(57)【要約】【課題】静電容量型の音波発生装置においてプルインの発生を抑止することで、静電容量型の音波発生装置の信頼性を向上できる技術を提供する。【解決手段】厚み方向に貫通するように設けられた貫通孔（１１ａ）を有する固定電極（１１）と、固定電極（１１）と対向するように固定電極（１１）を挟んで配置され、固定電極（１１）に対して移動可能に設けられた二枚の振動電極（１２、１３）と、貫通孔（１１ａ）を通して、二枚の振動電極（１２、１３）を接続する接続部材（１４）と、を備え、二枚の振動電極（１２、１３）と対向する、固定電極（１１）の両側の表面における少なくとも一部の領域には、誘電体層（１５）が設けられる。【選択図】図１
2019161560.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の形状を有し、厚み方向に貫通するように設けられた一または複数の貫通孔を有する固定電極と、
板状または膜状の形状を有し、前記固定電極と対向するように前記固定電極を挟んで配置され、前記固定電極に対して、少なくとも中央部が厚み方向に移動可能に設けられた二枚の振動電極と、
前記貫通孔を通して、前記二枚の振動電極を接続する接続部材と、
を備え、
前記二枚の振動電極と対向する、前記固定電極の両側の表面における少なくとも一部の領域には、誘電体層が設けられたことを特徴とする、静電容量型の音波発生装置。
【請求項２】
前記誘電体層の厚みをｔ１、前記誘電体層の誘電率をε１、前記振動電極と前記誘電体層の間の距離をｇ、前記振動電極と前記誘電体層の間の空間の誘電率をεとした場合に、
【数１】
2019161560.tif 000010
を満たすことを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型の音波発生装置。
【請求項３】
前記二枚の振動電極の各々が、前記固定電極との間に生じる静電引力により、同じ方向に移動または変形するように、前記固定電極と前記二枚の振動電極の間に電圧を印加する音響信号入力手段をさらに備えたことを特徴とする、請求項１または２に記載の静電容量型の音波発生装置。
【請求項４】
前記固定電極及び前記二枚の振動電極のうちの少なくとも一方を、その周縁部で固定することを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の静電容量型の音波発生装置。
【請求項５】
前記音響信号入力手段は、
プラスまたはマイナスのバイアス電圧を前記固定電極に印加し、
前記バイアス電圧の極性を反転させた反転バイアス電圧、前記バイアス電圧または、前記反転バイアス電圧と前記バイアス電圧の間の電圧のいずれかを基準として音響信号をアナログ信号に変換するとともに該アナログ信号の極性を反転した反転アナログ信号を生成し、前記アナログ信号および前記反転アナログ信号をそれぞれ前記二枚の振動電極に印加するよう構成されたことを特徴とする、請求項３に記載の静電容量型の音波発生装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の静電容量型の音波発生装置から成り、前記音響信号入力手段による前記二枚の振動電極の振動により可聴域の音波を発生可能に構成されたことを特徴とする、静電容量型スピーカー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電容量型の音波発生装置および静電容量型スピーカーに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
音波発生装置のうち、特に可聴域の音波を出力するスピーカーとして一般的に用いられているものとしては、ダイナミック型スピーカー、バランスドアーマチュア型スピーカー、静電容量型スピーカー等を挙げることができる。ダイナミック型スピーカーは、電磁型駆動によりコーンを振動させるものであり、音域が広いという特徴がある一方、振動させるコーンの質量が大きいため応答性が低いという不都合がある。特に、イヤホンなどの小型のスピーカーでは、振動板の慣性力が相対的に大きくなるため、応答性がさらに悪くなってしまうという課題がある。また、バランスドアーマチュア型スピーカーは、電磁型駆動で鉄片を振動させるものであり、小型化が容易で消費電力が小さいという特徴がある一方、音域が狭いという不都合があった。
【０００３】
これに対し、そのような問題を解決した静電容量型スピーカー（ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  ｓｐｅａｋｅｒ）が利用されている（例えば、特許文献１−５参照）。この静電容量型スピーカーにおいては、振動板を挟むようにして２枚の固定電極が配置されている。そして、振動板をプラスまたはマイナスに帯電させ、各固定電極に振動板とは反対の極性の電気信号を送って帯電させることにより、振動板と各固定電極との間に生じる静電引力を利用して振動板を振動させ、音波を出力する。この静電容量型スピーカーは、振動板にコイルなどが取り付けられていないため、高い応答性を実現することができる。また、構造がシンプルで消費電力も少ないという利点もある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｉｍａｎ Ｓｈａｈｏｓｓｅｉｎｉ，ｅｔ ａｌ, “Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ＭＥＭＳ ｍｉｃｒｏｓｐｅａｋｅｒ ｆｏｒ ｐｏｒｔａｂｌｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｄｅｖｉｃｅｓ”， ＭｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ, Ｊｕｎｅ ２０１３， Ｖｏｌｕｍｅ１９，Ｉｓｓｕｅ ６，ｐ．８７９−８８６
【非特許文献２】Ａ−Ｓ Ｒｏｌｌｉｅｒ，ｅｔ ａｌ, “Ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄｐｕｌｌ−ｉｎ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｐａｒａｌｌｅｌ−ｐｌａｔｅ ａｃｔｕａｔｏｒｓ ａｎｄ ｌｉｑｕｉｄ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ”，Ｊｏｕｎａｌｏｆ Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄ Ｍｉｃｒｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ, Ａｐｒｉｌ ２００６，Ｖｏｌｕｍｅ １６，ｐ．７９４−８０１
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６８４２９６４号明細書
【特許文献２】欧州特許出願公開第２４１０７６８号明細書
【特許文献３】欧州特許出願公開第２４６４１４２号明細書
【特許文献４】欧州特許出願公開第２５８２１５６号明細書
【特許文献５】特許第３２８１８８７号公報
【特許文献６】特許第５８０１４７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記したような静電容量型スピーカーは、それ自体の消費電力は少ないが、十分な音圧
を出力するためには振動電極と固定電極の間に高い電圧（１００〜２００Ｖ）を印加する必要があり、バッテリー駆動のアプリケーションでは、低電圧のバッテリー電圧（数Ｖ以内）から昇圧する昇圧回路が必要となり、装置コストや電力消費が高くなる場合があった。電極間の電圧を高くする以外に静電容量型スピーカーの音圧を確保する手段としては、電極面積を大きくする方法も考えられるが、スピーカサイズに制約のあるモバイル機器やウェアラブル機器では、面積の制約の問題やコストの問題があった。以上のような理由から、消費電力とスピーカサイズ両方に制約のあるモバイル機器やウェアラブル機器において、静電容量型スピーカーを搭載することは困難になっていた。
【０００７】
そして、上記のような問題点を解決し、静電容量型の音波発生装置または静電容量型スピーカーの駆動電圧を低減し、消費電力を抑制するために、厚みを貫通して設けられた貫通孔を有する固定電極と、固定電極を挟んで対向するように配置され固定電極に対して移動可能に設けられた振動電極と、貫通孔を通して、二枚の振動電極を接続する接続部材で構成されるようにした静電容量型スピーカーも提案されている。
【０００８】
ところで、上記の静電容量型スピーカーにおいては、振動電極の変位ｄが、初期における振動電極と固定電極の間の間隔（ｄ０）の１／３以上になると変位が不安定になり、対向する固定電極に衝突する現象が発生することが知られている。この現象はプルイン（ｐｕｌｌ−ｉｎ）と呼ばれている。上記のプルインが発生すると、振動電極は対向する固定電極に衝突するが、そこには強い静電引力が作用しているので振動電極が固定電極に貼り付いたり、衝突時の衝撃により振動電極が破壊する場合もあった。
【０００９】
本発明は上記のような従来技術を鑑みてなされたものであり、その目的は、静電容量型の音波発生装置においてプルインの発生を抑止することで、静電容量型の音波発生装置の信頼性を向上できる技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであって、板状の形状を有し、厚み方向に貫通するように設けられた一または複数の貫通孔を有する固定電極と、
板状または膜状の形状を有し、前記固定電極と対向するように前記固定電極を挟んで配置され、前記固定電極に対して、少なくとも中央部が厚み方向に移動可能に設けられた二枚の振動電極と、
前記貫通孔を通して、前記二枚の振動電極を接続する接続部材と、
を備え、
前記二枚の振動電極と対向する、前記固定電極の両側の表面における少なくとも一部の領域には、誘電体層が設けられたことを特徴とする、静電容量型の音波発生装置である。
【００１１】
これによれば、音孔の設けられていない固定電極と、固定電極を挟んで配置された二枚の振動電極の間の静電力に基づいて、二枚の振動電極を一体として振動させることができる。本発明では、固定電極に複数の音孔が設けられている従来の音波発生装置と比較して静電力を発生させる電極の面積をより大きくすることができ、より効率的に振動電極を振動させることができる。ここで、固定電極は接続部材を通すための貫通孔を有しているが、この貫通孔の面積は通常の静電容量型の音波発生装置における固定電極の音孔の合計面積に対して大幅に小さくすることができるので問題とはならない。
【００１２】
そして、本発明においては、前記二枚の振動電極と対向する、前記固定電極の両側の面における少なくとも一部の領域には、誘電体層が設けられている。これにより、誘電体層の誘電率、厚み、誘電体層と振動電極の間の距離を適切に設定することで、原理的にプルインが生じる振動電極の位置を、理論的に誘電体層の内部に設定することができる。その結果、プルインが生じることを抑止することが可能となる。
【００１３】
また、本発明においては、前記誘電体層の厚みをｔ１、前記誘電体層の誘電率をε１、前記振動電極と前記誘電体層の間の距離をｇ、前記振動電極と前記誘電体層の間の空間の誘電率をεとした場合に、
【数１】
2019161560.tif 000003
を満たすようにしてもよい。これによれば、さらに確実に、プルインが生じる振動電極の位置を、理論的に誘電体層の内部に設定することができる。その結果、プルインが生じることをより確実に抑止できる。
【００１４】
また、本発明においては、前記二枚の振動電極の各々が、前記固定電極との間に生じる静電引力により、同じ方向に移動または変形するように、前記固定電極と前記二枚の振動電極の間に電圧を印加する音響信号入力手段をさらに備えるようにしてもよい。このことで、より効率的に音波を発生させることができ、音波発生装置の印加電圧を低下させ、消費電力を低減することが可能となる。
【００１５】
また、本発明においては、前記固定電極及び前記二枚の振動電極のうちの少なくとも一方を、その周縁部で固定するようにしてもよい。これによれば、固定電極及び振動電極の位置及び運動をより安定化させることができ、音波発生装置が発生する音波の品質を向上させることが可能となる。
【００１６】
また、本発明においては、前記音響信号入力手段は、
プラスまたはマイナスのバイアス電圧を前記固定電極に印加し、
前記バイアス電圧の極性を反転させた反転バイアス電圧、前記バイアス電圧または、前記反転バイアス電圧と前記バイアス電圧の間の電圧のいずれかを基準として音響信号をアナログ信号に変換するとともに該アナログ信号の極性を反転した反転アナログ信号を生成し、前記アナログ信号および前記反転アナログ信号をそれぞれ前記二枚の振動電極に印加するよう構成されるようにしてもよい。
【００１７】
これによれば、より確実に、二枚の振動電極の各々が、固定電極との間に生じる静電引力により同じ方向に移動するように制御可能である。これにより、より効率的に音波を発生させることができ、より確実に音波発生装置の印加電圧を低下させ、消費電力を低減することが可能となる。
【００１８】
また、本発明は、上記の静電容量型の音波発生装置から成り、前記音響信号入力手段による前記二枚の振動電極の振動により可聴域の音波を発生可能に構成されたことを特徴とする、静電容量型スピーカーであってもよい。これによれば、消費電力とスピーカサイズ両方に制約のあるモバイル機器やウェアラブル機器に搭載可能であって、プルインが生じず信頼性の高い静電容量型スピーカーを提供することが可能となる。
【００１９】
なお、上記した各々の課題を解決するための手段は、可能な限り、組み合わせて使用することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、静電容量型の音波発生装置においてプルインの発生を抑止し、静電容量型の音波発生装置の信頼性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の前提となる静電容量型スピーカーの音波発生部を示す概略図である。
【図２】本発明の前提となる音波発生部の作動を説明するための図である。
【図３】本発明の適用例に係る静電容量型スピーカーの音波発生部を示す概略図である。
【図４】本発明の実施例における音響信号入力部を含めた、静電容量型スピーカーの概略図である。
【図５】本発明の実施例における静電容量型スピーカーのプルイン現象を説明するための図である。
【図６】本発明の実施例における静電容量型スピーカーのプルイン現象を説明するためのグラフである。
【図７】本発明の実施例における静電容量型スピーカーの音波発生部の原理を示す図である。
【図８】本発明の実施例における静電容量型スピーカーの音波発生部の原理を示すグラフである。
【図９】本発明の実施例における静電容量型スピーカーの音波発生部の原理を示す第２のグラフである。
【図１０】本発明の実施例における静電容量型スピーカーの音波発生部の原理を示す第３のグラフである。
【図１１】本発明の実施例における静電容量型スピーカーの駆動電圧がプルイン電圧以下である場合のつり合い点の位置を示すグラフである。
【図１２】本発明の実施例における静電容量型スピーカーの駆動電圧がプルイン電圧より高い場合のつり合い点の位置を示すグラフである。
【図１３】本発明の実施例における静電容量型スピーカーの音波発生部の製造プロセスを示す第１の図である。
【図１４】本発明の実施例における静電容量型スピーカーの音波発生部の製造プロセスを示す第２の図である。
【図１５】本発明の実施例における静電容量型スピーカーの音波発生部の製造プロセスを示す第３の図である。
【図１６】本発明の実施例における静電容量型スピーカーの音波発生部の製造プロセスを示す第４の図である。
【図１７】本発明の実施例における静電容量型スピーカーの音波発生部の製造プロセスを示す第５の図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
〔適用例〕
以下、本発明の適用例について、図面を参照しつつ説明する。
【００２３】
図１には、本発明が適用されるべき静電容量型の音波発生装置の一例として、可聴域の音波を発生可能に構成された静電容量型スピーカー１０の概略図を示す。静電容量型スピーカー１０においては、固定電極１１を挟むようにして、２枚の振動電極としての振動体１２および振動電極１３が配置されており、振動体１２と振動電極１３とは、固定電極１１の貫通孔１１ａを介して、接続部材１４によって接続されている。なお、図１の例では、固定電極１１の端部と、振動体１２の端部は固定されており、振動電極１３の端部はフリーとなっている。静電容量型スピーカー１０は、図２（ａ）に示すように、固定電極１１に電圧を印加して、固定電極１１をマイナスに帯電させた状態で、振動体１２に電圧を印加して、振動体１２に固定電極１１と反対の極性の電気信号を送ってプラスに帯電させることにより、振動体１２と固定電極１１との間に静電引力を発生させ、振動体１２を固定電極１１側に変形させる。
【００２４】
また、同様に、図２（ｂ）に示すように、振動電極１３に電圧を印加して、振動電極１３に固定電極１１と反対の極性の電気信号を送ってプラスに帯電させることにより、振動電極１３と固定電極１１との間に静電引力を作用させ、振動電極１３を固定電極１１側に移動させる。このとき、振動体１２と振動電極１３とは接続部材１４で結合されているため、振動体１２と振動電極１３とが同じ方向に移動する。その結果、振動体１２を固定電極１１と反対側に変形させる。このように、振動体１２と振動電極１３とに音響信号に係る電圧を印加することにより、振動体１２を振動させることができ、音波を出力することが可能となる。
【００２５】
静電容量型スピーカー１０においては、固定電極１１を挟むようにして振動体１２および振動電極１３が配置され、外側に配置された振動体１２および振動電極１３が振動する。従って、固定電極１１、振動体１２及び振動電極１３のいずれにも音孔を設ける必要がない。これにより、外側の各固定電極に音孔が設けられた従来の静電容量型スピーカーと比較して、塵埃や水、湿気などが、固定電極１１と振動体１２または振動電極１３との間に侵入しづらい。このため、振動体１２や振動電極１３、固定電極１１に異物が付着することを抑制でき、放電の発生を抑制し、振動体１２の信頼性および耐久性を向上させることが可能となる。
【００２６】
なお、静電容量型スピーカー１０では、固定電極１１に設けられた貫通孔１１ａは、接続部材１４を通すためだけに使用されるため、音波を通すための音孔と比較して、固定電極１１の表面積に対する割合を小さくすることができる。このため、貫通孔１１ａを設けた場合でも、貫通孔１１ａによる静電力の低下幅は小さい。また、静電容量型スピーカー１０は、振動体１２及び振動電極１３が固定電極１１の外側に配置されているため、振動体１２または振動電極１３で出力された音波を、干渉により波形が乱されることなく、外部に伝播させることができ、音質を高めることができる。
【００２７】
ここで、静電容量型スピーカー１０においては、固定電極１１と振動体１２または振動電極１３との間に電圧を加え、生じる静電力により振動体１２及び振動電極１３を振動させる。この振動により空気を振動させ音波を発生させる。このような静電力により仕事をするメカニズムは静電アクチュエーターとも呼ばれており、静電容量型スピーカー１０の他、様々な装置で利用されている。ここで、静電アクチュエーターにおいて振動電極がある程度以上、対向する固定電極に接近すると変位が不安定になり、固定電極に衝突する現象が発生することが知られている。この現象はプルイン（ｐｕｌｌ−ｉｎ）と呼ばれている。
【００２８】
上記のプルインが発生すると、振動体１２または振動電極１３は対向する固定電極１１に衝突するが、そこには強い静電引力が作用しているので振動体１２または振動電極１３が固定電極１１に貼り付いてしまったり、衝突時の衝撃により振動体１２または振動電極１３が破損する場合もある。そのため静電アクチュエーターを使用する時にはプルインが生じないようにする必要がある。
【００２９】
上述のプルインが生じないようにするため、静電容量型スピーカー１０においては、振動体１２または振動電極１３と固定電極１１の間の間隔を、振動体１２または振動電極１３の振動変位の３倍以上に設定する必要があった。ここで、静電容量型スピーカー１０から１ｃｍの距離で音圧８０ｄＢを得るために必要な振動電極のサイズと振動変位は、例えば以下のようになる。
１．振動電極及び固定電極の径：４ｍｍ
２．振動電極厚さ／ヤング率：５μｍ／２．８ＧＰａ
３．振動電極の変位：２７μｍ
【００３０】
この場合において、プルインが生じないようにするためには、固定電極１１と振動体１２または振動電極１３の間隔を振動変位の３倍である８１μｍより大きくすることが必要である。そして、固定電極１１と振動体１２または振動電極１３の間隔を８１μｍに設定した場合の駆動電圧は１３０Ｖとなる。このように静電容量型スピーカー１０においてプルインを抑止するためには、駆動電圧を非常に高くしなければならなかった。
【００３１】
この課題に対し、本適用例では、図３に示すように、静電容量型スピーカー１０の固定電極１１と、振動体１２及び振動電極１３の間に、所定の厚み及び誘電率を有する誘電体を設置することとした。これにより、静電容量型スピーカー１０においてプルインを抑止することができる。なお、この誘電体１５は、振動体１２及び振動電極１３を、固定電極１１に衝突させないためのストッパーやスペーサーとは技術的意義が全く異なる。静電容量型スピーカー１０に、適切な厚み及び誘電率を有さない単なるストッパーやスペーサーを挿入した場合、結果として、振動体１２または振動電極１３が固定電極１１に衝突することを防止できるが、振動体１２または振動電極１３が、誘電体１５に貼り付いたり、誘電体１５との間の空間において安定して挙動することが困難になる虞があるからである。
【００３２】
本適用例では、このように適切な厚み及び誘電率を有する誘電体１５を固定電極１１と振動体１２または振動電極１３の間に設置することで、振動体１２または振動電極１３は振動時に、誘電体１５への貼り付きや動作の不安定化を抑止することが可能となった。
【００３３】
なお、図３においては、固定電極１１の両側の表面の全域に誘電体１５を設けているが、必ずしも、固定電極１１の両面の全域に誘電体１５を設置する必要はなく、固定電極１１において振動体１２または振動電極１３と対向する面の一部の領域に設けても構わない。例えば、振動体１２側の面では、振動体１２の変位がより大きくなる中央部にのみ設けるようにしてもよい。また、上記の適用例では、固定電極１１には単一の貫通孔１１ａが設けられ、単一の接続部材１４により振動体１２と振動電極１３とが接続されている例について説明したが、貫通孔１１ａ及び接続部材１４が複数設けられていてもよいことは当然である。
【００３４】
＜実施例１＞
次に、本発明の実施例１について図４を用いて説明する。ここで、まず、本実施例における静電容量型スピーカー１０と音響信号入力手段としての音響信号入力装置１６とからなる静電容量型スピーカーシステム２０について説明する。前述のように、静電容量型スピーカーシステム２０は、固定電極１１と振動体１２、振動電極１３、接続部材１４及び誘電体１５からなる静電容量型スピーカー１０と、音響信号入力装置１６を備えている。
【００３５】
ここで、静電容量型スピーカー１０において、固定電極１１は、例えば円板状を成し、中央に厚み方向に貫通して設けられた貫通孔１１ａが設けられている。振動体１２は、例えば固定電極１１より径が小さく、薄い円板状を成している。振動体１２は、固定電極１１と対向するように配置されている。振動電極１３は、振動体１２と同じ径および厚みを有する円板状を成しており、固定電極１１に対して振動体１２とは反対側において、固定電極１１と対向するよう配置されている。
【００３６】
接続部材１４は、細長い棒状を成し、固定電極１１の貫通孔１１ａを通して、振動体１２と振動電極１３とを接続している。接続部材１４は、両端がそれぞれ振動体１２の中央部と振動電極１３の中央部とに固定されている。これにより、振動体１２及び振動電極１３は固定電極１１に対して、厚み方向に振動可能になっている。その際、振動体１２および振動電極１３は、接続部材１４により、同じ方向に同距離だけ移動し、同時に振動するようになっている。
【００３７】
音響信号入力装置１６は、バイアス発生部３１と電圧変換部３２とを有している。バイアス発生部３１は、プラスおよびマイナスのバイアス電圧を発生し、固定電極１１にプラスのバイアス電圧を供給する。また、バイアス発生部３１は、マイナスのバイアス電圧を電圧変換部３２に供給する。電圧変換部３２は、音響入力端子３２ａから音響信号が入力され、その音響信号を、バイアス発生部３１から供給されたマイナスのバイアス電圧を基準として、そのバイアス電位より高い正の電圧またはバイアス電位より低い負の電圧のアナログ信号に変換する。電圧変換部３２は、変換されたアナログ信号を、振動体１２に供給し、アナログ信号の極性を反転した反転信号を、振動電極１３に供給する。これにより、静電容量型スピーカー１０は、図１及び図２で説明した原理に従って、振動体１２と固定電極１１、振動電極１３と固定電極１１との間に作用する静電力を利用して振動体１２及び振動電極１３を振動させ、音波を発生させる。なお、バイアス発生部３１は、マイナスのバイアス電圧ではなく、プラスのバイアス電圧や、マイナスのバイアス電圧とプラスのバイアス電圧の間の電圧を電圧変換部３２に供給するようにしてもよい。この場合、電圧変換部３２は、音響信号を、バイアス発生部３１から供給されたプラスのバイアス電圧や、マイナスのバイアス電圧とプラスのバイアス電圧の間の電圧を基準として、その電位より高い電圧または低い電圧の、アナログ信号に変換するようにしてもよい。
【００３８】
次に、プルインの発生原理について説明する。図５は、固定電極１１と振動体１２の関係を模式的に示した図である。図５において、固定電極１１は剛体からなる枠体として表記されている。また、振動体１２はバネ定数ｋのつるまきバネでぶら下げられた板として表記されている。そして、図５（ａ）は、固定電極１１と振動体１２の間に電圧の印加がない場合を示している。図５（ａ）において、振動体１２は、固定電極１１から距離ｄ０の点に位置している。この高さにおいて、板の自重とバネ力が釣り合っている状態である。なお、本明細書における以下の説明においては、振動電極の例として振動体１２を選択して説明するが、同様の説明は振動電極１３についても成り立つ。
【００３９】
図５（ｂ）は、固定電極１１と振動体１２の間に比較的低い電圧Ｖ１が印加された場合を示している。図５（ｂ）に示すように、この場合には、固定電極１１と振動体１２の間に、電圧Ｖ１により生じた静電引力により、振動体１２が固定電極１１に引っ張られる。そして、釣り合い位置からｘ１だけ下がった第二の釣り合い位置においてバネ力と釣り合っている。図５（ｃ）は、固定電極１１と振動体１２の間にＶ１より高い電圧Ｖ２が印加された場合を示している。図５（ｃ）に示すように、固定電極１１と振動体１２の間に、電圧Ｖ２により生じた静電引力により、振動体１２が固定電極１１に引っ張られ、衝突した上で貼り付いてしまう。
【００４０】
図６には、バネ力Ｆｓと静電引力Ｆｅの関係を示す。実線の直線はバネ力Ｆｓを、実線の曲線は静電引力Ｆｅを示す。図６では静電引力Ｆｅとバネ力Ｆｓが逆方向に作用していることが分かる。バネ力Ｆｓと静電引力Ｆｅの絶対値の関係を示すために、バネ力Ｆｓを上下反転させた破線を示している。
【００４１】
図６において電圧Ｖ１を印加した場合の静電引力Ｆｅとバネ力Ｆｓはｘ＝ｘ１において交差していることが分かる。この点は、電圧Ｖ１を印加した場合のつり合い点である。そして、電圧Ｖ１を印加した場合には、ｘがｘ１より若干大きくなったとしても、バネ力Ｆｓが静電引力Ｆｅより大きいため、振動体１２の位置は、つり合い点において安定しておりプルインは生じない。しかしながら、移動距離ｘが増加すると、バネ力Ｆｓはｘに比例して直線的に増加するのに対し、静電引力Ｆｅは（ｄ０−ｘ）の二乗に反比例する形で増加していく。よって、ｘが増加しプルインが生じる閾値を超えると、静電引力Ｆｅがバネ力Ｆｓを上回り、振動体１２はさらに固定電極１１に近づく。そうすると、さらに、静電引力Ｆｅとバネ力Ｆｓの差が大きくなるために、振動体１２は加速的に固定電極１１に近
づき、結果として振動体１２は固定電極１１に衝突し貼り付くことになる。
【００４２】
また、図６から分かるように、固定電極１１と振動体１２との間により高い電圧Ｖ２が印加された場合には、固定電極１１と振動体１２の間の距離に関わらず静電引力Ｆｅ＞バネ力Ｆｓとなるので、つり合い点は存在せず、振動体１２と固定電極１１は瞬時にして衝突し貼り付くこととなる。
【００４３】
これに対し、本実施例においては、図７に示すように、固定電極１１に誘電体１５を設けることとした。以下、本実施例の原理について説明する。図７に示した系では、固定電極１１と振動体１２の間に、電圧Ｖを印加し、電極間に静電引力Ｆｅを発生させて、振動体１２がｘだけ移動して、バネ力Ｆｓと釣り合った場合に、この系に作用している静電力Ｆｅは、以下の式（１）のように表される。
【数２】
2019161560.tif 000004
【００４４】
ここで、ε0は真空の誘電率、εは振動体１２と誘電体１５との間の空間の誘電率、ε
１は誘電体１５の誘電率である。また、Ｓは固定電極１１、振動体１２及び誘電体１５の面積、Ｖは固定電極１１と振動体１２の間の印加電圧、gは印加電圧がない場合のつり合
い位置（以下、初期位置ともいう）における振動体１２と誘電体１５の間の間隔、ｔ１は誘電体１５の厚み、ｘは初期位置からの振動体１２の変位を表わす。
【００４５】
電圧Ｖを印加した場合の静電引力Ｆｅが、バネ定数ｋに基づくバネ力Ｆｓとつり合う位置においては、以下の式（２）が成立する。
【数３】
2019161560.tif 000005
そして、式（２）を変形することにより、以下の式（３）が得られる。
【数４】
2019161560.tif 000006
【００４６】
式（３）において、ｘに対する右辺、左辺の値の変化の様子は図８のように表すことができる。式（３）の左辺はｘに対する３次関数であるので、ｘの値が０から（ｔ１ε/ε
１＋ｇ）まで変化する間にｘ＝（ｔ１ε/ε１＋ｇ）/３においてピークを有する。一方、式（３）の右辺は、ｘの変化に関係なく電圧Ｖの値により決まる一定の値となる。図８において、式（３）の左辺の３次関数と、式（３）の右辺の直線の交点におけるｘの値がつり合い位置であり、式（２）の解である。
【００４７】
図８において、式（３）の右辺による直線は電圧Ｖを増加させることで上昇するので、電圧Ｖが一定の値を超えると式（３）の左辺による曲線と式（３）の右辺による直線は交点を有さなくなる。式（３）の左辺の曲線のピークは、ｘ＝（ｔ１ε/ε１＋ｇ）/３において存在するので、式（３）の右辺の直線の値が当該ピークを越えて大きくなると、つり合い点が消失する。このような状態をプルインと考えることができる。なお、以下の説明
においてプルインが生じる電圧Ｖ、すなわち、図８において式（３）の右辺の直線の値が当該ピークに接する状態の電圧Ｖをプルイン電圧ともいう。
【００４８】
本発明においては、固定電極１１の上に誘電体１５の層を形成し、プルインの発生を抑止する。より具体的には、図８に示したピークが、誘電体１５の内部に存在するようにし、振動体１２の可動範囲においては、振動体１２の安定した作動を可能とする。このためには、以下の式（４）が成立すれは良い。
【数５】
2019161560.tif 000007
式（４）は変形すると式（５）となる。
【数６】
2019161560.tif 000008
式（５）が成立すれば、図９に示すように、式（３）の左辺のピークは常に、誘電体１５内に存在することとなるので、式（３）の右辺の直線との交点であるつり合い点は式（３）の左辺のピークに達することはない。よって、振動体１２の可動範囲（ｘ＜ｇ）においてプルイン状態は現れずに安定な動作が行われる。
【００４９】
本発明の誘電体１５の層は、先述のように、静電アクチュエーターの中でしばしば用いられるスペーサーやストッパーとは作用・効果において全く異なる。例えば特許文献６においては、静電アクチュエーターのエアギャップ内にスペーサーを設けているが、これは、プルイン動作電圧を印加した際に電極どうしが直接貼り付くことを防止するものであり、誘電体の誘電率や寸法について静電アクチュエーターの動作と関連付けてプルインを抑止するものではない。
【００５０】
ここで、誘電体１５の材料としては、例えば、ポリマーに無機材料を分散させることにより形成した感光性樹脂を用いてもよい。この際、分散させる無機材料としては、チタン酸バリウム等の高誘電率無機粒子（ε≒５０程度）を例示することができる。また、誘電体１５の材料としては、ＳＵ−８等の誘電率３〜４程度のフォトレジスト用樹脂材料を用いても構わない。これらを用いることで、フォトリソグラフィーの手法により形状加工が可能となり、半導体製造工程によって固定電極１１と一体に誘電体１５を形成することが可能である。
【００５１】
本発明によりプルインが発生しなくなると、プルインにより、振動体１２や振動電極１３が固定電極１１に貼り付いたり、固定電極１１と衝突して破損する不都合を抑止することができる。そして、振動体１２や振動電極１３を安定的に制御することが可能な範囲を拡大することができる。図１０（ａ）は本実施例を適用しない場合、図１０（ｂ）は本実施例を適用した場合の電圧Ｖと振動体１２の変位との関係の例を示す。プルイン電圧Ｖ０近傍においては、振動体１２の変位が急激に増加する。
【００５２】
よって、図１０（ａ）のように、式（３）の左辺のピークが振動体１２の可動範囲に存在する場合には、プルイン電圧Ｖ０近傍において振動体１２の動作が不安定化する。よって、この領域は実際には使用できない。一方、図１０（ｂ）では、プルインの発生ポイントは、振動体１２の可動範囲外（誘電体１５の内部）にあるので、振動体１２の可動範囲においては、振動体１２の変位の急激な増加は現れない。よって、振動体１２の動作は安
定であり、振動体１２と誘電体１５の間の空間の全ての領域を使用することが可能である。
【００５３】
次に、図１１及び図１２を用いて、本実施例の、印加電圧と振動体１２の作動との関係を別の観点から説明する。図１１及び図１２において横軸はｘすなわち、振動体１２の位置を示す。縦軸は、振動体１２に作用する力を示す。より具体的には、ｘに比例して増加する直線はバネ力Ｆｓの絶対値である。下に凸形状を有する曲線は静電力Ｆｅである。また、図１１及び図１２において、左側のハッチングのない部分は振動体１２の可動領域、右側のハッチングが施された部分は誘電体１５の内部を示す。また、静電力Ｆｅを示す曲線において、実線は誘電体１５が設けられた場合、破線は誘電体１５が設けられない場合であって誘電体１５が設けられた場合と異なる部分を示している。
【００５４】
図１１（ａ）は、印加電圧Ｖがプルイン電圧Ｖ０より小さい場合を示している。この場合には、静電力Ｆｅは全体的に小さく、バネ力Ｆｓを示す直線と静電力Ｆｅを示す曲線の交点であるつり合い点は、振動体１２の可動領域のうち比較的ｘが小さい場所において存在している。よって、電圧Ｖを印加した場合にも、誘電体１５の有無に拘らず、振動体１２はつり合い点まで移動して安定し、プルインは生じない。
【００５５】
次に、図１１（ｂ）は、印加電圧Ｖがプルイン電圧Ｖ０と等しい場合について示す。この場合には、誘電体１５を設けない場合の静電力Ｆｅを示す曲線は、バネ力Ｆｓを示す直線に接する。一方、誘電体１５を設けた場合の静電力Ｆｅを示す曲線はバネ力Ｆｓを示す直線と交差している。この場合には、誘電体１５が設けられない場合には、つり合い点は存在するが、つり合い点以外の位置では静電力Ｆｅがバネ力Ｆｓより大きいため、振動体１２の作動は不安定になりプルインが生じ易い。一方、誘電体１５を設けた場合には、静電力Ｆｅを示す曲線とバネ力Ｆｓを示す直線の交点につり合い点が存在し、振動体１２の作動は安定である。なお、この場合には、誘電体１５の表面近傍がつり合い点になるため、振動体１２が誘電体１５に当接することは有り得るが衝突により振動体１２が破損する等の不都合は生じない。
【００５６】
次に、図１２（ａ）においては印加電圧Ｖがプルイン電圧Ｖ０より大きい場合を示している。図１２（ａ）では、誘電体１５を設けない場合の静電力Ｆｅを示す曲線は、バネ力Ｆｓを示す直線と接することはない。そして、プルインが生じる。この場合には、常に静電力Ｆｅがバネ力Ｆｓより大きいので、振動体１２が固定電極１１に衝突することが有り得る。一方、誘電体１５が設けられた場合の静電力Ｆｅを示す曲線はバネ力Ｆｓを示す直線と交差しており、なおつり合い点は存在し、振動体１２の作動は安定である。実際には、つり合い点は誘電体１５の内部に存在するので、振動体１２が誘電体１５に当接することは有り得るが、静電力Ｆｅとバネ力Ｆｓの差が小さいため、衝突により振動体１２が破損する等の不都合は生じない。
【００５７】
図１２（ｂ）においては印加電圧Ｖがプルイン電圧Ｖ０より大幅に大きい場合を示している。図１２（ｂ）では、誘電体１５を設けない場合の静電力Ｆｅを示す曲線は、バネ力Ｆｓを示す直線と接することはなく、その隙間は図１２（ａ）より大きい。この場合には、プルインが生じ、振動体１２はさらなる勢いで固定電極１１に衝突する危険性がある。一方、誘電体１５が設けられた場合の静電力Ｆｅを示す曲線は、バネ力Ｆｓを示す直線と接しており、この場合においてもつり合い点は存在する。実際には、つり合い点は誘電体１５の内部に存在するので、振動体１２が誘電体１５に当接することは有り得るが、この場合でも静電力Ｆｅとバネ力Ｆｓの差が小さいため、衝突により振動体１２が破損する等の不都合は生じない。
【００５８】
次に、本実施例における静電容量型スピーカー１０の製造方法の一例について説明する
。本実施例に係る静電容量型スピーカー１０は以下の半導体製造工程によって製造することができる。すなわち、図１３（ａ）に示すように、厚さ３００μｍのシリコン（Ｓｉ）５１と、両面に設けられた厚さ０．８μｍの酸化シリコン（ＳｉＯ２）の絶縁層５２、５３から成るシリコン基板５０に対し、図１３（ｂ）に示すように、図中下方の絶縁層５３をドライエッチングにより全面除去し、図中上方の絶縁層５２はフォトリソグラフィーおよびドライエッチングにより、コンタクトホール５４を形成する。
【００５９】
次に、図１３（ｃ）に示すように静電容量型スピーカー１０の振動体１２となるパリレン振動膜５５をコンタクトホール５４が形成されている絶縁層５２上にＣＶＤ（化学気相成長）法により厚さ５μｍに形成する。またパリレン振動膜５５が形成された面の背面には、スパッタリング法により、電極としてＴｉ/Ａｕ二層膜（Ｔｉ０．３μｍ/Ａｕ１μｍ）５６を形成する。そして、図１３（ｄ）に示すようにパリレン振動膜５５上にスパッタ法によりカーボン薄膜５７を厚さ１００ｎｍで形成する。
【００６０】
次に、図１４（ａ）に示すようにパリレン振動膜５５上に静電容量型スピーカー１０にギャップを形成する目的で、ＳＵ−８（２０００）をロールコート法で形成し、フォトリソグラフィーの手法により、パリレン振動膜５５の周囲に帯状に高さ２７μｍのＳＵ−８（２０００）のギャップ形成部５８を形成する。さらに、パリレン振動膜５５の中央部に、接続部材１４とするべく、直径０．５ｍｍ高さ２７μｍの振動板接続部５９を形成する。また、図１４（ｂ）に示すように厚さ２００μｍで抵抗率１〜５０ΩｃｍのＰ型シリコン６０を固定電極１１とすべく準備する。
【００６１】
そして、その両面に誘電体１５とすべく、ＳＵ−８（２０００）の誘電体層６１、６２をロールコート法で厚さ１００μｍに形成する。また、誘電体層６１、６２には、パリレン振動膜５５を連結するためのスリット（内径０．５１ｍｍ、幅５０μｍ）６３、６４をフォトリソグラフィーの手法で形成する。また、シリコン６０の上にはスパッタリング法により、電極としてＴｉ/Ａｕ二層膜（Ｔｉ０．３μｍ/Ａｕ１μｍ）６５を形成する。次に、図１４（ｃ）に示すように、ギャップ形成部５８及び振動板接続部５９と固定電極１１用のシリコン６０とを、ＳＵ−８（２０００）の誘電体層６２を介して加圧／加温により接着する。
【００６２】
次に、図１５（ａ）に示すように異方性ドライエッチングの手法により誘電体層６１、６２のスリットに沿って固定電極１１用のシリコン６０を貫通エッチングする。そして、図１５（ｂ）に示すように異方性ドライエッチングの手法により振動体１２となるパリレン振動膜５５と酸化シリコン（ＳｉＯ２）の絶縁層５２が残るように、シリコン５１をパリレン振動膜５５と酸化シリコン（ＳｉＯ２）の絶縁層５２の裏側から直径４ｍｍの円形にエッチング除去する。そして、図１５（ｃ）に示すように、前記の図１３（ａ）〜図１４（ａ）のプロセスによって形成したもう１つの振動体１２となるべき振動電極ユニット６３を準備する。
【００６３】
図１６（ａ）に示すようにもう１つの振動電極ユニット６３と固定電極１１用のシリコン６０とをＳＵ−８（２０００）の誘電体層６１を介して加圧／加温により接着する。そして、図１６（ｂ）に示すように、異方性ドライエッチングの手法により、振動体１２となるパリレン振動膜６８と酸化シリコン（ＳｉＯ２）の絶縁層６６が残るようにシリコン６７を、パリレン振動膜６８と酸化シリコン（ＳｉＯ２）の絶縁層６６の裏側から直径４ｍｍの円形にエッチング除去する。そして、図１７に示すようにパリレン振動膜５５、６８に接して形成されている酸化シリコン（ＳｉＯ２）の絶縁層５２、６６を酸化膜ドライエッチングの手法により除去して本実施例における静電容量型スピーカー１０が完成する。本実施例においては、このような半導体製造工程によって静電容量型スピーカー１０を形成するので、より容易に、高い信頼性をもって静電容量型スピーカー１０を製造可能で
ある。
【００６４】
なお、本実施例においては、静電容量型の音波発生装置の一例として静電容量型スピーカー１０について説明したが、本発明は、静電容量型スピーカー１０以外の静電容量型の音波発生装置にも適用可能である。例えば、超音波発生装置や、低周波発生装置などがこれに相当する。また、本実施例において、静電容量型スピーカー１０は図１３〜図１７に示した半導体製造工程により製造するという説明をしたが、静電容量型スピーカー１０はこのようなＭＥＭＳ型のデバイスに限られない。より大型で一般的な組立工程で製造されるＭＥＭＳ型以外の静電容量型スピーカーにも適用可能である。
【００６５】
なお、以下には本発明の構成要件と実施例の構成とを対比可能とするために、本発明の構成要件を図面の符号付きで記載しておく。
＜発明１＞
板状の形状を有し、厚み方向に貫通するように設けられた一または複数の貫通孔（１１ａ）を有する固定電極（１１）と、
板状または膜状の形状を有し、前記固定電極（１１）と対向するように前記固定電極（１１）を挟んで配置され、前記固定電極（１１）に対して、少なくとも中央部が厚み方向に移動可能に設けられた二枚の振動電極（１２、１３）と、
前記貫通孔（１１ａ）を通して、前記二枚の振動電極（１２、１３）を接続する接続部材（１４）と、
を備え、
前記二枚の振動電極（１２、１３）と対向する、前記固定電極（１１）の両側の表面における少なくとも一部の領域には、誘電体層（１５）が設けられたことを特徴とする、静電容量型の音波発生装置。
＜発明２＞
前記誘電体層（１５）の厚みをｔ１、前記誘電体層（１５）の誘電率をε１、前記振動電極（１２、１３）と前記誘電体層（１５）の間の距離をｇ、前記振動電極（１２、１３）と前記誘電体層（１５）の間の空間の誘電率をεとした場合に、
【数７】
2019161560.tif 000009
を満たすことを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型の音波発生装置。
＜発明３＞
前記二枚の振動電極（１２、１３）の各々が、前記固定電極（１１）との間に生じる静電引力により、同じ方向に移動または変形するように、前記固定電極（１１）と前記二枚の振動電極（１２、１３）の間に電圧を印加する音響信号入力手段１６をさらに備えたことを特徴とする、請求項１または２に記載の静電容量型の音波発生装置。
＜発明４＞
前記固定電極（１１）及び前記二枚の振動電極（１２、１３）のうちの少なくとも一方を、その周縁部で固定することを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の静電容量型の音波発生装置。
＜発明５＞
前記音響信号入力手段（１６）は、
プラスまたはマイナスのバイアス電圧を前記固定電極（１１）に印加し、
前記バイアス電圧の極性を反転させた反転バイアス電圧、前記バイアス電圧または、前記反転バイアス電圧と前記バイアス電圧の間の電圧のいずれかを基準として音響信号をアナログ信号に変換するとともに該アナログ信号の極性を反転した反転アナログ信号を生成し、前記アナログ信号および前記反転アナログ信号をそれぞれ前記二枚の振動電極（１２
、１３）に印加するよう構成されたことを特徴とする、請求項３に記載の静電容量型の音波発生装置。
＜発明６＞
請求項１から５のいずれか一項に記載の静電容量型の音波発生装置から成り、前記音響信号入力手段（１６）による前記二枚の振動電極（１２、１３）の振動により可聴域の音波を発生可能に構成されたことを特徴とする、静電容量型スピーカー。
【符号の説明】
【００６６】
１０・・・静電容量型スピーカー
１１・・・固定電極
１１ａ・・貫通孔
１２・・・振動体
１３・・・振動電極
１４・・・接続部材
１６・・・音響信号入力部
２０・・・静電容量型スピーカーシステム
３１・・・バイアス発生部
３２・・・電圧変換部
３２ａ・・・音声入力端子
【図１】
2019161560.tif 000011
【図２】
2019161560.tif 000012
【図３】
2019161560.tif 000013
【図４】
2019161560.tif 000014
【図５】
2019161560.tif 000015
【図６】
2019161560.tif 000016
【図７】
2019161560.tif 000017
【図８】
2019161560.tif 000018
【図９】
2019161560.tif 000019
【図１０】
2019161560.tif 000020
【図１１】
2019161560.tif 000021
【図１２】
2019161560.tif 000022
【図１３】
2019161560.tif 000023
【図１４】
2019161560.tif 000024
【図１５】
2019161560.tif 000025
【図１６】
2019161560.tif 000026
【図１７】
2019161560.tif 000027