(57)【要約】【課題】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ことが可能な技術を提供する。【解決手段】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、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、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つの振動電極１２と、貫通孔１１ａを通して、二つの振動電極を接続する接続部材１４と、板状の形状を有し、振動電極１２に対して固定電極１１と反対側から対向することで、振動電極１２を固定電極１１とともに挟むように配置された、二つの外側固定電極１５、１６と、を備える。【選択図】図１
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【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複数の振動電極と、
前記貫通孔を通して、前記複数の振動電極を接続する接続部材と、
板状の形状を有し、前記振動電極に対して前記固定電極と反対側から対向することで、前記振動電極を前記固定電極とともに挟むように配置された、複数の外側固定電極と、
を備えることを特徴とする、静電容量型の音波発生装置。
【請求項２】
前記複数の振動電極の各々が、該振動電極を挟む固定電極及び外側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、前記複数の振動電極及び、前記複数の外側固定電極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に記載の静電容量型の音波発生装置。
【請求項３】
前記固定電極及び前記複数の外側固定電極を、その周縁部で固定すると共に、前記複数の振動電極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または２に記載の静電容量型の音波発生装置。
【請求項４】
二つの前記振動電極及び二つの前記外側固定電極を備え、
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二つの外側固定電極に印加すると共に、該バイアス電圧の極性を反転させた反転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、前記反転バイアス電圧または、前記バイアス電圧と前記反転バイアス電圧の間の電圧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つ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】
請求項１から４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複数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  ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  ｄｅｖｉｃｅｓ”，  Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，  Ｊｕｎｅ  ２０１３，  Ｖｏｌｕｍｅ  １９，Ｉｓｓｕｅ  ６，ｐ．８７９−８８６
【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
【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】
図９には、一般的な静電容量型スピーカーにおける音波発生部１００の概略構成を示す。この音波発生部１００においては、振動板１１２を挟むようにして２枚の固定電極１１１が配置されている。そして、図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示すように、振動板１１２をプラスまたはマイナスに帯電させ、各固定電極１１１に振動板１１２とは反対の極性の電気信号を送って帯電させる。このことにより、振動板１１２と各固定電極１１１との間に作用する静電引力を利用して振動板１１２を振動させ、音波を出力する。この音波発生部１００においては、振動板１１２にコイルなどを取り付けることなく、電気信号に合わせて振動板１１２を振動させることができる。
【０００８】
しかしながら、上記のような一般的な静電容量型スピーカーにおける音波発生部１００では、振動板１１２の振動により発生した音波を外部に伝えるために、各固定電極１１１に１または複数の音孔１１１ａを設ける必要があった。そのため、その音孔１１１ａにより各固定電極１１１の表面積が減少し、振動板１１２に作用する静電力が低下するという不都合があった。そして、その静電力の低下を補うために振動板１１２および各固定電極１１１に印加する電圧を高める必要があり、消費電力が増大してしまうという課題があった。
【０００９】
本発明は上記の従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、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ことが可能な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複数の振動電極と、
前記貫通孔を通して、前記複数の振動電極を接続する接続部材と、
板状の形状を有し、前記振動電極に対して前記固定電極と反対側から対向することで、前記振動電極を前記固定電極とともに挟むように配置された、複数の外側固定電極と、
を備えることを特徴とする、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つの振動電極の間の静電力に基づいて振動電極を振動させることができる。よって、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】
本発明においては、上記に加えて、振動電極に対して固定電極と反対側から対向することで、振動電極を固定電極とともに挟むように配置された複数の外側固定電極を有しており、この外側固定電極と振動電極の間の静電力をも、振動電極の作動のために利用することができる。これにより、振動電極に作用する静電力をより強くすることができ、より効率的に振動電極を作動させることができる。結果として、静電容量型の音波発生装置に対する印加電圧を低下させることができ、消費電力を低減することが可能となる。
【００１３】
また、本発明においては、前記複数の振動電極の各々が、該振動電極を挟む固定電極及び外側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、前記複数の振動電極及び、前記複数の外側固定電極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、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。
【００１４】
また、本発明においては、前記固定電極及び前記複数の外側固定電極を、その周縁部で固定すると共に、前記複数の振動電極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、外側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。
【００１５】
また、本発明においては、二つの前記振動電極及び二つの前記外側固定電極を備え、
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二つの外側固定電極に印加すると共に、該バイアス電圧の極性を反転させた反転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、前記反転バイアス電圧または、前記バイアス電圧と前記反転バイアス電圧の間の電圧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つ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。
【００１６】
これによれば、より確実に、複数の振動電極の各々が、振動電極を挟む固定電極及び外側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。
【００１７】
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複数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な静電容量型スピーカーを提供することが可能となる。
【００１８】
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】
【００１９】
本発明によれば、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ことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】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を示す概略図である。
【図２】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３】本発明の実施例における音響信号入力部による信号と音波発生部の作動との関係を示す図である。
【図４】従来の静電容量型スピーカーにおける入力信号と音波発生部の作動との関係を示す図である。
【図５】本発明の実施例における静電容量型スピーカーの音波発生部の断面図である。
【図６】本発明の実施例における外側固定電極の製造プロセスを示す図である。
【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製造プロセスの前半を示す図である。
【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製造プロセスの後半を示す図である。
【図９】従来の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１０】従来の静電容量型スピーカーの音波発生部の作動の態様を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
〔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。
【００２２】
図１には、本発明にかかる静電容量型スピーカー１０の音波発生部１０ａの概略図を示す。この音波発生部１０ａにおいては、固定電極１１を挟むようにして第一振動電極１２および第二振動電極１３の二つの振動電極が配置されており、第一振動電極１２と第二振動電極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。また、第一振動電極１２の外側には第一外側固定電極１５が設けられ、第二振動電極１３の外側には第二外側固定電極１６が設けられている。すなわち、固定電極１１と第一外側固定電極１５とによって第一振動電極１２を挟むように配置されている。また、固定電極１１と第二外側固定電極１６とによって第二振動電極１３を挟むように配置されている。なお、図１の例では、固定電極１１、第一振動電極１２、第二振動電極１３、第一外側固定電極１５及び第二外側固定電極１６の端部は各々固定されている。
【００２３】
静電容量型スピーカー１０においては、固定電極１１、第一振動電極１２、第二振動電極１３、第一外側固定電極１５及び第二外側固定電極１６に所定の電圧を印加し、第一振動電極１２と、第一外側固定電極１５及び固定電極１１との間に発生する静電力と、第二振動電極１３と、第二外側固定電極１６及び固定電極１１との間に発生する静電力と、が同じ方向となるように制御される。これにより、第一振動電極１２を、外側第一固定電極１５との間の静電力及び固定電極１１との間の静電力の両方を用いて振動させることができ、また、第二振動電極１３を、外側第二固定電極１６との間の静電力及び固定電極１１との間の静電力の両方を用いて振動させることができる。
【００２４】
また、静電容量型スピーカー１０においては、図９に示した従来の静電容量型スピーカー１００におけるように、固定電極１１に音孔が設けられていない。よって、より強い静電力を発生させることができる。これにより、同じ音圧を発生させるために、各電極に印加する印加電圧を低減させることができ、結果として、静電容量型スピーカー１０の消費電力を低減することが可能となる。なお、静電容量型スピーカー１０では、固定電極１１に貫通孔１１ａが設けられているが、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、音波を通過させる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非常に小さくすることができる。このため、固定電極１１に貫通孔１１ａを設けたとしても、貫通穴１１ａによる静電力の低下幅は小さい。
【００２５】
ここで、静電容量型スピーカー１０における第一振動電極１２および第二振動電極１３は、少なくとも中央部が厚み方向に移動可能に設けられていれば、いかなる構成を成していてもよい。より具体的には、第一振動電極１２または第二振動電極１３の一方については端部（換言すれば周縁部）が固定されるようにし、他方については端部を固定せずフリーな状態としてもよい。また、第一振動電極１２および第二振動電極１３は、互いに同じ素材や構成であってもよく、異なる素材や構成であってもよい。例えば、第一振動電極１
２および第二振動電極１３は、パレリン（Ｐａｒｙｌｅｎｅ）やポリエチレン（ＰＥ）、金属ガラス（ｍｅｔａｌｌｉｃ  ｇｌａｓｓ）などの、薄く、柔軟な素材の膜から形成されてもよい。これらの膜は、厚みが５０μｍ以下であることが望ましく、２０μｍ以下であることが特に望ましい。また、ヤング率が８０ＧＰａ以下であることが望ましく、５０ＧＰａであることが特に望ましい。
【００２６】
また、第一振動電極１２および第二振動電極１３は、シリコン製やセラミックス製、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ等の金属製の硬質の板から成る中央部と、柔軟で薄い素材から成る周縁部とを有し、その周縁部が枠状の支持部に固定されていてもよい。第一振動電極１２および第二振動電極１３の中央部の大きさは、直径１００μｍ以下であることが望ましい。また、第一振動電極１２および第二振動電極１３は、全体が、シリコン製やセラミックス製、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ等の金属製の硬質の板から成り、その周縁部が板バネ等により枠状の支持部に固定されていてもよい。板バネ等は、第一振動電極１２や第二振動電極１３と同じ素材から形成されていてもよく、具なる素材から形成されていてもよい。
【００２７】
また、第一振動電極１２および第二振動電極１３は、導体等の低抵抗の材料から成っていることが望ましいが、少なくとも固定電極１１側の表面に導体層が被覆された絶縁体から形成されていてもよい。この場合の導体層は、例えば、炭素や金属、不純物がドープされたシリコン等から形成されてもよい。
【００２８】
また、固定電極１１、第一外側固定電極１５及び第二外側固定電極１６は、シリコン製やセラミックス製、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ等の金属製の硬質の板により形成されることが望ましい。第一振動電極１２と第二振動電極１３とは、１つの接続部材１４により接続されていてもよいが、貫通孔１１ａの数に合わせて複数の接続部材１４により接続されてもよい。接続部材１４は、少なくとも一部が電気的に絶縁されていることが好ましい。接続部材１４において絶縁された部分は、エポキシ樹脂やベンゾシクロブテン等のポリマーや、セラミックス等から成ることが望ましく、抵抗値が１ＭΩ以上であることが望ましい。
【００２９】
図２には、音波発生部１０ａ及び音響信号入力部１０ｂを含む静電容量型スピーカー１０の全体の概略図を示す。図２に示すように、静電容量型スピーカー１０は、音波発生部１０ａに加えて、音響信号入力部１０ｂを備えている。音響信号入力部１０ｂ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、プラスのバイアス電圧を固定電極１１に供給するようになっている。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におけるトランス二次コイルの中央部と、第一外側固定電極１５及び第二外側固定電極１６に供給するようになっている。
【００３０】
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の片側を、第一振動電極１２に供給し、アナログ信号の極性を反転した反転信号を第二振動電極１３に供給する。これにより、静電容量型スピーカー１０は、第一振動電極１２を、外側第一固定電極１５との間の静電力及び固定電極１１との間の静電力の両方を用いて作動させることができる。また、第二振動電極１３を、外側第二固定電極１６との間の静電力及び固定電極１１との間の静電力の両方を用いて作動させることができるのである。
【００３１】
なお、上記の説明において、音波発生部１０ａは第一振動電極１２と第二振動電極１３の２つの振動電極を有していたが、振動電極の数は２つに限られない。さらに多くの振動電極を用いることで、より強力な静電力が振動電極に作用するような構成にしても構わな
い。また、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におけるトランス二次コイルの中央部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。
【００３２】
＜実施例＞
次に、図３を用いて、より具体的に、音響信号入力部１０ｂからの音響信号により作動する音波発生部１０ａの実施例について説明する。図３（ａ）は音響信号入力部１０ｂからの音響信号を示している。図３（ｂ）〜図３（ｃ）は、各々、図３（ａ）におけるｔ１〜ｔ３の時点における音響信号を入力した場合の各電極の電位と、静電力の方向、大きさを示している。ここでバイアス発生部３１からは±５０ｖのバイアス電圧が供給され、電圧変換部３２からは振幅１００Ｖの正弦波が供給されているとする。
【００３３】
ｔ１においては、図３（ｂ）に示すように、音圧変換部３２から第一振動電極１２には−５０Ｖが、第二振動電極１３には＋５０Ｖが供給されている。その場合、第一外側固定電極１５と第一振動電極１２は、同電位であるので両者の間に静電力は作用しない。一方、固定電極１１から第一振動電極１２には、電位差１００Ｖに相当する静電引力（図中右側への力）が作用する。これらの結果、第一振動電極１２には、電位差１００Ｖに相当する、図中右側への静電力が作用することになる。また、固定電極１１と第二振動電極１３は、同電位であるので両者の間に静電力は作用しない。一方、第二外側固定電極１６から第二振動電極１３には、電位差１００Ｖに相当する静電引力（図中右側への力）が作用する。これらの結果、第二振動電極１２にも、電位差１００Ｖに相当する、図中右側への静電力が作用することになる。以上より、ｔ１においては、第一振動電極１２及び第二振動電極１３に各々電位差１００Ｖに相当する図中右側への静電力が作用する。
【００３４】
また、ｔ２においては、図３（ｃ）に示すように、音圧変換部３２から第一振動電極１２及び第二振動電極１３に供給される電圧は０Ｖとなっている。その場合、第一外側固定電極１５から第一振動電極１２には、電位差５０Ｖに相当する静電引力（図中左側への力）が作用する。一方、固定電極１１から第一振動電極１２には、電位差５０Ｖに相当する静電引力（図中右側への力）が作用する。これらの結果、第一振動電極１２に作用する静電引力が釣り合い、静電力が作用しないのと同じ状態となる。また、固定電極１１から第二振動電極１３には、電位差５０Ｖに相当する静電引力（図中左側への力）が作用する。第二外側固定電極１６から第二振動電極１３には、電位差５０Ｖに相当する静電引力（図中右側への力）が作用する。これらの結果、第二振動電極１３に作用する静電引力も釣り合い、静電力が作用しないのと同じ状態となる。以上より、ｔ２においては、第一振動電極１２および第二振動電極１３には静電力は作用しない。
【００３５】
ｔ３においては、図３（ｄ）に示すように、音圧変換部３２から第一振動電極１２には＋５０Ｖが、第二振動電極１３には−５０Ｖが供給されている。その場合、第一外側固定電極１５から第一振動電極１２には、電位差１００Ｖに相当する静電引力（図中左側への力）が作用する。一方、固定電極１１と第一振動電極１２とは同電位のため、両者の間に静電力は作用しない。これらの結果、第一振動電極１２には、電位差１００Ｖに相当する、図中左側への静電力が作用することになる。また、固定電極１１から第二振動電極１３には、電位差１００Ｖに相当する静電引力（図中左側への力）が作用する。一方、第二外側固定電極１６と第二振動電極１３とは同電位であるため、両者の間には静電力は作用しない。これらの結果、第二振動電極１３にも、電位差１００Ｖに相当する、図中左側への静電力が作用することになる。以上より、ｔ３においては、第一振動電極１２及び第二振動電極１３に各々電位差１００Ｖに相当する図中左側への静電力が作用する。
【００３６】
次に、図４を用いて、図９に示した従来の音波発生装置１００の音波発生部の作動の態様について説明する。図４（ａ）は図３（ａ）と同じく、音響信号を示している。図４（ｂ）〜図４（ｃ）は、各々、図４（ａ）におけるｔ１〜ｔ３の時点における音響信号を入力した場合の各電極の電位と、静電力の方向、大きさを示している。ここで音波発生装置１００には図３で説明したケースと同様に、±５０ｖのバイアス電圧及び、振幅１００Ｖの正弦波が供給されているとする。
【００３７】
ｔ１においては、図４（ｂ）に示すように、左側の固定電極１１１には５０Ｖが、振動電極１１２には５０Ｖが供給されている。その場合、左側の固定電極１１１と振動電極１１２は、同電位であるので両者の間に静電力は作用しない。一方、右側の固定電極１１１から振動電極１１２には、電位差１００Ｖに相当する静電引力（図中右側への力）が作用する。これらの結果、ｔ１においては、振動電極１１２には、電位差１００Ｖに相当する、図中右側への静電力が作用する。
【００３８】
また、ｔ２においては、図４（ｃ）に示すように、振動電極１１２に供給される電圧は０Ｖとなっている。その場合、左側の固定電極１１１から振動電極１１２には、電位差５０Ｖに相当する静電引力（図中左側への力）が作用する。一方、右側の固定電極１１１から振動電極１１２には、電位差５０Ｖに相当する静電引力（図中右側への力）が作用する。これらの結果、ｔ２においては、振動電極１１２に作用する静電引力が釣り合い、静電力が作用しないのと同じ状態となる。
【００３９】
また、ｔ３においては、図４（ｄ）に示すように、振動電極１１２には−５０Ｖが供給されている。その場合、左側の固定電極１１１から振動電極１１２には、電位差１００Ｖに相当する静電引力（図中左側への力）が作用する。一方、右側の固定電極１１と振動電極１１２とは同電位のため、両者の間に静電力は作用しない。これらの結果、ｔ３においては、振動電極１１２には、電位差１００Ｖに相当する図中左側への静電力が作用する。
【００４０】
図３及び図４から分かるように、本実施例においては、第一振動電極１２と第二振動電極１３とに音響信号を入力することにより、第一振動電極１２と第二振動電極１３を同方向に振動させることができ、音波を発生させることが可能となる。すなわち、一体に振動する振動電極１２、１３に対して従来の２倍の静電力を作用させることができる。さらに、本実施例においては、音孔の設けられていない固定電極１１と、第一振動電極１２及び第二振動電極１３との間の静電力に基づいて、振動電極１２、１３を作動させることができる。よって、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、従来より効率的に振動電極１２、１３を振動させることができる。また、そのことは換言すると、本実施例においては、従来の音波発生装置１００と比較して１／２以下の駆動電圧で、同等の音圧レベルの音波を発生することが可能であり、消費電力を大幅に低減することが可能となる。
【００４１】
図５には、半導体製造工程を用いてＭＥＭＳデバイスとして、本実施例に係る音波発生部１０ａを形成した場合の断面図を示す。ここで、固定電極１１は、平面視においては円板状を成し、中央に厚み方向に貫通して設けられた貫通孔１１ａを有している。また、固定電極１１は、端部に端子１１ｂを有している。第一振動電極１２は、固定電極１１より径が小さく、薄い円板状を成している。第一振動電極１２は、固定電極１１の一方の表面側に、固定電極１１と対向するよう配置されている。第二振動電極１３は、第一振動電極１２と同じ径および厚みを有する円板状を成している。第二振動電極１３は、固定電極１１の他方の表面側に、固定電極１１と対向するように配置されている。接続部材１４は、細長い棒状を成し、固定電極１１の貫通孔１１ａを介して、第一振動電極１２と第二振動電極１３とを接続している。接続部材１４は、両端がそれぞれ第一振動電極１２の中央部
と第二振動電極１３の中央部とに固定されている。
【００４２】
また、支持部１７は、第一振動電極１２の周囲を囲うよう設けられた第一の枠体２１と、第二振動電極１３の周囲を囲うよう設けられた第二の枠体２２と、固定電極１１を固定するための固定部材２３とを有している。第一の枠体２１および第二の枠体２２は、間に固定電極１１を挟むよう配置されている。第一の枠体２１は、内周縁に沿って複数の板バネ２４が設けられ、各板バネ２４の内周側の端部を第一振動電極１２の周縁部に固定することにより、第一振動電極１２を支持している。
【００４３】
第一の枠体２１は、端部に端子２５を有している。第二の枠体２２は、内周縁に沿って複数の板バネ２６が設けられ。各板バネ２６の内周側の端部を第二振動電極１３の周縁部に固定することにより、振動電極１３を支持している。第二の枠体２２は、端部に端子２７を有している。固定部材２３は、第一の枠体２１と第二の枠体２２との間に固定電極１１を固定するように、第一の枠体２１と固定電極１１の一方の表面との間、および、第二の枠体２２と固定電極１１の他方の表面との間に、それぞれ複数固定されている。固定部材２３は、固定電極１１の周縁部に固定されている。
【００４４】
これにより、第一振動電極１２は、各板バネ２４を介して、固定電極１１に対して、厚み方向に振動可能になっている。また、第二振動電極１３は、各板バネ２６を介して、固定電極１１に対して、厚み方向に振動可能になっている。また、第一振動電極１２および第二振動電極１３は、接続部材１４により、同じ方向に移動し、同時に振動するようになっている。
【００４５】
また、第一外側固定電極１５は、平面視においては円板状を成しており複数の音孔１５ａを有している。第一外側固定電極１５は、端部に端子２８を有している。第一外側固定電極１５は、第一振動電極１２における固定電極１１とは反対側に、第一振動電極１２と対向するよう配置されている。第一外側固定電極１５は、固定部材３４によって、支持部１７に対して固定されている。第二外側固定電極１６は、第一外側固定電極１５と同じ厚みを有する円板状を成しており複数の音孔１６ａを有している。第二外側固定電極１６は、端部に端子２９を有している。そして、第二振動電極１３における固定電極１１とは反対側に、第二振動電極１３と対向するよう配置されている。第二外側固定電極１６は、固定部材３５によって第二の枠体２２に対して固定されている。
【００４６】
なお、図５に示す一例では、固定電極１１、第一振動電極１２、第二振動電極１３、第一外側固定電極１５、及び第二外側固定電極１６は、低抵抗の導電性シリコン製である。また、接続部材１４は、中央部が導電性シリコン製であり、それぞれ第一振動電極１２と第二振動電極１３とに接続した両端部が、絶縁性のエポキシ樹脂のＳＵ−８から成っている。また、第一の枠体２１および第二の枠体２２は、低抵抗の導電性シリコン製である。固定部材２３、３４、３５は、絶縁性のエポキシ樹脂のＳＵ−８から成っている。固定電極１１の端子１１ｂ、第一の枠体２１の端子２５、および第二の枠体２２の端子２７、第一外側固定電極１５の端子２８及び、第二外側固定電極１６の端子２９は、導電性のＴｉ／Ａｕ層から成っている。
【００４７】
なお、本実施例における第一外側固定電極１５及び、第二外側固定電極１６は図６に示すようなプロセスによって形成される。図６では第二外側固定電極１６を例にとって説明する。先ずは図６（ａ）に示すように、シリコン基板１６ｂ上に酸化膜１６ｃが形成される。次に、図６（ｂ）に示すように、酸化膜１６ｃの上にレジスト１６ｄが形成され、音孔１６ａに相当する部分がフォトリソグラフィーによって除去される。次に図６（ｃ）に示すように、音孔１６ａに相当する部分の酸化膜１６ｃが除去されるとともに、残っているレジスト１６ｄが除去される。次に図６（ｄ）に示すように、ＤＲＩＥ（深掘り反応性
イオンエッチング：Ｄｅｅｐ  Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）により、シリコン基板１６ｂがエッチングされ音孔１６ａが形成される。次に図６（ｅ）に示すように、残りの酸化膜１６ｃが除去され、スパッタリングによって電極Ｔｉ／Ａｕ二層膜２９が形成されるとともに、スピンコート＋フォトリソグラフィーにより、感光性エポキシ樹脂（ＳＵ８）による固定部材３５が形成される。
【００４８】
次に、図７では、図５に示す音波発生部１０ｂ全体の製造プロセスの例について説明する。先ず、図７（ａ）に示すように、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板において、ベースシリコン層４１が厚さ４００μｍ、ベースシリコン層４１の上下の酸化シリコンの絶縁層４２が厚さ５μｍ、シリコン活性層４３が厚さ２０μｍとなるように形成される。ベースシリコン層４１及びシリコン活性層４３は静電引力を発生させる電極として用いるので、例えば抵抗率は０．０２Ωｃｍ程度の低抵抗が望ましい。
【００４９】
そして、本実施例では、ＳＯＩ基板のシリコン活性層４３をフォトリソグラフィーとドライエッチングにより絶縁層４２までスリット上にエッチング除去し第一振動電極１２を直径１０００μｍの円形に形成する。この時にエッチング除去しない部分を梁（幅１００μｍ／長さ１００μｍ）として残し、第一振動電極１２を４本の梁で外周部と連結することにより第一振動電極１２を支持するスプリング２４を形成する。第一振動電極１２を保持しているシリコン活性層４３にはスパッタリング法により電極となるＴｉ／Ａｕ二層膜（Ｔｉ０．３μｍ／Ａｕ１μｍ）２５を形成する。
【００５０】
次に、図７（ｂ）に示すように、第一振動電極１２が形成されているシリコン活性層４３に感光性エポキシ樹脂（ＳＵ−８）を厚さ１００μｍにスピンコートの手法で形成し、その後にフォトリソグラフィーの手法により、第一振動電極１２を形成したスリットを囲む外周部２１と第一振動電極１２の中央部に（ＳＵ−８）が残るようにして、電極スペーサー２３及び接続部材（直径１００μｍ）１４を形成する。
【００５１】
次に、図７（ｃ）に示すように、厚さ２００μｍの低抵抗（抵抗率０．０２Ωｃｍ）のシリコン基板４４を、シリコン活性層４３に図７（ｂ）で形成したＳＵ−８において接着し、シリコン基板４４上に、第二の電極であるＴｉ／Ａｕ二層膜（Ｔｉ０．３μｍ／Ａｕ１μｍ）１１ｂを形成する。そして、図７（ｄ）に示すように、シリコン基板４４上で、下部に接着されたシリコン活性層４３の連結部材１４に相対する位置に内径１２０μｍ、幅２０μｍのスリットをフォトリソドライエッチングの手法で形成する。
【００５２】
次に、図７（ｅ）に示すように、厚さ４００μｍの低抵抗（抵抗率０．０２Ωｃｍ）シリコン基板４５において、フォトリソグラフィーとドライエッチングによりスリット状に深さ２０μｍまでエッチング除去することで、第二振動電極１３となる部分を直径１０００μｍの円形に形成する。この時にエッチング除去しない部分を梁（幅１００μｍ／長さ１００μｍ）として残し、第二振動電極１３を４本の梁により外周部と連結して第二振動電極１３を支持するスプリング２６となる部分も形成する。また、シリコン基板４５のエッチング除去した反対の面にはスパッタリング法より電極となるＴｉ／Ａｕ二層膜（Ｔｉ０．３μｍ／Ａｕ１μｍ）２７を形成する。
【００５３】
次に、図７（ｆ）に示すように、シリコン基板４５の第二振動電極１３が形成されている側に感光性エポキシ樹脂ＳＵ−８を厚さ１００μｍにスピンコートの手法で形成し、その後にフォトリソグラフィーの手法により、第二振動電極１３を囲む外周部と第二振動電極１３の中央部に感光性エポキシ樹脂ＳＵ−８が残るようにして、電極スペーサー２３及び接続部材（直径１００μｍ）１４をさらに形成する。シリコン基板４５における感光性エポキシ樹脂ＳＵ−８形成面をシリコン基板４４に、第一振動電極１２と第二振動電極１３が相対する位置となるように接着する。
【００５４】
次に、図８（ａ）に示すように、シリコン基板４５をＴｉ／Ａｕ二層膜（Ｔｉ０．３μｍ／Ａｕ１μｍ）２７の側からフォトリソグラフィーとドライエッチングにより、第二振動電極１３及び梁を含む範囲でスリットが形成された深さまでエッチング除去する。
【００５５】
そして、図８（ｂ）に示すように、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板において、ベースシリコン層４１と酸化シリコンの絶縁層４２をフォトリソグラフィーとドライエッチングの手法で第一振動電極１２及び梁を含む範囲で除去する。
【００５６】
次に、図８（ｃ）に示すように、シリコン基板４５の固定電極１１とは反対側の面に、図６（ｅ）で形成した第二固定電極１６及び厚さ１００μｍの感光性エポキシ樹脂（ＳＵ−８）層の固定部材３５を接着する。さらに、図８（ｄ）に示すように、シリコン基板４５の固定電極１１とは反対側の面に、図６と同様の方法で形成した第一固定電極１５及び厚さ１００μｍの感光性エポキシ樹脂（ＳＵ−８）層の固定部材３４を接着する。こうして、図５に示す静電容量型スピーカー１０の音波発生部１０ａを製造することができる。
【００５７】
静電容量型スピーカー１０では、中央の固定電極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、複数の音孔を設ける場合と比較して、固定電極１１の表面積に対する割合を非常に小さくすることができる。このため、各固定電極の音孔による影響が大きい従来の静電容量型スピーカーと比べて、消費電力を抑制することができる。また、静電容量型スピーカー１０は、第一振動電極１２と第二振動電極１３とが接続部材１４で接続されているため、第一振動電極１２および第二振動電極１３のいずれが一方のみが周縁部が固定される構成としてもよい。
【００５８】
なお、静電容量型スピーカー１０における、第一振動電極１２および／または第二振動電極１３が薄膜から成っていてもよい。この場合でも、図１および図２に示したのと同様の原理に従って第一振動電極１２および／または第二振動電極１３を振動させることができ、音波を出力することができる。なお、この場合の薄膜は、厚さ１〜５０μｍ、直径５ｍｍ以下であることが望ましい。
【００５９】
本発明に係る静電容量型スピーカー１０は、音波を発生する用途であれば、いかなる用途に利用されてもよい。なお、本明細書中での「音波」とは、可聴域の周波数の弾性波だけでなく、可聴域以外の周波数の弾性波も含むものである。本発明に係る静電容量型スピーカー１０は、音声信号入力手段による振動体の振動により、可聴域の音波を発生可能に構成される他、可聴域より高い周波数の超音波を発生可能に構成された超音波発生装置として、あるいは、可聴域より低い周波数の超低周波波を発生可能に構成された超低周波音発生装置などとして構成されてもよい。すなわち、本明細書において、静電容量型の音波発生装置は、可聴域を含む広い周波数の音波を発生させる装置として特定され、静電容量型スピーカー１０は、特に、可聴域の周波数の音波を発生させる装置として特定されている。
【００６０】
また、上記の実施例においては、静電容量型スピーカー１０が、半導体製造技術を用いたＭＥＭＳ静電容量型スピーカーである場合について説明したが、本発明の構成は、ＭＥＭＳ以外の静電容量型スピーカーや静電容量型の音波発生装置、例えば、所謂コンデンサ型のスピーカー、ヘッドホン、イヤホン等にも適用可能である。
【００６１】
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（１１
ａ）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複数の振動電極（１２、１３）と、
前記貫通孔（１１ａ）を通して、前記複数の振動電極（１２、１３）を接続する接続部材（１４）と、
板状の形状を有し、前記振動電極（１２、１３）に対して前記固定電極（１１）と反対側から対向することで、前記振動電極（１２、１３）を前記固定電極（１１）とともに挟むように配置された、複数の外側固定電極（１５、１６）と、
を備えることを特徴とする、静電容量型の音波発生装置（１０）。
＜発明２＞
前記複数の振動電極（１２、１３）の各々が、該振動電極（１２、１３）を挟む固定電極（１１）及び外側固定電極（１５、１６）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）、前記複数の振動電極（１２、１３）及び、前記複数の外側固定電極（１５、１６）に電圧を印加する音響信号入力手段（１０ｂ）をさらに備えたことを特徴とする、発明１に記載の静電容量型の音波発生装置。
＜発明３＞
前記固定電極（１１）及び前記複数の外側固定電極（１５、１６）を、その周縁部で固定すると共に、前記複数の振動電極（１２、１３）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、発明１または２に記載の静電容量型の音波発生装置。
＜発明４＞
二つの前記振動電極（１２、１３）及び二つの前記外側固定電極（１５、１６）を備え、
前記音響信号入力手段（１０ｂ）は、
プラスまたはマイナスのバイアス電圧を前記二つの外側固定電極（１５、１６）に印加すると共に、該バイアス電圧の極性を反転させた反転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、前記反転バイアス電圧または、前記バイアス電圧と前記反転バイアス電圧の間の電圧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つの振動電極（１２、１３）に印加するよう構成されたことを特徴とする、発明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＞
発明１から４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（１０ｂ）による前記複数の振動電極（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（１０）。
【符号の説明】
【００６２】
１０・・・静電容量型スピーカー
１０ａ・・音波発生部
１０ｂ・・・音響信号入力部
１１・・・固定電極
１１ａ・・貫通孔
１１ｂ・・端子
１２・・・第一振動電極
１３・・・第二振動電極
１４・・・接続部材
１５・・・第一外側固定電極
１６・・・第二外側固定電極
３１・・・バイアス発生部
３２・・・電圧変換部
３２ａ・・・音声入力端子
【図１】
2019161472.tif 000003
【図２】
2019161472.tif 000004
【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】
2019161472.tif 000009
【図８】
2019161472.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2019161472.tif 000012