JP2006041575A - エレクトレットコンデンサマイクロホンの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 エレクトレットコンデンサマイクロホンを小型化した場合であっても、その感度のバラツキを十分に小さく抑えて所要の感度特性を得ることができる、エレクトレットコンデンサマイクロホンの製造方法を提供する。
【解決手段】 背面電極板１８の電極板本体１８Ａの表面に形成された絶縁膜に対して、所定のチャージ電圧で分極処理を施すことにより、エレクトレット層１８Ｂを生成する。その際、上記絶縁膜の膜厚に応じてチャージ電圧を変化させる。具体的には、絶縁膜の膜厚が１μｍ増大するに従って、チャージ電圧を絶対値で２Ｖ増大させる。これにより、エレクトレット層１８Ｂの膜厚にたとえ大きなバラツキがあっても、膜厚の変化による感度変化をチャージ電圧の変化による感度変化で略相殺して、エレクトレットコンデンサマイクロホン１０の感度のバラツキを小さく抑える。
【選択図】 図１

Description

本願発明は、エレクトレットコンデンサマイクロホンの製造方法に関するものであり、特に、そのエレクトレット層生成工程に関するものである。

一般に、エレクトレットコンデンサマイクロホンは、振動膜と背面電極板とが対向配置されてなるコンデンサ構造部と、このコンデンサ構造部の静電容量の変化を電気インピーダンス変換するインピーダンス変換素子とを備えた構成となっている。その際、背面電極板は、金属製の電極板本体の表面にエレクトレット層が配置された構成となっており、このエレクトレット層は、電極板本体の表面に形成された絶縁膜に、所定のチャージ電圧で分極処理を施すことによって生成されるようになっている。

そして、このエレクトレットコンデンサマイクロホンの製造工程においては、所要の感度特性を有する製品が得られるようにするため、その背面電極板としてエレクトレット層の表面電位が一定範囲内のものを選別する工夫がなされている。

また「特許文献１」に記載されているように、完成したエレクトレットコンデンサマイクロホンに対して電離放射線を照射することにより、その背面電極板のエレクトレット層の表面電位を低減調整するといった工夫もなされている。

特開２０００−３２５９６号公報

近年、エレクトレットコンデンサマイクロホンの小型化が進展してきているが、これに伴って、その感度のバラツキが大きくなる傾向にある。この原因について本願発明者が解析したところ、背面電極板のエレクトレット層の膜厚のバラツキが大きく寄与していることが明らかになった。

すなわち、背面電極板のエレクトレット層は、その全領域にわたって膜厚が均一というわけではなく、大きくうねるようにして連続的に膜厚が変化している。その際、背面電極板のサイズがある程度大きければ、エレクトレット層の膜厚は、そのサイズ範囲内において平均化されるので、量産される背面電極板相互間で略一定の値となる。これに対し、背面電極板のサイズが極端に小さくなると、エレクトレット層の膜厚変化のうねりをそのサイズ範囲内において十分に平均化することができず、このため背面電極板相互間でエレクトレット層の膜厚にバラツキが生じてしまう。したがって、たとえ同じチャージ電圧で分極処理を施しても、エレクトレット層の膜厚が厚い背面電極板を有するエレクトレットコンデンサマイクロホンは、エレクトレット層の膜厚が薄い背面電極板を有するエレクトレットコンデンサマイクロホンに比して感度が低下してしまう。

このような知見によれば、従来のように、単にエレクトレット層の表面電位が一定範囲内の背面電極板を選別するだけでは、感度のバラツキを十分に小さく抑えることは困難である。

一方、上記「特許文献１」に記載されているように、エレクトレットコンデンサマイクロホンに電離放射線を照射して、その背面電極板のエレクトレット層の表面電位を低減調整すれば、エレクトレットコンデンサマイクロホンの感度を低下させることはできるが、その感度を向上させることはできず、しかも、エレクトレットコンデンサマイクロホンの完成後に追加的な作業を行うことが必要となる、という問題がある。

本願発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、エレクトレットコンデンサマイクロホンを小型化した場合であっても、その感度のバラツキを十分に小さく抑えて所要の感度特性を得ることができる、エレクトレットコンデンサマイクロホンの製造方法を提供することを目的とするものである。

本願発明は、絶縁膜に分極処理を施す際、その膜厚に応じてチャージ電圧を変化させることにより、上記目的達成を図るようにしたものである。

すなわち、本願発明に係るエレクトレットコンデンサマイクロホンの製造方法は、
振動膜と背面電極板とが対向配置されてなるコンデンサ構造部と、このコンデンサ構造部の静電容量の変化を電気インピーダンス変換するインピーダンス変換素子とを備え、上記背面電極板が、金属製の電極板本体の表面にエレクトレット層が配置されてなるエレクトレットコンデンサマイクロホン、を製造する方法において、
上記エレクトレット層を、上記電極板本体の表面に形成された絶縁膜に対して所定のチャージ電圧で分極処理を施すことにより生成するエレクトレット層生成工程を含み、
このエレクトレット層生成工程において上記絶縁膜に分極処理を施す際、該絶縁膜の膜厚に応じてチャージ電圧を変化させる、ことを特徴とするものである。

上記「絶縁膜」の材質や膜厚等の具体的な構成は特に限定されるものではない。

上記「絶縁膜の膜厚に応じてチャージ電圧を変化させる」際の、チャージ電圧の具体的な変化量は特に限定されるものではない。また、この「チャージ電圧」自体の値についても特に限定されるものではない。

上記構成に示すように、本願発明に係るエレクトレットコンデンサマイクロホンの製造方法は、背面電極板の電極板本体の表面に形成された絶縁膜に対して所定のチャージ電圧で分極処理を施すことによりエレクトレット層を生成するようになっているが、その際、絶縁膜の膜厚に応じてチャージ電圧を変化させるようになっているので、次のような作用効果を得ることができる。

すなわち、上述したように、チャージ電圧を一定にして分極処理を施した場合、絶縁膜の膜厚が厚くなるほどエレクトレットコンデンサマイクロホンの感度は低下することが、本願発明者の解析により明らかになった。一方、絶縁膜に対して異なるチャージ電圧で分極処理を施すと、エレクトレットコンデンサマイクロホンの感度が変化することが、従来より知られている。

そこで、絶縁膜の膜厚に応じてチャージ電圧を変化させるようにすれば（具体的には絶縁膜の膜厚が厚くなるほどチャージ電圧を増大させるようにすれば）、エレクトレット層の膜厚にたとえ大きなバラツキがあっても、膜厚の変化による感度変化をチャージ電圧の変化による感度変化で略相殺することができ、これによりエレクトレットコンデンサマイクロホンの感度のバラツキを小さく抑えることができる。

このように本願発明によれば、エレクトレットコンデンサマイクロホンを小型化した場合であっても、その感度のバラツキを十分に小さく抑えることができ、これにより所要の感度特性を得ることができる。しかも、この感度のバラツキを抑えるための処理は、エレクトレットコンデンサマイクロホンの製造工程内で行われるので、その完成段階では感度特性を揃えることができ、これにより工程能力を高めることができる。

上記構成において、絶縁膜の膜厚に応じてチャージ電圧を変化させる際の、チャージ電圧の具体的な変化量が特に限定されないことは上述したとおりであるが、絶縁膜の膜厚が１μｍ増大するに従ってチャージ電圧を絶対値で１〜３Ｖ増大させるようにすれば、エレクトレットコンデンサマイクロホンの感度のバラツキをある程度効果的に抑制することができる。

その際、絶縁膜の膜厚が１μｍ増大するに従ってチャージ電圧を絶対値で１．５〜２．５Ｖ増大させるようにすれば、エレクトレットコンデンサマイクロホンの感度のバラツキをより効果的に抑制することができる。

以下、図面を用いて、本願発明の実施の形態について説明する。

図１は、本願発明の一実施形態に係る製造方法の適用対象となるエレクトレットコンデンサマイクロホンを上向きに配置した状態で示す側断面図である。

同図に示すように、本実施形態に係るエレクトレットコンデンサマイクロホン１０は、外径が３ｍｍ程度、高さが１．２〜１．５ｍｍ程度の超小型マイクロホンであって、円筒状のケース１２内に、振動膜サブアッセンブリ１４、スペーサ１６、背面電極板１８、コイルスプリング２０、絶縁ブッシュ２２およびＪＦＥＴボード２４が収容されてなっている。そして、このエレクトレットコンデンサマイクロホン１０は、その目標感度が−４１．５ｄＢに設定されている。

ケース１２は、金属製（例えばアルミニウム製）であって、その上端壁には音孔１２ａが形成されており、また、その開放下端部１２ｂにおいてＪＦＥＴボード２４にカシメ固定されている。

振動膜サブアッセンブリ１４は、円形の振動膜２６が支持リング２８に張設固定されてなっている。振動膜２６は、厚みが１．５μｍ程度のＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルムの上面にニッケル合金等の金属蒸着膜が形成されてなり、その外径はケース１２の内径と略同一の値に設定されている。一方、支持リング２８は、金属製のプレス加工品であって振動膜２６と略同じ外径を有している。

スペーサ１６は、ケース１２の内径と略同じ外径を有するステンレス鋼製の薄板リングで構成されており、その厚みは２５μｍ程度に設定されている。

背面電極板１８は、電極板本体１８Ａと、この電極板本体１８Ａの上面に配置されたエレクトレット層１８Ｂとからなり、その複数箇所に貫通孔１８ａが形成されている。

電極板本体１８Ａは、板厚が０．１５ｍｍ程度のステンレス鋼板からなり、絶縁ブッシュ２２の内径と略同じ外径を有している。

エレクトレット層１８Ｂは、電極板本体１８Ａの上面に形成された絶縁膜に対して、所定のチャージ電圧（例えば−１００Ｖ程度）で分極処理を施すことによって生成されており、これにより所定の表面電位が付与されている。その際、上記絶縁膜は、１２．５μｍ程度の膜厚を有するＦＥＰ（フッ化エチレンプロピレン）フィルムを、電極板本体１８Ａの上面に熱融着することにより形成されている。

ケース１２内においては、エレクトレット層１８Ｂと振動膜２６とがスペーサ１６を介して所定の微小間隔をおいて対向配置されており、これによりコンデンサ構造部を構成するようになっている。

絶縁ブッシュ２２は、ケース１２の内径と略同じ外径を有する円筒状部材であって、その内周側に背面電極板１８およびコイルスプリング２０が配置されるようになっている。その際、背面電極板１８は、コイルスプリング２０によりスペーサ１６へ向けて弾性的に押圧されるようになっている。

ＪＦＥＴボード２４は、ケース１２の内径と略同じ外径を有するボード本体３２と、このボード本体３２の上面に実装されたインピーダンス変換素子３４およびコンデンサ３６とからなっている。

ボード本体３２の上面には、所定のパターンで導電層３２ａが形成されており、また、ボード本体３２の下面には、その中心部にプラス端子となる導電層３２ｂが形成されるとともに、その外周縁部にアース端子となる導電層３２ｃが形成されている。

インピーダンス変換素子３４は、接合型電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）であって、そのゲート電極が導電層３２ａおよびコイルスプリング２０を介して背極板１８に電気的に接続されており、そのドレイン電極が導電層３２ａを介して導電層３２ｂに電気的に接続されており、そのソース電極が導電層３２ａ、３２ｃ、ケース１２および支持リング２８を介して振動膜１６の金属蒸着膜に電気的に接続されている。

次に、本実施形態に係るエレクトレットコンデンサマイクロホン１０の製造工程について説明する。

このエレクトレットコンデンサマイクロホン１０は、カシメ固定が行われる前の状態のケース１２（図１において２点鎖線で示す形状のケース）を上下逆さに配置した状態で、該ケース１２内に、振動膜サブアッセンブリ１４、スペーサ１６、絶縁ブッシュ２２、背面電極板１８、コイルスプリング２０およびＪＦＥＴボード２４をこの順序で組み込んだ後、ケース１２の開放下端部１２ｂをＪＦＥＴボード２４にカシメ固定することにより、その組付けが行われるようになっている。

その際、背面電極板１８は、そのエレクトレット層１８Ｂの表面電位の調整が行われた状態で、ケース１２内に組み込まれるようになっている。

すなわち、上述したようにエレクトレット層１８Ｂは電極板本体１８Ａの上面に形成された絶縁膜に対して所定のチャージ電圧で分極処理を施すことにより生成されるが、このエレクトレット層生成工程において上記絶縁膜に分極処理を施す際、その膜厚に応じてチャージ電圧を変化させるようになっている。具体的には、絶縁膜の膜厚が１μｍ増大するに従って、チャージ電圧を絶対値で２Ｖ増大させるようになっている。

これは、以下の知見に基づくものである。

すなわち、エレクトレット層１８Ｂを構成する絶縁膜は、電極板本体１８Ａの上面にＦＥＰフィルムを熱融着することにより形成されるが、その際、ＦＥＰフィルムは引き伸ばされて元の膜厚よりも薄くなり、その膜厚は大きくうねるようにして連続的に変化する。このとき、仮に背面電極板１８がある程度大きければ、エレクトレット層１８Ｂの膜厚は、そのサイズ範囲内において平均化されるので、量産される背面電極板１８相互間で略一定の値となる。これに対し、本実施形態のように、背面電極板１８のサイズが極端に小さくなると、エレクトレット層１８Ｂの膜厚変化のうねりをそのサイズ範囲内において十分に平均化することができず、このため背面電極板１８相互間でエレクトレット層１８Ｂの膜厚にバラツキが生じてしまう。そして、このようなバラツキがあると、たとえ同じチャージ電圧で分極処理を施しても、エレクトレットコンデンサマイクロホン１０の感度が変化してしまう。

図２は、チャージ電圧を一定にして分極処理を施した背面電極板１８が組み込まれたエレクトレットコンデンサマイクロホン１０について、エレクトレット層１８Ｂの膜厚とエレクトレットコンデンサマイクロホン１０の感度との関係を測定した結果を示すグラフである。その際、測定したサンプル数は２０個であり、測定した感度は１ｋＨｚでの感度である。

このグラフから明らかなように、エレクトレット層１８Ｂの膜厚は６〜１２μｍの範囲でバラついており、エレクトレットコンデンサマイクロホン１０の感度への影響は２．２ｄＢ程度である。そして、エレクトレット層１８Ｂの膜厚が１μｍ増大すると、エレクトレットコンデンサマイクロホン１０の感度は０．３７ｄＢ程度低下している。

一方、エレクトレット層１８Ｂの膜厚が一定であっても、絶縁膜に対して異なるチャージ電圧で分極処理を施すようにすれば、エレクトレットコンデンサマイクロホン１０の感度を変化させることができる。この点について、静電電位計を用いて定量的に測定した結果、チャージ電圧が絶対値で２Ｖ増大すると、エレクトレットコンデンサマイクロホン１０の感度は０．３６ｄＢ程度向上することが明らかになった。

したがって以上のことから、絶縁膜の膜厚が１μｍ増大するに従って、チャージ電圧を絶対値で２Ｖ程度増大させるようにすれば、膜厚増大による感度低下分をチャージ電圧増大による感度向上分で略相殺することができ、これによりエレクトレットコンデンサマイクロホン１０の感度のバラツキを非常に小さく抑えることができる。そしてこれにより、エレクトレットコンデンサマイクロホン１０の感度を、その目標感度である−４１．５ｄＢに近い値に維持することができる。

図３および４は、本実施形態に係る製造方法により製造されたエレクトレットコンデンサマイクロホン１０の感度特性を示すグラフである。

図３は、エレクトレット層１８Ｂの膜厚が薄い背面電極板１８を有するエレクトレットコンデンサマイクロホン１０の１０個のサンプルのデータを示すグラフである。一方、図４は、エレクトレット層１８Ｂの膜厚が厚い背面電極板１８を有するエレクトレットコンデンサマイクロホン１０の１０個のサンプルのデータを示すグラフである。

その際、エレクトレット層１８Ｂの膜厚が薄い背面電極板１８のサンプルとしては、エレクトレット層１８Ｂの膜厚が６μｍのものを用いており、エレクトレット層１８Ｂの膜厚が厚い背面電極板１８のサンプルとしては、エレクトレット層１８Ｂの膜厚が１２μｍのものを用いている。また、エレクトレット層１８Ｂの膜厚が厚い背面電極板１８については、エレクトレット層１８Ｂの膜厚が薄い背面電極板１８に対して、そのエレクトレット層１８Ｂの膜厚が６μｍ厚いので、絶縁膜に分極処理を施す際のチャージ電圧を絶対値で１２Ｖ（＝６×２Ｖ）増大させたものが組み込まれている。

これらの図から明らかなように、絶縁膜の膜厚に応じてチャージ電圧を変化させることにより、エレクトレットコンデンサマイクロホン１０の感度は、目標感度である−４１．５ｄＢに近い値に維持されている。

すなわち、エレクトレット層１８Ｂの膜厚が薄い背面電極板１８を有するエレクトレットコンデンサマイクロホン１０の感度は、−４２．０５〜−４１．１０ｄＢで、その平均値は−４１．５９ｄＢである。また、エレクトレット層１８Ｂの膜厚が厚い背面電極板１８を有するエレクトレットコンデンサマイクロホン１０の感度は、−４２．０６〜−４１．１９ｄＢで、その平均値は−４１．５５ｄＢである。

一方、図５は、本実施形態に係る製造方法により製造されたエレクトレットコンデンサマイクロホン１０ではなく、エレクトレット層１８Ｂの膜厚が厚い（具体的には膜厚１２μｍ）背面電極板１８を有するエレクトレットコンデンサマイクロホンにおいて、絶縁膜の膜厚に応じてチャージ電圧を変化させなかった場合（具体的には膜厚６μｍの場合と同じチャージ電圧に設定した場合）の８個のサンプルの感度特性のデータを示すグラフである。

同図に示すように、絶縁膜の膜厚に応じてチャージ電圧を変化させなかった場合には、エレクトレットコンデンサマイクロホンの感度は、−４４．１４〜−４３．１１ｄＢで、その平均値は−４３．６８ｄＢであり、目標感度である−４１．５ｄＢに対して２ｄＢ程度低い値となっている。

以上詳述したように、本実施形態に係るエレクトレットコンデンサマイクロホンの製造方法は、背面電極板１８の電極板本体１８Ａの表面に形成された絶縁膜に対して所定のチャージ電圧で分極処理を施すことによりエレクトレット層１８Ｂを生成するようになっているが、その際、絶縁膜の膜厚が厚くなるほどチャージ電圧を増大させるようになっているので、エレクトレット層１８Ｂの膜厚にたとえ大きなバラツキがあっても、膜厚の変化による感度変化をチャージ電圧の変化による感度変化で略相殺することができ、これによりエレクトレットコンデンサマイクロホン１０の感度のバラツキを小さく抑えることができる。

したがって本実施形態によれば、エレクトレットコンデンサマイクロホン１０が超小型マイクロホンとして構成されているにもかかわらず、その感度のバラツキを十分に小さく抑えることができ、これにより所要の感度特性を得ることができる。しかも、この感度のバラツキを抑えるための処理は、エレクトレットコンデンサマイクロホン１０の製造工程内において行われるので、その完成段階では感度特性を揃えることができ、これにより工程能力を高めることができる。

その際、本実施形態においては、絶縁膜の膜厚が１μｍ増大するに従ってチャージ電圧を絶対値で２Ｖ増大させるようになっているので、エレクトレットコンデンサマイクロホン１０の感度のバラツキを非常に小さく抑えることができる。

なお、本実施形態のように、絶縁膜の膜厚が１μｍ増大するに従ってチャージ電圧を絶対値で２Ｖ増大させる代わりに、絶縁膜の膜厚が１μｍ増大するに従ってチャージ電圧を絶対値で１〜３Ｖ増大させるようにした場合においても、エレクトレットコンデンサマイクロホン１０の感度のバラツキを許容可能な範囲内に抑えることができる。その際、絶縁膜の膜厚が１μｍ増大するに従ってチャージ電圧を絶対値で１．５〜２．５Ｖ増大させるようにすれば、エレクトレットコンデンサマイクロホン１０の感度のバラツキを許容可能な範囲よりも狭い範囲内に抑えることができる。

上記実施形態においては、チャージ電圧として−１００Ｖ程度の値が例示されるとともに、エレクトレットコンデンサマイクロホン１０の目標感度が−４１．５ｄＢに設定されている場合について説明したが、エレクトレット層１８Ｂの表面電位およびエレクトレットコンデンサマイクロホン１０の目標感度が上記以外の値に設定されている場合においても、上記実施形態と同様の条件で分極処理を施すことにより上記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

また、上記実施形態においては、絶縁膜がＦＥＰフィルムで構成されている場合について説明したが、これ以外の材質のフィルムで構成されている場合においても、上記実施形態と同様の条件で分極処理を施すことにより上記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

本願発明の一実施形態に係る製造方法の適用対象となるエレクトレットコンデンサマイクロホンを上向きに配置した状態で示す側断面図 チャージ電圧を一定にして分極処理を施した背面電極板が組み込まれたエレクトレットコンデンサマイクロホンについて、エレクトレット層の膜厚と感度との関係を測定した結果を示すグラフ 本実施形態に係る製造方法により製造されたエレクトレットコンデンサマイクロホンの感度特性を示すグラフであって、エレクトレット層の膜厚が薄い背面電極板を有する場合のデータを示すグラフ 本実施形態に係る製造方法により製造されたエレクトレットコンデンサマイクロホンの感度特性を示すグラフであって、エレクトレット層の膜厚が厚い背面電極板を有する場合のデータを示すグラフ 本実施形態に係る製造方法以外の方法により製造されたエレクトレットコンデンサマイクロホンの感度特性を示すグラフであって、エレクトレット層の膜厚が厚い背面電極板を有する場合のデータを示すグラフ

符号の説明

１０ エレクトレットコンデンサマイクロホン
１２ ケース
１２ａ 音孔
１２ｂ 開放下端部
１４ 振動膜サブアッセンブリ
１６ スペーサ
１８ 背面電極板
１８Ａ 電極板本体
１８Ｂ エレクトレット層
１８ａ 貫通孔
２０ コイルスプリング
２２ 絶縁ブッシュ
２４ ＪＦＥＴボード
２６ 振動膜
２８ 支持リング
３２ ボード本体
３２ａ、３２ｂ、３２ｃ 導電層
３４ インピーダンス変換素子
３６ コンデンサ

Claims (3)

1. 振動膜と背面電極板とが対向配置されてなるコンデンサ構造部と、このコンデンサ構造部の静電容量の変化を電気インピーダンス変換するインピーダンス変換素子とを備え、上記背面電極板が、金属製の電極板本体の表面にエレクトレット層が配置されてなるエレクトレットコンデンサマイクロホン、を製造する方法において、
   上記エレクトレット層を、上記電極板本体の表面に形成された絶縁膜に対して所定のチャージ電圧で分極処理を施すことにより生成するエレクトレット層生成工程を含み、
   このエレクトレット層生成工程において上記絶縁膜に分極処理を施す際、該絶縁膜の膜厚に応じてチャージ電圧を変化させる、ことを特徴とするエレクトレットコンデンサマイクロホンの製造方法。
2. 上記絶縁膜の膜厚が１μｍ増大するに従って、上記チャージ電圧を絶対値で１〜３Ｖ増大させる、ことを特徴とする請求項１記載のエレクトレットコンデンサマイクロホンの製造方法。
3. 上記絶縁膜の膜厚が１μｍ増大するに従って、上記チャージ電圧を絶対値で１．５〜２．５Ｖ増大させる、ことを特徴とする請求項１記載のエレクトレットコンデンサマイクロホンの製造方法。

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