(57)【要約】【課題】  音源の方向をひとつの振動板で特定できるマイクロホンを提供する。【解決手段】  マイクロホン１００は、円形の振動板２００を備える。振動板１００はその中央部２０１で支持されている。振動板２００の表面（音波を受ける面）に対向して４個の上部電極３２１−３２４を備える。４個の電極夫々に対向して対をなす電極が振動板２００の表面に貼着されている。振動板２００の裏面に対向して４個の下部電極１４１−１４４を備える。４個の電極夫々に対向して対をなす電極が振動板２００の裏面に貼着されている。上部電極対と下部電極対は夫々キャパシタを形成する。下部電極対が形成する各キャパシタの静電容量が一定値となるように上部電極対が形成する各キャパシタに電圧を供給する。上部電極対が形成する各キャパシタに供給する電圧の差から音源の方向を特定する。このとき振動板の振動は抑制される。振動板の耐久性を向上できる。【選択図】  図１
2006345130.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中央部が支持されており、その中央部の周囲が厚さ方向に変位可能な振動板と、
第１電極対群と、
第２電極対群と、
第１電極対群と第２電極対群の各電極対間に電気量を供給する制御器と、を備え、
第１電極対群の一方の電極群は、振動板の中央部を囲む複数の位置において振動板のいずれかの面に貼着されており、第１電極対群の他方の電極群は、第１電極対群の一方の電極群にギャップを介して向い合う位置に配置されており、
第２電極対群の一方の電極群は、振動板の中央部を囲む複数の位置において振動板のいずれかの面に貼着されており、第２電極対群の他方の電極群は、第２電極対群の一方の電極群にギャップを介して向い合う位置に配置されている、
ことを特徴とするマイクロホン。
【請求項２】
第１電極対群の各電極対間の静電容量を計測する第１計測器を備えており、
前記制御器は、第１電極対群の各電極対間に夫々所定の電気量を供給するとともに、第１計測器によって計測される各電極対間の静電容量が一定値となるように第２電極対群の各電極対に電気量を供給し、第２電極対群の各電極対に供給する電気量の差から音源の方向を特定することを特徴とする請求項１に記載のマイクロホン。
【請求項３】
前記第１電極対群は振動板の一方の面側に配置されており、前記第２電極対群は振動板の他方の面側に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロホン。
【請求項４】
前記第１電極対群と前記第２電極対群は振動板の同一の面側に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロホン。
【請求項５】
前記制御器は、第２電極対群の各電極対に供給する電気量の位相差から音源の方向を特定することを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載のマイクロホン。
【請求項６】
前記制御器は、振動板が音波を受けていないときに第１電極対群の各電極対間の静電容量が等しくなるように第２電極対群の各電極対へバイアス電気量を出力し、
振動板が音波を受けたときに、第２電極対群の各電極対へ出力する電気量から前記バイアス電気量を差し引いた値に基づいて音源の方向を特定することを特徴とする請求項２から５のいずれか１項に記載のマイクロホン。
【請求項７】
前記制御器が特定した音源の方向が所定の方向である場合に、前記制御器は第２電極対群のうち少なくとも１つの電極対へ出力する電気量を外部へ出力することを特徴とする請求項２から６のいずれか１項に記載のマイクロホン。
【請求項８】
第１電極対群の各電極対が形成する第１キャパシタ群と第２電極対群の各電極対が形成する第２キャパシタ群により形成されるブリッジ回路をさらに備え、
前記第１電極対群は振動板の一方の面側に配置されており、
前記第２電極対群は振動板の他方の面側に配置されており、
前記制御器は、前記ブリッジ回路の２つの入力端子間に電気量を供給し、
前記ブリッジ回路は、第１キャパシタ群の静電容量が同位相で増減する場合に、静電容量の増減に応じた電気量を外部へ出力するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロホン。
【請求項９】
前記ブリッジ回路は、２個の入力端子と２個の出力端子を有し、
一方の入力端子と一方の出力端子の間には、前記第１キャパシタ群のうち、振動板の表面領域を２分した一方の領域に配置されたキャパシタ群が直列に接続されており、
他方の入力端子と他方の出力端子の間には、前記第１キャパシタ群のうち、振動板の表面領域を２分した他方の領域に配置されたキャパシタ群が直列に接続されており、
一方の入力端子と他方の出力端子の間には、前記第２キャパシタ群のうち前記「他方の領域」に配置されたキャパシタ群が直列に接続されており、
他方の入力端子と一方の出力端子の間には、前記第２キャパシタ群のうち前記「一方の領域」に配置されたキャパシタ群が直列に接続されており、
２個の入力端子の間に電気量が供給されていることを特徴とする請求項８に記載のマイクロホン。
【請求項１０】
前記第１電極対群の各電極対は、振動板の中央部の周囲に略等間隔で配置されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のマイクロホン。
【請求項１１】
前記第２電極対群の各電極対は、振動板の中央部の周囲に略等間隔で配置されていることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載のマイクロホン。
【請求項１２】
第１電極対群と第２電極対群の数は同数であり、
振動板に垂直な方向から見たときに、第１電極対群の各電極対が配置されている夫々の位置と、第２電極対群の各電極対が配置されている夫々の位置が、略同一であることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載のマイクロホン。
【請求項１３】
前記振動板は、略円形であることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載のマイクロホン。
【請求項１４】
前記振動板は、中央部と周囲部分が、２軸ジンバルにより連結された構造であることを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載のマイクロホン。
【請求項１５】
中央部が支持されており、その中央部の周囲が厚さ方向に変位可能な振動板と、
その中央部を囲む複数の位置に配置されており、振動板の厚さ方向の変位に応じた電気量を出力するセンサ群と、
その中央部を囲む複数の位置に配置されており、各センサが出力する電気量が一定値となるように振動板の厚さ方向の変位を制御するアクチュエータ群と、
各アクチュエータへ出力する電気量の差から音源の方向を特定する制御器と、
を備えることを特徴とするマイクロホン。
【請求項１６】
中央部が支持されており、その中央部の周囲が厚さ方向に変位可能な振動板と、
振動板の周囲の厚さ方向の変位に応じた電気量を出力する第１センサ群と、
振動板の周囲の厚さ方向の変位に応じた電気量を出力する第２センサ群と、
第１センサ群と第２センサ群の各センサを接続したブリッジ回路と、を備え、
第１センサ群の各センサは振動板の中央部を囲む複数の位置に配置されており、振動板の一方の面側に配置されており、
第２センサ群の各センサは振動板の中央部を囲む複数の位置に配置されており、振動板の他方の面側に配置されており、
ブリッジ回路は、第１センサ群の各センサが出力する電気量の増減のタイミングが予め決められた関係を有する場合に、第１センサ群の少なくとも１つのセンサが出力する電気量を外部へ出力するように構成されていることを特徴とするマイクロホン。
【請求項１７】
前記予め決められた関係は、第１センサ群の各センサの出力する電気量が同位相で増減する関係であることを特徴とする請求項１６に記載のマイクロホン。
【請求項１８】
半導体下層表面上の所定領域を囲むように第１犠牲層を形成する工程と、
第１犠牲層とこの第１犠牲層の中央に露出した前記所定領域の表面上に半導体上層を形成する工程と、
第１犠牲層をエッチング剤により除去する工程と、
を含むことを特徴とする請求項１から１７のいずれか１項に記載のマイクロホンの製造方法。
【請求項１９】
第１犠牲層の周縁近傍の表面上から半導体上層の表面上まで覆う第２犠牲層を形成する工程と、
第１犠牲層の周囲の半導体下層表面から第２犠牲層の表面上で半導体上層の少なくとも周縁と対向する位置まで覆うバックプレート層を形成する工程と、
第２犠牲層をエッチングにより除去する工程と、
を含むことを特徴とする請求項１８に記載のマイクロホンの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音源の方向を特定できるマイクロホンに関する。音源の方向を特定できるマイクロホンは、特定の方向から伝播する音のみを検出する指向性を有するマイクロホンとしても利用できる。本発明は指向性を有するマイクロホンに関する。
【背景技術】
【０００２】
音源から伝播してくる音波を受けてその音源の方向を特定するマイクロホンが開発されている。音源の方向を特定できるとその音源からの音波のみを受信することができ、指向性を有するマイクロホンが実現できる。音源の方向を特定するマイクロホンに関して、非特許文献１の技術が知られている。
なお本明細書においてマイクロホンとは、音を受信して電気信号に変換するものだけでなく音源の方向を特定する装置をも含む概念を意味する。
【０００３】
【非特許文献１】Nobutaka ONO, Akihito SAITO, Shigeru ANDO, "Design and Experiments of Bio-mimicry Sound Source Localization Sensor with Gimbal-Supported Circular Diaphragm", Proceeding of The 12th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, Boston June 8-12, 2003, pp. 939-942
【０００４】
非特許文献１の技術は、中央部が支持された振動板の裏面（音波を受ける面とは反対の面）に４個の電極が貼着されている。４個の電極は振動板の中央部を囲んで略等間隔に配置されている。この４個の電極に対向して４個の別の電極が配置されている。振動板の裏面に貼着された各電極とこれに対向して配置された各電極の間には所定長さのギャップが設けられている。振動板上の各電極とこれに対向する各電極との間には電圧が供給されている。そのため振動板上の各電極とこれに対向する各電極によってキャパシタが形成される。振動板が振動すると振動板上の電極とこれに対向する電極とのギャップ長さが変化する。ギャップ長さの変化に応じてキャパシタの静電容量が変化する。
ある方向から音波を受けると振動板が振動する。振動板は中央部が支持されているので支持されている中央部の周囲が振動する。振動板の周囲に生じる振動は一様でなく、振幅の大きい領域と振幅が小さい領域が分布する。その分布は、音波の伝播方向によって決定される。従って、振動板上の各電極とこれに対向する各電極のギャップ長さの変化量の分布は音源の方向に依存して変化する。即ち、各キャパシタの静電容量の変動量の分布も音源の方向に依存して変化する。従って各キャパシタの静電容量の変動量の分布から音源の方向を特定することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非特許文献１の技術によると、一つの振動板で音源の方向を特定できる。音源の方向を特定できるマイクロホンを小型化することができる。
しかし非特許文献１の技術では振動板がその中央部で支持されている。そのため中央部から離れた位置ほど音波による振動板の変位は大きくなる。振動板を長時間振動させると振動板が疲労により初期形状から変形する可能性がある。振動板が変形すると音波を受けていない状態における各キャパシタの静電容量も変化する。音源の方向の特定が不正確となる。即ち非特許文献１の技術は耐久性に問題がある。振動板の厚さ方向の強度を上げると振動板は振動し難くなる。しかしそれでは音波を受けたときの振動板の各位置での変位が小さくなる。キャパシタの静電容量の変動量も小さくなる。音源の方向を特定する際の精度が低下してしまう。
そこで音源の方向を特定する際の精度を低下させずに耐久性を向上させるマイクロホンの技術が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
振動板の長時間使用による変形を抑制するためには振動板をできるだけ振動させなければよい。そのためには振動板の振動を抑制するように制御すればよい。しかし単純に振動板の振動を抑制すると音源の方向を特定することができなくなる。
【０００７】
振動板は中央部が支持されているので支持されている中央部の周囲が振動する。振動板の周囲に生じる振動は一様でなく、振幅の大きい領域と振幅が小さい領域が分布する。その分布は、音波の伝播方向によって決定される。振動板の振動を抑制するには振幅の大きい領域には大きい制振力を加える必要がある。また振幅の小さい領域には小さい制振力を加えれば良い。従って振動板の振動を抑制するために振動板の各領域に加えるべき制御力も音波の伝播方向（即ち音源の方向）に依存する。
そこで発明者らは音波を受けた際の振動板の各位置（領域）の振動を抑制するための制御力から音源の方向を特定することができるという着想を得た。
【０００８】
中央部が支持された振動板が音波を受けた場合、振動板の中央部の周囲の各位置は音源の方向に依存した振幅で振動する。即ち振動板の各位置は音源の方向に依存して厚さ方向に変位する。振動板の各位置の変位を検出する。又は振動板の各位置の変位に応じた電気量を出力する素子を設ける。
検出された振動板の各位置の変位が一定値（好ましくは変位量ゼロ）となるように振動板の各位置の変位を制御する。又は振動板の各位置の変位に応じて出力された電気量が一定値（好ましくは振動板が音波を受けていないときの出力値）となるように振動板の各位置の変位を制御する。振動板の振動を抑制することにより振動板が変形することを低減できる。
振動板の各位置は音源の方向に依存して厚さ方向に変位する。この変位を抑制するために振動板の各位置に加える制御力の大きさも音源の方向に依存する。従って振動板の各位置に加える制御力の大きさの差から音源の方向を特定することができる。このとき振動板の各位置に加える制御力の大きさと振動板が音波から受ける力とはほぼ等しい。振動板が音波から受ける力に基づいて音源の方向を特定する際の精度と上記制御力に基づいて音源の方向を特定する際の精度はほぼ同等となる。音源の方向を特定する際の精度を低下させずに振動板の振動による変形を抑制することが可能となる。
【０００９】
本発明のマイクロホンは、振動板と第１電極対群と第２電極対群と制御器を備える。
振動板は中央部が支持されており、その中央部の周囲は厚さ方向に変位可能である。
制御器は第１電極対群と第２電極対群の各電極対間に電気量を供給する。
また第１電極対群の一方の電極群は、振動板の中央部を囲む複数の位置において振動板のいずれかの面に貼着されており、第1電極対群の他方の電極群は、第1電極対群の一方の電極群にギャップを介して向い合う位置に配置されている。
さらに第２電極対群の一方の電極群は、振動板の中央部を囲む複数の位置において振動板のいずれかの面に貼着されており、第２電極対群の他方の電極群は、第２電極対群の一方の電極群にギャップを介して向い合う位置に配置されている。
【００１０】
上記構成によれば、振動板は中央部が支持されておりその中央部の周囲は厚さ方向に変位可能である。従って振動板の中央部の周囲の各位置は音源の方向に依存して変位する。
一方上記構成によれば、第１電極対群と第２電極対群の夫々の電極対はキャパシタを形成する。キャパシタはその電極間のギャップ長さに応じて静電容量が変化する。またキャパシタに供給する電気量（具体的には電圧若しくは電流）に応じてキャパシタの両電極を引き付けるクーロン力（静電吸引力）を発生する。
第１電極対群と第２電極対群の各電極対が形成するキャパシタは振動板の各位置の変化に応じて静電容量が変化するセンサとして利用できる。またキャパシタに供給する電気量に応じた力を振動板の各位置へ加えることのできるアクチュエータとしても利用できる。第１電極対群と第２電極対群の各電極対が形成するキャパシタをセンサあるいはアクチュエータとして用いることで、上記マイクロホンは、音源の方向を特定するマイクロホンとして複数のアプリケーションに適用することができる。
【００１１】
第１電極対群と第２電極対群の一方の電極群は、振動板の中央部を囲む複数の位置において振動板のいずれかの面に貼着されている。従って第１電極対群又は第２電極対群のいずれかの電極対群によって形成される各キャパシタの静電容量は振動板の各位置の変位に応じて変化する。同時に他方の電極対群によって形成される各キャパシタに供給する電気量を調整することで振動板の振動を抑制することができる。このとき振動板の振動を抑制するための各キャパシタに供給する電気量の差から音源の方向を特定することができる。
さらに上記構成では、第１電極対群と第２電極対群の各電極対の一方の電極を振動板に貼着し、他方の電極をギャップを介して配置する。各電極対の両電極を非接触の状態とすることができる。従って振動板は中央部以外を非接触の状態に保つことができる。振動板の中央部の周囲は音波を受けて自由に振動可能にすることができる。音源の方向をより正確に特定することができる。
【００１２】
上記構成では、第１電極対群又は第２電極対群のいずれか一方の電極対群を振動板の各位置の変位に応じて静電容量が変化するセンサとして利用する。同時に他方の電極対群を静電吸引力という振動板の振動を抑制するための制御力を発生させるアクチュエータとして利用する。
上記構成によって、振動板の振動による変形を抑制しつつ音源の方向特定することができる。
さらに上記構成では、第１電極対群と第２電極対群の各電極対の一方の電極を振動板に貼着し、他方の電極をギャップを介して配置する。各電極対の両電極を非接触の状態とすることができる。従って振動板は中央部以外を非接触の状態に保つことができる。音波による力とアクチュエータによる力の他に振動板に外力が作用しない状態を保つことができる。音源の方向をより正確に特定することができる。
また本マイクロホンはダイナミックレンジを広く確保できるという効果を得ることができる。従来のマイクロホンではダイナミックレンジの幅は振動板が許容される振幅の大きさで制限される。本マイクロホンでは振動板の振動を抑制する。よって振幅の大きな音波を受信しても振動板が大きく振動することはない。制御器が各アクチュエータへ出力する電気量が大きくなるだけである。従ってマイクロホンによれば、受信可能な音波のダイナミックレンジを大きくすることができる。
【００１３】
上記は本マイクロホンの一アプリケーションであって、その他のアプリケーションとしても実現可能である。例えば後述する段落００２１に記載の用法を活用すると、正面に強い指向性を有するマイクロホンを実現することもできる。
【００１４】
前記マイクロホンは、第１電極対群の各電極対間の静電容量を計測する第１計測器を備えていることが好ましい。そして前記制御器は、第１電極対群の各電極対間に夫々所定の電気量を供給するとともに、第１計測器によって計測される各電極対間の静電容量が一定値となるように第２電極対群の各電極対に電気量を供給し、第２電極対群の各電極対に供給する電気量の差から音源の方向を特定することが好ましい。
【００１５】
上記構成によれば、前記制御器は第１電極対群の各電極対間に夫々所定の電気量を供給する。ここで「所定の電気量」とは一定値の電流又は電圧である。又は経時的に変化する電流又は電圧であってもよい。いずれの場合にも第１電極対群の夫々の電極対に等しい値の電流又は電圧を供給する。
そして第１電極対群の各電極対間の静電容量を第１計測器で検出する。即ち第１電極対群により形成されるキャパシタ群を、振動板の各位置の変位に応じて変化する静電容量（電気量）を出力するセンサとして利用する。
計測された第１電極対群の各電極対の静電容量が一定値となるように（換言すれば静電容量の変化分をキャンセルするように）、第２電極対群の各電極対間に電気量を供給する。即ち第２電極対群を振動板の振動を抑制するアクチュエータ群として利用する。
振動板の各位置は夫々音源の方向に依存して変位する。従って振動板の各位置の振動を抑制するために振動板の各位置に配置された第２電極対群の各電極対間に供給する電気量の大きさも音源の方向に依存する。
振動板の各位置に配置された第２電極対群の各電極対間に供給する電気量の大きさの差から音源の方向を特定することができる。
なお、振動板に貼着する側の全ての電極又は一部の電極は共通のものであってよい。振動板に貼着する側の全ての電極又は一部の電極を共通とする場合にはこの共通の電極は回路のグランド側とする。各電極対のグランド側の電極が共通であっても第１計測器は夫々の電極対間の静電容量を計測することができるからである。
【００１６】
前記第１電極対群は振動板の一方の面側に配置されており、前記第２電極対群は振動板の他方の面側に配置されていることが好ましい。第１電極群と第２電極群を振動板の表裏に配置することで夫々の電極群が占有する空間を振動板の両側に分散することができる。マイクロホンを小型化できる。
さらに前記第１電極対群は振動板の裏面側に配置されており、前記第２電極対群は振動板の表面側に配置されていることが好ましい。ここで「表面」とは振動板が音波を受ける側の面を意味する。
振動板が音圧を受けると振動板は振動する。より大きな音圧を連続して受けると振動板は裏面側により大きく撓む傾向が高くなる。振動板が裏面側に大きく撓む傾向が高いということは表面側に配置した各電極対のギャップ長さが長くなる傾向が高いということである。
キャパシタは電気量を供給することによって吸引力を発生することはできるが反発力を発生させることはできない。そこでアクチュエータとして利用する第２電極対群を振動板の表面側に配置する。裏面側に撓む傾向の高い振動板を静電吸引力により効率よく制振することができる。
一方キャパシタの静電容量は両電極間のギャップ長さに反比例する。ギャップ長さが短くなるほど静電容量は急激に大きくなる。センサとして利用する第１電極対群をギャップ長さが小さくなる傾向の高い振動板の裏面側に配置する。これにより振動板の振動に応じた静電容量の変化の感度を大きくすることができる。第１電極対群が形成するキャパシタの静電容量を一定値に維持する制御ロジックも高感度とすることができる。従って音源の方向を特定する際の精度を向上させることができる。
【００１７】
前記第１電極対群と前記第２電極対群は振動板の同一の面側に配置することもできる。例えば第１電極対群と前記第２電極対群を振動板の裏面側（振動板が音波を受ける面とは反対の面側）に配置すれば、振動板の表面全面で音波を受けることができる。音波を効率的に受けることができる。また第１電極対群と前記第２電極対群を振動板の同一面に配置することでマイクロホンの厚さをより薄くすることができる。
【００１８】
前記制御器は、第２電極対群の各電極対に供給する電気量の位相差から音源の方向を特定することが好ましい。
振動板は音波を受けると振動する。振動板の各位置は音源の方向に依存した位相差をもって振動する。第１電極対群の各電極対が形成する各キャパシタの静電容量も音源の方向に依存した位相差をもって変化する。第１電極対群の各電極対が形成する各キャパシタの静電容量が一定値となるように（即ち静電容量の変化分をキャンセルするように）第２電極対群の各電極対間に供給する電気量も音源の方向に依存した位相差をもって変化する。音源の方向と振動板の各位置の振動の位相との間には所定の関係がある。この所定の関係に基づいて制御器が第２電極対群の各電極対間に供給する電気量の位相差から音源の方向を特定することができる。位相差という経時的な情報をも考慮して音源の方向を特定する。音源の方向をより正確に特定することができる。
【００１９】
前記制御器は、振動板が音波を受けていないときに第１電極対群の各電極対間の静電容量が等しくなるように第２電極対群の各電極対へバイアス電気量を出力し、振動板が音波を受けたときに、第２電極対群の各電極対へ出力する電気量から前記バイアス電気量を差し引いた値に基づいて音源の方向を特定することが好ましい。
バイアス電気量を出力することで、振動板が音波を受けていないときに第１電極対群の各電極対間の静電容量を等しくすることができる。振動板の状態が初期状態から変化してもバイアス電気量により振動板の状態を初期状態に戻すことができる。即ち、実質的には振動板を初期状態に維持することができる。振動板を初期状態に維持することにより音源を特定する際の精度を一定にすることができる。マイクロホンの耐久性を向上できる。
【００２０】
前記制御器が特定した音源の方向が所定の方向である場合に、前記制御器は第２電極対群のうち少なくとも１つの電極対へ出力する電気量を外部へ出力することが好ましい。特定の方向から伝播してくる音波のみを外部へ出力することができる。指向性の高いマイクロホンが実現できる。この場合、振動板の振動を抑えるために第２電極対群のうち少なくとも１つの電極対へ出力する電気量を受信した音波を電気量に変換したものとして出力する。振動板の振動を抑制すると同時に特定の方向からの音波の受信が可能となる。
【００２１】
また本願請求項１のマイクロホンを利用することによって正面に強い指向性を有するマイクロホンを実現することもできる。このマイクロホンは請求項１の構成にさらに次の構成が付加されることが好ましい。即ち、第１電極対群の各電極対が形成する第１キャパシタ群と第２電極対群の各電極対が形成する第２キャパシタ群により形成されるブリッジ回路をさらに備える。そして前記第１電極対群は振動板の一方の面側に配置されており、前記第２電極対群は振動板の他方の面側に配置されている。前記制御器は、前記ブリッジ回路の２つの入力端子間に電気量を供給する。前記ブリッジ回路は、第１キャパシタ群の静電容量が同位相で増減する場合に、静電容量の増減に応じた電気量を外部へ出力するように構成されている。
ここで制御器がブリッジ回路の２つの入力端子間供給する「電気量」とは一定の電圧又は電流である。
また第１電極対群と第２電極対群の各電極対の数は２の整数倍で同数あることが好ましい。ブリッジ回路を容易に構成することが可能だからである。
【００２２】
ここでブリッジ回路の動作を図面を用いて例示する。図１（ａ）はマイクロホン１００の平面図である。図１（ｂ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線に対応する縦断面図である。図１（ｃ）は図１（ａ）のＣ−Ｃ線に対応する縦断面図である。
マイクロホン１００は、円形の振動板２００を備える。振動板１００はその中央部２０１が不動体によって支持されている。ここでいう不動体は、音波を受けても振動しない物体をいう。
振動板２００の表面（音波を受ける面）に対向して４個の上部電極３２１、３２２、３２３、３２４を備える。上部電極群と振動板２００との間には所定長さのギャップが設けてある。上部電極群の夫々に対向して対をなす電極が振動板２００の表面上に貼着されている（不図示）。上部電極３２１とこれに対向して振動板２００の表面上に貼着された電極によりキャパシタＣ５が形成される。同様に上部電極３２２、３２３、３２４と夫々の電極に対向して振動板２００の表面上に貼着された電極によりキャパシタＣ６、Ｃ７、Ｃ８が形成される。この４個のキャパシタＣ５、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ８を形成する電極対群が第２電極対群である。またこの４個のキャパシタＣ５、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ８が第２キャパシタ群である。
振動板２００の裏面に対向して４個の下部電極１４１、１４２、１４３、１４４を備える。下部電極群と振動板２００との間には所定長さのギャップが設けてある。下部電極群の夫々に対向して対をなす電極が振動板２００の裏面上に貼着されている（不図示）。下部電極１４１とこれに対向して振動板２００の裏面上に貼着された電極によりキャパシタＣ１が形成される。同様に上部電極１４２、１４３、１４４と夫々の電極に対向して振動板２００の裏面上に貼着された電極によりキャパシタＣ２、Ｃ３、Ｃ４が形成される。この４個のキャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４を形成する電極対群が第１電極対群である。またこの４個のキャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４が第１キャパシタ群である。なお符号Ｃ１からＣ８は各キャパシタを表すとともに各キャパシタの静電容量も表すものとする。
【００２３】
第１キャパシタ群Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４と、第２キャパシタ群Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ８によって、図７に示すブリッジ回路を構成する。
このブリッジ回路５０１の第１入力端子５０２と第２出力端子５０４との間には第２キャパシタ群のうちＣ５とＣ６が直列に接続されている。第２入力端子５０３と第１出力端子５０５との間には第２キャパシタ群のうちＣ７とＣ８が直列に接続されている。
また第１入力端子５０２と第１出力端子５０５との間には第１キャパシタ群のうちＣ３とＣ４が直列に接続されている。第２入力端子５０３と第２出力端子５０４との間には第１キャパシタ群のうちＣ１とＣ２が直列に接続されている。第１入力端子５０２と第２入力端子５０３の間には一定電圧又は一定電流が供給される。今、第１入力端子５０２と第２入力端子５０３の間には一定電圧を供給するものとする。
【００２４】
音源が振動板の正面にある場合、振動板２００は中央部の周囲が同位相で振動する。例えば振動の最中に振動板２００が全体的に下部電極１４０側に撓んだ時点を考える。このとき第１キャパシタ群Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４の電極対間のギャップ長さは共に短くなる。よって第１キャパシタ群の各キャパシタの静電容量は共に増加する。すなわち第１キャパシタ群の各キャパシタの静電容量は同位相で増減する。
一方第２キャパシタ群Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ８の各電極対間のギャップ長さは共に長くなる。よって第２キャパシタ群の各キャパシタの静電容量は共に減少する。このとき、ブリッジ回路５０１の第１入力端子５０２と第２出力端子間５０４の間の静電容量と第１入力端子５０２と第１出力端子間５０５の間の静電容量は異なるものとなる。従って第２出力端子５０４と第１出力端子５０５との間に電位差が生じる。第２出力端子５０４と第１出力端子５０５との間から電圧が出力される。この出力される電圧の大きさは第１キャパシタ群と第２キャパシタ群の各キャパシタの静電容量の増減に応じた値となる。即ち出力される電圧は振動板が受けた音波を電気信号に変換したものとなる。
【００２５】
音源が振動板の正面以外の方向にある場合、振動板は傾きつつ振動する。この場合には第１電極対群の全ての電極対のギャップ長さが同位相で増減することはない。例えば図４（ｂ）に示すように振動板２００が図の右側に傾くと第１キャパシタ群のうちキャパシタＣ４の静電容量が増加する。同時に第２キャパシタ群のうちキャパシタＣ６の静電容量が増加する。
このとき、ブリッジ回路５０１の第１入力端子５０２と第２出力端子間５０４の間の静電容量と第１入力端子５０２と第１出力端子間５０５の間の静電容量はほぼ同じ値となる。従って第２出力端子５０４と第１出力端子５０５との間に電位差が生じない。振動板２００が別の傾き方をしてもブリッジ回路５０１の第１入力端子５０２と第２出力端子間５０４の間の静電容量と第１入力端子５０２と第１出力端子間５０５の間の静電容量はほぼ同じ値となる。従って第２出力端子５０４と第１出力端子５０５との間に電位差が生じない。
即ち上記構成により、振動板の前方に強い指向性を有するマイクロホンを実現することができる。
【００２６】
上記の構成では振動板の両面に配置した第１電極対群と第２電極対群の各電極対が形成する各キャパシタをブリッジ回路に接続する。ブリッジ回路は各キャパシタの静電容量の微小な差を検出することができる。指向性を向上させることができる。また、振動板の両面に配置した電極対群の各電極対が形成するキャパシタをブリッジ回路に接続するというシンプルな構造で指向性の強いマイクロホンを実現できる。このマイクロホンは一つの振動板で実現することができる。前方に強い指向性を有するマイクロホンを小型化することができる。さらに振動板は中央部以外で外部と接触しないように構成されている。振動板が音波以外の力を受けることはない。正面に対して強い指向性を有するマイクロホンを実現できる。
【００２７】
前記ブリッジ回路は、２個の入力端子と２個の出力端子を有し、一方の入力端子と一方の出力端子の間には、前記第１キャパシタ群のうち、振動板の表面領域を２分した一方の領域に配置されたキャパシタ群が直列に接続されており、他方の入力端子と他方の出力端子の間には、前記第１キャパシタ群のうち、振動板の表面領域を２分した他方の領域に配置されたキャパシタ群が直列に接続されており、一方の入力端子と他方の出力端子の間には、前記第２キャパシタ群のうち前記「他方の領域」に配置されたキャパシタ群が直列に接続されており、他方の入力端子と一方の出力端子の間には、前記第２キャパシタ群のうち前記「一方の領域」に配置されたキャパシタ群が直列に接続されており、２個の入力端子の間に電気量が供給されていることが好ましい。
【００２８】
上記のようにブリッジ回路を構成すると第１キャパシタ群の各キャパシタの静電容量が同位相で増減する場合にブリッジ回路の２個の出力端子の間に第１キャパシタ群の静電容量の変化に応じた電気量を出力することができる。
【００２９】
ブリッジ回路は２個の入力端子（第１入力端子と第２入力端子）および２個の出力端子（第１出力端子と第２出力端子）を有する。第１出力端子と第２出力端子に電位差が生じたときに２つの出力端子間に電流が流れる。上記構成について図１と図７を用いて説明する。
今、第１入力端子５０２（一方の入力端子）と第１出力端子５０５（一方の出力端子）の間に接続されたキャパシタ群を１−１キャパシタ群と称することにする。上記例ではキャパシタC３とC４が１−１キャパシタ群に相当する。第１キャパシタ群のうち１−１キャパシタ群は振動板の表面領域を２分した一方の領域に配置されたキャパシタ群である。「振動板の表面領域を２分した一方の領域」とは図１に直線Ｌで２分される領域のうち右下半分の領域である。
また第１入力端子５０２（一方の入力端子）と第２出力端子５０４（他方の出力端子）の間に接続されたキャパシタ群を今１−２キャパシタ群と称することにする。上記例ではキャパシタC５とC６が１−２キャパシタ群に相当する。第２キャパシタ群のうち１−２キャパシタ群は振動板の表面領域を２分した他方の領域に配置されたキャパシタ群である。「振動板の表面領域を２分した一方の領域」とは図１では直線Ｌにより２分される領域のうち左上半分の領域である。
即ち「振動板の表面領域を２分した一方の領域」と「振動板の表面領域を２分した他方の領域」とは振動板を垂直な方向から見たときに２分する夫々の領域を意味する。
なお、第２入力端子５０３（他方の入力端子）と第２出力端子５０４（他方の出力端子）の間に接続されたキャパシタ群C１とC２は第１電極対群が形成するキャパシタ群のうち振動板の表面領域を２分した他方の領域（図１において直線Ｌにより２分される領域のうち左上半分の領域）にあるキャパシタである。
また、第２入力端子５０３（他方の入力端子）と第１出力端子５０５（一方の出力端子）の間に接続されたキャパシタ群C７とC８は第２キャパシタ群のうち振動板の表面領域を２分した一方の領域（図１において直線Ｌにより２分される領域のうち右下半分の領域）に配置されたキャパシタである。
【００３０】
１−１キャパシタ群が配置された振動板の一方の面側で振動板の表面領域を２分した一方の領域に配置されている。一方１−２キャパシタ群は振動板の他方の面側で振動板の表面領域を２分した他方の領域に配置されている。即ち１−１キャパシタ群と１−２キャパシタ群は振動板の表裏面側で振動板をその面に垂直な方向からみて対称の位置に配置されている。従って振動板の全面が同位相で振動した場合には１−１キャパシタ群の静電容量の変化と１−２キャパシタ群の静電容量の変化は逆位相で変化する。
従って入力端子１と出力端子１の間の静電容量と、入力端子１と出力端子２の間の静電容量は異なるものとなる。よって出力端子１と出力端子２の間に電位差が生じる。この電位差により２つの出力端子間に電流が流れる。
一方１−１キャパシタ群と１−２キャパシタ群は対称の位置に配置されている。従って振動板がどのように傾いて振動しても、両キャパシタ群の静電容量は同等となる。よって２つの出力端子の間に電位差が生じない。他のキャパシタ群C１、C２、C７、C８についても同様である。
【００３１】
即ち上記構成により、振動板の正面方向に音源がある場合にのみブリッジ回路から出力を得ることができる。マイクロホンの正面方向に強い指向性を有するマイクロホンが実現できる。
【００３２】
前記第１電極対群の各電極対は、振動板の中央部の周囲に略等間隔で配置されていることが好ましい。第１電極対群の各電極対を振動板の中央部の周囲に略等間隔で配置することにより、第１電極対群の各電極対が形成するキャパシタの静電容量の差は振動板の振動の状態をより良く表すものとなる。音源の方向をより正確に特定することができる。
【００３３】
前記第２電極対群の各電極対は、振動板の中央部の周囲に略等間隔で配置されていることが好ましい。第２電極対群の各電極対が形成するキャパシタ群を振動板の振動を抑制するためのアクチュエータ群として用いる場合、アクチュエータ群を振動板に対して幾何学的に簡単な位置関係で配置できる。振動板の各位置の変位をより容易に抑制することができる。
また第２電極対群の各電極対が形成するキャパシタ群をセンサ群として用いる場合、第２電極対群の各電極対が形成するキャパシタ群の静電容量の差は振動板の振動の状態をより良く表すものとなる。音源の方向をより正確に特定することができる。
【００３４】
また第１電極対群と第２電極対群の数は同数であり、振動板に垂直な方向から見たときに、第１電極対群の各電極対が配置されている夫々の位置と、第２電極対群の各電極対が配置されている夫々の位置が、略同一であることが好ましい。
【００３５】
第１電極対群と第２電極対群の各電極対が形成するキャパシタ群のいずれか一方をセンサ群として利用し他方をアクチュエータ群として利用する場合について説明する。この場合にはセンサ群とアクチュエータ群を振動板に垂直な方向から見たときに重なる位置関係に配置すると、センサが出力する電気量を決定する振動板の位置とアクチュエータが制御する振動板の位置とを略同一の位置とすることができる。いわゆるコロケーション制御が可能となる。振動板の振動をより容易に制御することが可能となる。
また第１電極対群と第２電極対群の各電極対が形成するキャパシタ群を全てセンサ群として利用する場合について説明する。この場合には各センサを振動板に垂直な方向から見たときに重なる位置関係に配置すると、振動板の一方の面側のキャパシタの静電容量が所定量だけ増加すると他方の面側のキャパシタの静電容量が同じ所定量だけ減少する。ブリッジ回路を簡単に構成することができる。
【００３６】
また振動板は略円形であることが好ましい。振動板を略円形とすることで、音源の方向と振動板の各位置の変位量との関係が簡単になる。また本源の方向と振動板の各位置の変位の位相差との関係が簡単になる。音源の方向を特定するロジック回路をより簡単に実現することができる。ここで「略円形」とは例えば正多角形や楕円を含むものである。
【００３７】
前記振動板は、中央部と中央部以外の部分が２軸ジンバル構造により連結された構造であることが好ましい。「振動板の中央部以外の部分」を以後「周辺部」と称することにする。この構成により、周辺部はジンバル部分で中央部に対して変位する。周辺部を曲げ剛性の高い部品で構成しても、中央部に対して周辺部が厚さ方向に変位する動作は確保できる。周辺部を曲げ剛性の高い部品で構成することにより、振動板が音波を受けた際の周辺部に生じる高次の振動モードを低減できる。制御器が各アクチュエータへ出力する電気量の経時的変化の位相差から音源の方向を特定する際に周辺部の１次モードのみを考慮すればよい。音源の方向の特定が容易となる。
【００３８】
本願発明の技術思想は振動板の厚さ方向の変位に応じて出力される電気量が一定値となるように振動板の変位を制御することにある。その意味では振動板の厚さ方向の変位に応じて出力される電気量は静電容量に限られるものではない。また振動板の振動を抑制するためのアクチュエータも静電吸引力を発生する電極対群に限られるものではない。従って本願発明によるマイクロホンは次のように構成することもできる。即ち、中央部が支持されており、その中央部の周囲が厚さ方向に変位可能な振動板と、その中央部を囲む複数の位置に配置されており、振動板の厚さ方向の変位に応じた電気量を出力するセンサ群と、その中央部を囲む複数の位置に配置されており、各センサが出力する電気量が一定値となるように振動板の厚さ方向の変位を制御するアクチュエータ群と、各アクチュエータへ出力する電気量の差から音源の方向を特定する制御器を備える。
ここで振動板の厚さ方向の変位に応じた電気量を出力するセンサ群としては例えば圧電素子やピエゾ抵抗を用いることができる。また光学式の変位センサを利用してもよい。また振動板の厚さ方向の変位を制御するアクチュエータ群としては圧電素子を用いることができる。また磁力を利用したアクチュエータを利用してもよい。
【００３９】
上記構成によっても、中央部が支持された振動板の振動を抑制しつつ音源の方向を特定できるマイクロホンを実現できる。即ち各センサが出力する電気量が一定値となるように振動板の厚さ方向の変位を制御するアクチュエータへ出力する電気量の差から音源の方向を特定することができる。
【００４０】
また正面方向に特に強い指向性を有するマイクロホンでは振動板の両面に配置された第１電極対群と第２電極対群の各電極対が夫々キャパシタを形成する。そしてキャパシタを利用したブリッジ回路によって正面に強い指向性を有するマイクロホンを実現することができる。本願発明による正面に強い指向性を有するマイクロホンを実現するにはキャパシタに限られるものではない。振動板の変位に応じた電気量を出力するものとしては例えば圧電素子やピエゾ抵抗を用いることができる。また光学式の変位センサを利用してもよい。これらのセンサを用いても同様に正面に強い指向性を有するマイクロホンを実現することができる。その意味で本願発明のマイクロホンは次のように構成することもできる。即ち、中央部が支持されており、その中央部の周囲が厚さ方向に変位可能な振動板と、振動板の周囲の厚さ方向の変位に応じた電気量を出力する第１センサ群と、振動板の周囲の厚さ方向の変位に応じた電気量を出力する第２センサ群と、第１センサ群と第２センサ群の各センサを接続したブリッジ回路を備える。そして第１センサ群の各センサは振動板の中央部を囲む複数位置に配置されており、振動板の一方の面側に配置されており、第２センサ群の各センサは振動板の中央部を囲む複数位置に配置されており、振動板の他方の面側に配置されており、ブリッジ回路は、第１センサ群の各センサが出力する電気量の増減のタイミングが予め決められた関係を有する場合に、第１センサ群の少なくとも１つのセンサが出力する電気量を外部へ出力するように構成されている。
振動板が正面から音波を受ける場合には、振動板の中央部を囲む各位置が同位相で振動する。振動板の中央を囲む各位置の振動に合わせて第１センサ群の各センサが出力する電気量の増減のタイミングも所定の関係となる。この所定の関係を予め求めておく。第１センサ群の各センサが出力する電気量の増減のタイミングがこの予め求めておいた（予め決められた）関係のときに少なくともいずれかのセンサが出力する電気量を外部へ出力する。ここで「増減のタイミング」とは、第１センサ群の各センサ出力の相互間のタイミングをいう。
上記構成によっても一つの振動板で正面に強い指向性を有するマイクロホンを実現することができる。
【００４１】
前記所定の関係は、第１センサ群の各センサの出力する電気量が同位相で増減する関係であることが好ましい。振動板が正面から音波を受ける場合には、振動板の一方の面側に配置された第１センサ群の各センサの出力する電気量は同位相で増減する。この関係を利用することにより、ブリッジ回路を単純な形で構成することができる。
【００４２】
本願発明者らは、上記に説明したマイクロホンを製造するのに有用な製造方法も創作した。以下の各工程を少なくとも実施することで、本発明に好適な中央部を支持された振動板を得ることができる。
本発明の製造方法は、半導体下層表面上の所定領域を囲むように第１犠牲層を形成する工程と、第１犠牲層とこの第１犠牲層の中央に露出した前記所定領域の表面上に半導体上層を形成する工程と、第１犠牲層をエッチング剤により除去する工程を含む。半導体上層が振動板に相当する。
本製造方法によれば、半導体上層は第１犠牲層とこの第１犠牲層の中央に露出した前記所定領域の上部に形成される。これにより半導体上層は所定領域において下向きに凸状の部分が形成される。この凸状の部分、即ちその中央部で半導体下層表面に固定される。一方振動板の周辺部は、犠牲層が除去されるために表面層とは接触しない状態とすることができる。本製造方法により、中央部が支持された振動板を得ることができる。上記工程は半導体プロセス技術により実施できる。従って超小型のマイクロホンを製造することができる。
【００４３】
本発明によるマイクロホンの製造方法はさらに、第１犠牲層の周縁近傍の表面上から半導体上層の表面上まで覆う第２犠牲層を形成する工程と、第１犠牲層の周囲の半導体下層表面から第２犠牲層の表面上で半導体上層の少なくとも周縁と対向する位置まで覆うバックプレート層を形成する工程と、第２犠牲層をエッチングにより除去する工程を含むことが好ましい。
第１犠牲層の周囲の半導体下層表面から第２犠牲層の表面上で半導体上層の少なくとも周縁と対向する位置まで覆うバックプレート層を形成することにより、上から見て半導体上層（即ち振動板）の少なくとも周辺と対向する位置まで達するバックプレート層が形成できる。バックプレート層と半導体層との間の第２犠牲層はエッチングにより除去されるためバックプレート層と半導体上層が接触することはない。周辺が厚さ方向に自由に振動可能な振動板を形成できる。こうして製造されたマイクロホンに対して振動板の表裏面に電極を設け、バックプレートの振動板と対向する面に電極を設け、半導体下層の振動板と対向する面に電極を設けることで、振動板の表裏面に夫々対向する電極対を有するマイクロホンを製造することができる。
【発明の効果】
【００４４】
本願発明のマイクロホンによると、音源の方向を特定する際に中央部が支持された振動板の振動を抑制する。中央部が支持された振動板の振動を抑制することによって振動板の耐久性を向上させることができる。音源の方向を特定する際の精度を低下させずに耐久性を向上させたマイクロホンを提供することができる。
また本願発明を具現した別のマイクロホンによると、正面からの音波に対して優れた指向性を有するマイクロホンを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
以下図面を用いて発明を実施するための好適な形態を説明する。
図１はマイクロホン１００の概要を示す図である。図１（ａ）はマイクロホン１００の平面図である。図１（ｂ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線に対応する縦断面図である。図１（ｃ）は図１（ａ）のＣ−Ｃ線に対応する縦断面図である。
マイクロホン１００は、円形の振動板２００を備える。振動板１００はその中央部２０１で支持されている。
振動板２００の表面（音波を受ける面）に対向して４個の上部電極３２１、３２２、３２３、３２４を備える。４個の上部電極３２１、３２２、３２３、３２４を合わせて上部電極群３２０と称す。上部電極群３２０と振動板２００との間には所定長さのギャップが設けてある。上部電極群３２０の各電極は所定の幅の円弧状に形成されている。上部電極群３２０の各電極は円形の振動板２００の円周方向に等間隔に配置されている。上部電極群３２０の各電極に対向して対をなす電極が振動板２００の表面上に貼着されている（不図示）。
振動板２００の裏面（音波を受ける面とは反対側の面）に対向して４個の下部電極１４１、１４２、１４３、１４４を備える。４個の下部電極１４１、１４２、１４３、１４４を合わせて下部電極群１４０と称す。下部電極１４０群と振動板２００との間には所定長さのギャップが設けてある。下部電極群１４０の各電極は扇形に形成されている。下部電極群１４０の各電極は、円形の振動板２００の円周方向に等間隔に配置されている。下部電極群１４０の各電極に対向して対をなす電極が振動板２００の裏面上に貼着されている（不図示）。
【００４６】
下部電極群１４０の各電極とこれに対をなす電極の間には一定の電圧が印加されている。従って下部電極群１４０の各電極とこれに対をなす振動板上に貼着された各電極により４個のキャパシタが形成される。振動板２００が初期状態、即ち音波を受けていないときの下部電極群１４０の各電極と振動板に貼着された各電極との間に形成されるキャパシタを次の記号で表す。下部電極１４１とこれに対をなす振動板２００に貼着された電極（不図示）により形成されるキャパシタをＣ１で表す。下部電極１４２とこれに対をなす振動板２００に貼着された電極（不図示）により形成されるキャパシタをＣ２で表す。下部電極１４３とこれに対をなす振動板２００に貼着された電極（不図示）により形成されるキャパシタをＣ３で表す。下部電極１４４とこれに対をなす振動板２００に貼着された電極（不図示）により形成されるキャパシタをＣ４で表す。下部電極群１４０の各電極とこれに対をなす振動板２００上の各電極とにより形成される４個のキャパシタを合わせて以後下部キャパシタ群と称する。
上部電極３２０の各電極とこれに対をなす振動板２００に貼着された各電極により４個のキャパシタが形成される。これらのキャパシタを以後上部キャパシタ群と称する。
【００４７】
音波を受けると振動板２００の各位置は変位する。振動板２００はその中央部２０１のみで不動に支持されている。従って音波が伝播してくる方向（即ち音源の方向）に依存して振動板２００の各位置は夫々所定の位相で経時的に変位する。
振動板２００の各位置が変位すると下部電極群１４０の各電極と振動板に貼着された各電極との間のギャップ長さが変化する。各電極対間のギャップ長さの変化に応じて各下部キャパシタの静電容量も夫々変化する。
【００４８】
上部電極群３２０の各電極が所定の幅の円弧状に形成されているのは音波を受ける振動面の表面をなるべく広く開放するためである。これに対して下部電極群１４０の各電極は音波を受ける側ではないのでなるべく広い面積の電極が配置される。下部電極群１４０の各電極の面積を広くすると、電極対間のギャップ長さの変化に応じた下部キャパシタの静電容量の変化量を大きくすることができる。
【００４９】
次に図２により、音源の方向を特定する制御器５００について説明する。図２は制御器５００のブロック図である。図２にはまた、制御器５００とマイクロホン１００の各キャパシタとの接続関係を模式的に示してある。図２では振動板２００に貼着された各電極は図示を省略した。振動板２００に貼着された各電極を単に振動板２００として図示してある。
制御器５００は、検出回路５１０とサンプルホールド回路５２０と増幅回路５３０とルート回路５４０と音源方向特定回路５５０とを備える。
検出回路５１０は、各下部キャパシタに一定の電圧を供給する。同時に検出回路５１０は、各下部キャパシタの静電容量を検出する。即ち検出回路５１０にはキャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４の夫々の静電容量を計測する回路が内蔵されている。
振動板２００が音波を受けて振動すると各キャパシタのギャップ長さが変化する。各下部キャパシタの静電容量が変化する。各下部キャパシタに一定の電圧を供給していても形成された各下部キャパシタの静電容量が変化すればこの変化に対応した電流が流れる。検出回路５１０は電流の変化から各下部キャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４の静電容量を検出することができる。
サンプルホールド回路５２０には検出された各下部キャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４の静電容量に応じた電流値が入力される。サンプルホールド回路５２０は入力された電流値を所定の期間毎（具体的には制御周期毎）にホールドして出力する。
増幅回路５３０はサンプルホールド回路５２０が出力した直流電流を所定の利得で増幅させて出力する。
ルート回路５４０には各下部キャパシタの静電容量の変化に対応して増幅された電流値が入力される。ルート回路５４０はこの電流値に基づいて各下部キャパシタの静電容量が一定値となるように各上部キャパシタへ所定の電圧を供給する。ここで「一定値」とは初期値であることが好ましい。即ち各下部キャパシタの静電容量の変化量がゼロとなるように各上部キャパシタへ所定の電圧を供給することが好ましい。
より具体的には、各下部キャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４の静電容量に応じた夫々の電流値が一定となるように各上部キャパシタＣ５、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ８夫々に適宜必要な電圧（Ｖ５、Ｖ６、Ｖ７、Ｖ８）を出力する。電圧Ｖ５、Ｖ６、Ｖ７、Ｖ８の夫々の値は下部キャパシタ群を形成する第１電極対群と上部キャパシタ群を形成する第２電極対群の位置関係と、上部キャパシタ群に供給する電圧とキャパシタが発生する吸引力との関係から決定される。換言すれば検出回路５１０とサンプルホールド回路５２０と増幅回路５３０とルート回路５４０により各下部キャパシタの静電容量を一定値に保つフィードバック回路が形成される。
このことは振動板が振動していないときの状態を維持するように制御することを意味する。振動板は長時間振動させると疲労により変形する可能性がある。振動板が変形すると音源の方向を特定する際の精度が低下する。振動板が振動していないときの状態を維持することで疲労による変形を低減することができる。
音源方向特定回路５５０にはルート回路５４０が上部キャパシタＣ５、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ８へ出力する電圧値（Ｖ５、Ｖ６、Ｖ７、Ｖ８）が入力される。振動板２００が振動すると各下部キャパシタの電極対間のギャップ長さは音源の方向に依存して経時的に異なる位相で変化する。各下部キャパシタの静電容量も音源の方向に依存して経時的に異なる位相で変化する。各下部キャパシタの静電容量が一定値となるように各上部キャパシタに供給する電圧値（Ｖ５、Ｖ６、Ｖ７、Ｖ８）も音源の方向に依存して経時的に異なる位相となる。音源の方向と振動板の各部の振動の位相差とは所定の関係がある。音源方向特定回路５５０は、この所定の関係に基づいて各上部キャパシタに供給する電圧値の位相差から音源の方向を特定する。音源方向特定回路５５０は特定された音源の方向を出力する。
【００５０】
ここでルート回路５４０の制御について説明を加える。ルート回路５４０は、各下部キャパシタの静電容量が一定値となるように各上部キャパシタへ所定の電圧を供給する。
ルート回路５４０による制御は図１に示すマイクロホン１００の構造によりその制御ロジックが簡単化できる。各上部電極群３２０の各電極は、円形の振動板２００を４つの扇形に分割した夫々の領域に配置されている。各下部電極群１４０の各電極も４つの扇形に分割した夫々の領域に配置されている。下部キャパシタ群を形成する下部電極対群（第１電極対群）と上部キャパシタ群を形成する上部電極対群（第２電極対群）の数は同数である。そして振動板に垂直な方向から見たときに第１電極対群の各電極対が配置されている夫々の位置と、第２電極対群の各電極対が配置されている夫々の位置が略同一である。換言すればセンサとして機能する各下部キャパシタとアクチュエータとして機能する各上部キャパシタは振動板に垂直な方向から見たときに略同一の位置に配置されている。この配置によりコロケーション（センサとアクチュエータが制御対象のほぼ同一位置に配置された状態）が成立する。これにより例えば下部電極１４１により形成されるキャパシタの静電容量を制御するには同じ扇形の領域にある上部電極３２１に供給する電圧を制御すればよい。また例えば下部電極１４２により形成されるキャパシタの静電容量を制御するには同じ扇形の領域にある上部電極３２２に供給する電圧を制御すればよい。下部電極１４３、１４４についても同様である。下部電極群１４０の各電極が形成するキャパシタの静電容量を夫々独立に制御することが可能となる。制御回路が簡略化できる。
【００５１】
またコロケーションが成立すると次の効果を得ることができる。
下部キャパシタ群の各キャパシタ（センサに相当する）と上部キャパシタ群の各キャパシタ（アクチュエータに相当する）を振動板に垂直な方向からみて略同一の位置に配置すると振動板の振動を抑えるためにアクチュエータが出力する力は音波が振動板のセンサの配置位置に与える力とほぼ等しくなる。従来の方法は音波による振動板の各位置の変位量をセンサで検出する。各センサ位置の振動板の変位量の差から音源の方向を特定する。即ち従来の方法では各センサの出力を入力値として音源の方向を特定するロジック回路が構成されている。本方法によれば、従来のロジック回路に対して入力値を制御器が各アクチュエータへ出力する電気量に置き換えるだけで音源の方向を特定できる。音源の方向を特定するロジック回路の大部分を従来の回路を利用して実現できる。
【００５２】
次に図３から図５を用いて音源の方向を特定する具体例を示す。図３は振動板２００の正面方向（Ｚ方向）に音源がある場合の振動板２００の変位の様子を示す。図３（ａ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線に対応する縦断面図である。図３（ｂ）は図１（ａ）のＣ−Ｃ線に対応する縦断面図である。
音源がＺ方向にある場合には振動板２００が中央部２０１の周りに対称的に変位する。即ち振動板２００は中央部２０１の周りに対称的に上下に撓む。振動のある時点では図３に示すように全体的に下部電極群１４０側に撓む。このとき各下部キャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４の電極対間のギャップ長さは短くなる。よって各下部キャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４の静電容量は増加する。静電容量の増加分をキャンセルするように制御器５００は上部電極群３２０の各電極に所定の電圧を供給する。このとき上部電極群３２０の各電極に供給する電圧の経時変化の位相は同位相となる。上部電極群３２０の各電極に供給する電圧の経時変化の位相が同位相であることから音源の方向はＺ方向であると特定できる。
【００５３】
図４は振動板の中心を通りＹＺ平面内の方向に音源がある場合の振動板２００の変位の様子を示す。図４（ａ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線に対応する縦断面図である。図４（ｂ）は図１（ａ）のＣ−Ｃ線に対応する縦断面図である。
音源が振動板の中心を通りＹＺ平面内でＺ軸から所定角だけ傾いた方向にある場合、振動板２００はＸ軸回りに傾く。このとき下部キャパシタＣ４の静電容量は増加する。一方下部キャパシタＣ２の静電容量は減少する。下部キャパシタＣ１とＣ３の静電容量は変化しない。制御器５００は下部キャパシタＣ２とＣ４の静電容量の変化分をキャンセルするように上部電極３２２と３２４に所定の電圧を供給する。供給する電圧の位相差から振動板の中心を通りＹＺ平面内でＺ軸から所定角だけ傾いた方向に音源があると特定できる。
【００５４】
図５は振動板の中心を通りＸＺ平面をＺ軸回りに４５度回転させた平面内でＺ軸から所定角だけ傾いた方向に音源がある場合の振動板２００の変位の様子を示す。図５（ａ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線に対応する縦断面図である。図５（ｂ）は図１（ａ）のＣ−Ｃ線に対応する縦断面図である。
この場合には振動板２００はＸＺ平面をＺ軸回りに４５度回転させた平面内で傾く。このとき下部キャパシタＣ３とＣ４の静電容量は増加する。下部キャパシタＣ１とＣ２の静電容量は減少する。制御器５００は各下部キャパシタの静電容量の変化分をキャンセルするように上部電極群３２０の各電極に所定の電圧を供給する。供給する電圧の位相差から振動板の中心を通りＸＺ平面をＺ軸回りに４５度回転させた平面内でＺ軸から所定角だけ傾いた方向に音源があると特定できる。
図３から図５の例は音源の方向を特定する処理を簡単に説明した。制御器５００が各上部キャパシタへ供給する電圧の位相差をより詳細に演算することによってより精度良く音源の方向を特定することができる。
【００５５】
上記実施形態ではキャパシタを形成する第１電極対群と第２電極対群を夫々４対ずつ備えた。キャパシタを形成する第１電極対群と第２電極対群は夫々２対以上あればよい。
例えば第１電極対群が振動板の中央部の左右に１個ずつ配置されており、第２電極対群も左右に１個ずつ配置されている場合、音源の方向の特定はマイクロホンの前方か右方向か左方向かの３通りである。音源が右側にあれば振動板の右側の変位は左側の変位よりも大きくなる。第１電極対が形成する右側のキャパシタの静電容量の変化も左側のキャパシタの静電容量の変化よりも大きくなる。第１電極対群が形成する左右のキャパシタの静電容量を一定値（初期値が好ましい）にするために第２電極対群が形成する右側のキャパシタへ出力する電圧は左側のキャパシタへ出力する電圧よりも大きくなる。右側のキャパシタへ出力する電圧が左側のキャパシタへ出力する電圧よりも大きい場合には音源は右方向であると特定できる。音源がマイクロホンの正面にあれば第１電極対群が形成する左右のキャパシタの静電容量の変化は同等となる。制御器が第２電極対群が形成する左右のキャパシタへ供給する電圧の大きさも同等となる。左右のキャパシタへ出力する電圧の大きさが同等である場合には音源はマイクロホンの正面方向であると特定できる。
第１電極対と第２電極対が３対以上配置されていれば、マイクロホンの前面で３次元的に音源の方向を特定することができる。
【００５６】
本実施形態では振動板の一方の面側に第１電極対群を配置した。第１電極対群の一方の電極は振動板の一方の面に貼着した。また振動板の他方の面側に第２電極対群を配置した。第２電極対群の一方の電極は振動板の一方の面に貼着した。第１電極対群と第２電極対群はともにキャパシタを形成する。第１電極対群が形成するキャパシタを振動板の変位に応じた電気量を出力するセンサ群として利用した。ここに電気量とは静電容量である。また第２電極対群が形成するキャパシタを振動板の変位を制御するアクチュエータとして利用した。アクチュエータとして出力する力は静電吸引力である。
第１電極対群と第２電極対群の各電極対の一方の電極を振動板に貼着し、他方の電極を所定のギャップ長さを介して配置して形成されたキャパシタは両電極を非接触の状態とすることができる。従って振動板を中央部以外で非接触の状態に保つことができる。音波による力とアクチュエータによる力の他に振動板に外力が作用しない状態を保つことができる。音源の方向をより正確に特定することができる。
また本実施形態では、第１電極対群を振動板の中央部の周囲に等間隔で配置した。第１電極対群を振動板の中央部の周囲に等間隔で配置することにより、音源の方向と第１電極対群が形成する振動板の各位置のキャパシタの静電容量の変化の位相差の関係が単純化できる。振動板の各位置の変位量を一定とする制御ロジックを簡単にすることができる。
【００５７】
またアクチュエータ群として利用する第２電極対群も振動板の中央部の周囲に等間隔で配置した。アクチュエータ群を振動板の中央部の周囲に等間隔で配置することにより、複数のアクチュエータを振動板に対して幾何学的に簡単な位置関係で配置できる。振動板の振動をより容易に抑制することができる。
【００５８】
本実施形態では、制御器が第２電極対群により形成される各キャパシタへ出力する電圧の位相差から音源の方向を特定した。制御器が第２電極対群により形成される各キャパシタへ出力する電圧値の差から音源の方向を特定することもできる。例えばあるキャパシタへ出力する電圧値が他のキャパシタへ出力する電圧値よりも常に大きい場合は大きい電圧値を出力する方向に音源があると特定できる。音源の方向を特定するロジックを簡単にすることができる。
【００５９】
本実施形態では振動板の一方の面側に第１電極対群を配置した。また振動板の他方の面側に第２電極対群を配置した。第１電極対群と第２電極対群はともにキャパシタを形成する。第１電極対群が形成するキャパシタを振動板の変位に応じた電気量を出力するセンサ群として利用した。ここに電気量とは静電容量である。また第２電極対群が形成するキャパシタを振動板の変位を制御するアクチュエータとして利用した。アクチュエータとして出力する力は静電吸引力である。
本発明の技術思想によれば、振動板の変位に応じた電気量を出力するものであれば第１電極対の替わりに用いることもできる。また振動板の変位を制御するものであれば第２電極対群の替わりに用いることもできる。振動板の変位に応じた電気量を出力するセンサとしては例えば圧電素子やピエゾ抵抗を用いることができる。また光学式の変位センサを利用することもできる。また振動板の変位を制御するアクチュエータとしては例えば圧電素子を用いることができる。また磁力を利用したアクチュエータを利用してもよい。
その意味では本発明は次のように換言することもできる。即ち、中央部が支持されており、その中央部の周囲が厚さ方向に変位可能な振動板と、その中央部を囲む複数の位置に配置されており、振動板の厚さ方向の変位に応じた電気量を出力するセンサ群と、その中央部を囲む複数の位置に配置されており、各センサが出力する電気量が一定値となるように振動板の厚さ方向の変位を制御するアクチュエータ群と、各アクチュエータへ出力する電気量の差から音源の方向を特定する制御器と、備えることを特徴とするマイクロホン。この構成によっても実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６０】
なお、下部キャパシタ群を形成する下部電極群１４０の各電極とこれに対向して振動板の裏面に貼着された電極とで電極対群が構成される。振動板の裏面に配置された電極対群が第１電極対群（センサ群）に相等する。また上部キャパシタ群を形成する上部電極群３２０の各電極とこれに対向して振動板の表面に貼着された電極とで電極対群が構成される。振動板の表面に配置された電極対群が第２電極対群（アクチュエータ群）に相等する。また第１電極対群の各電極対間の静電容量を計測する検出回路５１０が第１計測器に相等する。そして制御器５００が第１電極対群の各電極対間に夫々所定の電気量を供給するとともに、第１計測器によって計測される各電極対間の静電容量が一定値となるように第２電極対群の各電極対に電気量を供給し、第２電極対群の各電極対に供給する電気量の差から音源の方向を特定する制御器に相当する。
【００６１】
本実施形態では上部電極群３２０と下部電極群１４０の各電極に対して振動板２００上に個別の電極を貼着（配置）した。ここで振動板２００に貼着される側の電極は各電極対に共通のものであっても良い。キャパシタを形成する複数の電極対の一方の電極を共通の電極としても各電極対間の静電容量を別々に計測することが可能だからである。この場合、共通化された電極は回路のグランド側とすることが好ましい。
【実施例】
【００６２】
次に図面を参照して実施例を詳細に説明する。
＜実施例１＞
図６により実施例１について説明する。実施例１はセンサとしてのキャパシタ群とアクチュエータとしてのキャパシタ群を振動板の同一の面（本実施例では表面）に配置する構造である。
【００６３】
図６（ａ）はマイクロホン１００ｂの平面図である。図６（ｂ）は図６（ａ）のＤ−Ｄ線に対応する縦断面図である。
マイクロホン１００ｂは、実施形態と同様の円形の振動板２００を備える。振動板１００はその中央部２０１で支持されている。
振動板２００の表面（音波を受ける面）に対向して４個の第１電極３２１ｆ、３２２ｆ、３２３ｆ、３２４ｆを備える。４個の第１電極３２１ｆ、３２２ｆ、３２３ｆ、３２４ｆを合わせて第１電極群３２０ｆと称す。第１電極群３２０ｆの各電極と振動板２００との間には所定長さのギャップが設けてある。第１電極群３２０ｆの各電極は所定の幅の円弧状に形成されている。第１電極群３２０ｆの各電極は、円形の振動板２００の円周方向に等間隔に配置されている。第１電極群３２０ｆの各電極に対向して対をなす電極が振動板２００の表面上に貼着されている（不図示）。
振動板２００の表面に対向して第１電極群３２０ｆの内側に４個の第２電極１４１ｆ、１４２ｆ、１４３ｆ、１４４ｆを備える。４個の第２電極１４１ｆ、１４２ｆ、１４３ｆ、１４４ｆを合わせて第２電極群１４０ｆと称す。第２電極群１４０ｆの各電極と振動板２００との間には所定長さのギャップが設けてある。第２電極群１４０ｆの各電極も第１電極群３２０ｆの各電極と同様に所定の幅の円弧状に形成されている。第２電極群１４０ｆの各電極は円形の振動板２００の円周方向に等間隔に配置されている。第２電極群１４０ｆの各電極に対向して対をなす電極が振動板２００の表面上に貼着されている（不図示）。
第１電極群１４０ｆの各電極と振動板に貼着された各電極で電極対群が形成される。この電極対群が第１電極対群に相当する。第１電極対群はキャパシタ群を形成する。第１電極対群により形成されたキャパシタ群は実施形態と同様に振動板２００の各位置の変位に応じた電気量を出力するセンサの役割を果たす。
第２電極群３２０ｆの各電極と振動板に貼着された各電極で電極対群が形成される。この電極対群が第２電極対群に相当する。第２電極対群はキャパシタ群を形成する。第２電極対群により形成されたキャパシタ群は実施形態と同様に振動板２００の各位置の変位を制御するアクチュエータの役割を果たす。
マイクロホン１００ｂを制御する制御器は実施形態の制御器５００と同一の構造でよいので説明を省略する。制御器５００による音源の特定の方法も実施形態と同様である。
【００６４】
実施例１では、複数のセンサと複数のアクチュエータをともに振動板の一方の面に配置した。この構造によりマイクロホン１００ｂを薄くすることができる。
【００６５】
＜実施例２＞
次に実施例２を説明する。マイクロホンは、製造時の誤差や経時変化によって振動板の状態が設計値からずれてしまう場合がある。振動板の状態が設計値からずれると音源の方向を特定する際の精度が低下する。ここで振動板の設計値としては例えば振動板の形状や支持された中央部に対する振動板の傾きである。実施例２は、振動板の状態を常に設計値に維持することができる。音源の方向を特定する際の精度を低下させることがない。
【００６６】
実施例２のマイクロホンの構造は実施形態のマイクロホン１００の構造と同一でよい。制御器の構造も実施形態の制御器５００の構造と同じでよい。よって図１および図２を用いて実施例２のマイクロホンを説明する。
振動板の形状や支持された中央部に対する振動板の傾きが設計値からずれると下部キャパシタ群（キャパシタＣ１からＣ４、図１参照）の静電容量が設計値の静電容量からずれる。実施例２では、音源の方向を特定する前に実施形態の制御器５００に次の処理を行わせる。
検出回路５１０により、振動板が音波を受けていない状態で各下部キャパシタの静電容量を計測する。
ルート回路５４０により、計測した各下部キャパシタの静電容量が設計値と一致するように各上部キャパシタに所定の電圧を供給する。各上部キャパシタが発生する静電吸引力により振動板の各位置の変位量が補正できる。これにより各下部キャパシタの静電容量を常に設計値に一致させることができる。ルート回路５４０は各上部キャパシタへ供給する所定の電圧をバイアス電圧（バイアス電気量）として記憶しておく。
この状態で音源の方向を特定する動作を行う。ルート回路５４０は音源を特定する際に各上部キャパシタに供給する電圧から前記バイアス電圧を差し引いた値を音源方向特定回路５５０へ出力する。即ち図２においてルート回路５４０からキャパシタＣ５、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ８へ供給する電圧値Ｖ５、Ｖ６、Ｖ７、Ｖ８にはバイアス値が含まれるがルート回路５４０から音源方向特定回路５５０へ出力される電圧値Ｖ５、Ｖ６、Ｖ７、Ｖ８にはバイアス値を引いた値が出力される。
上記処理により各下部キャパシタの静電容量を常に設計値に一致させることができる。音源の方向を特定する前の各下部キャパシタの静電容量を常に設計値に一致させることができる。振動板の形状や支持された中央部に対する振動板の傾きが設計値からずれても音源の方向を特定する精度を低下させない。
【００６７】
＜実施例３＞
次に実施例３について説明する。実施例３は、音源の方向を特定するのではなく、特定の音源の方向から伝播してくる音波のみを出力するマイクロホンである。即ち指向性の高いマイクロホンである。
【００６８】
実施例３のマイクロホンの構造は実施形態のマイクロホン１００の構造と同一でよい。制御器の構造も実施形態の制御器５００の構造と同じでよい。実施例３は制御回路５００で行う処理に特徴がある。よって図２を用いて実施例３のマイクロホンを説明する。
【００６９】
実施形態で説明したように制御回路５００の音源方向特定回路５５０は音源の方向と振動板の各位置の振動の位相差との間の所定の関係に基づいて音源の方向を特定する。
実施例３では音源方向特定回路５５０に受信したい音源の方向を予め記憶させておく。音源方向特定回路５５０が特定した音源の方向を記憶した音源の方向と比較する。音源方向特定回路５５０は特定した音源の方向と記憶した音源の方向が概ね一致した場合にアクチュエータである上部キャパシタ群の少なくとも１つのキャパシタへ供給する電圧を出力する。音源方向特定回路５５０は、アクチュエータである上部キャパシタ群のいずれかのキャパシタへ供給する電圧に比例した直流電流を出力するものであってもよい。
音源方向特定回路５５０が出力する電圧又は電流は振動板が受ける音波の強弱に比例する。即ち音源方向特定回路５５０は振動板が受ける音波を電気信号に変換したものを出力することができる。
上記処理により予め音源方向特定回路５５０に記憶させた音源の方向から伝播する音波のみを電圧又は直流電流という電気信号に変換して外部に出力させることができる。
【００７０】
＜実施例４＞
次に実施例４について説明する。実施例４は実施形態のマイクロホンの構造を用いてマイクロホンの正面に強い指向性をもつマイクロホンを実現するものである。
【００７１】
実施例４は、図１に示すマイクロホン１００に対して別の制御器（不図示）を備える。実施例４ではマイクロホン１００に配置された各電極対が形成する各キャパシタは音波を受けていない状態において同一の静電容量を有する。実施例４の制御器は各キャパシタＣ１からＣ８の静電容量を計測する。そして計測された各キャパシタ（の静電容量）を利用したブリッジ回路を構成してマイクロホンの正面方向から伝播してくる音波のみを出力する。
図７に、第１電極対群と第２電極対群により形成される各キャパシタを利用したブリッジ回路５０１の構成を示す。図７に示したキャパシタの各符号は実施形態と同様である。このブリッジ回路５０１の第１入力端子５０２と第２出力端子５０４との間には上部キャパシタ群のうちＣ５とＣ６が直列に接続されている。第１入力端子５０２と第１出力端子５０５との間には下部キャパシタ群のうちＣ３とＣ４が直列に接続されている。また第２入力端子５０３と第２出力端子５０４との間には下部キャパシタのうちＣ１とＣ２が直列に接続されている。第２入力端子５０３と第１出力端子５０５との間には上部キャパシタ群のうちＣ７とＣ８が直列に接続されている。第１入力端子５０２と第２入力端子５０３の間には一定電圧が供給される。
振動板が音波を受けて振動すると各キャパシタＣ１からＣ８の静電容量は音源の方向に依存して変化する。上記のようにブリッジ回路を構成すると、下部キャパシタ群Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４の静電容量が共に増減する場合にのみ第１出力端子５０５と第２出力端子５０４の間に静電容量の増減に応じた電圧値（電気量）を出力させることができる。
【００７２】
このブリッジ回路５０１の動作を具体的に説明する。まず図３に示すＺ方向に音源がある場合（音源の方向が振動板の正面方向の場合）のブリッジ回路５０１の動作を説明する。
音源がＺ方向にある場合には振動板２００は全体的に上下に振動する。図３には振動板全体が下部電極１４０側に撓んだときの状態を示してある。このとき下部キャパシタ群（Ｃ１からＣ４）の電極間のギャップ長さは短くなる。よって下部キャパシタ群（Ｃ１からＣ４）の静電容量はともに増加する。静電容量の増加量を＋ｄＣとする。一方上部キャパシタ群（Ｃ５からＣ８）の電極間のギャップ長さは長くなる。よって下部キャパシタ群（Ｃ５からＣ８）の静電容量はともに減少する。静電容量の減少量を−ｄＣとする。
このときのブリッジ回路５０１の各キャパシタの静電容量の変化を図８に示す。第１入力端子５０２と第２出力端子５０４の間の静電容量は−２ｄＣだけ減少する。同様に第２入力端子５０３と第１出力端子５０５の間の静電容量も−２ｄＣだけ減少する。一方第１入力端子５０２と第１出力端子５０５の間の静電容量は＋２ｄＣだけ増加する。同様に第２入力端子５０３と第２出力端子５０４の間の静電容量も＋２ｄＣだけ増加する。このときブリッジ回路の特性により第１出力端子５０５と第２出力端子５０４の間には静電容量の変化分に比例した電位差が生じる。第１出力端子５０５と第２出力端子５０４からは静電容量の変化分に応じた電圧値が出力される。以後「第１出力端子５０５と第２出力端子５０４の間の電圧値の出力」を単に「ブリッジ出力」と称する。
Ｚ方向からの音波の圧力（音圧）に比例して下部キャパシタ群（Ｃ１からＣ４）の静電容量も増加する。従ってＺ方向からの音圧とブリッジ出力は図９に示す関係となる。すなわち、音源がＺ方向（マイクロホン１００の正面の方向）にある場合には、音圧に比例した出力が得られる。
【００７３】
次に図４に示すように振動板２００の中心を通りＹＺ平面内でＺ軸から所定角だけ傾いた方向に音源がある場合のブリッジ回路５０１の動作を説明する。
この場合には振動板２００はＸ軸回りに傾く。このとき下部キャパシタ群のうちＣ４の静電容量は増加する。同時に上部キャパシタ群のうちＣ６の静電容量も増加する。静電容量の増加量を＋ｄＣとする。一方下部キャパシタ群のＣ２と上部キャパシタ群のＣ８の静電容量は減少する。静電容量の減少量を−ｄＣとする。このとき下部キャパシタのＣ１とＣ３および上部キャパシタ群のＣ５とＣ７の静電容量は変化しない。
このときのブリッジ回路５０１の各キャパシタの静電容量の変化を図１０に示す。第１入力端子５０２と第２出力端子５０４の間の静電容量と第１入力端子５０２と第１出力端子５０５の間の静電容量はほぼ同じ値となる。同様に第２入力端子５０３と第２出力端子５０４の間の静電容量と第２入力端子５０３と第１出力端子５０５の間の静電容量はほぼ同じ値となる。従って第１出力端子５０５と第２出力端子５０４の間に電位差は生じない（誤差程度の電位差は生じる）。これにより振動板の中心を通りＹＺ平面内でＺ軸から所定角だけ傾いた方向に音源がある場合にはブリッジ出力は図１１に示す関係となる。すなわち、この場合には音圧が大きくともブリッジ出力をほとんどゼロとすることができる。
【００７４】
次に図５に示すように振動板２００の中心を通りＸＺ平面をＺ軸回りに４５度回転した平面内でＺ軸から所定角だけ傾いた方向に音源がある場合のブリッジ回路５０１の動作を説明する。
この場合には振動板２００はＸＺ平面をＺ軸回りに４５度回転した平面内で傾く。このとき下部キャパシタのＣ３とＣ４および上部キャパシタのＣ５とＣ６の静電容量は増加する。静電容量の増加量を＋ｄＣとする。一方下部キャパシタＣ１とＣ２および上部キャパシタのＣ７とＣ８の静電容量は減少する。静電容量の減少量を−ｄＣとする。
このときのブリッジ回路５０１の各キャパシタの静電容量の変化を図１２に示す。ブリッジ回路の特性によりこの場合には出力端子間には電位差は生じない（誤差程度の電位差は生じる）。従って振動板の中心を通りＸＺ平面をＺ軸回りに４５度回転した平面内でＺ軸から所定角だけ傾いた方向に音源がある場合にはブリッジ出力は図１３に示す関係となる。すなわち、この場合にも音圧が大きくともブリッジ出力をほとんどゼロにすることができる。
【００７５】
以上説明したように実施例４によると前方に強い指向性を有するマイクロホンを実現することができる。このマイクロホンの構造は実施形態の構造と同じである。従って小型化が可能である。実施例３も指向性を有するマイクロホンである。しかし実施例４のマイクロホンは、振動板の両面に配置したキャパシタの静電容量をブリッジ回路に接続する点で異なる。ブリッジ回路はキャパシタの静電容量の微小な差を検出することができる。指向性を向上させることができる。また、振動板の両面に配置したキャパシタをブリッジ回路に接続するというシンプルな構造で指向性の強いマイクロホンを実現できる。即ち本実施例による、振動板に対する第１電極対と第２電極対の配置が正面に強い指向性を有する構造に適しているのである。
実施例４において下部電極（１４１、１４２、１４３、１４４）とこれに対向して振動板２００に貼着された電極で構成される電極対群が請求項に記載の第１電極対群に相等する。そして第１電極対群の各電極対により形成されるキャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４が第１キャパシタ群に相当する。また上部電極（３２１、３２２、３２３、３２４）とこれに対向して振動板２００に貼着された電極で構成される電極対群が請求項に記載の第２電極対群に相等する。そして第２電極対群の各電極対により形成されるキャパシタＣ５、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ８が第２キャパシタ群に相当する。
実施例４では第１入力端子５０２と第２入力端子５０３の間には一定電圧を供給した。一定の電圧の替わりに一定電流を供給してもよい。第１入力端子５０２と第２入力端子５０３の間に一定電流を供給する場合には第１出力端子５０５と第２出力端子５０４との間に出力される電気量は電流値となる。
【００７６】
なお、上記ブリッジ回路の構成は以下のように表現することができる。
（１）ブリッジ回路は、２個の入力端子と２個の出力端子を有する。
（２）一方の入力端子と一方の出力端子の間には、前記第１キャパシタ群のうち、振動板の表面領域を２分した一方の領域に配置されたキャパシタ群が直列に接続されている。
（３）他方の入力端子と他方の出力端子の間には、前記第１キャパシタ群のうち、振動板の表面領域を２分した他方の領域に配置されたキャパシタ群が直列に接続されている。
（４）一方の入力端子と他方の出力端子の間には、前記第２キャパシタ群のうち前記「他方の領域」に配置されたキャパシタ群が直列に接続されている。
（５）他方の入力端子と一方の出力端子の間には、前記第２キャパシタ群のうち前記「一方の領域」に配置されたキャパシタ群が直列に接続されている。
（６）２個の入力端子の間に電気量が供給されている。
【００７７】
上記表現を図１と図７で具体的に例示する。図７よりブリッジ回路５０１は第１入力端子５０２（一方の入力端子）と第２入力端子５０３（他方の入力端子）の２個の入力端子を備える。また第１出力端子５０５（一方の出力端子）と第２出力端子５０４（他方の出力端子）の２個の出力端子を備える。
第１入力端子５０２と第１出力端子５０５の間には、第１キャパシタ群のうち振動板の表面領域を２分した一方の領域に配置されたキャパシタ群Ｃ３とＣ４が直列に接続されている。
第２入力端子５０３と第２出力端子５０４の間には、前記第１キャパシタ群のうち振動板の表面領域を２分した他方の領域に配置されたキャパシタ群Ｃ１とＣ２が直列に接続されている。
第１入力端子５０２と第２出力端子５０４の間には、第２キャパシタ群のうち振動板の表面領域を２分した他方の領域に配置されたキャパシタ群Ｃ５とＣ６が直列に接続されている。
第２入力端子５０３と第１出力端子５０５の間には、前記第２キャパシタ群のうち振動板の表面領域を２分した他方の領域に配置されたキャパシタ群Ｃ７とＣ８が直列に接続されている。
なお、実施例４では、「振動板の表面領域を２分した一方の領域」とは図１に直線Ｌで２分される領域のうち右下半分の領域である。第１キャパシタ群のうちキャパシタC３とC４はこの「一方の領域」に配置された電極対群が形成するキャパシタ群である。
また「振動板の表面領域を２分した他方の領域」とは図１に直線Ｌで２分される領域のうち左上半分の領域である。第１キャパシタ群のうちキャパシタC１とC２はこの「一方の領域」に配置されたキャパシタ群である。
同様に第２キャパシタ群のうちキャパシタC７とC８は「一方の領域」に配置されたキャパシタ群である。またに第２キャパシタ群のうちキャパシタC５とC６は「他方の領域」に配置されたキャパシタ群である。
【００７８】
「振動板の表面領域を２分した一方の領域」と「振動板の表面領域を２分した他方の領域」とは振動板を垂直な方向から見たときに２分する夫々の領域を意味する。
【００７９】
第１キャパシタ群のうちキャパシタC３とC４は振動板の一方の面側で振動板の表面領域を２分した一方の領域に配置されている。一方第２キャパシタ群のうちキャパシタC５とC６は振動板の他方の面側で振動板の表面領域を２分した他方の領域に配置されている。
即ちキャパシタC３、C４とキャパシタC５、C６は振動板の表裏面側で振動板をその面に垂直な方向からみて対称の位置に配置されている。従って振動板の全面が同位相で振動した場合にはキャパシタC３、C４の静電容量の変化とキャパシタC５、C６の静電容量の変化は逆位相で変化する。
従って第１入力端子５０２と第１出力端子５０５の間の静電容量と、第１入力端子５０２と第２出力端子５０４の間の静電容量は異なるものとなる。よって第１出力端子５０５と第２出力端子５０４の間に電位差が生じる。この電位差により２つの出力端子間に電流が流れる。
一方第１キャパシタ群のうちキャパシタC３とC４と第２キャパシタ群のうちキャパシタC５とC６は対称の位置に配置されている。従って振動板がどのように傾いて振動しても、両キャパシタ群の静電容量は同等となる。よって２つの出力端子の間に電位差が生じない。他のキャパシタ群C１、C２、C７、C８についても同様である。
即ち正面方向に強い指向性を有するマイクロホンが実現できる。
【００８０】
なお、実施例４では振動板の両面に配置した第１電極対と第２電極対により形成されるキャパシタの静電容量が振動板の各位置の変化に伴って変化することを利用した。本願発明の技術思想は振動板の各位置の変化に伴って変化する電気量を出力するものであればキャパシタに限られるものではない。その意味では本発明は以下のように表現することも可能である。即ち、中央部が支持されており、その中央部の周囲が厚さ方向に変位可能な振動板と、振動板の周囲の厚さ方向の変位に応じた電気量を出力する第１センサ群と、振動板の周囲の厚さ方向の変位に応じた電気量を出力する第２センサ群と、第１センサ群と第２センサ群の各センサを接続したブリッジ回路を備える。そして第１センサ群の各センサは振動板の中央部を囲む複数の位置に配置されており、振動板の一方の面側に配置されており、第２センサ群の各センサは振動板の中央部を囲む複数の位置に配置されており、振動板の他方の面側に配置されており、ブリッジ回路は、第１センサ群の各センサの出力する電気量の増減のタイミングが予め決められた関係を有する場合に、第１センサ群の少なくとも１つのセンサが出力する電気量を外部へ出力するように構成されていることを特徴とするマイクロホン。
なお予め決められた関係とは、振動板が正面から音波を受けて振動板の中央部を囲む各位置が同位相で振動する場合の第１センサ群の各センサが出力する電気量の増減の、各センサ相互間のタイミングである。ブリッジ回路は、第１センサ群の各センサの出力する電気量がこの予め決められた関係のときに第１センサ群の中の少なくとも１つのセンサ出力が得られるように構成する。予め決められた関係の一例としては、第１センサ群の各センサの出力する電気量が同位相で増減する関係が挙げられる。本実施例で例示したように、第１センサ群の各センサの出力する電気量が同位相で増減する場合に出力を得られるブリッジ回路は容易に構成することができる。
【００８１】
ここで第１センサ群と第２センサ群としてはキャパシタの他に圧電素子やピエゾ抵抗素子などをセンサとして利用しても良い。また変位計を用いてもよい。その場合には振動板２００の一方の面に配置されるセンサが第１センサ群に相当する。振動板２００の他方の面に配置されるセンサが第２センサ群に相当する。
【００８２】
＜実施例５＞
次に実施例５について説明する。実施例５は実施形態および上記実施例に共通した中央部を支持された振動板の構造について特徴を有するものである。この振動板は、支持される中央部と中央部以外の部分が２軸ジンバルにより連結された構造である。
【００８３】
図１４に実施例５の振動板２００ｃの平面図を示す。この振動板２００ｃは基本的には円形の中央部２０２と幅の狭いリング形状のリング部２０３と幅の広いリング形状の周辺部２０４から構成されている。周辺部２０４が実質的には音波を受けて振動する振動板の役割を担う。
【００８４】
中央部２０２は振動板の裏側で支持部材２０１により支持されている。従って中央部２０２は固定される。振動板が音波を受けても中央部２０２は振動しない。中央部２０２とリング部２０３は２つの内側連結部２０５ａ、２０５ｂにより連結されている。２つの内側連結部２０５ａ、２０５ｂは中央部２０２の中心に対して対象の位置に配置されている。中央部２０２とリング部２０３は２つの内側連結部２０５ａ、２０５ｂのみにより連結されている。従って中央部２０２とリング部２０３の間には２つの内側孔２０６ａ、２０６ｂが形成さされる。２つの内側連結部２０５ａ、２０５ｂは幅が狭く形成されている。これは２つの内側連結部２０５ａ、２０５ｂの剛性を低くするためである。これによりリング部２０３は中央部２０２に対してＺ方向に変位可能となる。またＹ軸回りに回転可能となる。
【００８５】
リング部２０３と周辺部２０４は２つの外側連結部２０７ａ、２０７ｂにより連結されている。２つの外側連結部２０７ａ、２０７ｂは中央部２０２の中心に対して対象の位置に配置されている。また２つの外側連結部２０７ａ、２０７ｂは、中央部２０２とリング部２０３を連結する内側連結部２０５ａ、２０５ｂに対して９０度回転した位置に配置されている。リング部２０３と周辺部２０４は２つの外側連結部２０７ａ、２０７ｂのみにより連結されている。従ってリング部２０３と周辺部２０４の間には２つの外側孔２０８ａ、２０８ｂが形成される。２つの外側連結部２０７ａ、２０７ｂは幅が狭く形成されている。これは２つの外側連結部２０７ａ、２０７ｂの剛性を低くするためである。従って周辺部２０４はリング部２０３に対してＺ方向に変位可能となる。またＸ軸回りに回転可能となる。
【００８６】
周辺部２０４が中央部２０２に対してＸ軸方向に外側連結部２０７ａ、２０７ｂで連結されている。またＹ軸方向に内側連結部２０５ａ、２０５ｂで連結されている。周辺部２０４が中央部２０２に対してＸ軸とＹ軸の２軸方向で連結され、かつ各軸回りに回転可能となる。これにより２軸ジンバルが構成される。
【００８７】
上記構成により周辺部２０４は、中央部２０２に対してＺ方向に変位可能となる。またＸ軸とＹ軸の各軸回りに回転可能となる。
上記構成により、周辺部２０４の剛性を高くすることができる。周辺部２０４の剛性を高くしても、周辺部２０４は中央部２０２に対してＺ方向に変位可能とすることができる。またＸ軸とＹ軸の各軸回りに回転可能とすることができる。この構造により周辺部２０４の剛性を高くしても音波を受けた周辺部２０４はＸ軸とＹ軸回りおよびＺ軸方向に変位可能となる。周辺部２０４の各位置は音源の方向に依存して振動することができる。
また周辺部２０４の剛性を高くすることで周辺部２０４の高次の固有振動数を高くすることができる。音源の方向を特定する際に周辺部（実質的には振動板）の高次の振動モードを考慮する必要がなくなる。音源の方向の特定が容易となる。
さらに周辺部２０４の剛性を高くすることで周辺部２０４自体の耐久性を向上させることができる。
【００８８】
＜実施例６＞
次に以上説明した実施形態および実施例に特有の中央部を支持された振動板の製造方法について説明する。この方法は半導体プロセス技術を利用する。従って超小型のマイクロホンを製造することができる。
【００８９】
本実施例の製造方法は以下の工程を含む。
（１）シリコン基板や絶縁膜やシリコン膜が積層された半導体積層基板に対して、基板の最上層である半導体下層表面上の所定領域を囲むように第１犠牲層を形成する工程
（２）第１犠牲層とこの第１犠牲層の中央に露出した前記所定領域の表面上に半導体上層を形成する工程
（３）第１犠牲層をエッチング剤により除去する工程
上記工程を含む製造工程によって第１犠牲層が半導体下層表面上の所定の領域を囲むように形成される。従ってこの所定の領域で振動板は表面層に対して支持される構造となる。
この製造方法はさらに次の工程を含むことが好ましい。
（４）第１犠牲層の周縁近傍の表面上から半導体上層の表面上まで覆う第２犠牲層を形成する工程
（５）第１犠牲層の周囲の半導体下層表面から第２犠牲層の表面上で半導体上層の少なくとも周縁と対向する位置まで覆うバックプレート層を形成する工程
（６）第２犠牲層をエッチングにより除去する工程
上記（５）の工程により、第１犠牲層の周囲の半導体下層表面から第２犠牲層の表面上で半導体上層の少なくとも周縁と対向する位置まで覆うバックプレート層を形成する。この工程により、上から見て半導体上層（即ち振動板）の少なくとも周辺と対向する位置まで達するバックプレート層が形成できる。バックプレート層と半導体層との間の第２犠牲層はエッチングにより除去されるためバックプレート層と半導体上層が接触することはない。周辺が厚さ方向に自由に振動可能な振動板を形成できる。こうして製造されたマイクロホンに対して振動板の表裏面に電極を設け、バックプレートの振動板と対向する面に電極を設け、半導体下層の振動板と対向する面に電極を設けることで、振動板の表裏面に夫々対向する電極対を有するマイクロホンを製造することができる。
上記（５）の工程により上から見て半導体上層（即ち振動板）の少なくとも周辺と対向する位置まで達するバックプレート層を形成する場合は、バックプレート層の中央に開口部が形成される。この開口部が外部からの音波を振動板へ伝える役を果たす。
なお、バックプレート層は第２犠牲層の全面を覆うように形成してもよい。この場合はバックプレート上に多数の貫通孔を設ける。この貫通孔により外部の音波を振動板に伝播させる。
【００９０】
以下、本実施例によるマイクロホンの製造方法を図１５から図２７を用いて説明する。
まず図１５と図１６を用いてマイクロホン１００の構造を概説する。図１５はマイクロホン１００の平面図である。図１６（ａ）は図１５のＥ−Ｅ線に対応する縦断面図である。図１６（ｂ）は図１５のＦ−Ｆ線に対応する縦断面図である。
【００９１】
振動板２００は基本的に上部バックプレート３００と下部バックプレート１９０に挟まれている。振動板２００は下部バックプレート１９０上に形成された幾つかの層を介してその中央部を固定されている。
上部バックプレート３００において振動板２００と重なる部分の裏側には４つの上部電極３２１、３２２、３２３、３２４が配置されている。上部電極３２１からは電極リード３２１ａが上部バックプレート３００上に配線されている。電極リード３２１ａは上部電極コンタクト３２１ｂを介して上部電極端子３２１ｃに接続されている。上部電極端子３２１ｃにより外部の装置（制御回路）と接続する。上部電極３２２、３２３、３２４についても同様に電極リード３２２ａ、３２３ａ、３２４ａが上部バックプレート３００上に配線されている。各電極リードは夫々上部電極コンタクト３２２ｂ、３２３ｂ、３２４ｂを介して上部電極端子３２２ｃ、３２３ｃ、３２４ｃに接続されている。
【００９２】
下部バックプレート１９０において振動板２００と重なる位置には４つの下部電極１４１、１４２、１４３、１４４が配置されている。下部電極１４１からは電極リード１４１ａが振動板２００より外側まで配線されている。電極リード１４１ａは下部電極コンタクト１４１ｂを介して下部電極端子１４１ｃに接続されている。下部電極端子１４１ｃにより外部の装置（制御回路）と接続する。下部電極１４２、１４３、１４４についても同様に電極リード１４２ａ、１４３ａ、１４４ａが振動板２００の外側まで配線されている。各電極リードは夫々下部電極コンタクト１４２ｂ、１４３ｂ、１４４ｂを介して下部電極端子１４２ｃ、１４３ｃ、１４４ｃに接続されている。
【００９３】
振動板２００には振動板電極２１５が配置されている。振動板電極２１５は振動板電極第１コンタクト２１２、振動板電極リード２１１、振動板電極第２コンタクト２１３を介してバックプレート３００上で振動板電極端子２１４に接続されている。
またマイクロホンの各電極のグランドとしてシリコン膜電極１４５がシリコン膜電極コンタクト１４５ｂを介してバックプレート３００上でシリコン膜電極端子１４５ｃに接続されている。
【００９４】
下部バックプレート１９０の振動板２００と重なる位置には通気孔１５２が設けられている。この通気孔は上下のバックプレートと振動板との間の空気から振動板２００が圧力を受けることを防止するためのものである。なお図１５において通気孔１５２は振動板２００の裏側に位置するが図面を見やすくするため細線で描いてある。
【００９５】
振動板２００の下部バックプレート１９０と対向する面には第１の振動板絶縁膜２１０が形成されている。また振動板２００の上部バックプレート３００側の面には第２の振動板絶縁膜２５０が形成されている。第１の振動板絶縁膜２１０および第２の振動板絶縁膜２５０は、振動板２００上の電極と振動板２００の上下の面に配置された電極との短絡を防止するために設けられている。
【００９６】
振動板２００と上部バックプレート３００との間には第２の空洞２６１が設けられている。振動板２００と下部バックプレート１９０との間には第１の空洞１７１が設けられている。これらの空洞は振動板２００が振動するときのギャップとして設けられている。
【００９７】
積層体の構造は次の通りである。最下層にシリコン基板エッチングマスク材４００がある。その上にシリコン基板１１０が形成されている。その上に絶縁膜１２０が形成されている。その上にシリコン膜１３０が形成されている。その上にトレンチエッチングのマスク材１５０が形成されている。その上に第１バックプレート絶縁膜３１０が形成されている。その上に第２バックプレート絶縁膜３３０が形成されている。その上に第３バックプレート絶縁膜３５０が形成されている。
【００９８】
次に図１７から図２７を用いて上記構造を形成する製造工程を説明する。なお、図１６（ｂ）に示した縦断面図の成形工程を説明する。
まず図１７に示すように、ｎ型不純物を含む単結晶シリコンからなるシリコン基板１１０と、シリコン酸化膜からなる絶縁膜１２０と、ｎ型不純物を含む単結晶シリコンからなるシリコン膜１３０を形成したSIOウエハ基板１００を用意する。シリコン基板１１０とシリコン膜１３０の面方位には（１００）が選択されている。シリコン基板１１０の層厚方向の厚みは約４００μmである。シリコン膜１３０の層厚方向の厚みは約１０μｍである。
【００９９】
次に図１８に示すように、シリコン膜１３０の表面にフォトリソグラフィを利用してボロンをイオン注入した後に活性化アニールにより４個の下部電極１４１、１４２、１４３、１４４を形成する（１４１と１４２は不図示）。次にシリコン膜１３０の表面にフォトリソグラフィを利用してリンをイオン注入した後に活性化アニールによりシリコン膜電極１４５（不図示）を形成する。
【０１００】
次に図１９に示すように、シリコン膜１３０上にプラズマCVDにより成膜するシリコン酸化膜（NSG）のトレンチエッチングのマスク材１５０を形成する。そしてフォトリソグラフィと反応性イオンエッチング（RIE）によりマスク材１５０の一部を除去してパターニングする。なおマスク材１５０の層の表面が請求項に記載の「半導体下層表面」に相当する。
次にシリコン膜１３０をトレンチエッチングしてトレンチエッチング開口部１５１を形成する。トレンチエッチングにより露出した絶縁膜１２０をRIEにより除去する。
【０１０１】
次に図２０に示すように、トレンチエッチングにより露出したシリコン膜１３０の側壁を保護するために熱酸化してシリコン層保護膜１６０を形成する。この熱酸化の際にトレンチエッチング開口部１５１の底面の露出したシリコン基板１１０も熱酸化される。これを熱酸化後にRIEにより除去する。
【０１０２】
次に図２１に示すように、シリコン膜１３０上に減圧CVDにより成膜する多結晶シリコン（Poly-Si）の第１犠牲層１７０（請求項に記載した第１犠牲層に相当する）を形成してトレンチエッチング内部を埋め込む。ここで第１犠牲層１７０は表面層であるシリコン膜の所定の領域１７１を囲むように形成する。
次にフォトリソグラフィとRIEによりパターニングして第１犠牲層１７０の領域を規定する。
次に第１犠牲層１７０上にNSGの第１振動板絶縁膜２１０を形成してフォトリソグラフィとRIEによりパターニングする。
【０１０３】
次に図２２に示すように、第１振動板絶縁膜２１０上に減圧CVDにより成膜するアモルファスシリコン（a-Si）の層を形成してリンをイオン注入する。その後に活性化アニールを行う。これによりa-SiはPoly-Siになると同時に導電性を有することになる。すなわちPoly-Si層の全体が振動板電極２１５となる。
次にフォトリソグラフィとRIEにより振動板電極２１５をパターニングする。
【０１０４】
次に図２３に示すように、振動板電極２１５を覆うようにNSGの第２振動板絶縁膜２５０を形成してフォトリソグラフィとRIEによりパターニングする。
なお第１振動板絶縁膜２１０と振動板電極２１５と第２振動板絶縁膜２５０を合わせたものが振動板２００となる。また第１振動板絶縁膜２１０と振動板電極２１５と第２振動板絶縁膜２５０を形成する工程が請求項に記載の「第１犠牲層とこの第１犠牲層の中央に露出した前記所定領域の表面上に半導体上層を形成する工程」に相当する。
【０１０５】
次に図２４に示すように、第２振動板絶縁膜２５０上にPoly-Siの第２犠牲層２６０を形成してフォトリソグラフィとRIEにより第２犠牲層２６０の領域を規定する。なお第２犠牲層を形成する工程が請求項に記載の「第１犠牲層の周縁近傍の表面上から半導体上層の表面上まで覆う第２犠牲層を形成する工程」に相当する。
【０１０６】
次に図２５に示すように、第１犠牲層１７０の周囲のマスク材１５０（半導体下層表面）上から第２犠牲層２６０を覆うように減圧CVDにより成膜するシリコン窒化膜（LP-SiN）の第１バックプレート絶縁膜３１０を形成する。
次に第１バックプレート絶縁膜３１０上にPoly-Siの上部電極（３２４等）を形成してリンをイオン注入する。その後活性化アニールを行う。
次にフォトリソグラフィとRIEにより上部電極をパターニングして４個の上部電極３２１、３２２、３２３、３２４を形成する（３２１と３２２は不図示）。
次に上部電極３２０を覆うようにLP-SiNの第２バックプレート絶縁膜３３０を形成する。
次にフォトリソグラフィとRIEにより第２バックプレート絶縁膜３３０と第１バックプレート絶縁膜３１０とトレンチエッチングのマスク材１５０の一部を除去して４個の下部電極コンタクト１４１ｂ、１４２ｂ、１４３ｂ、１４４ｂ（４個の下部電極コンタクトは不図示）とシリコン膜電極コンタクト１４５ｂ（不図示）を形成する。
またフォトリソグラフィとRIEにより第２バックプレート絶縁膜３３０の一部を除去して４個の上部電極コンタクト３２１ｂ、３２２ｂ、３２３ｂ、３２４ｂ（４個の上部電極コンタクトは不図示）を形成する。そしてスパッタによりアルミニウムを成膜してフォトリソグラフィとRIEにより４個の下部電極端子１４１ｃ、１４２ｃ、１４３ｃ、１４４ｃ（４個の下部電極端子は不図示）と４個の上部電極端子３２１ｃ、３２２ｃ、３２３ｃ、３２４ｃ（４個の上部電極端子は不図示）とシリコン膜電極端子１４５ｃ（不図示）を形成する。
【０１０７】
次に図２６に示すように、第２バックプレート絶縁膜３３０上にプラズマCVDにより成膜するシリコン窒化膜（PE-SiN）の第３バックプレート絶縁膜３５０を形成する。
次にフォトリソグラフィとRIEにより第３バックプレート絶縁膜３５０と第２バックプレート絶縁膜３３０と第１バックプレート絶縁膜３１０の一部を除去して第２犠牲層２６０に到達するようにエッチング孔３６０を形成する。このエッチング孔３６０の形成と同時に４個の下部電極端子（不図示）と４個の上部電極端子（不図示）とシリコン膜電極端子（不図示）にワイヤーボンディングができるようにするための窓を開ける。
なお、第１バックプレート絶縁膜３１０と第２バックプレート絶縁膜３３０および第３バックプレート絶縁膜３５０を形成する工程が請求項に記載の「第１犠牲層の周囲の半導体下層表面から第２犠牲層の表面上で半導体上層の少なくとも周縁と対向する位置まで覆うバックプレート層を形成する工程」に相当する。
【０１０８】
次に図２７に示すようにシリコン基板１１０の裏面にPE-SiNのシリコン基板エッチングマスク材４００を形成する。そしてフォトリソグラフィとRIEによりエッチング開口部４１０を形成する。そして水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液を用いてシリコン基板１１０のエッチング部１８０を結晶異方性エッチングする。
【０１０９】
最後にニ弗化キセノン（XeF2）ガスを用いて第２犠牲層２６０と第１犠牲層１７０をエッチング除去する。これにより図１６（ｂ）に示すように中央部を支持された円形の振動板２００と通気孔１５２をもつバックプレート１９０と上部バックプレート３００が形成できる。
なお、第１犠牲層エッチング除去する工程が請求項に記載の「第１犠牲層をエッチング剤により除去する工程」に相当し、第２犠牲層エッチング除去する工程が請求項に記載の「第２犠牲層をエッチングにより除去する工程」に相当する。
【０１１０】
＜実施例７＞
実施例６の製造方法は振動板２００全体を電極とするマイクロホンの製造方法である。次に振動板の両面に夫々複数の電極（複数のキャパシタの一方の電極）を形成することのできる製造方法を実施例７として説明する。
実施例７の大半の工程は実施例６の工程と同じである。従って異なる部分についてのみ説明する。
実施例７の製造方法は、実施例６の製造方法の図２２に示す工程に替えて次の図２８と図２９に示す工程を加える。
【０１１１】
図２１で説明した工程の後に図２８に示す工程を行う。
この工程では、第１振動板絶縁膜２１０上に減圧CVDにより成膜するアモルファスシリコン（a-Si）の下部振動板電極（２２３等）を形成してリンをイオン注入して活性化アニールを行う。これによりa-SiはPoly-Siになると同時に導電性を有することになる。即ち電極として機能させることができる。
次にフォトリソグラフィとRIEにより下部振動板電極をパターニングして４個の下部振動板電極２２１、２２２、２２３、２２４（２２１と２２２は不図示）を形成する。
次に下部振動板電極２２０を覆うようにNSGの中間振動板絶縁膜２３０を形成してフォトリソグラフィとRIEによりパターニングする。そして４個の上部振動板電極リード（不図示）上に成形されたトレンチエッチングのマスク材膜１５０と第１振動板絶縁膜２１０と中間振動板絶縁膜２３０の一部をフォトリソグラフィとRIEにより除去して４個の上部振動板電極第１コンタクト（不図示）を形成する。
【０１１２】
次に図２９に示すように、中間振動板絶縁膜２３０の上にa-Siの上部振動板電極（２４１等）を形成する。その後リンをイオン注入して活性化アニールを行う。これによりa-SiはPoly-Siとなると同時に導電性を有することになる。即ち電極として機能させることができる。
次にフォトリソグラフィとRIEにより上部振動板電極をパターニングして４個の上部振動板電極２４１、２４２、２４３、２４４（２４１と２４２は不図示）を形成する。そして上部振動板電極２４０を覆うようにNSGの第２振動板絶縁膜２５０を形成してフォトリソグラフィとRIEによりパターニングする。
以降の工程は実施例６の図２３以降の工程と同様である。
【０１１３】
以上本発明の実施例について説明した。
本発明は、ひとつの振動板で音源の方向を特定することのできるマイクロホンを提供するものである。またひとつの振動板で特定の音源から伝播してくる音波のみを受信することのできるマイクロホンを提供するものである。さらに上記マイクロホンに適した中央部が支持された振動板を、半導体プロセス技術を利用して製造する製造方法を提供するものである。
【０１１４】
中央部が支持された振動板は長時間振動させると疲労によりその初期状態が変化する。初期状態とは、振動板そのものの形状や支持部に対する振動板全体の傾きなどである。振動板の初期状態が変化すると音源の方向を特定する際の精度が低下する。振動板の初期状態が変化する可能性は、実施例で示したように半導体プロセスで超小型の振動板を製造する際に特に顕著となる。半導体プロセスで超小型の振動板を製造すると振動板の強度を上げることが困難となるからである。
【０１１５】
本発明の一形態によれば、振動板の振動を制御しつつその制御力から音源の方向を特定する。振動板の振動を抑制することにより振動板が初期状態を維持しやすくなる。音源を特定するマイクロホンの耐久性を向上させることができる。振動板の振動を制御してもその制御力から音源の方向を特定することができる。振動板を制御するという技術的特徴から、マイクロホンの耐久性を向上させるとともに音源の方向を特定することが可能となる。
【０１１６】
振動板の振動を抑制することにより、さらに次の効果を得ることができる。
（１）振幅の大きな音波を受信しても振動板が大きく振動することはない。制御器が各アクチュエータへ出力する電気量が大きくなるだけである。従って本発明によれば、受信可能な音波のダイナミックレンジを大きくできる。
（２）振動板の各位置の変位を制御することによって、振動板の初期状態を設計値に調整することができる。製造誤差や経時変化によって振動板の初期状態にはばらつきが生じる。振動板の各位置に配置したセンサの信号を検出することでこのばらつきを検出することができる。ばらつきがほぼゼロとなるようにアクチュエータにより振動板の各位置を制御できる。このときの制御量をバイアス値として記憶しておく。振動板の各位置に加える制御量からこのバイアス値を差し引いた値で音源の方向を特定する。バイアス値は音源の方向の特定に影響を与えない。本発明の一態様によれば、バイアス値を与える制御を特別に付加する必要がない。構造を複雑にせずに、振動板のばらつきを抑えるマイクロホンを実現できる。
このことは特に振動板の両面にキャパシタを備える構成で好適に実現できる。振動板の両面に配置したキャパシタによる静電吸引力の大きさを調整することで振動板の各位置を初期の状態に維持することができる。
【０１１７】
また音波を受信する振動板を振動させないことと音波を受信することは本来矛盾することである。本発明では以上説明したように本来であれば矛盾する２つの機能を両立させたマイクロホンを実現することができる。
【０１１８】
また実施形態や実施例に示したようにセンサとして振動板の両側に電極を配置して振動板に貼着した電極との間にキャパシタを形成するマイクロホンについては以下の工程を含む製造工程により製造することも好ましい。
（１）複数の層が積層された積層基板の表面層上に複数の第１電極層を表面層の所定の領域の周囲に点在させて形成する工程
（２）前記第１電極層を覆いかつ前記領域を覆わない第１犠牲層を形成する工程
（３）第１犠牲層とこの犠牲層の中央に露出した前記領域の上部に振動板層を形成する工程
（４）振動板層の上に、前記第２層の周囲で第１犠牲層に接触する第２犠牲層を形成する工程
（５）第２犠牲層の上に複数の第２電極層を前記領域の周囲に点在させて形成する工程
（６）第２電極層の上に、前記第２犠牲層の周囲で表面層に接触する上部バックプレート層を形成する工程
（７）第１犠牲層および第２犠牲層をエッチング剤により除去する工程
上記工程を含む工程により中央を支持された振動板の両面に電極を配置したマイクロホンを製造することが可能となる。
ここで図１８に示す工程が（１）の工程に相当する。図２１に示す工程が（２）の工程に相当する。図２２に示す工程が（３）の工程に相当する。図２４に示す工程が（４）の工程に相当する。図２５に示す工程が（５）及び（６）の工程に相当する。
【０１１９】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【０１２０】
【図１】（ａ）は実施形態のマイクロホンの平面図である。（ｂ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線に対応する縦断面図である。（ｃ）は図１（ａ）のＣ−Ｃ線に対応する縦断面図である。
【図２】音源の方向を特定する制御器のブロック図である。
【図３】（ａ）は音源がＺ方向にある場合の図１（ａ）のＢ−Ｂ線に対応する縦断面図である。（ｂ）は音源がＺ方向にある場合の図１（ａ）のＣ−Ｃ線に対応する縦断面図である。
【図４】（ａ）は振動板の中心を通りＹＺ平面内でＺ軸から所定角だけ傾いた方向に音源がある場合の図１（ａ）のＢ−Ｂ線に対応する縦断面図である。（ｂ）は振動板の中心を通りＹＺ平面内でＺ軸から所定角だけ傾いた方向に音源がある場合の図１（ａ）のＣ−Ｃ線に対応する縦断面図である。
【図５】（ａ）は振動板の中心を通りＸＺ平面をＺ軸回りに４５度回転させた平面内でＺ軸から所定角だけ傾いた方向に音源がある場合の図１（ａ）のＢ−Ｂ線に対応する縦断面図である。（ｂ）は振動板の中心を通りＸＺ平面をＺ軸回りに４５度回転させた平面内でＺ軸から所定角だけ傾いた方向に音源がある場合の図１（ａ）のＣ−Ｃ線に対応する縦断面図である。
【図６】（ａ）は実施例１のマイクロホンの平面図である。（ｂ）は図６（ａ）のＤ−Ｄ線に対応する縦断面図である。
【図７】実施例４のブリッジ回路を説明する図である。
【図８】音源がＺ方向にある場合のブリッジ回路の動作を説明する図である。
【図９】音源がＺ方向にある場合のブリッジ回路の出力を模式的に表した図である。
【図１０】振動板の中心を通りＹＺ平面内でＺ軸から所定角だけ傾いた方向に音源がある場合のブリッジ回路の動作を説明する図である。
【図１１】振動板の中心を通りＹＺ平面内でＺ軸から所定角だけ傾いた方向に音源がある場合のブリッジ回路の出力を模式的に表した図である。
【図１２】振動板の中心を通りＸＺ平面をＺ軸回りに４５度回転した平面内でＺ軸から所定角だけ傾いた方向に音源がある場合のブリッジ回路の動作を説明する図である。
【図１３】振動板の中心を通りＸＺ平面をＺ軸回りに４５度回転した平面内でＺ軸から所定角だけ傾いた方向に音源がある場合のブリッジ回路の出力を模式的に表した図である。
【図１４】実施例５の振動板の平面図である。
【図１５】実施例６のマイクロホンの平面図である。
【図１６】（ａ）は図１５のＥ−Ｅ線に対応する縦断面図である。（ｂ）は図１５のＦ−Ｆ線に対応する縦断面図である。
【図１７】実施例６のマイクロホンの製造工程を示す図である（１）。
【図１８】実施例６のマイクロホンの製造工程を示す図である（２）。
【図１９】実施例６のマイクロホンの製造工程を示す図である（３）。
【図２０】実施例６のマイクロホンの製造工程を示す図である（４）。
【図２１】実施例６のマイクロホンの製造工程を示す図である（５）。
【図２２】実施例６のマイクロホンの製造工程を示す図である（６）。
【図２３】実施例６のマイクロホンの製造工程を示す図である（７）。
【図２４】実施例６のマイクロホンの製造工程を示す図である（８）。
【図２５】実施例６のマイクロホンの製造工程を示す図である（９）。
【図２６】実施例６のマイクロホンの製造工程を示す図である（１０）。
【図２７】実施例６のマイクロホンの製造工程を示す図である（１１）。
【図２８】実施例７のマイクロホンの製造工程を示す図である（１）。
【図２９】実施例７のマイクロホンの製造工程を示す図である（２）。
【符号の説明】
【０１２１】
１００：マイクロホン
１４０：上部電極
１７０：第１犠牲層
２００：振動板
２０１：振動板中央部
２６０：第２犠牲層
３２０：下部電極
５００：制御器
５０１：ブリッジ回路
５０２：第１入力端子
５０３：第２入力端子
５０４：第２出力端子
５０５：第１出力端子
５１０：検出回路
５２０：サンプルホールド回路
５３０：増幅回路
５４０：ルート回路
５５０：音源方向特定回路
【図１】
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【図２】
2006345130.tif 000004
【図３】
2006345130.tif 000005
【図４】
2006345130.tif 000006
【図５】
2006345130.tif 000007
【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】
2006345130.tif 000013
【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】
2006345130.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
2006345130.tif 000021
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
2006345130.tif 000024
【図２３】
2006345130.tif 000025
【図２４】
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【図２５】
2006345130.tif 000027
【図２６】
2006345130.tif 000028
【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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