を図１３に示す。Ｘは水平方向の距離（スリット左端部でｘ＝０）、ｙは垂直方向の距離（スリット左端部でｙ＝０）である。図１３に示すように、振動電極１５ｂの最大撓みは、１．２３μｍであった。その後、振動電極１５ｂを取り除き、エレクトレット層１３の表面電位を測定したところ、−７５０Ｖに増加していた（表面電位の大きさが減少していた）。これは、振動電極１５ｂの中心線平均粗さＲａ（この場合、振動電極１５ｂの最大撓みに相当する）が大きすぎて電界集中が生じたため、放電によりエレクトレット層１３の分極量が減少し、その表面電位の大きさが小さくなったためである。そして、再び振動電極１５ｂをのせ、１週間保持したが、これ以上の表面電位の変化は認められなかった。したがって、この条件では、電界集中による表面電位の変化は生じないことになるが、このとき振動電極１５ｂの中心線平均粗さＲａ（図１２に示す実験では振動電極１５ｂの最大撓み１．２３μｍに相当する）は振動電極１５ｂの下面とエレクトレット層１３の上面との間で定義されるギャップ幅（スリットの高さ１２．５μｍ）の１０分の１程度である。このことから、振動電極１５ｂの中心線平均粗さＲａを振動電極１５ｂの下面とエレクトレット層１３の上面との間で定義されるギャップ幅の１０分の１以下に抑える必要があることが分かる。
【００６５】
又、図１２に示す実験は空気ギャップで行っているが、ギャップに絶縁フィルムなどを積層して構成する場合には、ギャップを構成している材質の誘電率が高いとギャップ中で電界集中を引き起こす可能性があることに注意すべきである。特に、マイクロギャップを形成している突起により、エレクトレット層１３や振動電極１５ｂの面方向（電界に大して垂直方向）に誘電率が変化するため、電界がマイクロギャプより突起部分に集中しやすくなる。これを防ぐためには、突起の誘電率を低くすればよい。具体的には、突起の比誘電率は１０以下にすべきで、３以下が望ましい。
【００６６】
分極量が非常に大きい（０．１Ｃ／ｍ２以上）強誘電体セラミックスをエレクトレット層１３として使用する場合は、高分子からなるエレクトレット層１３と比較して、同じように電界集中による放電が発生しても、分極量が低下する速度が小さい。したがって、ニオブ酸リチウム単結晶のような単結晶の強誘電体セラミックスをエレクトレット層１３に使用する場合、振動電極１５ｂの中心線平均粗さＲａを振動電極１５ｂの下面とエレクトレット層１３の上面との間で定義されるギャップ幅の１０分の１以上にできる。しかし、一方で強誘電体として多結晶セラミックスをエレクトレット層１３に用いる場合、強誘電体そのものの絶縁特性（体積抵抗）が劣るので、強誘電体内部を流れる漏れ電流により、分極量が低下していく。そのため、多結晶の強誘電体セラミックスをエレクトレット層１３として使用する場合は、高分子エレクトレット層１３と同じく、振動電極１５ｂの中心線平均粗さＲａを振動電極１５ｂの下面とエレクトレット層１３の上面との間で定義されるギャップ幅の１０分の１以下に抑える必要がある。
【００６７】
又、図１２に示す実験では、空気ギャップの電界の平均強度は、約６０ＭＶ／ｍであるが、この電界強度を下げれば、電界集中による放電を防ぐことができる。しかし、一方で電界強度を下げると、マイクロフォンとしての感度を維持するためには振動電極１５ｂの振幅を大きくする必要があり、周波数及び音圧の帯域が狭まることになる。又、電界強度を下げると送信出力の低下にもつながる。本発明の第１の実施の形態に係る機械電気変換素子は、マイクロギャップを利用することにより、ギャップ中の電界強度を高くすることが特徴であるため、電界強度を下げることにより電界集中による放電を防ぐことは避けるべきである。したがって、振動電極１５ｂの中心線平均粗さＲａを振動電極１５ｂの下面とエレクトレット層１３の上面との間で定義されるギャップ幅の１０分の１以下に抑えることにより、電界集中による放電を防ぐ必要がある。
【００６８】
＜超音波プローブの製造方法＞
図１４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（超音波プローブ）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（超音波プローブ）の製造方法は、一例であり、特許請求の範囲に記載した趣旨の範囲内であれば、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：
（イ）まず、振動電極絶縁フィルム１５ａとしてのＰＥＴフィルムに、振動電極１５ｂとしてのＡｌを蒸着して、振動層１５を構成する。この振動層１５としてのＡｌ蒸着したＰＥＴフィルムに、スペーサリング８４として、図１４（ａ）に示すように、ＰＥＴフィルムのワッシャをのせる。スペーサリング８４の厚さはスペーサ４１となるシリコーン粒子より若干大きくする。スペーサリング８４としてのＰＥＴワッシャは、後述する図１４（ｅ）に示す段階で、ケース８１に組み込む際にマイクロギャップ部にエレクトレット層１３の静電力以外の静的な応力が加わらないようにするためのものであるが、ＰＥＴワッシャの厚さをスペーサ４１としてのシリコーン粒子より大きくして、振動電極絶縁フィルム１５ａを支持することで、エレクトレット層１３の静電力によりシリコーン粒子に加わる圧力を少なくすることもでき、それによりマイクロギャップ部の接触剛性を低下できる。この場合、ＰＥＴワッシャにより支えられた振動電極絶縁フィルム１５ａ全体の撓みは大きくなるが、振動電極絶縁フィルム１５ａがスペーサ４１としてのシリコーン粒子に接触していれば、シリコーン粒子間のＲａは、ギャップ幅の１０分１以下とすることができる。
【００６９】
（ロ）次に、スペーサ４１となるシリコーン粒子を、分散剤により溶媒５５中にコロイド状に分散させる。そして、図１４（ｂ）に示すように、溶媒５５を振動層１５を構成するＰＥＴフィルム上に滴下し、乾燥させ、スペーサ４１としてのシリコーン粒子を塗布する。なお、図１４（ｂ）に示す方法とは異なり、振動層１５を構成するＦＥＰフィルムにあらかじめ表面処理を行い、微小突起（スペーサ４１）を形成させておく方法でも構わない。
【００７０】
（ハ）そして、図１４（ｃ）に示すように、スペーサリング８４及びスペーサ４１の上にエレクトレット絶縁層１４ｅとしてのＰＥＴフィルムをのせる。振動電極絶縁フィルム１５ａとエレクトレット絶縁層１４ｅとの間にマイクロギャップが定義され、振動電極絶縁フィルム１５ａ、スペーサ４１及びエレクトレット絶縁層１４ｅの全体の厚さが巨視的なギャップ幅Ｗgとなる）。
【００７１】
（ニ）これとは別に、図１４（ｄ）に示すように、背面電極１７を有するエレクトレット層１３を用意しておく。背面電極１７とエレクトレット層１３とは、金属学的に接合していてもよく、接着剤等により接着されていてもよく、或いは、機械的な圧力で単に接している状態でもよい。例えば、増幅回路１９を実装した基板に背面電極１７としての銅電極を設置し、背面電極１７の上にエレクトレット層１３としてＦＥＰフィルムをのせ、コロナ放電によりＦＥＰフィルム帯電させる。
【００７２】
（ホ）そして、背面電極１７を有するエレクトレット層１３と、振動層１５の上に、スペーサリング８４及びスペーサ４１を介してエレクトレット絶縁層１４ｅを搭載した構造物を、図１４（ｅ）に示すように、ケース８１に組み込む。なお、エレクトレット層１３として強誘電体を用いる場合、例えばＰＺＴを用いる場合は、帯電していないが、分極方向が揃っているＰＺＴを上記の手順でエレクトレット層１３としてケース８１の内部に組み込み、組み立て終了後に、キュリー点直下に加熱して数秒〜数分保持し、常温に冷却すれば、ＰＺＴの表面電荷が除去され、エレクトレット層１３となる。キュリー点温度がハンダリフロー温度より高く、この超音波プローブを含む実装構造（製品）のリフロー処理をする場合、リフロー処理によりＰＺＴはエレクトレット層１３化する。
【００７３】
本発明の第１の実施の形態に係る超音波プローブによれば、従来の超音波プローブより空中の送受信感度が高いので、距離測定などでの精度向上を期待できるが、更に、周波数変調を用いれば更に、精度の高い送受信が可能となる。具体的には、送信時に周波数を変化させることにより特定の信号パターンを送信する。すると、受信時に送信した信号パターンを抽出すればよいが、これをノイズでは生じないパターンとしておけば、ノイズが高い環境においてもノイズに埋もれた受信波形を識別することが可能となる。これは、広い周波数帯域を送受信できる本発明の超音波プローブならではの手法となる。更に広い周波数帯域を送受信できれば、図４のような立ち上がりだけが鋭い信号波形の送受信も可能となるが、複数の反射波が重なって受信される場合にそれらを区別しやすくなる。
【００７４】
（第２の実施の形態）
図１５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電極１５ｂを備える振動層１５と、振動層１５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、分極方向を揃えたエレクトレット層１３と、エレクトレット層１３の第２主面に接した背面電極１７と、振動層１５と背面電極１７との間に接続された増幅手段（１９、９）とを備えるハイドロフォンである。第１の実施の形態で説明したとおり、背面電極１７とエレクトレット層１３とは、金属学的に接合していてもよく、接着剤等により接着されていてもよく、或いは、機械的な圧力で単に接している状態でもよい。振動層１５は、図１３に示すように、振動電極１５ｂと振動電極１５ｂの下面の振動電極絶縁フィルム１５ａを備える。エレクトレット層１３の上面にはエレクトレット絶縁層１４ｅが設けられ、振動電極絶縁フィルム１５ａとエレクトレット絶縁層１４ｅとの間は、粒径が１０ｎｍ〜１００μｍの絶縁体の微粒子からなるスペーサ４１が挿入され、振動電極絶縁フィルム１５ａとエレクトレット絶縁層１４ｅとの間に定義される「マイクロギャップ」の間隔を制御している。図１５に示すように、円板状のエレクトレット層１３の下には、円筒状の絶縁体からなるホルダ８９が設けられ、エレクトレット層１３の周辺部を支持している。振動層１５、エレクトレット層１３、背面電極１７と、増幅手段（１９、９）の一部、及びホルダ８９は、導電性（金属製）のケース８１に収納されてハイドロフォンを構成している。
【００７５】
第１の実施の形態に係る超音波プローブとは異なり、第２の実施の形態に係るハイドロフォンにおいては、振動電極絶縁フィルム１５ａとエレクトレット絶縁層１４ｅとの間には、スペーサ４１のみが配置され、図１のようなスペーサリング８４が挿入されていない。一方、第２の実施の形態に係るハイドロフォンにおいては、図１６（ｂ）に示すように、振動電極１５ｂの上に整合層１６としてシリコーン層が塗布する。整合層１６は、媒体との音響インピーダンスの整合性を高める機能の他、振動電極１５ｂの保護層としての役割もある。
【００７６】
増幅手段（１９、９）は、背面電極１７に接続されたアンプ（ＦＥＴ）１９と、増幅回路１９に接続された外付け回路（図示省略。）を備えるが、これらの増幅回路１９や外付け回路は、背面電極１７の下面側において樹脂層２２で埋められている。更に、ケース８１は、ねじ切りキャップ１０にねじ込まれている。ねじ切りキャップ１０によって、振動電極１５ｂ、振動電極絶縁フィルム１５ａ、スペーサ４１、エレクトレット絶縁層１４ｅ及びエレクトレット層１３がケース８１の上方に押し付けられ、この押し付け力により高い水圧にも耐えられるようになる。他は、第１の実施の形態に係る超音波プローブと実質的に同様であるので、重複した説明を省略する。
【００７７】
例えば、図１５に示した構造において、エレクトレット層１３の表面電位を−４．５ｋＶ、振動電極１５ｂとしてのＡｌ層の厚さを２０μｍ、振動電極絶縁フィルム１５ａ及びエレクトレット絶縁層１４ｅとしてのＰＥＴ層の厚さをそれぞれ１０μｍ、スペーサ４１としてのシリコーン粒子を直径２μｍのＰＴＦＥ粒子とし、粒子の平均間隔を６０μｍとすれば、マイクロギャップの電界は約１５０ＭＶ／ｍ（絶縁破壊強度１８０ＭＶ／ｍ以上）となる。  第２の実施の形態に係るハイドロフォンの受信感度は２０Ｈｚ〜１ＭＨｚにおいて−８０ｄＢ以上である。又、ＰＥＴ層からなる振動電極絶縁フィルム１５ａとエレクトレット絶縁層１４ｅとの間が接触するには２．５  ＭＰａ以上の静水圧（水深２５００ｍ相当）が必要となり、水深１０００ｍまで感度の低下が６ｄＢ以下での使用が可能である。
【００７８】
従来の圧電型ハイドロフォンは水深１０００ｍまで使用可能なタイプは感度が−１７４ｄＢが最高であり、第２の実施の形態に係るハイドロフォンによれば、従来の圧電型ハイドロフォンを大幅に上回る感度を得ることができる。
【００７９】
＜ハイドロフォンの製造方法＞
図１６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（ハイドロフォン）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（ハイドロフォン）の製造方法は、一例であり、特許請求の範囲に記載した趣旨の範囲内であれば、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：
（イ）まず、第１の実施の形態に係る超音波プローブの製造方法と同様に、振動電極絶縁フィルム１５ａとしてのＰＥＴフィルムに、振動電極１５ｂとしてのＡｌを蒸着して、振動層１５を構成する。この振動層１５としてのＡｌ蒸着したＰＥＴフィルムの上に、シリコーン粒子を、コロイド状に分散した溶媒５５を滴下し、乾燥させ、スペーサ４１としてのシリコーン粒子を振動電極絶縁フィルム１５ａの上に塗布する。なお、振動電極絶縁フィルム１５ａとしてのＦＥＰフィルムにあらかじめ表面処理を行い、微小突起（スペーサ４１）を形成させておく方法でも構わない。図１４（ａ）に示す第１の実施の形態に係る超音波プローブの製造方法とは異なり、スペーサリング８４としてのＰＥＴフィルムのワッシャは用いない。そして、図１６（ａ）に示すように、スペーサ４１の上にエレクトレット絶縁層１４ｅとしてのＰＥＴフィルムをのせる。振動電極絶縁フィルム１５ａとエレクトレット絶縁層１４ｅとの間にマイクロギャップが定義され、振動電極絶縁フィルム１５ａ、スペーサ４１及びエレクトレット絶縁層１４ｅの全体の厚さが巨視的なギャップ幅Ｗgとなる）。
【００８０】
（ロ）これとは別に、図１６（ａ）に示すように、背面電極１７を有するエレクトレット層１３を用意しておく。第１の実施の形態に係る超音波プローブの製造方法と同様に、背面電極１７とエレクトレット層１３とは、金属学的に接合していてもよく、接着剤等により接着されていてもよく、或いは、機械的な圧力で単に接している状態でもよい。例えば、増幅回路１９を実装した基板に背面電極１７としての銅電極を設置し、背面電極１７の上にエレクトレット層１３としてＦＥＰフィルムをのせ、コロナ放電によりＦＥＰフィルム帯電させる。
【００８１】
（ホ）そして、背面電極１７を有するエレクトレット層１３と、振動層１５の上にスペーサ４１を介してエレクトレット絶縁層１４ｅを搭載した構造物を積層して、図１６（ｂ）に示すようにケース８１内に組み込む際。ケース８１内に組み込む際に、背面電極１７及びエレクトレット層１３の下面側を樹脂層２２で埋める。更に、ねじ切りキャップ１０により、振動電極１５ｂ、振動電極絶縁フィルム１５ａ、スペーサ４１、エレクトレット絶縁層１４ｅ及びエレクトレット層１３がケース８１の上方に押し付けられる。更に、振動電極１５ｂの上に整合層１６としてシリコーン層を塗布する。なお、エレクトレット層１３として強誘電体を用いる場合、例えばＰＺＴを用いる場合は、帯電していないが、分極方向が揃っているＰＺＴを上記の手順でエレクトレット層１３としてケース８１の内部に組み込み、組み立て終了後に、キュリー点直下に加熱して数秒〜数分保持し、常温に冷却すれば、ＰＺＴの表面電荷が除去され、エレクトレット層１３となる。
【００８２】
（第３の実施の形態）
図１７に示すように、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電極１５ｂを備える振動層１５と、振動層１５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、分極方向を揃えたエレクトレット層１３と、エレクトレット層１３の第２主面に接した背面電極１７と、振動層１５と背面電極１７との間に接続された増幅手段（１９、９）とを備える超音波センサである。第１及び第２の実施の形態と同様に、背面電極１７とエレクトレット層１３とは、金属学的に接合していてもよく、接着剤等により接着されていてもよく、或いは、機械的な圧力で単に接している状態でもよい。平面図や鳥瞰図の図示を省略しているが、図１７に示す超音波センサの振動層１５、エレクトレット層１３及び背面電極１７は、例えば、それぞれ半径３〜４０ｍｍの円板形状を採用することが可能である。振動層１５は、図１７に示すように、振動電極１５ｂと振動電極１５ｂの下面の振動電極絶縁フィルム１５ａを備える。第１及び第２の実施の形態と同様に、必要に応じて振動電極１５ｂの上面に整合層を設けて、媒体との音響インピーダンスの整合性を高めるようにしてもよい。振動層１５は、音響を受けることにより振動する。エレクトレット層１３は、電荷を帯び、電界を外部に放出している層であり、例えば、コロナ放電により高分子フィルムを帯電させたり、強誘電体を加熱して表面電荷を除去して製造する。エレクトレット層１３の上面にはエレクトレット絶縁層１４ｅが設けられている点は、第１の実施の形態に係る機械電気変換素子と同様であるが、振動電極絶縁フィルム１５ａとエレクトレット絶縁層１４ｅとの間は、直径０．０５〜１ｍｍの孔を多数あけたスペーサ層８が挿入され、振動電極絶縁フィルム１５ａとエレクトレット絶縁層１４ｅとの間に定義される「マイクロギャップ」の間隔を制御している。円板状のエレクトレット層１３の下には、円筒状の絶縁体からなるホルダ８９が設けられ、エレクトレット層１３の周辺部を支持している。振動層１５、エレクトレット層１３、背面電極１７と、増幅手段（１９、９）の一部、及びホルダ８９は、導電性（金属製）のケース８１に収納されて超音波センサを構成している。増幅手段（１９、９）は、背面電極１７に接続されたアンプ（ＦＥＴ）１９と、アンプ（ＦＥＴ）１９に接続された外付け回路９を備え、背面電極１７と振動層１５間の電位をアンプ（ＦＥＴ）１９で増幅することにより、振動層１５の振動面の変位に伴い、エレクトレット層１３に誘導される電荷を測定している。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。
【００８３】
本発明の第３の実施の形態に係る機械電気変換素子（超音波センサ）においては、直径０．０５〜１ｍｍの孔を多数あけたスペーサ層８を、振動電極絶縁フィルム１５ａとエレクトレット絶縁層１４ｅとの間に挿入しているのでは、マイクロギャップ部での接触点の変形による振動はほとんど期待できず、打ち抜き加工をした孔の上部での撓みによる振動のみとなるため、電界強度を大きくすることができず送信には不向きとなる。しかし、受信のみであれば十分な感度が得られる。例えば、上記の条件で、エレクトレット層１３の表面電位が１ｋＶの場合、感度は−４５ｄＢとなる。
【００８４】
＜超音波センサの製造方法＞
図１８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（超音波センサ）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（超音波センサ）の製造方法は、一例であり、特許請求の範囲に記載した趣旨の範囲内であれば、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：
（イ）まず、振動電極絶縁フィルム１５ａとして、厚さ４０μｍのＰＥＴフィルムに、振動電極１５ｂとしてのＡｌを蒸着して、振動層１５を構成する。一方、厚さ１０μｍのＰＥＴフィルムにエッチング、プレス、レーザーのいずれかの打ち抜き加工により直径５０〜７００μｍの孔を多数あけて、スペーサ層８を形成する。このスペーサ層８を、図１８（ａ）に示ように、振動層１５としてのＡｌ蒸着したＰＥＴフィルムの上に積層する。
【００８５】
（ロ）これとは別に、図１８（ｂ）に示すように、背面電極１７を有するエレクトレット層１３を用意しておく。第１及び第２の実施の形態と同様に、背面電極１７とエレクトレット層１３とは、金属学的に接合していてもよく、接着剤等により接着されていてもよく、或いは、機械的な圧力で単に接している状態でもよい。例えば、増幅回路１９を実装した基板に背面電極１７としての銅電極を設置し、背面電極１７の上にエレクトレット層１３としてＦＥＰフィルムをのせ、コロナ放電によりＦＥＰフィルム帯電させる。
【００８６】
（ハ）そして、背面電極１７を有するエレクトレット層１３と、振動層１５の上に、スペーサ層８を介してエレクトレット絶縁層１４ｅを搭載した構造物を、図１８（ｃ）に示すように、ケース８１に組み込む。なお、エレクトレット層１３として強誘電体を用いる場合、例えばＰＺＴを用いる場合は、帯電していないが、分極方向が揃っているＰＺＴを上記の手順でエレクトレット層１３としてケース８１の内部に組み込み、組み立て終了後に、キュリー点直下に加熱して数秒〜数分保持し、常温に冷却すれば、ＰＺＴの表面電荷が除去され、エレクトレット層１３となる。キュリー点温度がハンダリフロー温度より高く、この超音波センサを含む実装構造（製品）のリフロー処理をする場合、リフロー処理によりＰＺＴはエレクトレット層１３化する。
【００８７】
上記のように、本発明の第３の実施の形態に係る機械電気変換素子（超音波センサ）の製造方法は、製造方法が簡単なため、製造コストの低減が可能である。
【００８８】
（第４の実施の形態）
図１９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を備える振動層（４８、４７）と、振動層（４８、４７）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、分極方向を揃えたエレクトレット層１３と、エレクトレット層１３の第２主面に接した背面電極となる金属薄膜層及びこの金属薄膜層に接続された増幅手段となる集積回路と備えた半導体集積回路４３と、半導体集積回路４３を表面に集積化した半導体基板４２とを備えるＭＥＭＳマイクロフォンである。
【００８９】
振動層（４８、４７）は、図１９に示すように、振動電極４８と振動電極４８の下面の振動層絶縁層４７を備える。エレクトレット層１３は、半導体集積回路４３の上に設けられた層間絶縁膜及びパッシベーション膜としてのシリコン酸化膜である。コロナ放電により、このシリコン酸化膜を帯電させてエレクトレット層１３にしている。第１〜第３の実施の形態と同様に、半導体集積回路４３中に設けられた背面電極となる金属薄膜層とエレクトレット層１３とは、金属学的に接合していてもよく、接着剤等により接着されていてもよく、或いは、機械的な圧力で単に接している状態でもよい。しかし、半導体集積回路の多層配線技術を鑑みれば、半導体集積回路４３中に設けられた背面電極となる金属薄膜層とエレクトレット層１３とは、容易に金属学的な接合構造が実現可能である。振動層絶縁層４７としてＰＥＴフィルムが用いられ、振動層絶縁層４７の表面には、インクジェットによりポリイミドなどの絶縁性に優れた高分子を印刷して突起４５を形成している。振動層絶縁層４７の表面に設けられた突起４５が振動層絶縁層４７とエレクトレット層１３との間に定義される「マイクロギャップ」の間隔を制御している。
【００９０】
振動電極４８とエレクトレット層１３の間が、巨視的な「ギャップ幅Ｗg」を定義している。振動電極４８はエレクトレット層１３の静電力により引き付けられて撓むが、撓んだ状態での振動電極４８のギャップ側の面の凹凸を中心線平均粗さＲａがギャップ幅の１０分の１以下になるように設計されている。
【００９１】
このため、第４の実施の形態に係るＭＥＭＳマイクロフォンは、特許文献１に記載されたマイクロフォンと感度は同等であるが、製造方法が簡単であり、より強い音圧に耐えられる。
【００９２】
（第５の実施の形態）
図２０に示すように、本発明の第５の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置は、振動電極１５ｂと、振動電極１５ｂとの間にエレメント空間を設けるように対向したエレクトレット層１３と、エレクトレット層１３の下面に接した背面電極１７と、エレメント空間の内部を上下方向に分離するように挿入され、エレメント空間の内部に、それぞれの間隔が１０ｎｍ〜４０μｍのマイクロギャップを複数積層するギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃと、振動電極１５ｂと背面電極１７との間に電気的に接続された増幅回路（半導体チップ）１９とを備える。振動層１５は、無負荷時において平坦な振動面を有する。
【００９３】
第５の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置においては、複数のマイクロギャップをそれぞれ定義する面のそれぞれの実効的な表面粗さが、エレメント空間のギャップ幅Ｗgの１／１０以下である。ここで、エレメント空間のギャップ幅Ｗgは、従来のエレクトレットマイクロフォンの場合、図２０において、振動電極絶縁フィルム１５ａ及び複数のギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…のすべてを省略した場合に相当するものであり、エレクトレット層１３と振動電極１５ｂとの間の距離に対応する。したがって、第５の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置においては、振動層１５の振動面に設けられた第１層のギャップ絶縁層１４ａ，第２層のギャップ絶縁層１４ｂ及び第３層のギャップ絶縁層１４ｃの積層構造で、エレメント空間のギャップ幅Ｗgが定義される。高分子フィルムは、このエレメント空間を介して振動電極１５ｂに対向する平坦な第１主面及びこの第１主面に平行に対向する第２主面で定義されるフィルムであるが、分極方向が揃えられている。
【００９４】
本発明の第６〜第１３の実施の形態においても同様であるが、第５の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置にける「マイクロギャップを定義する面の実効的な表面粗さＲａeff」とは：
（イ）振動電極絶縁フィルム１５ａと第３層のギャップ絶縁層１４ｃとの間においていずれかの膜に設けられた凸部の中心線平均粗さＲａ又は振動電極絶縁フィルム１５ａと第３層のギャップ絶縁層１４ｃとの間に挿入された微粒子が凸部を構成しているとみなした場合（図２参照。）の中心線平均粗さＲａ（振動電極絶縁フィルム１５ａを省略した場合は、振動電極１５ｂと第３層のギャップ絶縁層１４ｃとの間においていずれかの膜に設けられた凸部の中心線平均粗さＲａ又は振動電極１５ｂと第３層のギャップ絶縁層１４ｃとの間に挿入された微粒子が凸部を構成しているとみなした場合の中心線平均粗さＲａ）、
（ロ）第３層のギャップ絶縁層１４ｃと第２層のギャップ絶縁層１４ｂとの間においていずれかの膜に設けられた凸部の中心線平均粗さＲａ又は第３層のギャップ絶縁層１４ｃと第２層のギャップ絶縁層１４ｂとの間に挿入された微粒子が凸部を構成しているとみなした場合の中心線平均粗さＲａ、
（ハ）第２層のギャップ絶縁層１４ｂと第１層のギャップ絶縁層１４ｂとの間においていずれかの膜に設けられた凸部の中心線平均粗さＲａ又は第２層のギャップ絶縁層１４ｂと第１層のギャップ絶縁層１４ｂとの間に挿入された微粒子が凸部を構成しているとみなした場合の中心線平均粗さＲａ、
（ニ）第１層のギャップ絶縁層１４ｂとエレクトレット絶縁フィルムとの間においていずれかの膜に設けられた凸部の中心線平均粗さＲａ又は第１層のギャップ絶縁層１４ｂとエレクトレット絶縁フィルムとの間に挿入された微粒子が凸部を構成しているとみなした場合の中心線平均粗さＲａ（エレクトレット絶縁フィルムを省略した場合は第１層のギャップ絶縁層１４ｂと高分子フィルムとの間においていずれかの膜に設けられた凸部の中心線平均粗さＲａ又は第１層のギャップ絶縁層１４ｂと高分子フィルムとの間に挿入された微粒子が凸部を構成しているとみなした場合の中心線平均粗さＲａ）、を意味する。
【００９５】
振動層１５、第１層のギャップ絶縁層１４ａ、第２層のギャップ絶縁層１４ｂ、第３層のギャップ絶縁層１４ｃの厚さは、０．１〜１００μｍ程度、好ましくは１〜４０μｍ程度、更に好ましくは１〜１２μｍ程度に設定すればよい。
【００９６】
高分子フィルムの厚さは、コロナ放電により製造されるエレクトレットの場合は１〜５０μｍ程度、好ましくは１〜２５μｍ程度、更に好ましくは５〜１２μｍ程度に設定すればよい。又、強誘電体のエレクトレットの場合は、１μｍ〜１０ｍｍ，好ましくは５μｍ〜２ｍｍ程度、更に好ましくは５０〜５００μｍ程度に設定すればよいが、柔軟性を期待する場合は厚さ６０μｍ以下が好ましい。
【００９７】
図２１に示すように、第１層のギャップ絶縁層１４ａと高分子フィルムとの間は、粒径が１０ｎｍ〜４０μｍの絶縁体の微粒子からなる第１スペーサ４１ａが挿入され、第１層のギャップ絶縁層１４ａと第２層のギャップ絶縁層１４ｂとの間は、粒径が１０ｎｍ〜４０μｍの絶縁体の微粒子からなる第２スペーサ４１ｂが挿入され、第２層のギャップ絶縁層１４ｂと第３層のギャップ絶縁層１４ｃとの間は、粒径が１０ｎｍ〜４０μｍの絶縁体の微粒子からなる第３スペーサ４１ｃが挿入され、振動電極１５ｂと第３層のギャップ絶縁層１４ｃとの間は、粒径が１０ｎｍ〜４０μｍの絶縁体の微粒子からなる第４スペーサ４１ｄが挿入され、振動電極１５ｂと高分子フィルムとの間に定義されるギャップの間隔を制御している。このように、振動電極絶縁フィルム１５ａと高分子フィルムとの間に、粒径が１０ｎｍ〜４０μｍの絶縁体の微粒子からなるスペーサ４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ，…を介して複数のギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…を積層して挿入することにより、振動電極絶縁フィルム１５ａと第３層のギャップ絶縁層１４ｃとの間、第３層のギャップ絶縁層１４ｃと第２層のギャップ絶縁層１４ｂとの間、第２層のギャップ絶縁層１４ｂと第１層のギャップ絶縁層１４ｂとの間、第１層のギャップ絶縁層１４ｂと高分子フィルムとの間に、それぞれ微視的な空気ギャップである「マイクロギャップ」を定義し、それぞれの間隔を制御している。背面電極１７と高分子フィルムとは、金属学的に接合していてもよく、接着剤等により接着されていてもよく、或いは、機械的な圧力で単に接している状態でもよい。スペーサ４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ，…となる微粒子の粒径を１００μｍ以下とすれば、それぞれのマイクロギャップを定義する面の実効的な表面粗さＲａeffを、振動電極１５ｂの下面と高分子フィルムの上面との間にマイクロギャップを収納するように定義されるエレメント空間のギャップ幅の１／１０以下にすることができる（実効的な表面粗さＲａeffには負荷時の撓みが含まれる。）。しかしながら、柔軟で形状の自由度が高いフィルム状機械電気変換装置を実現するためには、スペーサ４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ，…となる微粒子の粒径を１０ｎｍ〜１０μｍとすれば、全体の厚さがより薄くなるので好ましく、更に、１０ｎｍ〜５μｍの範囲で、より１０ｎｍに近い粒径が望ましいことは勿論である。
【００９８】
平面図や鳥瞰図による表現を省略しているが、図２０に示すフィルム状機械電気変換装置の振動層１５、複数のギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…、高分子フィルム、及び背面電極１７の平面形状は任意の形状が採用可能である。例えば、複数のギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…、高分子フィルムは、それぞれ半径３〜４０ｍｍの円板形状とすることが可能である。複数のギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…、高分子フィルムを、円板形状とした場合は、振動層１５及び背面電極１７は、この半径３〜４０ｍｍの円板形状から延長部を設けた楕円や蒲鉾型等の平面形状としてもよく、複数のギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…及び高分子フィルムの直径よりも更に大きな直径を有する円形形状としてもよい。一方、複数のギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…、高分子フィルムを、矩形とした場合は、振動層１５及び背面電極１７は、この半径３〜４０ｍｍの矩形から延長部を設けた矩形の平面形状等が種々の平面形状が採用可能となる。振動層１５は、図２０に示すように、導電体からなる振動電極１５ｂと振動電極１５ｂの下面の振動電極絶縁フィルム１５ａを備える。振動電極１５ｂ及び背面電極１７の厚さは、１０ｎｍ〜１００μｍ、好ましくは１０ｎｍ〜２０μｍ、更に好ましくは０．１〜１μｍ程度に設定すればよい。
【００９９】
振動層１５の上面には、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）等の絶縁層からなる振動層保護膜１６が設けられているが、振動層保護膜１６は、媒体との音響インピーダンスの整合性を高める整合層として機能しているので、その厚さは、１０〜１００μｍ程度の範囲で、特性に応じて変更して採用すればよい。
【０１００】
図２１に示すように、複数のギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…を積層してマイクロギャップ層の数を増すことにより、ダンピング特性だけでなく、送受信感度が向上する。これは、振動電極１５ｂの振幅はすべてのマイクロギャップ層での変形の総和となるためであり、ギャップ部を伝播する音響（超音波）が完全に減衰しない限り、マイクロギャップ層の数が多いほど、送受信感度は向上する。複数のギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…を積層することにより、変形量の増大によりカバーできるため、複数のギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…のそれぞれには、フッ素樹脂等の高弾性率の層が使用可能となる。フッ素樹脂としては、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重含体（ＰＦＡ）が代表的であるが、フッ素樹脂の他、ＰＥＴ樹脂（３ＧＰａ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂（４ＧＰａ）、ポリイミド樹脂（３〜７ＧＰａ）等が使用可能である。しかし、複数のギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…の積層数を増すためにギャップ全体の幅を広げることは、ギャップ中の電界強度の低下につながることに注意する必要がある。
【０１０１】
送信用フィルム状機械電気変換装置においては、増幅回路１９は入力された電気信号を増幅して、振動電極１５ｂと背面電極１７間に印加する。一方、受信用フィルム状機械電気変換装置においては、増幅回路１９は、振動電極１５ｂと背面電極１７間に、振動電極１５ｂの変位に伴い誘導される電荷を増幅して測定する。送信用フィルム状機械電気変換装置においては、振動層１５は、振動電極１５ｂと背面電極１７間に増幅回路１９を介して電気信号を入力することにより振動する。一方、受信用フィルム状機械電気変換装置においては、振動層１５は、外部から音響を受けることにより振動する。
【０１０２】
高分子フィルムは、電荷を帯び、電界を外部に放出している層であり、例えば、コロナ放電により高分子フィルムを帯電させたり、強誘電体を加熱して表面電荷を除去して製造する。図示を省略しているが、高分子フィルムの上面にはエレクトレット絶縁フィルムを設け、エレクトレット絶縁フィルムの上に第１スペーサ４１ａを配置するようにしてもよい。図２０に示すように、複数のギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…及び高分子フィルムは箱形の絶縁容器（１２ｂ，１２ｄ）の内部に収納され、振動層１５がこの絶縁容器（１２ｂ，１２ｄ）の蓋部をなし、背面電極１７がこの絶縁容器（１２ｂ，１２ｄ）の底板をなしている。更に、複数のギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…及び高分子フィルムが、絶縁容器（１２ｂ，１２ｄ）の内部に収納された構造が、増幅回路１９とともに、絶縁材料からなるスペーサフィルム１２ａを底板とする絶縁容器（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）に収納されている。振動層１５は、この絶縁容器（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）の蓋部をなしている。絶縁容器（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）の底部には、導電性（金属製）のシールド導電体膜１１ｂが設けられ、シールド導電体膜１１ｂの底部には、シールド導電体保護膜１１ａが設けられている。シールド導電体保護膜１１ａとシールド導電体膜１１ｂとでシールド板１１を構成している。スペーサフィルム１２ａ及びシールド導電体保護膜１１ａの厚さは、５〜１５０μｍ程度、好ましくは５０〜１００μｍ程度の値に設定可能である。
【０１０３】
例えば、高分子フィルム、ギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，及び振動電極絶縁フィルム１５ａをＰＦＡフィルムとするときは、それぞれの厚さ１０μｍ程度とすることが可能であり、振動電極１５ｂ及び背面電極１７をＡｌフィルムとするときは、その厚さを１０μｍ程度とすることが可能である。又、振動層保護膜１６をＰＶＣフィルムとするときは、その厚さを５０μｍ程度、スペーサフィルム１２ａ及びシールド導電体保護膜１１ａをＰＶＣフィルムとするときは、スペーサフィルム１２ａ及びシールド導電体保護膜１１ａのそれぞれの厚さを１００μｍ程度に設定可能である。図２０において、箱型の絶縁容器（１２ａ，１２ｂ，１２ｄ，１２ｅ）の側板として機能する側壁フィルム１２ｂ、１２ｄの厚さは、高分子フィルムの厚さ及びギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…の枚数やそれぞれの厚さを考慮して設計すればよいが、絶縁容器（１２ａ，１２ｂ，１２ｄ，１２ｅ）をフレキシブルにするためには、ほぼ１００μｍ程度の厚さが好ましい。
【０１０４】
無負荷時には、高分子フィルムの第１主面は、振動層１５の振動面に平行に対向している。ここで、増幅手段は、背面電極１７に接続されたアンプ（ＦＥＴ）を集積化した増幅回路１９と、増幅回路１９に接続された外付け回路（図示省略）を備える。図２０は受信用フィルム状機械電気変換装置を示すが、受信用フィルム状機械電気変換装置においては、外付け回路は、一方の端子を接地した直流電源Ｅと、この直流電源Ｅと増幅回路１９との間に接続されたバッファ抵抗Ｒと、バッファ抵抗Ｒと増幅回路１９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。増幅回路１９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。第５の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置の増幅回路１９は、背面電極１７と振動層１５間の電位を増幅回路１９で増幅することにより、振動層１５の振動面の変位に伴い、高分子フィルムに誘導される電荷を測定している。一方、送信用フィルム状機械電気変換装置においては、外付け回路は、一方の端子を接地した直流電源Ｅと、この直流電源Ｅと増幅回路１９との間に接続されたバッファ抵抗Ｒと、バッファ抵抗Ｒと増幅回路１９との接続ノードに一方の電極を接続し、他方の電極を入力端子とする結合容量Ｃを備える。増幅回路１９の入力端子となる結合容量Ｃの入力端子には、外部回路（図示省略）が接続され、外部回路から入力信号が入力され、背面電極１７と振動層１５間に増幅回路１９で増幅した入力信号を印加する。
【０１０５】
振動電極１５ｂと高分子フィルムの間が、巨視的な「エレメント空間のギャップ幅Ｗg」を定義している。Ｗgは０．１〜１０００μｍの範囲内である。振動電極絶縁フィルム１５ａと第３層のギャップ絶縁層１４ｃとの間（振動電極絶縁フィルム１５ａを省略した場合は、振動電極１５ｂと第３層のギャップ絶縁層１４ｃとの間）、第３層のギャップ絶縁層１４ｃと第２層のギャップ絶縁層１４ｂとの間、第２層のギャップ絶縁層１４ｂと第１層のギャップ絶縁層１４ｂとの間、第１層のギャップ絶縁層１４ｂとエレクトレット絶縁フィルムとの間（エレクトレット絶縁フィルムを省略した場合は第１層のギャップ絶縁層１４ｂと高分子フィルムとの間）の間にそれぞれ定義される微視的な空気ギャップであるマイクロギャップとは、ギャップ幅が１０ｎｍ〜４０μｍでギャップ中の空気の絶縁破壊強度が５〜２００ＭＶ／ｍと巨視的なギャップ中よりも向上しているギャップである。巨視的なエレメント空間のギャップ幅Ｗgの場合、空気の絶縁破壊強度は３ＭＶ／ｍ程度である。但し、巨視的なエレメント空間のギャップ幅Ｗg中は空気以外にフッ素系ガスなどの絶縁ガスを注入すること、或いは真空にすることにより更に絶縁破壊強度を向上できる。
【０１０６】
振動電極１５ｂは高分子フィルムの静電力により引き付けられて撓むが、これがマイクロギャップの絶縁破壊強度を低下させる。上記のような高い絶縁破壊強度を得るためには、マイクロギャップを定義する面の実効的な表面粗さＲａeffは、図１２及び１３を用いて説明したとおり、エレメント空間のギャップ幅の１０分の１以下でなければならない。
【０１０７】
振動層１５は、振動電極絶縁フィルム１５ａ若しくは振動電極１５ｂの撓みがエレメント空間のギャップ幅Ｗgの１０分の１以下であり、振動電極１５ｂが導電性に優れ、振動電極絶縁フィルム１５ａが電気絶縁性に優れていれば、どのような材料を使用してもかまわない。振動層１５は、剛性が高い必要があるが、高い周波数に追随できるために軽量である方が好ましい。そのため、振動層１５の振動電極１５ｂ、振動電極１５ｂの下面の振動電極絶縁フィルム１５ａ、振動電極１５ｂの上面の整合層（図２０では図示を省略した。）のいずれかに比剛性（＝（弾性率）／密度）の値が大きい材料の方を用いることが好ましい。このため、振動層１５としては、アルミニウム（Ａｌ）とその合金、又は、マグネシウム（Ｍｇ）とその合金を振動電極１５ｂとして用い、振動電極絶縁フィルム１５ａとしてＦＥＰ層を貼り付けたものが採用可能である。或いは、ＰＥＴ、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等を振動電極絶縁フィルム１５ａとして用い、この振動電極絶縁フィルム１５ａ上にアルミニウムを蒸着して振動電極１５ｂとしてもよい。或いは、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素セラミックス等を振動電極絶縁フィルム１５ａとして用い、この振動電極絶縁フィルム１５ａ上にアルミニウムを蒸着又は、銀を焼付して振動電極１５ｂとしてもよい。その他にも、従来のエレクトレットマイクロフォンの絶縁層に使用しているＦＥＰ樹脂やシリカ層を有するシリコン基板などを振動電極絶縁フィルム１５ａに用いることも可能であるが、この場合、撓みがエレメント空間のギャップ幅の１０分の１以下となるように厚さを増すことが必要であり、従来のエレクトレットマイクロフォンの設計思想とは大きく異なる。又、その他の絶縁性に優れた樹脂（シリコーン系樹脂、フッ素系樹脂、ポリエチレン系樹脂、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリスチレン、ウレタン、ＡＢＳ、軟質塩化ビニルなど）等を振動電極絶縁フィルム１５ａとして用い、この振動電極絶縁フィルム１５ａ上に、接着、蒸着、焼付により振動電極１５ｂを取り付け、振動層１５とすることも可能である。この場合、振動電極１５ｂか振動電極絶縁フィルム１５ａの厚さを増して、振動層１５に必要な剛性を確保する。
【０１０８】
スペーサ４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ，…は、電気絶縁性に優れた材料を使用する必要がある。具体的には、シリカ、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素などのセラミックス、シリコーン系樹脂、フッ素系樹脂、ポリエチレン系樹脂（ＰＥＴなどを含む）、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリスチレン、ウレタン、ＡＢＳ、軟質塩化ビニルなどの樹脂が使用可能である。又、スペーサ４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ，…は、弾性率が２ＧＰａ以下の材料を使用する。但し、振動層１５側に振動電極絶縁フィルム１５ａがあり、その振動電極絶縁フィルム１５ａの弾性率が２ＧＰａ以下である場合は、スペーサ４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ，…の弾性率に制限はない。電気絶縁性に優れ弾性率が２ＧＰａ以下の材料には、具体的には、シリコーン系樹脂、フッ素系樹脂、ポリエチレン系樹脂、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリスチレン、ウレタン、ＡＢＳ、軟質塩化ビニルなどの樹脂がある。
【０１０９】
スペーサ４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ，…は、図２１に示すような、粒径が１０ｎｍ〜４０μｍの微粒子の他、図２に示すように第３層のギャップ絶縁層１４ｃの上面に高さ１０ｎｍ〜４０μｍの微小突起としてスペーサ４１を設けてもよい。スペーサ４１は、パルスレーザー照射、リソグラフィー、エッチング、プレス等の手法で、第３層のギャップ絶縁層１４ｃの上面形成させることが可能である。或いは、振動電極絶縁フィルム１５ａの下面、若しくは振動電極絶縁フィルム１５ａを省略した場合は、振動電極１５ｂの下面に高さ１０ｎｍ〜４０μｍの微小突起を設けてもよい。同様に、粒径が１０ｎｍ〜４０μｍの絶縁体の微粒子からなるスペーサ４１ｄの代わりに、第３層のギャップ絶縁層１４ｃの下面に、高さ１０ｎｍ〜４０μｍの微小突起を設けてもよい。更に、粒径が１０ｎｍ〜４０μｍの絶縁体の微粒子からなるスペーサ４１ｂ，４１ｃの代わりに、第２層のギャップ絶縁層１４ｂの下面又は上面の少なくとも一方に、高さ１０ｎｍ〜４０μｍの微小突起を設けてもよく、粒径が１０ｎｍ〜４０μｍの絶縁体の微粒子からなるスペーサ４１ａ，４１ｂの代わりに、第１層のギャップ絶縁層１４ｂの下面又は上面の少なくとも一方に、高さ１０ｎｍ〜４０μｍの微小突起を設けてもよい。更に、エレクトレット絶縁フィルムを高分子フィルムの上面に有する場合はエレクトレット絶縁フィルムの上面、エレクトレット絶縁フィルムを省略した場合は高分子フィルム上面に、高さ１０ｎｍ〜４０μｍの微小突起を設けてもよい。柔軟で形状の自由度が高いフィルム状機械電気変換装置を実現するためには、微小突起の高さは、１０ｎｍ〜１０μｍとすれば全体の厚さがより薄くなるので好ましく、更に好ましくは、１０ｎｍ〜５μｍの範囲でより１０ｎｍに近い高さが好ましい。
【０１１０】
粒子や突起は、振動電極絶縁フィルム１５ａと第３層のギャップ絶縁層１４ｃとの間（振動電極絶縁フィルム１５ａを省略した場合は、振動電極１５ｂと第３層のギャップ絶縁層１４ｃとの間）、第３層のギャップ絶縁層１４ｃと第２層のギャップ絶縁層１４ｂとの間、第２層のギャップ絶縁層１４ｂと第１層のギャップ絶縁層１４ｂとの間、第１層のギャップ絶縁層１４ｂとエレクトレット絶縁フィルムとの間（エレクトレット絶縁フィルムを省略した場合は第１層のギャップ絶縁層１４ｂと高分子フィルムとの間）で、それぞれ、支持部となり、これによりマイクロギャップが形成される。マイクロギャップを形成できればスペーサ４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ，…の形状はどのようなものでも構わないが、突起の接触点の曲率が大きい方が望ましい。又、図３のように最大高さ（Ｒmax）が１０ｎｍ〜４０μｍの表面粗さをもつ層を積層すれば、スペーサ４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ，…がなくてもマイクロギャップを形成できる。
【０１１１】
振動電極絶縁フィルム１５ａ、第１層のギャップ絶縁層１４ａ、第２層のギャップ絶縁層１４ｂ、第３層のギャップ絶縁層１４ｃ及び図示を省略したエレクトレット絶縁フィルムは、上述のように１０ｎｍ〜４０μｍの突起を形成させるか、粒径が１０ｎｍ〜４０μｍの微粒子を表面に付着させた絶縁体の層である。図２０及び図２１では、 第１層のギャップ絶縁層１４ａ，第２層のギャップ絶縁層１４ｂ及び第３層のギャップ絶縁層１４ｃの３枚の絶縁層を積層した場合を例示しているが、必要に応じて更に多くの絶縁層を追加して、マイクロギャップ層の数を増やすことができる。又は、一部の絶縁層の表面にのみ突起の形成又は微粒子の付着を行い、残りは、密着させるか、乾燥接触させて表面粗さによりマイクロギャップを形成することも可能である。ギャップ幅が１０００μｍ以内に収まれば、絶縁フィルムの積層枚数が多い方が、音響のダンピング特性が向上する。又、絶縁層を厚くするとギャップ幅も大きくなるが、これにより振動電極１５ｂの撓みによるマイクロギャップの絶縁破壊強度の低下を防ぐことができる。しかし、ギャップ幅の増大は、ギャップ中の電界強度の低下にもつながる。そのため、絶縁層の厚さ、マイクロギャップの構造などにより最適な積層枚数が決まる。
【０１１２】
高分子フィルムは、ギャップに５〜２００ＭＶ／ｍの電界を発生させるだけの表面電位を有していなければならない。高分子フィルムの代表例としては、本発明の第１の実施の形態に係る機械電気変換素子で説明したコロナ放電により帯電させた絶縁層や
加熱により帯電させた強誘電層等が使用可能である。高分子フィルムの厚さは例えば，コロナ放電により帯電させたポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）フィルムの場合、１０〜５０μｍ程度、強誘電体としてＰＺＴを使用する場合、０．５〜２ｍｍ程度に選定することができ，背面電極１７，振動層１５の厚さは例えば，Ａｌ蒸着ＰＥＴフィルムの場合、１〜１００μｍ程度に選定することができるが、振動層１５、高分子フィルム及び背面電極１７の具体的な厚さや半径は、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。
【０１１３】
増幅回路１９は、背面電極１７の左側端部近傍において、回路基板１８の上に搭載（マウント）されている。回路基板１８にはスルーホール（ビア）が設けられ、スルーホール（ビア）を介して、増幅回路１９は、背面電極１７の左側端部近傍に融着されたハンダを介して、背面電極１７に電気的に接続されている。図示を省略しているが、増幅回路１９からの接地配線はシールド板１１のシールド導電体膜１１ｂとハンダで接続されている。
【０１１４】
背面電極１７、複数のギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…、及び高分子フィルムには、背面電極１７、複数のギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…、及び高分子フィルムを貫通する貫通孔（図示省略。）が設けられているが、貫通孔は、高分子フィルムと振動層１５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、ハンダ等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高分子フィルムと振動層１５との間に複数のギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…が形成するギャップ空間を満たしても、絶縁破壊強度が増し、放電が生じにくくなる。その結果、放電により付着する高分子フィルム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、高分子フィルムと振動層１５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。
【０１１５】
なお、振動層１５、高分子フィルム及び背面電極１７はそれぞれ円板形状である必要はなく、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、シールド板１１等他の部材も、振動層１５、高分子フィルム及び背面電極１７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。
【０１１６】
−マイクロギャップ中の空気の絶縁破壊強度−
空気ギャップを有する二つの電極に電位差を与えた場合、空気の絶縁破壊強度は、大気圧中では電極間距離が減少するに従い増加し、電極間距離が１〜２μｍ程度で最大値を示すことが知られている。但し、電極の表面の突起の曲率が大きくなるに従い、電界が突起部に集中し、絶縁破壊強度は低下する。そのため、電極表面の凹凸を中心線平均粗さＲａで表すとすると、Ｒａがエレメント空間のギャップ幅の１０分の１以下でなければならず、１００分１以下が望ましい。
【０１１７】
従来のエレクトレットマイクロフォンはいずれも振動電極がエレクトレット層の静電力により大きく撓んでいるが、振動電極の表面の中心線平均粗さＲａは振動電極の撓みによる変形も含めた値である。そのため、従来のエレクトレットマイクロフォンの振動電極の中心線平均粗さＲａはエレメント空間のギャップ幅Ｗg（既に説明したとおり、従来のエレクトレットマイクロフォンの場合、図２０において、振動電極絶縁フィルム１５ａ及び複数のギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…のすべてを省略した場合に相当し、高分子フィルムと振動電極１５ｂとの間の距離である。）の１０分の１を越えてしまう。
【０１１８】
第５の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置においては、振動電極絶縁フィルム１５ａと第３層のギャップ絶縁層１４ｃとの間（振動電極絶縁フィルム１５ａを省略した場合は、振動電極１５ｂと第３層のギャップ絶縁層１４ｃとの間）、第３層のギャップ絶縁層１４ｃと第２層のギャップ絶縁層１４ｂとの間、第２層のギャップ絶縁層１４ｂと第１層のギャップ絶縁層１４ｂとの間、第１層のギャップ絶縁層１４ｂとエレクトレット絶縁フィルムとの間（エレクトレット絶縁フィルムを省略した場合は第１層のギャップ絶縁層１４ｂと高分子フィルムとの間）とのそれぞれの間のマイクロギャップの幅が、空気の絶縁破壊強度を決める。
【０１１９】
第５の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置の場合、振動電極絶縁フィルム１５ａ及び複数のギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…を挿入することによってエレメント空間のギャップ幅Ｗgを広げて、振動電極絶縁フィルム１５ａの下面（振動電極絶縁フィルム１５ａを省略した場合は、振動電極１５ｂの下面）の中心線平均粗さＲａ（スペーサ４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ，…を介した振動電極１５ｂの撓みに起因した変動分を含む）がエレメント空間のギャップ幅Ｗgの１０分の１以下とすることができる。又、複数のギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…の上面及び下面、エレクトレット絶縁フィルムの上面（エレクトレット絶縁フィルムを省略した場合は高分子フィルムの上面）の表面粗さも、同様にギャップ中の空気の絶縁破壊強度に影響を与え、エレクトレット絶縁フィルムの上面の表面のＲａもエレメント空間のギャップ幅の１０分の１以下でなければならず、１００分１以下が望ましい。
【０１２０】
このように、第５の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置は、空気の絶縁破壊強度が高く、耐圧性が非常に高い。したがって、図２０に示すように、受圧面に振動層保護膜１６を備えていれば、従来のフィルム状機械電気変換装置のようにケースに格納する必要はなく、必要なところに貼り付けるだけで使用可能である。又、第５の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置は防水性が高い構造を容易に実現できるので、防水マイクロフォンとしても使用できる。更に、流体や生体中の１０Ｈｚ以上の圧力変動を検知する圧力センサとしても使用できる。通常のフィルム状機械電気変換装置は耐圧性が低いため，マイク素子をケースに納めて受圧面を保護しているが，第５の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置は振動層保護膜１６などを使用して振動電極１５ｂの表面が損傷しないように保護されているので、指などで受圧面を直接叩いても感度が劣化することはない。
【０１２１】
−受信感度−
第５の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置を超音波プローブとして用いた場合、振動層１５の撓みとマイクロギャップでの接触点の変形により、振動層１５が振動して、音響（超音波）の送受信を行う。フィルム状機械電気変換装置の振動層１５が音響（超音波）により振動した場合、エレクトレットコンデンサマイクロフォンと同様の原理により、ギャップの静電容量変化が電極間の電位差の変化となって出力ΔＶoutが、第１の実施の形態において説明した（１）、（２）式で与えられる。このとき、振動層１５は、ｑdを単位電荷として、高分子フィルムから、第１の実施の形態において説明した（３）式で与えられる。静電力σeで引き付けられる。静電力σeにより振動層１５はマイクロギャップの突起（微粒子を含む）を支点として高分子フィルムの静電力によりギャップ側に引き付けられ、静的に撓んでいることに注意が必要である。即ち静的に撓んだ状態での振動電極１５ｂのギャップ側の面のＲａがエレメント空間のギャップ幅の１０分の１以下となるように振動層１５の剛性とマイクロギャップでの接触点密度や配置を設計する必要がある。又、撓みによってマイクロギャップを構成する複数のギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…が突起とは別の位置で接触すると、接触点の増加により接触剛性が大きく低下することになるので、振動層１５の剛性を高めるか突起の高さや密度を高くしてこれを避けなければならない。
【０１２２】
−振動層の撓みによる振動−
振動層の撓みによる振動は、従来のエレクトレットマイクロフォンでも同様に生じる。又、想定される最大の音圧による撓みが生じても、マイクロギャップを構成する二つの層が突起以外の位置で接触してはならない。
【０１２３】
−マイクロギャップの変形による振動−
図２０に示した構造は例示であり、マイクロギャップは微粒子をスペーサ４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ，…として用いなくても実現可能である。第１の実施の形態の説明におけるエレクトレット絶縁層１４ｅを、第５の実施の形態では第３層のギャップ絶縁層１４ｃに置き換えて説明すれば、乾燥接触によりマイクロギャップを形成させた場合のモデルとして、図２に示す一定の半径ｒの微小突起は、振動電極絶縁フィルム１５ａと第３層のギャップ絶縁層１４ｃ（第１の実施の形態の説明におけるエレクトレット絶縁層１４ｅ）との間において、いずれかの膜に設けられた凸部の中心線平均粗さＲａとみなすことが可能であり、或いは、振動電極絶縁フィルム１５ａと第３層のギャップ絶縁層１４ｃとの間に挿入された微粒子が凸部を構成しているとみなすことが可能であるので、振動電極絶縁フィルム１５ａと第３層のギャップ絶縁層１４ｃとの間に設けられる「マイクロギャップを定義する面の実効的な表面粗さＲａeff」の定義の基礎となる模式図である。図２示すような一定の半径ｒの微小突起は、第３層のギャップ絶縁層１４ｃの上面に対しパルスレーザーを照射による局所的な熱変形を生じさせてもよく、第３層のギャップ絶縁層１４ｃを構成するフィルム全体を加熱してオリゴマーの析出や高分子の自己組織化をさせてもよく、或いは、プレスによる第３層のギャップ絶縁層１４ｃの加工などにより形成してもよい。
【０１２４】
第１の実施の形態において説明したとおり、シリコーン粒子は図３に示すように、面内方向に凝集しており、凝集体の平均間隔は１００μｍである。又、振動電極絶縁フィルム１５ａ及び第３層のギャップ絶縁層１４ｃ（第１の実施の形態の説明におけるエレクトレット絶縁層１４ｅ）としての樹脂層の厚さの公差は±１０％ある場合が多い。そのため、図３のように、振動電極絶縁フィルム１５ａと第３層のギャップ絶縁層１４ｃとの間では、凝集したシリコーン粒子の一部を介して接触してマイクロギャップを形成している。このとき、マイクロギャップ内には約７０ＭＶ／ｍの電界が高分子フィルムから作用している。
【０１２５】
第１の実施の形態において説明したとおり、図２のような一定の半径ｒの微小突起を第３層のギャップ絶縁層１４ｃの上面がもつモデルにおいては、接触圧力σは、（４），（５）式で表される。そして、振動電極絶縁フィルム１５ａと第３層のギャップ絶縁層１４ｃの間のマイクロギャップにおける単位面積あたりのバネ定数である接触剛性（界面剛性）Ｋｇは、第１の実施の形態において説明した（６）式で与えられるので、Ｋｇ≪Ｓ'であれば、振動電極絶縁フィルム１５ａの振幅ΔＷgは（７）式で与えられる。よって、第１の実施の形態と同様に（１），（３），（５），（６），（７）式より、出力ΔＶoutは（８）式で表される。（８）式より、受信感度を向上させるためには、ギャップ中の電界強度Ｅgを増すとともに、マイクロギャップを挟み込んでいる二つの層のいずれか又は両方の貯蔵弾性率Ｓｄ，Ｓｇを低くし、突起の半径ｒを小さくするとともに突起の密度ｎを低く（間隔を広く）すればよい。但し、突起の半径ｒと密度ｎの低下は、振動電極絶縁フィルム１５ａの撓みを増すことになる。したがって、前述したようにマイクロギャップを定義する面の実効的な表面粗さＲａeffがエレメント空間のギャップ幅の１０分の１以下で、撓みによりマイクロギャップの接触密度が増さないように注意する必要がある。
【０１２６】
−フィルム状機械電気変換装置の出力に及ぼす影響−
フィルム状機械電気変換装置については、送信用フィルム状機械電気変換装置に振幅ΔＶinの電圧パルスを入力した場合、フィルム状機械電気変換装置時の振動電極絶縁フィルム１５ａに発生する圧力Δσoutは、第１の実施の形態において説明した（９）式で与えられる。振動電極絶縁フィルム１５ａの撓み、マイクロギャップの接触点の変形ともに、（９）式のΔσoutに応じて変化し、振動電極絶縁フィルム１５ａの振動が生じて、音響がフィルム状機械電気変換装置される。したがって、（９）式より、エレメント空間のギャップ幅Ｗgが狭くギャップの電界強度Ｅgが高い方がフィルム状機械電気変換装置音圧が大きくなり、フィルム状機械電気変換装置出力が向上することが分かる。
【０１２７】
−音響のダンピング−
マイクロギャップのもう１つの利点として、超音波のダンピング（減衰）がある。マイクロギャップではスペーサ４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ，…により接触していない境界部では、音響の反射が生じる。そのため、高分子フィルムまで伝播する音響が大きく減衰する。高分子フィルムまで音響が伝播すると、高分子フィルムがひずみを生じて圧電効果による出力が受信出力に重なることになる。これは、エレクトレットプローブ（フィルム状機械電気変換装置）の性能を低下させるので、音響はギャップ部で可能な限り減衰させたい。マイクロギャップを有することにより、ギャップ部での音響の減衰は飛躍的に増加する。
【０１２８】
図２２は、第５の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置の感度（ｄＢ）と周波数（Ｈｚ）の関係を、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）フィルムの積層枚数ｎ（ｎ＝５，１０，４０，１００）をパラメータとして示す図である。図２２の測定対象となったフィルム状機械電気変換装置は、厚さ１２μｍのテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）フィルムをコロナ放電によりエレクトレット化して高分子フィルムとし、高分子フィルムの上に、ギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…として、厚さ１０μｍのＨＤＰＥフィルムをｎ枚積層してギャップを形成し、Ａｌホイルを振動電極１５ｂ及び背面電極１７とし、受圧面を径３０ｍｍの円形としたものである。
【０１２９】
図２２から分かるように、ギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…として、ＨＤＰＥフィルムをｎ＝４０枚積層した場合、感度は−３２ｄＢ程度である。一般的なエレクトレットコンデンサマイクロフォンの感度は、−６０〜−４５ｄＢであるので、第５の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置は、一般的なエレクトレットコンデンサマイクロフォンより、はるかに高感度であることが分かる。
【０１３０】
＜第５の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置の製造方法＞
図２３〜図２８を用いて、第５の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置の製造方法を説明する。なお、以下に述べるフィルム状機械電気変換装置の製造方法は、一例であり、特許請求の範囲に記載した趣旨の範囲内であれば、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：
（ａ）まず、ＰＶＣフィルム等のシールド導電体保護膜１１ａの上にシールド導電体膜１１ｂとなるアルミニウム（Ａｌ）を蒸着し、シールド板１１を構成する。このシールド板１１を、絶縁材料からなるスペーサフィルム１２ａの裏面に貼り付ける。更に、スペーサフィルム１２ａの上面にＡｌフィルムを貼り付けた後、パターニングして背面電極１７を形成する。背面電極１７の一部には、図２３に示すように、浅い溝部１７ｇを設けておく。そして、図２３に示すように、この背面電極１７の上面の一部に高分子フィルムとしてテトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重含体（ＰＦＡ）フィルムを貼り付ける。背面電極１７と高分子フィルムとは、金属学的に接合していてもよく、接着剤等により接着されていてもよく、或いは、機械的な圧力で単に接している状態でもよい。背面電極１７の上に高分子フィルムを形成した後、図２４に示すように、コロナ放電により高分子フィルムを帯電させる。
【０１３１】
（ｂ）そして、図２５に示すように、絶縁材料からなるスペーサフィルム１２ａを底板として、箱の側板として機能する側壁フィルム１２ｂ、１２ｄを高分子フィルムの周りに配置し、箱型の絶縁容器（１２ａ，１２ｂ，１２ｄ，１２ｅ）を組み立てる。この際、庇１２ｅを有する絶縁層１２ｄを背面電極１７の一部に設けた浅い溝部１７ｇに嵌め込む。
【０１３２】
（ｃ）この箱型の絶縁容器（１２ａ，１２ｂ，１２ｄ，１２ｅ）の内部に、図２６に示すように、粒径が１０ｎｍ〜４０μｍの絶縁体の微粒子からなるスペーサ４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ，…を介して複数のギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…を積層した積層構造を収納する。スペーサ４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ，…となる絶縁体の微粒子の粒径を１０ｎｍ〜１０μｍとすれば、全体の厚さがより薄くなるので好ましく、更に、１０ｎｍ〜５μｍの範囲で、より１０ｎｍに近い粒径が望ましいことは勿論である。複数のギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…からなる積層構造は、例えば、以下のような手順の繰り返しで作製可能である。即ち、別途用意した積層用容器の内部に、スペーサ４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ，…となるシリコーン粒子を、分散剤により溶媒５５中にコロイド状に分散しておき、第１層のギャップ絶縁層１４ａを収納後、溶媒５５を第１層のギャップ絶縁層１４ａ上に滴下し、乾燥させ、スペーサ４１ａ，４１ｂとしてのシリコーン粒子を塗布する。次に、第２層のギャップ絶縁層１４ｂを積層用容器に収納後、溶媒５５を第２層のギャップ絶縁層１４ｂ上に滴下し、乾燥させ、スペーサ４１ｃとしてのシリコーン粒子を塗布する。更に、第３層のギャップ絶縁層１４ｃを積層用容器に収納後、溶媒５５を第３層のギャップ絶縁層１４ｃ上に滴下し、乾燥させ、スペーサ４１ｄとしてのシリコーン粒子を塗布する。…。なお、この他、複数のギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…のそれぞれに、あらかじめ表面処理を行い、微小突起（スペーサ４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ，…）を形成させておく方法でも構わない。
【０１３３】
更に，ギャップ絶縁層１４ａのエレクトレットに対向する面をコロナ放電により帯電させれば（極性は対向するエレクトレットの極性と同じにする），エレクトレットと積層する際の放電を防ぐとともに，エレクトレットの電荷の減衰を少なくすることができる。
【０１３４】
（ｄ）一方、振動電極絶縁フィルム１５ａとしてのＰＦＡフィルムに、振動電極１５ｂとしてのＡｌを蒸着して、振動層１５を作製する。更に、振動電極１５ｂの上に、ＰＶＣフィルムからなる振動層保護膜１６を貼り付けた積層構造を、図２７に示すように、絶縁容器（１２ａ，１２ｂ，１２ｄ，１２ｅ）の上蓋として被せる。なお、振動層１５としてのＡｌ蒸着したＰＦＡフィルムの上に、シリコーン粒子を、コロイド状に分散した溶媒を滴下し、乾燥させ、スペーサ４１ｄとしてのシリコーン粒子を振動電極絶縁フィルム１５ａの上に塗布した後、図２７に示すように、絶縁容器（１２ａ，１２ｂ，１２ｄ，１２ｅ）の上蓋として被せるようにしてもよい。更に、振動電極絶縁フィルム１５ａとしてのＰＦＡフィルムにあらかじめ表面処理を行い、微小突起を形成させておく方法でも構わない。
【０１３５】
（ｅ）更に、別途、ボールグリッドアレイ等のように、接続部を基板の底部に有する回路基板１８の上に、増幅回路（ＦＥＴ）を集積化した増幅回路１９を搭載（マウント）して、増幅回路の実装構造（パッケージ）を用意する。増幅回路１９に集積化された増幅回路の電極は、回路基板１８の表面及び内部に埋め込まれた内部配線やスルーホール（ビア）を介して、回路基板１８の裏面のハンダボール等の接続電極に電気的に接続されている。この増幅回路の実装構造（パッケージ）を図２８に示すように、箱型の絶縁容器（１２ａ，１２ｂ，１２ｄ，１２ｅ）の庇１２ｅの下に収納する。箱型の絶縁容器（１２ａ，１２ｂ，１２ｄ，１２ｅ）の庇１２ｅの下に実装構造（パッケージ）が収納されたら、図２０に示すように、庇１２ｅの下に絶縁層１２ｃを挿入して、実装構造（パッケージ）の格納部分に蓋をすれば、第５の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置が完成する。
【０１３６】
図２３〜図２８に示した第５の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置の製造方法の要部をまとめると、図２９に示すようになる。即ち、（イ）まず、図２９（ａ）に示すように、この背面電極１７ｐの上面に高分子フィルムとしてＰＦＡフィルムを貼り付ける。（ロ）そして、背面電極１７ｐの上に高分子フィルムを形成した後、図２９（ｂ）に示すように、コロナ放電等により高分子フィルムを帯電させる。（ハ）一方、振動電極絶縁フィルムとしてのＰＦＡフィルムの裏面に、振動電極としてのＡｌを蒸着した振動層１５ｓを用意し、このＰＦＡフィルムの上に、振動層１５ｓの上にスペーサ（図示省略）を介して複数のギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…を積層する。（ニ）そして、背面電極１７ｐを有する高分子フィルムと、振動層１５ｓの上にスペーサ（図示省略）を介して複数のギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…を搭載した構造物を、図２９（ｃ）に示すような積層関係になるようにして、図２０に示した絶縁容器（１２ａ，１２ｂ，１２ｄ，１２ｅ）のような、所定の箱内に組み込むという簡単な工程で、第５の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置が完成する。
【０１３７】
なお、高分子フィルムとして強誘電体を用いる場合、例えばＰＺＴを用いる場合は、帯電していないが、分極方向が揃っているＰＺＴを上記の手順で高分子フィルムとして箱型の絶縁容器（１２ａ，１２ｂ，１２ｄ，１２ｅ）の内部に組み込み、組み立て終了後に、キュリー点直下に加熱して数秒〜数分保持し、常温に冷却すれば、ＰＺＴの表面電荷が除去され、高分子フィルムとなる。キュリー点温度がハンダリフロー温度より高く、このフィルム状機械電気変換装置を含む実装構造（製品）のリフロー処理をする場合、リフロー処理によりＰＺＴは高分子フィルム化する。
【０１３８】
第５の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置によれば、従来のフィルム状機械電気変換装置より空中の送受信感度が高いので、距離測定などでの精度向上を期待できるが、更に、周波数変調を用いれば更に、精度の高い送受信が可能となる。具体的には、フィルム状機械電気変換装置時に周波数を変化させることにより特定の信号パターンをフィルム状機械電気変換装置する。すると、受信時に機械電気変換した信号パターンを抽出すればよいが、これをノイズでは生じないパターンとしておけば、ノイズが高い環境においてもノイズに埋もれた受信波形を識別することが可能となる。これは、広い周波数帯域を送受信できる本発明のフィルム状機械電気変換装置ならではの手法となる。
【０１３９】
以上説明したとおり、第５の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置は、エレクトレット層１３として高分子フィルムを用いる場合には、柔軟で受圧面の形状に制約がないため，設置する場所に応じた形状とし、変形させることが可能である。又、増幅回路１９を除き（増幅回路１９は厚さ６０μｍ以下にすれば、変形量は小さいものの変形可能になる。），すべて薄いフィルムにより形成されているため，柔軟に変形が可能である。エレクトレット層１３として強誘電体を用いる場合は、強誘電体を６０μｍ以下の厚さのフィルムに加工すれば、柔軟性が得られるが、高分子フィルムに比すれば、その変形量は小さく、６０μｍ以上の厚さでは柔軟性は期待できない。更に，マイクロギャップは、図２１に示すように、粒径が１０ｎｍ〜４０μｍの絶縁体からなる多数の微粒子（又は微小突起）からなるスペーサ４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ，…により支えられているため，受圧面の形状は任意に設計可能である。例えば携帯電話のフィルム状機械電気変換装置として使用する場合、ボタンなどの間に第５の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置を貼り付けることもできる。但し、第５の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置を変形させたときに，高分子フィルム、ギャップ、振動電極１５ｂの各層がわずかにずれることが懸念される。このずれの全体量は変形量とフィルム状機械電気変換装置の厚さ及び面積に依存するが，各層を構成するギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…ごとのずれ量はフィルム厚さにも依存する。そして，ギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…のそれぞれの厚さをｔとすると，変形によるギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…ごとのずれ量は最大２πｔとなるが，このずれ量はマイクロギャップを構成する微小突起の間隔より小さくなければならない。微小突起の間隔は、フィルム状機械電気変換装置の最大許容音圧（耐圧）により決まるが，このフィルム状機械電気変換装置は図２０のように受圧面に外力が直接加わるため，少なくとも１気圧以上の耐圧性が必要である。このことから考えて，微小突起の間隔は５００μｍ以下であり，フィルム状機械電気変換装置を構成するギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…の厚さはいずれも８０μｍ以下であることが必要である。
【０１４０】
又、第５の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置の受圧面の面積が小さすぎると静電容量が不足して、感度が低下してしまう。必要な面積は、ギャップ厚さや高分子フィルムの厚さと誘電率に依存するが、少なくとも１ｍｍ２以上必要で，１０ｍｍ２以上が望ましい。又、受圧面の面積が大きすぎると、ギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…が音によりばたついて出力のばらつきが増加する。更に、積層しているギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…のずれの増大によりギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…間の空気ギャップ幅が増大して放電を生じてしまい，感度が劣化する。受圧面の面積の上限は、フィルム状機械電気変換装置を構成するギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…の厚さや測定する音の周波数帯域に依存するが，少なくとも１００ｃｍ２以下であることが必要で，１０ｃｍ２以下が望ましい。
【０１４１】
（第６の実施の形態）
図２０に示した本発明の第５の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置は、高分子フィルム１３ｂとして高分子フィルムを使用すれば、図３０（ｂ）にマイクロフォンＢとして示すように、高分子フィルム１３ｂ側から音圧Φ2を受けても振動はギャップ絶縁層１４ｐ，１４ｑ，１４ｒ，…までほとんど減衰せずに伝わる。そのため，背面電極１７ｂ側を受圧面としても感度は、図３０（ａ）に示すマイクロフォンＡのように、振動層１５ｕ側から音圧Φ1を受ける場合と、ほとんど変わらない。
【０１４２】
本発明の第６の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置は、図３０（ａ）に示すマイクロフォンＡと、図３０（ｂ）に示すマイクロフォンＢとを利用した、両面で受信可能なフィルム状機械電気変換装置である。図３０（ａ）に示すように、第1の受圧素子Ｍ1としてのマイクロフォンＡは、無負荷時において平坦な振動面を有する振動層１５ｕと、振動層１５ｕの振動面に、第１層のギャップ絶縁層１４ａ，第２層のギャップ絶縁層１４ｂ及び第３層のギャップ絶縁層１４ｃの積層構造で厚みを定義したギャップ部を介して対向した平坦な第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、分極方向を揃えた高分子フィルム１３ａと、高分子フィルム１３ａの第２主面に接した背面電極１７ａと、振動層１５ｕと背面電極１７ａとの間に接続された増幅手段（図示省略）とを備える。第５の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置の説明で図２１に示したのと同様に、第１層のギャップ絶縁層１４ａと高分子フィルム１３ａとの間は、粒径が１０ｎｍ〜４０μｍの絶縁体の微粒子からなる第１スペーサが挿入され、第１層のギャップ絶縁層１４ａと第２層のギャップ絶縁層１４ｂとの間は、粒径が１０ｎｍ〜４０μｍの絶縁体の微粒子からなる第２スペーサが挿入され、第２層のギャップ絶縁層１４ｂと第３層のギャップ絶縁層１４ｃとの間は、粒径が１０ｎｍ〜４０μｍの絶縁体の微粒子からなる第３スペーサが挿入され、振動電極１５ｂと第３層のギャップ絶縁層１４ｃとの間は、粒径が１０ｎｍ〜４０μｍの絶縁体の微粒子からなる第４スペーサが挿入され、振動電極１５ｂと高分子フィルム１３ａとの間に定義されるギャップの間隔を制御している。このように、振動層１５ｕと高分子フィルム１３ａとの間に、粒径が１０ｎｍ〜４０μｍの絶縁体の微粒子からなるスペーサを介して複数のギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…を積層して挿入することにより、振動層１５ｕと第３層のギャップ絶縁層１４ｃとの間、第３層のギャップ絶縁層１４ｃと第２層のギャップ絶縁層１４ｂとの間、第２層のギャップ絶縁層１４ｂと第１層のギャップ絶縁層１４ｂとの間、第１層のギャップ絶縁層１４ｂと高分子フィルム１３ａとの間に、それぞれマイクロギャップを定義し、それにより、振動層１５ｕと高分子フィルム１３ａとの間の巨視的なエレメント空間のギャップ幅Ｗgを制御している。第１から第４スペーサとなる微粒子の粒径を１００μｍ以下とすれば、それぞれのマイクロギャップを定義する面の実効的な表面粗さＲａeffを、振動層１５ｕ、１５ｖの下面と高分子フィルム１３ａ，１３ｂの上面との間にマイクロギャップを収納するように定義されるエレメント空間のギャップ幅の１／１０以下にすることができる（実効的な表面粗さＲａeffには負荷時の撓みが含まれる。）。しかしながら、柔軟で形状の自由度が高いフィルム状機械電気変換装置を実現するためには、第１から第４スペーサとなる微粒子の粒径を１０ｎｍ〜１０μｍとすれば、全体の厚さがより薄くなるので好ましく、更に、１０ｎｍ〜５μｍの範囲で、より１０ｎｍに近い粒径が望ましいことは勿論である。第1の受圧素子Ｍ1（マイクロフォンＡ）は、背面電極１７ａ側が出力端子となる。
【０１４３】
一方、図３０（ｂ）に示すように、第２の受圧素子Ｍ2としてのマイクロフォンＢは、無負荷時において平坦な振動面を有する振動層１５ｖと、振動層１５ｖの振動面に、第１層のギャップ絶縁層１４ｐ，第２層のギャップ絶縁層１４ｑ及び第３層のギャップ絶縁層１４ｒの積層構造で厚みを定義したギャップ部を介して対向した平坦な第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、分極方向を揃えた高分子フィルム１３ｂと、高分子フィルム１３ｂの第２主面に接した背面電極１７ｂと、振動層１５ｖと背面電極１７ｂとの間に接続された増幅手段（図示省略）とを備える。マイクロフォンＡと同様に、振動層１５ｖと高分子フィルム１３ｂとの間に、粒径が１０ｎｍ〜４０μｍの絶縁体の微粒子からなるスペーサを介して複数のギャップ絶縁層１４ｐ，１４ｑ，１４ｒ，…を積層して挿入することにより、振動層１５ｖと第３層のギャップ絶縁層１４ｒとの間、第３層のギャップ絶縁層１４ｒと第２層のギャップ絶縁層１４ｑとの間、第２層のギャップ絶縁層１４ｑと第１層のギャップ絶縁層１４ｐとの間、第１層のギャップ絶縁層１４ｐと高分子フィルム１３ｂとの間に、それぞれマイクロギャップを定義し、それにより、振動層１５ｖと高分子フィルム１３ｂとの間の巨視的なエレメント空間のギャップ幅Ｗgを制御している。第２の受圧素子Ｍ2（マイクロフォンＢ）は、音声を受ける側が第1の受圧素子Ｍ1（マイクロフォンＡ）とは、逆になるので、振動層１５ｖ側が出力端子となる。
【０１４４】
図３０（ａ）に示すマイクロフォンＡ（第1の受圧素子Ｍ1）と、図３０（ｂ）に示すマイクロフォンＢ（第２の受圧素子Ｍ2）は、すべて薄いフィルムにより形成されているため，柔軟に変形が可能である。
【０１４５】
図３１は、第６の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置の具体例として、ノイズキャンセリングフォンを示す。図３１に示すように、第６の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置は、半導体チップ（ＦＥＴアンプ）１９を内蔵した基体（マイクロフォン基板）２１と、基体（マイクロフォン基板）２１の左上コーナ部に、コーナ部の曲率にあわせて曲げて貼り付けられた第1の受圧素子Ｍ1（マイクロフォンＡ）と、基体（マイクロフォン基板）２１の左下コーナ部に、コーナ部の曲率にあわせて曲げて貼り付けられた第２の受圧素子Ｍ２（マイクロフォンＢ）とを備える。第1の受圧素子Ｍ1及び第２の受圧素子Ｍ２は、ともに、柔軟で受圧面の形状に制約がないため，設置する場所に応じた形状とし、変形させることが可能であるので、図３１に示すように、基体（マイクロフォン基板）２１の左上コーナ部に、背面電極１７ａが基体（マイクロフォン基板）２１に接するようにして、第1の受圧素子Ｍ1（マイクロフォンＡ）を曲げて貼り付け、基体（マイクロフォン基板）２１の左下コーナ部に、振動層１５ｖが接するようにして、第２の受圧素子Ｍ２（マイクロフォンＢ）を曲げて貼り付けることが可能である。
【０１４６】
このように、第６の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置（ノイズキャンセリングフォン）では、音声を受ける側が互いに、表裏が逆になる第1の受圧素子Ｍ1及び第1の受圧素子Ｍ２を基体（マイクロフォン基板）２１の表面に貼り付け、第1の受圧素子Ｍ1及び第２の受圧素子Ｍ２からの出力を同一の半導体チップ（ＦＥＴアンプ）１９で取り込むことができる。
【０１４７】
図３１に示すように、背面電極１７ａを基体（マイクロフォン基板）２１に接するようにして第1の受圧素子Ｍ1を貼り付け、振動層１５ｖが接するようにして第２の受圧素子Ｍ２を貼り付けることにより、第1の受圧素子Ｍ1及び第２の受圧素子Ｍ２の信号の極性が反転するため，ノイズＮ1，Ｎ2，Ｎ3が除去される。これにより，第６の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置（ノイズキャンセリングフォン）の回路の簡略化が可能になる。
【０１４８】
第６の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置においては、第1の受圧素子Ｍ1及び第２の受圧素子Ｍ２から半導体チップ（ＦＥＴアンプ）１９までの伝送経路における浮遊容量の増大が懸念されるが，前述したように、第1の受圧素子Ｍ1及び第２の受圧素子Ｍ２は、それぞれ形状が自由であることを利用して受圧面の面積を大きくとり，第1の受圧素子Ｍ1及び第２の受圧素子Ｍ２の静電容量を十分に大きくすればよい。
【０１４９】
（第７の実施の形態）
第６の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置においては、第1の受圧素子Ｍ1及び第２の受圧素子Ｍ２から半導体チップ（ＦＥＴアンプ）１９までの伝送経路における浮遊容量の増大が懸念された。このため、第６の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置では、第1の受圧素子Ｍ1及び第２の受圧素子Ｍ２が、それぞれ形状が自由であることを利用して受圧面の面積を大きくとり，第1の受圧素子Ｍ1及び第２の受圧素子Ｍ２の静電容量を十分に大きくする手法を採用した。本発明の第７の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置では、両面で受信可能なフィルム状機械電気変換装置において、浮遊容量を補償可能なように、静電容量を増す他の手法を説明する。
【０１５０】
即ち、本発明の第７の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置は、図３２に示すように、信号を入出力する共通電極１７ｃの上下に、それぞれ、上側高分子フィルム１３ａ及び下側高分子フィルム１３ｂを、それぞれの極性が互いに逆向きになるようにして、貼り合わせている。
【０１５１】
共通電極１７ｃの上に設けられる第1の受圧素子Ｍ1は、無負荷時において平坦な振動面を有する上側振動層１５と、上側振動層１５の振動面に、第１層の上側ギャップ絶縁層１４ａ，第２層の上側ギャップ絶縁層１４ｂ及び第３層の上側ギャップ絶縁層１４ｃの積層構造で厚みを定義したギャップ部を介して対向したエレクトレット絶縁層１４ｅ、エレクトレット絶縁層１４ｅ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、分極方向を揃えた上側高分子フィルム１３ａと、上側高分子フィルム１３ａの第２主面に接した共通電極１７ｃとを備える。上側振動層１５は、図３２に示すように、導電体からなる上側振動電極１５ｂと上側振動電極１５ｂの下面の振動電極絶縁フィルム１５ａとを備える。第５の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置の説明において、図２１に示したのと同様に、第１層の上側ギャップ絶縁層１４ａとエレクトレット絶縁層１４ｅとの間は、粒径が１０ｎｍ〜４０μｍの絶縁体の微粒子からなる第１スペーサが挿入され、第１層の上側ギャップ絶縁層１４ａと第２層の上側ギャップ絶縁層１４ｂとの間は、粒径が１０ｎｍ〜４０μｍの絶縁体の微粒子からなる第２スペーサが挿入され、第２層の上側ギャップ絶縁層１４ｂと第３層の上側ギャップ絶縁層１４ｃとの間は、粒径が１０ｎｍ〜４０μｍの絶縁体の微粒子からなる第３スペーサが挿入され、振動電極１５ｂと第３層の上側ギャップ絶縁層１４ｃとの間は、粒径が１０ｎｍ〜４０μｍの絶縁体の微粒子からなる第４スペーサが挿入され、振動電極１５ｂと上側高分子フィルム１３ａとの間に定義されるギャップの間隔を制御している。このように、上側振動層１５と上側高分子フィルム１３ａとの間に、粒径が１０ｎｍ〜４０μｍの絶縁体の微粒子からなるスペーサを介して複数の上側ギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…を積層して挿入することにより、上側振動層１５と第３層の上側ギャップ絶縁層１４ｃとの間、第３層の上側ギャップ絶縁層１４ｃと第２層の上側ギャップ絶縁層１４ｂとの間、第２層の上側ギャップ絶縁層１４ｂと第１層の上側ギャップ絶縁層１４ａとの間、第１層の上側ギャップ絶縁層１４ａと上側高分子フィルム１３ａとの間に、それぞれマイクロギャップを定義し、それにより、上側振動層１５と上側高分子フィルム１３ａとの間の巨視的なエレメント空間のギャップ幅Ｗgを制御している。  第１から第４スペーサとなる微粒子の粒径を１００μｍ以下とすれば、それぞれのマイクロギャップを定義する面の実効的な表面粗さＲａeffを、上側振動層１５の下面と上側高分子フィルム１３ａの上面との間にマイクロギャップを収納するように定義されるエレメント空間のギャップ幅の１／１０以下にすることができる（実効的な表面粗さＲａeffには負荷時の撓みが含まれる。）。しかしながら、柔軟で形状の自由度が高いフィルム状機械電気変換装置を実現するためには、第１から第４スペーサとなる微粒子の粒径を１０ｎｍ〜１０μｍとすれば、全体の厚さがより薄くなるので好ましく、更に、１０ｎｍ〜５μｍの範囲で、より１０ｎｍに近い粒径が望ましいことは勿論である。
【０１５２】
共通電極１７ｃの下に設けられる第２の受圧素子Ｍ2は、シールド導電体膜１１ｂと、シールド導電体膜１１ｂの振動面に、第１層の下側ギャップ絶縁層１４ｐ，第２層の下側ギャップ絶縁層１４ｑ及び第３層の下側ギャップ絶縁層１４ｒの積層構造で厚みを定義したギャップ部を介して対向した平坦な第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、分極方向を揃えた下側高分子フィルム１３ｂと、下側高分子フィルム１３ｂの第２主面に接した共通電極１７ｃとを備える。シールド導電体膜１１ｂは、第２の受圧素子Ｍ2の無負荷時において平坦な振動面を有する振動層として機能している。第1の受圧素子Ｍ1と同様に、シールド導電体膜１１ｂと下側高分子フィルム１３ｂとの間に、粒径が１０ｎｍ〜４０μｍの絶縁体の微粒子からなるスペーサを介して複数の下側ギャップ絶縁層１４ｐ，１４ｑ，１４ｒ，…を積層して挿入することにより、シールド導電体膜１１ｂと第３層の下側ギャップ絶縁層１４ｒとの間、第３層の下側ギャップ絶縁層１４ｒと第２層の下側ギャップ絶縁層１４ｑとの間、第２層の下側ギャップ絶縁層１４ｑと第１層の下側ギャップ絶縁層１４ｐとの間、第１層の下側ギャップ絶縁層１４ｐと下側高分子フィルム１３ｂとの間に、それぞれマイクロギャップを定義し、それにより、シールド導電体膜１１ｂと下側高分子フィルム１３ｂとの間の巨視的なエレメント空間のギャップ幅Ｗgを制御している。第1の受圧素子Ｍ1及び第２の受圧素子Ｍ2は、共通電極１７ｃを共通の出力端子としている。
【０１５３】
第１から第４スペーサとなる微粒子の粒径を１００μｍ以下とすれば、それぞれのマイクロギャップを定義する面の実効的な表面粗さＲａeffを、下側高分子フィルム１３ｂの下面とシールド導電体膜１１ｂの上面との間にマイクロギャップを収納するように定義されるエレメント空間のギャップ幅の１／１０以下にすることができる（実効的な表面粗さＲａeffには負荷時の撓みが含まれる。）。しかしながら、柔軟で形状の自由度が高いフィルム状機械電気変換装置を実現するためには、スペーサとなる微粒子の粒径を１０ｎｍ〜１０μｍとすれば、全体の厚さがより薄くなるので好ましく、更に、１０ｎｍ〜５μｍの範囲で、より１０ｎｍに近い粒径が望ましいことは勿論である。
【０１５４】
図３２に示すように、複数の上側ギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…、エレクトレット絶縁層１４ｅ及び上側高分子フィルム１３ａは、共通電極１７ｃを底板とする箱形の絶縁容器（１２ｋ，１２ｌ）の内部に収納され、上側振動層１５がこの絶縁容器（１２ｋ，１２ｌ）の蓋部をなしている。一方、下側高分子フィルム１３ｂ及び複数の下側ギャップ絶縁層１４ｐ，１４ｑ，１４ｒ，…は、共通電極１７ｃを天井板とする箱形の絶縁容器（１２ｋ，１２ｍ，１２ｏ）の内部に収納され、シールド導電体膜１１ｂがこの絶縁容器（１２ｋ，１２ｍ，１２ｏ）の底板をなしている。
【０１５５】
半導体チップ（ＦＥＴアンプ）１９は、図３２において、共通電極１７ｃの下面の左側端部近傍において、回路基板１８を介して搭載（マウント）されている。回路基板１８にはスルーホール（ビア）が設けられ、スルーホール（ビア）を介して、増幅回路１９は、共通電極１７ｃの左側端部近傍に融着されたハンダを介して、共通電極１７ｃに電気的に接続されている。図示を省略しているが、増幅回路１９からの接地配線はシールド導電体膜１１ｂとハンダで接続されている。増幅回路１９に集積化された増幅回路の電極は、回路基板１８の表面及び内部に埋め込まれた内部配線やスルーホール（ビア）を介して、回路基板１８の裏面のハンダボール等の接続電極に電気的に接続されている。この増幅回路１９の実装構造（パッケージ）を図３２に示すように、箱型の絶縁容器（１２ｋ，１２ｍ，１２ｏ）の下部に設けられた収納部に収納する。実装構造（パッケージ）が収納されたら、図３２に示すように、絶縁層１２ｎで収納部の下面に蓋をすれば、第７の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置が完成する。
【０１５６】
図３２に示すように、第７の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置では、信号を入出力する共通電極１７ｃの上下に上側高分子フィルム１３ａ及び下側高分子フィルム１３ｂの極性を逆向きに貼り合わせ、更に複数の上側ギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…、複数の下側ギャップ絶縁層１４ｐ，１４ｑ，１４ｒ，…、上側振動電極１５ｂ及びシールド導電体膜１１ｂを積層しており，静電容量が図２０に示した第５の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置の２倍となる。
【０１５７】
第７の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置（ノイズキャンセリングフォン）では、音声を受ける側が互いに逆方向になるように、第1の受圧素子Ｍ1及び第1の受圧素子Ｍ２を共通電極１７ｃ両面にそれぞれ貼り付け、第1の受圧素子Ｍ1及び第２の受圧素子Ｍ２からの出力を同一の増幅回路１９で取り込むことができるので、第1の受圧素子Ｍ1及び第２の受圧素子Ｍ２の信号の極性が反転し、ノイズを除去できる。これにより，第７の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置（ノイズキャンセリングフォン）の回路の簡略化が可能になる。
【０１５８】
なお、第７の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置の第２の受圧素子Ｍ2が、エレクトレット絶縁フィルム及び振動電極絶縁フィルムを省略しているが、第1の受圧素子Ｍ1と同様に、エレクトレット絶縁フィルム及び振動電極絶縁フィルムを備えるようにしてもよい。又、共通電極１７ｃと上側高分子フィルム１３ａ、或いは共通電極１７ｃと下側高分子フィルム１３ｂとは、金属学的に接合していてもよく、接着剤等により接着されていてもよく、或いは、機械的な圧力で単に接している状態でもよい。
【０１５９】
（第８の実施の形態）
第５〜第７の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置は、マイクロフォンだけではなく、音響の送信も可能であるため、図２０や図３２の構造のままで音響プローブ（超音波プローブ）としても使用可能である。又、第５及び第７の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置は、すべて薄いフィルムにより形成可能であるため、柔軟に変形が可能である。
【０１６０】
このため、例えば、図３３のように測定対象１ａの表面が曲面であったとしても、それにフィットするように、第８の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置２ａを貼り付けて、音響（超音波）Φを送受信することが可能である。例えば、第８の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置２ａを電子聴診器として用いれば、測定対象１ａとしての人体と電子聴診器（フィルム状機械電気変換装置）２ａとを密着させることができるので聴診器２ａの接触状態による受信感度のばらつきが低減する。又、この聴診器２ａで超音波Φの送受信も行うことができ、体内組織の音速や減衰率を測定することにより、打診や触診を兼ねることもできる。
【０１６１】
又、図３４のように、第８の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置２ｂを、お椀状に変形させれば、測定対象１ｂから発信された超音波Φを収束させることができる。これは水を接触媒体にして超音波測定を行う水浸法と呼ばれる手法で圧電素子を用いて行われている。しかし、空中超音波の送受信では、受信感度が低いため、強い超音波を発生させる必要があり、圧電素子は強い共振により超音波を発生させている。この場合、図３１のような構造の素子を製造することができない。
【０１６２】
しかし、第８の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置２ｂは、図２２に示したように、感度が１００ｋＨｚ程度まで維持されるため、共振を利用しなくても空中超音波の送受信が可能である。
【０１６３】
（第９の実施の形態）
第８の実施の形態の説明でも述べたように、第５〜第７の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置は、マイクロフォンだけではなく、音響の送信も可能であるため、図２０や図３２の構造のままで、空中超音波の送受信する音響プローブ（超音波プローブ）としても使用可能である。しかし、圧電素子より誘電率が低いため、受圧面の面積が同じ圧電超音波プローブと比較すると、静電容量が小さいことが問題となる。
【０１６４】
本発明の第９の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置は、これを解決するために、図３５に示すように、複数の高分子フィルム１３ａ，１３ｂを積層して、コンデンサマイクロフォンや超音波プローブを実現する。
【０１６５】
図３５は、図３２に示した第７の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置と要部が、実質的に同一な構造であるが、共通電極１７ｃの上に設けられる第1の受圧素子Ｍ1は、上側振動層（第１の振動層）１５ｕと、上側振動層（第１の振動層）１５ｕの振動面に、複数の上側ギャップ絶縁層（第１のギャップ絶縁層）１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…の積層構造で厚みが定義されたギャップ部を介して、対向した上側エレクトレット層（第１のエレクトレット層）１３ａと、上側エレクトレット層（第１のエレクトレット層）１３ａに接した共通電極１７ｃとを備える（上側振動層１５ｕは、図３２に示すように、導電体からなる上側振動電極１５ｂと上側振動電極１５ｂの下面の振動電極絶縁フィルム１５ａとを備える。）。共通電極１７ｃの下に設けられる第２の受圧素子Ｍ2は、下側振動層（第２の振動層）１５ｖと、下側振動層（第２の振動層）１５ｖの振動面に、複数の下側ギャップ絶縁層（第２のギャップ絶縁層）１４ｐ，１４ｑ，１４ｒ，…の積層構造で厚みが定義されたギャップ部を介して、対向した下側エレクトレット層（第２のエレクトレット層）１３ｂと、下側エレクトレット層１３ｂに接した共通電極１７ｃとを備える。第1の受圧素子Ｍ1及び第２の受圧素子Ｍ2は、共通電極１７ｃを出力端子としている。
【０１６６】
図３５のように信号を入出力する共通電極１７ｃの上下に第１の高分子フィルム１３ａと第２の高分子フィルム１３ｂとを、極性が逆向きになるように貼り合わせ、更に、複数の第１のギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…、複数の第２のギャップ絶縁層１４ｐ，１４ｑ，１４ｒ，…、第１の振動層１５ｕ、第２の振動層１５ｖを積層することにより，図２０に示した第５の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置の構造と比較して同じ受圧面で２倍の静電容量を得ることができる。
【０１６７】
空中超音波送受信用の圧電超音波プローブは径１０ｍｍの場合、２０００ｐＦ程度の静電容量がある。これに対して、図３５の構造で電極層、ギャップ層を構成するフィルムの厚さをいずれも５μｍ、高分子フィルムのフィルムの厚さを１０μｍとし、高分子フィルム層とギャップ層の比誘電率が３の場合、図３５に示す第９の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置の厚さは７０μｍで、静電容量は２００ｐＦである。
【０１６８】
更に、図３６に示すように、複数の高分子フィルム１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，…を必要ユニット数（＝ｎ：ｎは２以上の整数）を積層して貼り合わせれば、大幅に静電容量を増すことができる。図３６では、図３５に示した第1の受圧素子Ｍ1及び第２の受圧素子Ｍ2の積層構造の下に、第３の受圧素子Ｍ3、第４の受圧素子Ｍ4，…を積層している。
【０１６９】
即ち、図３６では、第１の共通電極１７ｃの上に設けられる第1の受圧素子Ｍ1は、第１の振動層１５ｕと、第１の振動層１５ｕの振動面に、複数の第１のギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…の積層構造で厚みが定義されたギャップ部を介して、対向した第１の高分子フィルム１３ａと、第１の高分子フィルム１３ａに接した背面電極となる第１の共通電極１７ｃとを備える。第１の共通電極１７ｃの下に設けられる第２の受圧素子Ｍ2は、振動層（第２の共通電極）１５ｖと、振動層（第２の共通電極）１５ｖの振動面に、複数の第２のギャップ絶縁層１４ｐ，１４ｑ，１４ｒ，…の積層構造で厚みが定義されたギャップ部を介して、対向した第２の高分子フィルム１３ｂと、第２の高分子フィルム１３ｂに接した背面電極となる第１の共通電極１７ｃとを備える。第1の受圧素子Ｍ1及び第２の受圧素子Ｍ2は、第１の共通電極１７ｃを出力端子としている。
【０１７０】
第２の受圧素子Ｍ2の下には、振動電極となる第２の共通電極膜１５ｖと、第２の共通電極膜１５ｖの振動面に、複数の第３のギャップ絶縁層１４ｓ，１４ｔ，１４ｕ，…の積層構造で厚みが定義されたギャップ部を介して、対向した第３の高分子フィルム１３ｃと、第３の高分子フィルム１３ｃに接した背面電極となる第３の共通電極膜１７ｄとを備える第３の受圧素子Ｍ3が設けられている。第３の共通電極膜１７ｄの下に設けられる第４の受圧素子Ｍ4は、振動層（第４の共通電極）１５ｗと、振動層（第４の共通電極）１５ｗの振動面に、複数の第４のギャップ絶縁層１４ｖ，１４ｗ，１４ｘ，…の積層構造で厚みが定義されたギャップ部を介して、対向した第４の高分子フィルム１３ｄと、第４の高分子フィルム１３ｄに接した背面電極となる第３の共通電極膜１７ｄとを備える。第３の受圧素子Ｍ3及び第４の受圧素子Ｍ4は、第３の共通電極膜１７ｄを共通の出力端子としている。第４の受圧素子Ｍ4の下に、……。
【０１７１】
このようにして、図３６においてユニット数ｎ＝１０枚積層すれば、圧電超音波プローブと同じ静電容量となる。又、空中超音波送受信用の圧電超音波プローブは、保護ケースに収められており、その厚さは１０ｍｍ程度が一般的である。一方、第９の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置においては、ユニット数ｎ＝１０枚積層した場合であってもその全体の厚さは、７００μｍ程度であり，大幅に薄いフィルム状機械電気変換装置を得ることができる。又、式（８）等を用いて、第５の実施の形態で説明したとおり、第９の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置は、送受信感度が高く、しかも広帯域となる。
【０１７２】
（第１０の実施の形態）
第５の実施の形態で説明したとおり、第５の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置の受圧面の面積が小さすぎると静電容量が不足して、感度が低下してしまう。ギャップ厚さや高分子フィルムの厚さと誘電率に依存するが、受圧面の面積は、少なくとも１ｍｍ２以上必要である、一方、受圧面の面積が大きすぎると、ギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…が音によりばたついて出力のばらつきが増加する。更に，積層しているギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…のずれの増大によりギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…間の空気ギャップ幅が増大して放電を生じてしまい、感度が劣化するので、ギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，…の厚さや測定する音の周波数帯域に依存するが、受圧面の面積は少なくとも１００ｃｍ２以下であることが好ましい。しかし、図３７に示す第１０の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置のように、フィルム状機械電気変換装置の受感部を多数のエレメントＭij-1, Ｍij, Ｍij+1,…（ｉ＝１〜ｍ；ｊ＝１〜ｎ：ｍ，ｎはそれぞれ２以上の正の整数である。）に分割し、エレメントＭij-1, Ｍij, Ｍij+1,…間はフィルムがずれないように接着した場合は、エレメントＭij-1, Ｍij, Ｍij+1,…の１つの受圧面の面積が上記の範囲であれば、フィルム状機械電気変換装置フィルム全体の面積の上限は、上記の限りではない。
【０１７３】
図３７に示すように、本発明の第１０の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置は、無負荷時において平坦な振動面を有する振動電極１５ｍと、振動電極１５ｍの振動面に、第１層のギャップ絶縁層１４１、第２層のギャップ絶縁層１４２及び第３層のギャップ絶縁層１４３の積層構造で厚みを定義したギャップ部を介して対向した平坦な第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、分極方向を揃えた高分子フィルム１３ｍと、高分子フィルム１３ｍの第２主面に接した背面電極１７ｍとを備える。振動電極１５ｍの上には、振動電極１５ｍを保護する振動層保護膜３４が設けられている。第１層のギャップ絶縁層１４１、第２層のギャップ絶縁層１４２、第３層のギャップ絶縁層１４３及び高分子フィルム１３ｍの厚さは、１〜５０μｍ程度、好ましくは１〜２５μｍ程度、更に好ましくは５〜１２μｍ程度に設定すればよい。
【０１７４】
図３７の中央のエレメントＭijに着目して説明すれば、本発明の第１０の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置を構成するエレメントＭijは、第１層のギャップ絶縁層１４１ijと高分子フィルム１３ｍとの間は、粒径が１０ｎｍ〜４０μｍの絶縁体の微粒子からなる第１スペーサ（図示省略）が挿入され、第１層のギャップ絶縁層１４１ijと第２層のギャップ絶縁層１４２ijとの間は、粒径が１０ｎｍ〜４０μｍの絶縁体の微粒子からなる第２スペーサ（図示省略）が挿入され、第２層のギャップ絶縁層１４２ijと第３層のギャップ絶縁層１４３ijとの間は、粒径が１０ｎｍ〜４０μｍの絶縁体の微粒子からなる第３スペーサ（図示省略）が挿入され、振動電極１５ｍと高分子フィルム１３ｍとの間に定義されるギャップの間隔を制御している。第３層のギャップ絶縁層１４３ijと振動電極１５ｍとは密着しており、第３層のギャップ絶縁層１４３ijは、第５の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置の振動電極絶縁フィルムと等価な機能をなしている。このように、振動電極１５ｍと高分子フィルム１３ｍとの間に、粒径が１０ｎｍ〜４０μｍの絶縁体の微粒子からなるスペーサ（図示省略）を介して複数のギャップ絶縁層１４１ij，１４２ij，１４３ij，…を積層して挿入することにより、第３層のギャップ絶縁層１４３ijと第２層のギャップ絶縁層１４２ijとの間、第２層のギャップ絶縁層１４２ijと第１層のギャップ絶縁層１４１ijとの間、第１層のギャップ絶縁層１４１ijと高分子フィルム１３ｍとの間に、それぞれマイクロギャップを定義し、エレメントＭijにおけるそれぞれの間隔を制御している。
【０１７５】
第１〜第３スペーサとなる微粒子の粒径を１００μｍ以下とすれば、それぞれのマイクロギャップを定義する面の実効的な表面粗さＲａeffを、第３層のギャップ絶縁層１４３ijの下面と高分子フィルム１３ｍの上面との間に、それぞれのエレメント毎に定義されるエレメント空間のギャップ幅の１／１０以下にすることができる（実効的な表面粗さＲａeffには負荷時の撓みが含まれる。）。しかしながら、柔軟で形状の自由度が高いフィルム状機械電気変換装置を実現するためには、第１〜第３スペーサとなる微粒子の粒径を１０ｎｍ〜１０μｍとすれば、全体の厚さがより薄くなるので好ましく、更に、１０ｎｍ〜５μｍの範囲で、より１０ｎｍに近い粒径が望ましいことは勿論である。背面電極１７ｍと高分子フィルム１３ｍとは、金属学的に接合していてもよく、接着剤等により接着されていてもよく、或いは、機械的な圧力で単に接している状態でもよい。
【０１７６】
高分子フィルム１３ｍの底面には、絶縁材料からなるスペーサフィルム３１が貼り付けられ、スペーサフィルム３１の底面には、導電性（金属製）のシールド導電体膜３２が設けられ、シールド導電体膜３２の底面には、シールド導電体保護膜３３が設けられている。シールド導電体保護膜３３とシールド導電体膜３２とでシールド板を構成している。スペーサフィルム３１及びシールド導電体保護膜３３の厚さは、５〜１５０μｍ程度、好ましくは５０〜１００μｍ程度の値に設定可能である。図３７の背面電極１７ｍの下方の左側端部近傍に示すように、スペーサフィルム３１の一部に設けられた空洞部には、増幅回路１９が収納されている。増幅回路１９は、背面電極１７ｍの左側端部近傍において、回路基板１８の上に搭載（マウント）されている。回路基板１８にはスルーホール（ビア）が設けられ、スルーホール（ビア）を介して、増幅回路１９は、背面電極１７ｍの左側端部近傍に融着されたハンダを介して、背面電極１７ｍに電気的に接続されている。図示を省略しているが、増幅回路１９からの接地配線はシールド導電体膜３２とハンダで接続されている。送信用フィルム状機械電気変換装置においては、増幅回路１９は入力された電気信号を増幅して、振動電極１５ｍと背面電極１７ｍ間に印加する。一方、受信用フィルム状機械電気変換装置においては、増幅回路１９は、振動電極１５ｍと背面電極１７ｍ間に、振動電極１５ｍの変位に伴い誘導される電荷を増幅して測定する。送信用フィルム状機械電気変換装置においては、振動電極１５ｍは、振動電極１５ｍと背面電極１７ｍ間に増幅回路１９を介して電気信号を入力することにより振動する。一方、受信用フィルム状機械電気変換装置においては、振動電極１５ｍは、外部から音響を受けることにより振動する。
【０１７７】
例えば、図３７において、厚さ１００μｍのＰＶＣフィルムを振動層保護膜３４とし、厚さ１０μｍのＡｌ膜を振動電極１５ｍ、背面電極１７ｍ及びシールド導電体膜３２とし、厚さ５０μｍのＰＴＦＥフィルムをスペーサフィルム３１とし、厚さ１０μｍのＰＦＡフィルムを高分子フィルム１３ｍとし、厚さ５μｍの３枚のＰＦＡフィルムをそれぞれ第１層のギャップ絶縁層１４１、第２層のギャップ絶縁層１４２及び第３層のギャップ絶縁層１４３とすることができる。第３層のギャップ絶縁層１４３に振動電極１５ｍをＡｌ蒸着することにより、振動電極１５ｍと第３層のギャップ絶縁層１４３とが密着する。同様に、高分子フィルム１３ｍに背面電極１７ｍをＡｌ蒸着することにより、高分子フィルム１３ｍと背面電極１７ｍとが密着し、スペーサフィルム３１にシールド導電体膜３２をＡｌ蒸着することにより、スペーサフィルム３１とシールド導電体膜３２とが密着する。
【０１７８】
図３７に示す第１０の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置において、エレメントＭij-1とエレメントＭijとの間、エレメントＭijとエレメントＭij+1との間は熱圧着などで接着しているので、エレメントＭij-1, Ｍij, Ｍij+1,…の部分よりも厚さが薄くなっている。高分子フィルム１３ｍは、エレメントＭij-1, Ｍij, Ｍij+1,…に相当する領域上部で針電極によるコロナ放電を生じさせて高分子フィルム１３ｍを帯電させ，エレメントＭij-1, Ｍij, Ｍij+1,…にそれぞれ、エレクトレッ領域を生じさせる。
【０１７９】
又、第１０の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置の場合、エレメントＭij-1, Ｍij, Ｍij+1,…の高分子フィルム１３ｍとして、ＰＺＴやＬｉＮｂＯ３のような強誘電体を使用することも可能である。しかし、その場合、柔軟性は低下し、エレメントＭij-1とエレメントＭijとの間、エレメントＭijとエレメントＭij+1との間等、エレメント間でのみ変形可能となる。
【０１８０】
（第１１の実施の形態）
図３８〜図４０に示すように、信号を出力する内部電極膜１７ｎと、シールドとして機能する外部電極膜１５ｐ，１５ｑに対し、それぞれマトリクス状にＬ字型の空隙部を配列したパターニングを施すことにより、２次元的に配置されたエレメントＭij-1, Ｍij, Ｍij+1,…（ｉ＝１〜ｍ；ｊ＝１〜ｎ：ｍ，ｎはそれぞれ２以上の正の整数である。）間にエレメント分離領域Ｊrs-1, Ｊrs, Ｊrs+1,…（ｒ，ｓは、配線のトポロジーで決まる整数である。）が生じる。図４０に示すように、内部電極膜１７ｎのパターンと、外部電極膜１５ｐ，１５ｑのパターンとでは、Ｌ字型の空隙部の方向及び位置が互いに異なるが、信号を出力する内部電極膜１７ｎには増幅回路１９が接続され、シールドとして機能する外部電極膜１５ｐ，１５ｑは接地されている。
【０１８１】
エレメント分離領域Ｊrs-1, Ｊrs, Ｊrs+1,…を設けることにより、薄膜を積層した際に、エレメントＭij-1, Ｍij, Ｍij+1,…のそれぞれにおいて、垂直方向に配列された金属配線間の浮遊容量を低減できる。又、高分子フィルムのみからなるエレメント分離領域Ｊrs-1, Ｊrs, Ｊrs+1,…において、エレメントＭij-1, Ｍij, Ｍij+1,…をそれぞれ積層構造により構成する複数の薄膜間を接着しやすくなる。
【０１８２】
図３９は、図３８のＡ−Ａ方向から見た断面図であり、エレメントＭ21, Ｍ22, Ｍ23を例示的に示すが、エレメントＭ21の左側の高分子フィルムのみからなるエレメント分離領域Ｊ11、エレメントＭ21とエレメントＭ22との間の高分子フィルムのみからなるエレメント分離領域Ｊ32、エレメントＭ22とエレメントＭ23との間の高分子フィルムのみからなるエレメント分離領域Ｊ34、エレメントＭ23の右側の高分子フィルムのみからなるエレメント分離領域Ｊ36は、熱圧着などで接着可能となるので、エレメントＭ21, Ｍ22, Ｍ23,…の部分よりも厚さが薄くなっている。
【０１８３】
図３９の断面図に示すように、本発明の第１１の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置は、それぞれのエレメントＭ21, Ｍ22, Ｍ23,…の構造は、図３２に示した第７の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置、或いは図３５に示した第９の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置と類似しており、共通背面電極として機能する内部電極膜１７ｎの上に設けられるエレメントＭij-1, Ｍij, Ｍij+1,…のそれぞれの上側エレメントは、無負荷時において平坦な振動面を有する上側振動電極１５ｐと、上側振動電極１５ｐの振動面に、第１層の上側ギャップ絶縁層１４１ｐ、第２層の上側ギャップ絶縁層１４２ｐ及び第３層の上側ギャップ絶縁層１４３ｐの積層構造で厚みを定義したギャップ部を介して対向した平坦な第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、分極方向を揃えた上側高分子フィルム１３ｐと、上側高分子フィルム１３ｐの第２主面に接した背面電極として機能する内部電極膜１７ｎとを備える。上側振動電極１５ｐの上には、上側振動電極１５ｐを保護する上側振動層保護膜３４ｐが設けられている。
【０１８４】
一方、内部電極膜１７ｎの下に設けられるエレメントＭ21, Ｍ22, Ｍ23,…のそれぞれの下側エレメントは、無負荷時において平坦な振動面を有する下側振動電極１５ｑと、下側振動電極１５ｑの振動面に、第１層の下側ギャップ絶縁層１４１ｑ、第２層の下側ギャップ絶縁層１４２ｑ及び第３層の下側ギャップ絶縁層１４３ｑの積層構造で厚みを定義したギャップ部を介して対向した平坦な第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、分極方向を揃えた下側高分子フィルム１３ｑと、下側高分子フィルム１３ｑの第２主面に接した背面電極として機能する内部電極膜１７ｎとを備える。下側振動電極１５ｑの下には、下側振動電極１５ｑを保護する下側振動層保護膜３４ｑが設けられている。第１層の上側ギャップ絶縁層１４１ｐ、第２層の上側ギャップ絶縁層１４２ｐ、第３層の上側ギャップ絶縁層１４３ｐ及び上側高分子フィルム１３ｐの厚さは、１〜５０μｍ程度、好ましくは１〜２５μｍ程度、更に好ましくは５〜１２μｍ程度に設定すればよく、第１層の下側ギャップ絶縁層１４１ｑ、第２層の下側ギャップ絶縁層１４２ｑ、第３層の下側ギャップ絶縁層１４３ｑ及び下側高分子フィルム１３ｑの厚さは、１〜５０μｍ程度、好ましくは１〜２５μｍ程度、更に好ましくは５〜１２μｍ程度に設定すればよい。
【０１８５】
図３９の中央のエレメントＭ22に着目して説明すれば、本発明の第１１の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置を構成するエレメントＭ22は、第１層の上側ギャップ絶縁層１４１ｐ22と上側高分子フィルム１３ｐとの間は、粒径が１０ｎｍ〜４０μｍの絶縁体の微粒子からなる第１スペーサ（図示省略）が挿入され、第１層の上側ギャップ絶縁層１４１ｐ22（図３９においては、エレメントＭ22の内部構造を示す22の添え字を省略しているが、図３７と同様な関係である。）と第２層の上側ギャップ絶縁層１４２ｐ22との間は、粒径が１０ｎｍ〜４０μｍの絶縁体の微粒子からなる第２スペーサ（図示省略）が挿入され、第２層の上側ギャップ絶縁層１４２ｐ22と第３層の上側ギャップ絶縁層１４３ｐ22との間は、粒径が１０ｎｍ〜４０μｍの絶縁体の微粒子からなる第３スペーサ（図示省略）が挿入され、上側振動電極１５ｐと上側高分子フィルム１３ｐとの間に定義されるギャップの間隔を制御している。第３層の上側ギャップ絶縁層１４３ｐ22と上側振動電極１５ｐとは密着しており、第３層の上側ギャップ絶縁層１４３ｐ22は、第５の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置の振動電極絶縁フィルムと等価な機能をなしている。このように、上側振動電極１５ｐと上側高分子フィルム１３ｐとの間に、粒径が１０ｎｍ〜４０μｍの絶縁体の微粒子からなるスペーサ（図示省略）を介して複数の上側ギャップ絶縁層１４１ｐ22，１４２ｐ22，１４３ｐ22，…を積層して挿入することにより、第３層の上側ギャップ絶縁層１４３ｐ22と第２層の上側ギャップ絶縁層１４２ｐ22との間、第２層の上側ギャップ絶縁層１４２ｐ22と第１層の上側ギャップ絶縁層１４１ｐ22との間、第１層の上側ギャップ絶縁層１４１ｐ22と上側高分子フィルム１３ｐとの間に、それぞれマイクロギャップを定義し、エレメントＭ22におけるそれぞれの間隔を制御している。
【０１８６】
第１〜第３スペーサとなる微粒子の粒径を１００μｍ以下とすれば、それぞれのマイクロギャップを定義する面の実効的な表面粗さＲａeffを、第３層の上側ギャップ絶縁層１４３ｐ22の下面と上側高分子フィルム１３ｐの上面との間に、それぞれのエレメント毎に定義されるエレメント空間のギャップ幅の１／１０以下にすることができる（実効的な表面粗さＲａeffには負荷時の撓みが含まれる。）。しかしながら、柔軟で形状の自由度が高いフィルム状機械電気変換装置を実現するためには、第１〜第３スペーサとなる微粒子の粒径を１０ｎｍ〜１０μｍとすれば、全体の厚さがより薄くなるので好ましく、更に、１０ｎｍ〜５μｍの範囲で、より１０ｎｍに近い粒径が望ましいことは勿論である。
【０１８７】
同様に、第１層の下側ギャップ絶縁層１４１ｑ22と下側高分子フィルム１３ｑとの間は、粒径が１０ｎｍ〜４０μｍの絶縁体の微粒子からなる第１スペーサ（図示省略）が挿入され、第１層の下側ギャップ絶縁層１４１ｑ22と第２層の下側ギャップ絶縁層１４２ｑ22との間は、粒径が１０ｎｍ〜４０μｍの絶縁体の微粒子からなる第２スペーサ（図示省略）が挿入され、第２層の下側ギャップ絶縁層１４２ｑ22と第３層の下側ギャップ絶縁層１４３ｑ22との間は、粒径が１０ｎｍ〜４０μｍの絶縁体の微粒子からなる第３スペーサ（図示省略）が挿入され、下側振動電極１５ｑと下側高分子フィルム１３ｑとの間に定義されるギャップの間隔を制御している。第３層の下側ギャップ絶縁層１４３ｑ22と下側振動電極１５ｑとは密着しており、第３層の下側ギャップ絶縁層１４３ｑ22は、第５の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置の振動電極絶縁フィルムと等価な機能をなしている。このように、下側振動電極１５ｑと下側高分子フィルム１３ｑとの間に、粒径が１０ｎｍ〜４０μｍの絶縁体の微粒子からなるスペーサ（図示省略）を介して複数の下側ギャップ絶縁層１４１ｑ22，１４２ｑ22，１４３ｑ22，…を積層して挿入することにより、第３層の下側ギャップ絶縁層１４３ｑ22と第２層の下側ギャップ絶縁層１４２ｑ22との間、第２層の下側ギャップ絶縁層１４２ｑ22と第１層の下側ギャップ絶縁層１４１ｑ22との間、第１層の下側ギャップ絶縁層１４１ｑ22と下側高分子フィルム１３ｑとの間に、それぞれマイクロギャップを定義し、エレメントＭ22におけるそれぞれの間隔を制御している。
【０１８８】
第１〜第３スペーサとなる微粒子の粒径を１００μｍ以下とすれば、それぞれのマイクロギャップを定義する面の実効的な表面粗さＲａeffを、下側高分子フィルム１３ｑの下面と第３層の下側ギャップ絶縁層１４３ｑ22の上面との間に、それぞれのエレメント毎に定義されるエレメント空間のギャップ幅の１／１０以下にすることができる（実効的な表面粗さＲａeffには負荷時の撓みが含まれる。）。しかしながら、柔軟で形状の自由度が高いフィルム状機械電気変換装置を実現するためには、第１〜第３スペーサとなる微粒子の粒径を１０ｎｍ〜１０μｍとすれば、全体の厚さがより薄くなるので好ましく、更に、１０ｎｍ〜５μｍの範囲で、より１０ｎｍに近い粒径が望ましいことは勿論である。内部電極膜１７ｎと上側高分子フィルム１３ｐとは、或いは、内部電極膜１７ｎと下側高分子フィルム１３ｑとは、金属学的に接合していてもよく、接着剤等により接着されていてもよく、或いは、機械的な圧力で単に接している状態でもよい。
【０１８９】
第１１の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置においては、このフィルム状機械電気変換装置を変形させずに平面状態で使用する場合、フィルム状機械電気変換装置を構成するフィルムのずれを懸念する必要はない。そのため，エレメントＭ22-1, Ｍ22, Ｍ22+1,…の接着を省略し、高分子フィルムのみからなるエレメント分離領域Ｊrs-1, Ｊrs, Ｊrs+1,…において、高分子フィルム１３ｐ，１３ｑによる静電力だけでフィルムを吸着させて使用することができる。
【０１９０】
図３８〜図４０に示す第１１の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置は、エレメントＭ22-1, Ｍ22, Ｍ22+1,…の各電極層１５ｐ，１５ｑ，１７ｎが、それぞれ２次元方向で何らかの形で導通していれば，フィルム状機械電気変換装置間の一部を切断してもフィルム状機械電気変換装置として動作する。したがって、図３８〜図４０のような構造で大面積のフィルム状機械電気変換装置フィルムを製造した後、使用状況（被測定対象物の形状）に応じて図４１（ａ）のようにエレメント間を切断して平面的な形状を変更することが可能である。そして，使用箇所（被測定対象物）に接着する際に、図４１（ｂ）のように切断面を絶縁接着材５１によりシーリングすれば、被測定対象物の形状に適合した任意の平面形状に加工して、フィルム状機械電気変換装置を使用することができる。
【０１９１】
（第１２の実施の形態）
図３８〜図４０に示す２次元的に配列されたエレメントＭij-1,  Ｍij,  Ｍij+1,…の内部電極膜１７ｎを、ランダムアクセス可能なように、切り離して、多数のフィルム状機械電気変換装置アレイを構成すれば、音圧分布が測定可能な２次元センサ（音響イメージセンサ）としてのフィルム状機械電気変換装置ができる。
【０１９２】
本発明の第１２の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置（音響イメージセンサ）は、図４２に示すように、センサアレイ部７１と周辺回路部（７２，７３，７４，７５，７７）とを同一の高分子フィルム上に集積化している。センサアレイ部７１には、２次元マトリクス状に多数のエレメントＸij（ｉ＝１〜ｍ；ｊ＝１〜ｎ：ｍ，ｎはそれぞれ整数である。）が配列されており、方形状の音圧分布測定領域を構成している。そして、このセンサアレイ部７１の左辺部にはタイミング発生回路７４を介して垂直シフトレジスタ（垂直走査回路）７３が、下辺部には水平シフトレジスタ（水平走査回路）７２が設けられ、センサアレイ部７１の右辺部の下辺側にはバイアス発生回路７７が設けられている。図４２では、ｉ行ｊ列のエレメントＸijにのみ、その内部構造を例示しているが、それぞれのエレメントＸ11〜Ｘ1m；Ｘ21〜Ｘ2m；…；Ｘi1〜Ｘim；…；Ｘn1〜Ｘnmは、ｉ行ｊ列のエレメントＸijと同様に、音圧検出素子Ｄ11〜Ｄ1m；Ｄ21〜Ｄ2m；…；Ｄi1〜Ｄim；  …；Ｄn1〜Ｄnm及び増幅回路（電荷読み出し用バッファアンプ）Ａ11〜Ａ1m；Ａ21〜Ａ2m；…；Ａi1〜Ａim；…；Ａn1〜Ａnmを備える。音圧検出素子Ｄij（ｉ＝１〜ｍ；ｊ＝１〜ｎ：ｍ，ｎはそれぞれ整数である。）は、図４３に示すように、振動電極１５ｍと、振動電極１５ｍの振動面に、第１層のギャップ絶縁層１４１、第２層のギャップ絶縁層１４２及び第３層のギャップ絶縁層１４３の積層構造で厚みを定義したギャップ部を介して対向した平坦な第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、分極方向を揃えた高分子フィルム１３ｍと、高分子フィルム１３ｍの第２主面に、エレメントＸij-1,  Ｘij,  Ｘij+1,…の配列に対応して、個別に設けられた背面電極１７ij-1,  １７ij,  １７ij+1,…とを備える。振動電極１５ｍの上には、振動電極１５ｍを保護する振動層保護膜３４が設けられている。
【０１９３】
図４２に示すタイミング発生回路７４及びタイミング発生回路７４により駆動される垂直シフトレジスタ（垂直走査回路）７３、並びに水平シフトレジスタ（水平走査回路）７２によってセンサアレイ部７１内のエレメントＸijが順次走査され、エレメント信号の読み出しが実行される。即ち、本発明の第１２の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置では、センサアレイ部７１を各エレメント行Ｘ11〜Ｘ1m；Ｘ21〜Ｘ2m；…；Ｘi1〜Ｘim；…；Ｘn1〜Ｘnm単位で垂直方向に走査することにより、各エレメント行Ｘ11〜Ｘ1m；Ｘ21〜Ｘ2m；…；Ｘi1〜Ｘim；…；Ｘn1〜Ｘnmのエレメント信号を各エレメント列Ｘ11〜Ｘn1；Ｘ12〜Ｘn2；…；Ｘ1j〜Ｘnj；…；Ｘ1m〜Ｘnm毎に設けられた垂直信号線Ｂj-1, Ｂj, Ｂj+1,…（簡単化のために図４２では、センサアレイ部７１のｊ列目の垂直信号線Ｂjのみを図示を省略している。）によってエレメント信号を読み出す構成となっている。
【０１９４】
図４２に示したように、センサアレイ部７１のｊ列目の垂直信号線Ｂjには、共通の負荷となる定電流トランジスタTLNjが接続され，例えばｉ行ｊ列目の増幅回路Ａijと，定電流トランジスタTLNjとによって，ソースフォロワ回路が形成され、ソースフォロワ回路の出力Ｖoutjがｊ列目のカラム処理回路に読み出される。図示を省略しているが、他の列の垂直信号線Ｂ1，Ｂ2，・・・・・，Ｂj-1，Ｂj+1，・・・・・，Ｂmにも同様に、共通の負荷となる定電流トランジスタＴLN1，ＴLN2，・・・・・，ＴLNj-1，ＴLNj+1，・・・・・，ＴLNmがそれぞれ接続されてソースフォロワ回路が形成され、ソースフォロワ回路の出力Ｖout1，Ｖout2，・・・・・，Ｖoutj-1，Ｖoutj+1，・・・・・，Ｖoutmが、それぞれの列のカラム処理回路に読み出される。
【０１９５】
各エレメントＸ11〜Ｘ1m；Ｘ21〜Ｘ2m；…；Ｘi1〜Ｘim；…；Ｘn1〜Ｘnmからの信号読み出しをするように、センサアレイ部７１の下段（出力側）には、信号処理部７５が設けられている。センサアレイ部７１から垂直信号線Ｂj-1, Ｂj, Ｂj+1,…を介して読み出されたエレメント列Ｘ11〜Ｘn1のエレメント信号は、この信号処理部７５の第１列カラム処理回路に順次入力され、信号処理が施される。同様に、エレメント列Ｘ12〜Ｘn2のエレメント信号は、この信号処理部７５の第２列カラム処理回路に順次入力され、エレメント固有ノイズの除去処理が施され、…、エレメント列Ｘ1j〜Ｘnjのエレメント信号は、この信号処理部７５の第ｊ列カラム処理回路に順次入力され、信号処理が施される。又、エレメント列Ｘ1m〜Ｘnmのエレメント信号は、この信号処理部７５の第ｍ列カラム処理回路に順次入力され、信号処理が施される。
【０１９６】
図４３の中央のエレメントＸij（音圧検出素子Ｄij）に着目して断面構造を説明すれば、本発明の第１２の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置（音響イメージセンサ）を構成する音圧検出素子Ｄijは、第１層のギャップ絶縁層１４１ijと高分子フィルム１３ｍとの間は、粒径が１０ｎｍ〜４０μｍの絶縁体の微粒子からなる第１スペーサ（図示省略）が挿入され、第１層のギャップ絶縁層１４１ijと第２層のギャップ絶縁層１４２ijとの間は、粒径が１０ｎｍ〜４０μｍの絶縁体の微粒子からなる第２スペーサ（図示省略）が挿入され、第２層のギャップ絶縁層１４２ijと第３層のギャップ絶縁層１４３ijとの間は、粒径が１０ｎｍ〜４０μｍの絶縁体の微粒子からなる第３スペーサ（図示省略）が挿入され、振動電極１５ｍと高分子フィルム１３ｍとの間に定義されるギャップの間隔を制御している。第３層のギャップ絶縁層１４３ijと振動電極１５ｍとは密着しており、第３層のギャップ絶縁層１４３ijは、第５の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置（音響イメージセンサ）の振動電極絶縁フィルムと等価な機能をなしている。このように、振動電極１５ｍと高分子フィルム１３ｍとの間に、粒径が１０ｎｍ〜４０μｍの絶縁体の微粒子からなるスペーサ（図示省略）を介して複数のギャップ絶縁層１４１ij，１４２ij，１４３ij，…を積層して挿入することにより、第３層のギャップ絶縁層１４３ijと第２層のギャップ絶縁層１４２ijとの間、第２層のギャップ絶縁層１４２ijと第１層のギャップ絶縁層１４１ijとの間、第１層のギャップ絶縁層１４１ijと高分子フィルム１３ｍとの間に、それぞれマイクロギャップを定義し、音圧検出素子Ｄijにおけるそれぞれの間隔を制御している。
【０１９７】
第１〜第３スペーサとなる微粒子の粒径を１００μｍ以下とすれば、それぞれのマイクロギャップを定義する面の実効的な表面粗さＲａeffを、第３層のギャップ絶縁層１４３ijの下面と高分子フィルム１３ｍの上面との間に、それぞれのエレメント毎に定義されるエレメント空間のギャップ幅の１／１０以下にすることができる（実効的な表面粗さＲａeffには負荷時の撓みが含まれる。）。しかしながら、柔軟で形状の自由度が高いフィルム状機械電気変換装置を実現するためには、第１〜第３スペーサとなる微粒子の粒径を１０ｎｍ〜１０μｍとすれば、全体の厚さがより薄くなるので好ましく、更に、１０ｎｍ〜５μｍの範囲で、より１０ｎｍに近い粒径が望ましいことは勿論である。互いに分離して設けられた背面電極１７ij-1,  １７ij,  １７ij+1,…のそれぞれと、高分子フィルム１３ｍとは、金属学的に接合していてもよく、接着剤等により接着されていてもよく、或いは、機械的な圧力で単に接している状態でもよい。
【０１９８】
高分子フィルム１３ｍの底面には、絶縁材料からなるスペーサフィルム３１が貼り付けられ、エレメントＸij-1,  Ｘij,  Ｘij+1,…の配列に対応して、スペーサフィルム３１には、順に空洞部が設けられ、空洞部にはそれぞれ、増幅回路（電荷読み出し用バッファアンプ）Ａij-1,  Ａij,  Ａij+1,…が収納されている。増幅回路Ａij-1,  Ａij,  Ａij+1,…は、エレメントＸij-1,  Ｘij,  Ｘij+1,…のそれぞれの背面電極１７ij-1,  １７ij,  １７ij+1,…の下面に接合（搭載）された回路基板１８ij-1,  １８ij,  １８ij+1,…の上に搭載（マウント）されている。回路基板１８ij-1１８ij,  １８ij+1,…のそれぞれにはスルーホール（ビア）が設けられ、それぞれのスルーホール（ビア）を介して、増幅回路Ａij-1,  Ａij,  Ａij+1,…は、背面電極１７ij-1,  １７ij,  １７ij+1,…に融着されたハンダボール等の接続手段を介して、背面電極１７ij-1,  １７ij,  １７ij+1,…に、それぞれ独立して電気的に接続されている。
【０１９９】
スペーサフィルム３１の底面には、導電性（金属製）のシールド導電体膜３２が設けられ、シールド導電体膜３２の底面には、シールド導電体保護膜３３が設けられている。シールド導電体保護膜３３を介して、紙面に垂直方向に垂直信号線Ｂj-1, Ｂj, Ｂj+1,…が、走行し、垂直信号線Ｂj-1, Ｂj, Ｂj+1,…のそれぞれは、対応する列の増幅回路Ａij-1,  Ａij,  Ａij+1,…に接続されている。垂直信号線Ｂj-1, Ｂj, Ｂj+1,…を被覆するように、シールド導電体保護膜３３の下面には層間絶縁膜３８が設けられ、この層間絶縁膜３８を介して、増幅回路Ａij-1,  Ａij,  Ａij+1,…に直交するように、リセット信号配線Ｒiが設けられている。断面図上では、図示を省略しているが、紙面の奥に。増幅回路Ａij-1,  Ａij,  Ａij+1,…に直交するように、垂直選択信号配線Ｓiが走行している（図４２参照。）。リセット信号配線Ｒi及び図示を省略した垂直選択信号配線Ｓiを被覆するように、層間絶縁膜３８の下面にはパッシベーション膜３９が設けられている。
【０２００】
図４４は、スペーサフィルム３１の空洞部にエレメントＸij-1,  Ｘij,  Ｘij+1,…の配列に対応して配置される増幅回路Ａijの例を示す。図４４に示すように、背面電極１７ijにはハンダボール等で融着した金属配線を介して、増幅回路Ａijを構成する信号読み出しトランジスタ（増幅トランジスタ）ＴAijのゲート電極と、リセットトランジスタＴＲijのソース電極が接続されている。リセットトランジスタＴＲijのドレイン電極及び信号読み出しトランジスタ（増幅トランジスタ）ＴAijのドレイン電極は、それぞれ電源ＶDDに接続され、信号読み出しトランジスタ（増幅トランジスタ）ＴAijのソース電極はエレメント選択用のスイッチングトランジスタＴＳijのドレイン電極に接続されている。リセットトランジスタＴRijのリセットゲート電極に対し、リセット信号配線Ｒiの電位をハイ（Ｈ）レベル（Ｒi＝“１”）にして、背面電極１７ijに蓄積された電荷をそれぞれ吐き出し、背面電極１７ijに蓄積された電荷をリセットする。エレメント選択用のスイッチングトランジスタＴＳijのソース電極は、ｊ列の垂直信号線Ｂjに接続され、ゲート電極にはｉ行の水平ラインの垂直選択信号配線Ｓiの信号タイミング発生回路７４に駆動されて垂直シフトレジスタ（垂直走査回路）７３から与えられる。
【０２０１】
図４４に示す垂直信号線Ｂjの場合、増幅回路Ａijのエレメント選択用のスイッチングトランジスタＴＳijのゲート電極にｉ行の垂直選択信号配線Ｓiをハイレベル（Ｓi＝“１”）にする信号を印加してスイッチングトランジスタＴＳijを導通させ、且つ、定電流トランジスタTLNjのゲート電極に、バイアス発生回路７７から一定電圧Ｖbを印加することにより、信号読み出しトランジスタ（増幅トランジスタ）ＴAijで増幅された背面電極１７ijに蓄積された電荷をソースフォロワ回路の出力Ｖoutjとしてセンサアレイ部７１の外に読み出す。
【０２０２】
図４３のように，独立したエレメントＸij-1,  Ｘij,  Ｘij+1,…の下部に増幅回路Ａij-1,  Ａij,  Ａij+1,…を設置し、出力を取り出せば，各エレメントＸij-1,  Ｘij,  Ｘij+1,…の音圧検出素子Ｄij-1,  Ｄij,  Ｄij+1,…からの出力が得られ、音圧分布を知ることができる。
【０２０３】
又、第１２の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置を圧力センサとして使用すれば、１０Ｈｚ以上の圧力変動分布を測定可能である。これは、例えば木材のような材質分布をもつ材料の振動特性を把握する際に、振動の反射と伝播を可視化することができ、有用な検査ツールとなる。
【０２０４】
なお、第１２の実施の形態の説明においては、２次元アレイ（エリアセンサ）について例示的に説明したが、図４２に示した２次元マトリクスにおいて、ｊ＝ｍ＝１として、複数のエレメントを１次元に配列してもよいことは、上記開示の内容から、容易に理解できるはずである。
【０２０５】
（第１３の実施の形態）
本発明の第１３の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置のマイクロギャップは、図４５に示すように、独立気泡６２ｂを含む高分子フィルム６１ｂ（図４６参照。）が、振動電極１５ｂとエレクトレット層１３との間に定義されるエレメント空間に挿入されることにより構成される。
【０２０６】
図４５に示すように、本発明の第１３の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置は、振動電極１５ｂと、振動電極１５ｂとの間にエレメント空間を設けるように対向したエレクトレット層１３と、エレクトレット層１３の下面に接した背面電極１７と、エレクトレット層１３の上面に設けられたエレクトレット絶縁層６４と、振動電極絶縁フィルム１５ａとエレクトレット絶縁層６４との間に設けられた独立気泡６２ｂを含む高分子フィルム６１ｂと、振動電極１５ｂと背面電極１７との間に電気的に接続された増幅回路（半導体チップ）１９とを備える。振動層１５は、無負荷時において平坦な振動面を有する。エレクトレット絶縁層６４の上面には複数の突起６３が設けられ、高分子フィルム６１ｂは複数の突起６３を介してエレクトレット絶縁層６４の上面に設けられている。複数の突起６３の間隔は、例えば１〜３ｍｍ程度，複数の突起６３の例えば高さ５〜２０μｍ，複数の突起６３のそれぞれの曲率は、例えば１５〜３５ｍｍ程度とすればよい。なお、振動電極絶縁フィルム１５ａとエレクトレット絶縁層６４との間には、図４７に示すような、独立気泡６２ａを含む高分子フィルム６１ａを挿入してもよい。
【０２０７】
図４５に示すように、独立気泡６２ｂを含む高分子フィルム６１ｂは箱形の絶縁容器（１２ｂ，１２ｄ）の内部に収納され、振動層１５がこの絶縁容器（１２ｂ，１２ｄ）の蓋部をなし、背面電極１７がこの絶縁容器（１２ｂ，１２ｄ）の底板をなしている。更に、独立気泡６２ｂを含む高分子フィルム６１ｂが、絶縁容器（１２ｂ，１２ｄ）の内部に収納された構造が、増幅回路１９とともに、絶縁材料からなるスペーサフィルム１２ａを底板とする絶縁容器（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）に収納されている。振動層１５は、この絶縁容器（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）の蓋部をなしている。絶縁容器（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）の底部には、導電性（金属製）のシールド導電体膜１１ｂが設けられ、シールド導電体膜１１ｂの底部には、シールド導電体保護膜１１ａが設けられている。シールド導電体保護膜１１ａとシールド導電体膜１１ｂとでシールド板１１を構成している。スペーサフィルム１２ａ及びシールド導電体保護膜１１ａの厚さは、５〜１５０μｍ程度、好ましくは５０〜１００μｍ程度の値に設定可能である。増幅回路１９は、背面電極１７の左側端部近傍において、回路基板１８の上に搭載（マウント）されている。回路基板１８にはスルーホール（ビア）が設けられ、スルーホール（ビア）を介して、増幅回路１９は、背面電極１７の左側端部近傍に融着されたハンダを介して、背面電極１７に電気的に接続されている。図示を省略しているが、増幅回路１９からの接地配線はシールド板１１のシールド導電体膜１１ｂとハンダで接続されている。
【０２０８】
図４６及び図４７に示すような、独立気泡６２ｂ，６２ａを含む高分子フィルム６１ｂ，６１ａのサイズは微粒子の粒径や突起の高さと同じく、電界Ｅの方向に１０ｎｍ〜４０μｍの大きさで区切られた空気ギャップを構成するような大きさ及びトポロジーが好ましい。特に、図４６に示したタイプは、高分子フィルム６１ｂとしてのＰＰフィルムを延伸処理することによって、電界Ｅの方向となる垂直方向は１μｍ程度、水平方向は１００μｍ程度の独立気泡６２ｂが発泡して、多孔質フィルムとなる。電界Ｅの方向に１０ｎｍ〜４０μｍの大きさで区切られた空気ギャップを構成していれば、水平方向（エレクトレットからの電界Ｅに対して垂直方向）は連続した空間をなすような独立気泡のトポロジーでも構わない。
【０２０９】
通常、フィルムを突起６３の上に積層し静電力がフィルム面に作用すると、フィルムが撓むが、図４６及び図４７に示すように、独立気泡６２ｂ，６２ａを多く含む高分子フィルム６１ｂ，６１ａのような多孔質体は、突起６３に接触している面は大きく撓むものの、撓みは高分子フィルム６１ｂ，６１ａ内部で吸収され、突起６３に接触していない面はほとんど撓まない。これを利用すれば、振動電極１５ｂの中心線平均粗さＲａを振動電極１５ｂの下面とエレクトレット層１３の上面との間で定義されるギャップ幅の１０分の１以下に抑えながら、突起６３によるマイクロフォンの変形を大きくすることが可能となる。このような独立気泡６２ｂ，６２ａを含む多孔質体はポリプロピレン（ＰＰ）などの熱可塑性プラスチックに発泡材を添加し、溶融して発砲させ、延伸加工することにより製造できる。
【０２１０】
第１３の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置の製造方法は、基本的には、図２３〜図２８に示した第５の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置の製造方法と同様である。即ち：
（ａ）まず、ＰＶＣフィルム等のシールド導電体保護膜１１ａの上にシールド導電体膜１１ｂとなるアルミニウム（Ａｌ）を蒸着し、シールド板１１を構成する。このシールド板１１を、絶縁材料からなるスペーサフィルム１２ａの裏面に貼り付ける。更に、スペーサフィルム１２ａの上面にＡｌフィルムを貼り付けた後、パターニングして背面電極１７を形成する。背面電極１７の一部には、図２３に示すように、浅い溝部１７ｇを設けておく。そして、図２３に示すように、この背面電極１７の上面の一部に厚さ２５μｍのＰＴＦＥフィルムを貼り付ける。背面電極１７の上にＰＴＦＥフィルムを形成した後、図２４に示すように、コロナ放電によりＰＴＦＥフィルムを帯電させる。
【０２１１】
（ｂ）そして、図２５に示すように、絶縁材料からなるスペーサフィルム１２ａを底板として、箱の側板として機能する側壁フィルム１２ｂ、１２ｄをＰＴＦＥフィルムの周りに配置し、箱型の絶縁容器（１２ａ，１２ｂ，１２ｄ，１２ｅ）を組み立てる。この際、庇１２ｅを有する絶縁層１２ｄを背面電極１７の一部に設けた浅い溝部１７ｇに嵌め込む。
【０２１２】
（ｃ）この箱型の絶縁容器（１２ａ，１２ｂ，１２ｄ，１２ｅ）の内部に、厚さ２５μｍの別のＰＴＦＥフィルムをエレクトレット層１３の上にエレクトレット絶縁層６４として積層する。そして、エレクトレット絶縁層６４上面に、スプレーコーティングにより窒化ホウ素の微粒子からなる複数の突起６３を形成する。複数の突起６３の間隔は、例えば２ｍｍ程度，複数の突起６３のそれぞれの高さは例えば１０μｍ程度，複数の突起６３のそれぞれの曲率は例えば２５ｍｍ程度とすればよい。そして、図２６に示したのと同様に、エレクトレット絶縁層６４の上に、複数の突起６３を介して、厚さ５０μｍ程度のＰＴＦＥフィルム６１ｂを積層した積層構造を収納する。
【０２１３】
（ｄ）一方、振動電極絶縁フィルム１５ａとしてのＰＦＡフィルムに、振動電極１５ｂとしてのＡｌを蒸着して、振動層１５を作製する。更に、振動電極１５ｂの上に、ＰＶＣフィルムからなる振動層保護膜１６を貼り付けた積層構造を、図２７に示したのと同様に、絶縁容器（１２ａ，１２ｂ，１２ｄ，１２ｅ）の上蓋として被せる。
【０２１４】
（ｅ）更に、別途、ボールグリッドアレイ等のように、接続部を基板の底部に有する回路基板１８の上に、増幅回路（ＦＥＴ）を集積化した増幅回路１９を搭載（マウント）して、増幅回路の実装構造（パッケージ）を用意する。増幅回路１９に集積化された増幅回路の電極は、回路基板１８の表面及び内部に埋め込まれた内部配線やスルーホール（ビア）を介して、回路基板１８の裏面のハンダボール等の接続電極に電気的に接続されている。この増幅回路の実装構造（パッケージ）を図２８に示したのと同様に、箱型の絶縁容器（１２ａ，１２ｂ，１２ｄ，１２ｅ）の庇１２ｅの下に収納する。箱型の絶縁容器（１２ａ，１２ｂ，１２ｄ，１２ｅ）の庇１２ｅの下に実装構造（パッケージ）が収納されたら、図２０に示したのと同様に、庇１２ｅの下に絶縁層１２ｃを挿入して、実装構造（パッケージ）の格納部分に蓋をすれば、図４５に示すような、第１３の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置が完成する。
【０２１５】
なお、上記の（ａ）〜（ｃ）とほぼ同様に、独立気泡６２ｂを含む高分子フィルム６１ｂとして、２軸延伸加工された発泡ＰＰフィルム（厚さ５０μｍ）を用い、これにＡｌを蒸着して振動電極１５ｂとして準備した後、ＰＴＦＥフィルム（厚さ２５μｍ）にコロナ放電により負電荷をチャージしてエレクトレット層１３とし、別のＰＴＦＥフィルム（厚さ２５μｍ）をエレクトレット層１３の上にエレクトレット絶縁層６４として積層し、高分子フィルム６１ｂを積層すれば、図４８に示すような、突起なしのフィルム状機械電気変換装置を製造することができる。
【０２１６】
図４９の破線は、図４８に示した突起なしのフィルム状機械電気変換装置の場合、図４９の実線は、図４５に示した複数の突起６３ありのフィルム状機械電気変換装置の場合（突起間隔２ｍｍ，突起高さ１０μｍ，突起の曲率２５ｍｍ）において、それぞれのフィルム状機械電気変換装置に１ｋＨｚの音響を照射した場合の出力電圧である。図４５に示した複数の突起６３ありのフィルム状機械電気変換装置により出力電圧が大幅に向上しており、複数の突起６３による変形が出力電圧の大幅な向上に寄与していることが分かる。
【０２１７】
第１３の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置においては、ギャップ幅は７５μｍであり、複数の突起６３のそれぞれの高さを１０μｍとした場合は、その１０分の１を越えているが、高分子フィルム６１ｂ内で突起６３による撓みが吸収されるため、振動電極１５ｂの中心線平均粗さＲａはギャップ幅の１０分の１以下に抑えられている。
【０２１８】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１〜第１３の実施の形態によって記載したが、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かとなろう。
【０２１９】
例えば、マイクロギャップの形態としては、第１〜第１３の実施の形態に示したもの以外に、図５０〜５４に示したようなものが採用可能である。即ち、図５０に示すように、微細なナノ粒子を凝集させた構造でもよく、図５０に示す構造にすれば、接触点の直径を極めて小さくすることができる。又、図５１に示すように、フィルムの表面粗さによりマイクロギャップを形成した構造でもよく、図５１に示す構造にすれば、他の手法より簡便にマイクロギャップを形成できる。しかし、図５１に示す構造では、接触点の平均間隔を制御することが困難となる。
【０２２０】
更に、図５２に示すように、ミクロンサイズの粒子の表面にナノ粒子を凝集させた構造でもよく、図５２に示す構造にすれば、ギャップ幅をミクロンサイズに広げつつ図５０と同じ効果が期待できる。更に、図５３に示すように、研磨、エッチングなどにより表面粗さを周期的に変化させた構造でもよく、図５３に示す構造にすれば、図５１より接触点の平均間隔の制御が容易となる。
【０２２１】
更に、図５４に示すように、プレスにより１０μｍ〜の１ｍｍ間隔でフィルムに突起を形成し、その上に微粒子を塗布した構造でもよい。図５４に示す構造によれば、容易に接触点間隔を広くとることができる。
【０２２２】
第５の実施の形態の図２０、或いは、第７の実施の形態の図３２などのフィルム状機械電気変換装置において，透明電極と透明高分子フィルムを使用することにより透明なフィルム状機械電気変換装置を製造できる。例えば、振動層保護膜１６、振動電極絶縁フィルム１５ａやスペーサフィルム１２ａとしてポリエチレン樹脂などの汎用透明樹脂、高分子フィルム及びギャップ絶縁層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，としてＰＦＡなどのフッ素透明樹脂、振動電極１５ｂ及び背面電極１７として、錫（Ｓｎ）
をドープした酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）膜（ＩＴＯ）、インジウム（Ｉｎ）をドープした酸化亜鉛（ＺｎＯ）膜（ＩＺＯ）、ガリウム（Ｇａ）をドープした酸化亜鉛膜（ＧＺＯ）、酸化錫（ＳｎＯ２）、導電性高分子膜等の透明電極材料を用いれば，透明フィルム状機械電気変換装置となる。又、柔軟性が劣化するが、高分子フィルムとして、ＬｉＮｂＯ３，ＬｉＴａＯ３，ＰＬＺＴのような透明な強誘電体を用いることも可能である。
【０２２３】
同様に、図４３に断面構造を示した第１２の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置（音響イメージセンサ）に、透明電極と透明高分子フィルムを適用すれば、透明なフィルム状機械電気変換装置（音響イメージセンサ）となる。透明なフィルム状機械電気変換装置（音響イメージセンサ）を実現するためには、増幅回路Ａij-1,  Ａij,  Ａij+1,…をフィルム状機械電気変換装置（音響イメージセンサ）外縁部に設置し、各エレメントＸij-1,  Ｘij,  Ｘij+1,…の内部電極膜（背面電極）１７ij-1,  １７ij,  １７ij+1,…と、対応する増幅回路Ａij-1,  Ａij,  Ａij+1,…までを導通させるように配線パターンをつくる必要がある。
【０２２４】
又、第１２の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置は、既に述べたように音響の送受信も可能であるので、例えば、第１２の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置をタッチパネルに応用することができる。タッチパネルには様々な方式があるが，次世代のタッチパネルではパネルに指を接触させたとき、その位置を検出するだけでなく、指が接触したことを振動などによって伝えることが求められている。図４３に示した第１２の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置をタッチパネルに使用すれば、各エレメントＸij-1,  Ｘij,  Ｘij+1,…に電気パルス信号を送り，各エレメントＸij-1,  Ｘij,  Ｘij+1,…に微小な振動を生じさせ、それによるパネルの振動を再びフィルム状機械電気変換装置（音響イメージセンサ）で測定すれば、指が接触した際のパネルの局所的な振動分布の変化を検出でき，接触を検知できる。更に、その際に各エレメントＸij-1,  Ｘij,  Ｘij+1,…に別の電気パルス信号を送り、指が感じることができる大きさの振動を生じさせれば、指が接触したことが伝えられる。指が接触したことを伝える方法としては、圧電素子を用いてパネル上に表面弾性波を発生させる方法があるが、タッチパネルに水滴やゴミなどが付着していると伝播状態が変化するため、正確に振動を伝えられない。又、パネルの取付状態によっても表面弾性波の伝播状態は変化するので、製造時にパネルを製品に組み込む際に注意が必要である。これと比較して図４３に示した第１２の実施の形態に係るフィルム状機械電気変換装置は、指が触れた場所だけを振動させるので、水滴やゴミ、取付状態の影響はない。
【０２２５】
なお、第１〜第１３の実施の形態において、スペーサとなる絶縁体の微粒子の粒径や突起の高さは、１０ｎｍ〜４０μｍが好ましいと述べたが、窓ガラスに貼り付ける等の柔軟性や形状の自由度が要求されない目的であれば、スペーサとなる絶縁体の微粒子の粒径や突起の高さは、１０ｎｍ〜１００μｍ程度でも構わない。
【０２２６】
このように、本発明はここでは記載していない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】
【０２２７】
本発明の機械電気変換素子及びこの機械電気変換素子を用いた機械電気変換装置は、柔軟で形状の自由度が高く、且つ、感度が高く、より強い音圧に耐えられ、しかも広い周波数帯域で機械的振動を電気信号に変換の可能なので、携帯電話、音響機器、ハイドロフォン，発電素子等の技術分野に利用可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【国際調査報告】
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