JP2006238404A - コンデンサマイクロホン - Google Patents

Abstract

【課題】 高感度なコンデンサマイクロホンを提供する。
【解決手段】 筒状筐体１の内部に、振動膜電極９及び固定電極６、７で構成されるコンデンサＣと、振動膜電極９の振動により生じたコンデンサＣの静電容量の変化を電気信号に変換して出力する変換回路５を有する基板３と、コンデンサＣと基板３の間に設けられ、コンデンサＣと基板３とを電気的に導通させるゲートリング１２とを備えるコンデンサマイクロホンであって、ゲートリング１２は、コンデンサＣと基板３とを電気的に導通させる導電部１４と、コンデンサＣと基板３とを電気的に絶縁させる絶縁部１５とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、筒状筐体の内部に、振動膜電極及び固定電極で構成されるコンデンサと、前記振動膜電極の振動により生じた前記コンデンサの静電容量の変化を電気信号に変換して出力する変換回路を有する基板と、前記振動膜電極又は前記固定電極と前記基板との間で両者に接触して設けられ、前記振動膜電極又は前記固定電極と前記基板とを電気的に導通させるゲートリングとを備えるコンデンサマイクロホンに関する。

従来のコンデンサマイクロホンは、アルミニウムなどの金属製の筒状筐体の内部に、振動膜電極及び固定電極で構成されるコンデンサと、コンデンサの静電容量の変化を電気信号に変換して出力する変換回路とを有して構成される。そして、コンデンサマイクロホンが受けた音圧によって振動膜電極が振動したとき、コンデンサの静電容量が変化するので、変換回路は音圧に応じた電気信号を出力する。その結果、コンデンサマイクロホンによって、受けた音を検出することができる。

図５に示すのは従来のコンデンサマイクロホンの構造である。このコンデンサマイクロホンでは、閉塞端に音孔３２が形成された筒状筐体２１の内側に絶縁筒部３３が装着され、絶縁筒部３３の内側には、振動膜電極２９と、スペーサ２８と、エレクトレット部材２７及び背極２６を有する固定電極とが設けられる。振動膜電極２９と筒状筐体２１の閉塞端との間には振動膜リング３０が設けられて、振動膜電極２９が保持されている。そして、振動膜電極２９及び固定電極で構成されるコンデンサと基板２３とを電気的に導通させる金属製のゲートリング３１と、コンデンサの静電容量の変化を電気信号に変換して出力する変換回路の機能を実現するＩＣチップ２５及び金属配線パターン２４を有する基板２３とが設けられている（例えば、特許文献１参照）。

図６に示すのは図５に示したようなコンデンサマイクロホンの等価回路図である。コンデンサマイクロホンでは、振動膜電極及び固定電極によって構成されるコンデンサの静電容量の他に、各導電性部材間の相互作用による寄生容量Ｃｐが存在する。寄生容量Ｃｐとしては、ゲートリングと筒状筐体との間の寄生容量、及び、ゲートリングと基板上の金属配線パターンとの間の寄生容量などが考えられる。従って、コンデンサの静電容量を振動系容量Ｃｍで表すと、入力信号Ｖｉｎ、出力信号Ｖｏｕｔを用いて下記の数１が成立する。但し、インピーダンス変換素子３４による増幅度を１とした場合である。

［数１］
Ｖｏｕｔ＝Ｖｉｎ×Ｃｍ／（Ｃｍ＋Ｃｐ）

特開２００１−８２９３号公報

図５に示したような従来のコンデンサマイクロホンでは、金属製のゲートリング３１が存在しているため、入力信号Ｖｉｎが振動系容量Ｃｍと寄生容量Ｃｐとで分圧され、ＩＣチップ２５（インピーダンス変換素子３４）への入力信号を減衰させてしまい、コンデンサマイクロホンの感度を低下させている。そのため、コンデンサマイクロホンの小型化及び高感度化に対応出来ない可能性がある。つまり、コンデンサマイクロホンを小型化すると、振動膜電極２９及び固定電極（エレクトレット部材２７及び背極２６）を小さくせざるを得ないため振動系容量Ｃｍが小さくなるのだが、その場合、寄生容量Ｃｐを更に低減させなければ上記振動系容量Ｃｍを感度良く検出できなくなる。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、高感度なコンデンサマイクロホンを提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係るコンデンサマイクロホンの特徴構成は、筒状筐体の内部に、振動膜電極及び固定電極で構成されるコンデンサと、前記振動膜電極の振動により生じた前記コンデンサの静電容量の変化を電気信号に変換して出力する変換回路を有する基板と、前記コンデンサと前記基板との間に設けられ、前記コンデンサと前記基板とを電気的に導通させるゲートリングとを備えるコンデンサマイクロホンであって、前記ゲートリングは、前記コンデンサと前記基板とを電気的に導通させる導電部と、前記コンデンサと前記基板とを電気的に絶縁させる絶縁部とを有する点にある。

上記特徴構成によれば、ゲートリングが有する導電部によってコンデンサと基板との電気的な導通が確保されることで、コンデンサの静電容量の変化を表す電気信号を基板に確実に伝達することができ、且つ、ゲートリングが有する絶縁部によってコンデンサと基板とが電気的に絶縁させる構成とすることで、ゲートリングと他の導電性部材との間に発生する寄生容量を小さくすることができる。その結果、寄生容量によって生じ得る入力信号の減衰が抑制されるので、コンデンサマイクロホンに加わった振動により発生するコンデンサの静電容量の変化を良好に検出できることになる。
従って、高感度なコンデンサマイクロホンが提供されることになる。

本発明に係るコンデンサマイクロホンの他の特徴構成は、前記導電部の表面積は、前記絶縁部の表面積よりも小さく構成される点にある。

上記特徴構成によれば、ゲートリングにおいて、他の導電性部材との間で寄生容量を生じさせ得る導電部の表面積が小さく構成されるので、導電部の存在を起因として生じる寄生容量を効果的に小さくさせることができる。

本発明に係るコンデンサマイクロホンの他の特徴構成は、前記ゲートリングは、絶縁性リングの周方向に沿って単数又は複数個の導電材を埋め込んで構成される点にある。

上記特徴構成によれば、ゲートリングの導電材（導電部）と基板との接触面積を小さくするように、導電材を絶縁性リング（絶縁部）の周方向に沿って単数又は複数個設けることで、導電材と基板との間における寄生容量の発生を抑制でき、且つ、導電材と他の導電性部材との間隔を十分に確保するように、導電材の周囲に絶縁性リングを存在させることで、導電材と他の導電性部材との間における寄生容量の発生を抑制できる。

本発明に係るコンデンサマイクロホンの他の特徴構成は、前記ゲートリングは、絶縁性リングの表面に、前記絶縁性リングの上側端面と内側面と下側端面とを橋渡しして前記コンデンサと前記基板とを導通させる略コの字形状の導電材を、前記絶縁性リングの周方向に沿って単数又は複数個設けて構成される点にある。

上記特徴構成によれば、ゲートリングの導電材（導電部）と基板との接触面積を小さくするように、導電材を絶縁性リング（絶縁部）の周方向に沿って単数又は複数個設けることで、導電材と基板との間における寄生容量の発生を抑制でき、且つ、導電材と絶縁性リングの外側に設けられた他の導電性部材との間隔を十分に確保するように、導電材を絶縁性リングの外側面には設けずに、絶縁性リングの上側端面と内側面と下側端面とを橋渡しして設けることで、導電材と絶縁性リングの外側に設けられた他の導電性部材との間における寄生容量の発生を抑制できる。

本発明に係るコンデンサマイクロホンの他の特徴構成は、前記ゲートリングは、絶縁基板材料の上下表面のそれぞれの一部に印刷形成される導体がスルーホールを介して電気的に接続されている両面基板であり、前記導電部は、前記スルーホール及び前記導体である点にある。

上記特徴構成によれば、絶縁基板材料の上下表面のそれぞれの一部に印刷形成される導体がスルーホールを介して電気的に接続されている両面基板、所謂、プリント回路基板を作製するために確立された方法を用いてゲートリングを作製できるので、ゲートリングの作製コストを低減できる。

以下に図面を参照して本発明に係るコンデンサマイクロホンについて説明する。
図１に示すのは、コンデンサマイクロホンの縦断面構造である。本実施形態のコンデンサマイクロホンの横断面形状は円形であり、内部に収容されている各種部品の形状も特に述べない限りは円形である。コンデンサマイクロホンは、アルミニウムなどの金属製の筒状筐体１で外形が形作られている。筒状筐体１の開放端は内側に折り曲げられ、基板３によって蓋がされている。他方で、上記開放端の対面の閉塞端には音孔１３が形成される。筒状筐体１の開放端に設けられた基板３には金属配線パターン４が形成され、基板３上の筒状筐体１内部にはその金属配線パターン４と接続される種々の形状のＩＣチップ５などの部品が設けられる。このＩＣチップ５は、後述するコンデンサＣの静電容量の変化を電気信号に変換して出力する変換回路の機能を有するように構成できる。また、金属配線パターン４の一部は筒状筐体１と接触して接地される。

筒状筐体１の内側面には絶縁体膜２が設けられ、筒状筐体１の内部に設けられる各種部品と、筒状筐体１との間の絶縁が図られる。そして、絶縁体膜２によって内側面が覆われた筒状筐体１の内部には、筒状筐体１の閉塞端に設けられた音孔１３から入ってきた音（音圧）によって振動する導電性の振動膜電極９が設けられる。振動膜電極９から筒状筐体１の閉塞端側へ向かって、スペーサ８を挟んでこの振動膜電極９と対向するエレクトレット部材７及びそれを保持する導電性の背極６が設けられている。従って、筒状筐体１の内部には、誘電分極状態を維持できるエレクトレット部材７及び背極６で構成される固定電極と振動膜電極９とを有するコンデンサＣが形成される。

コンデンサＣを構成する振動膜電極９及び背極６の内、振動膜電極９は、導電性の振動膜リング１１及びゲートリング１２を介して基板３と電気的に導通され、振動膜リング１１及びゲートリング１２によって背部空間１８の容積が規定される。背極６は、前室１７の容積を規定する前室調整用リング１０によって筒状筐体１の閉塞端と間隔を置いて配置されている。また、背極６、エレクトレット部材７、スペーサ８、振動膜電極９及び振動膜リング１１は、絶縁体膜２とは間隔を空けて設けられている。

以上のように、図１に示したコンデンサマイクロホンにおいて、振動膜電極９の音響振動により生じたコンデンサの静電容量の変化は、ゲートリング１２及び金属配線パターン４を介してＩＣチップ５に伝達され、音響振動に応じた電気信号として出力される。

次に、コンデンサマイクロホンのゲートリング１２について説明する。
図２（ａ）の斜視図に示すように、ゲートリング１２は、周方向に沿って、コンデンサＣと基板３とを電気的に導通させる単数又は複数個の導電部１４と、コンデンサＣと基板３とを電気的に絶縁させる絶縁部１５とを有している。詳細には図２（ｂ）の断面図に示すように、ゲートリング１２は、絶縁部１５としての絶縁性リングに導電部１４としての導電材を埋め込んで構成される。その結果、導電部１４は、ゲートリング１２の上側端面及び下側端面で露出し、他の部分は絶縁性リングで覆われた構造になる。図２には３個の導電部１４を設けた場合を示しているが、導電部１４は基板３上に設けられた金属配線パターン４の電気信号用入力端子部位（図示せず）と相対して接触する部位に設ければよく、その個数は特に制限されない。従って、導電部１４は、振動膜リング１１及び金属配線パターン４と接触するので、コンデンサＣと基板とを電気的に導通させる機能は果たしている。

このように、本発明に係るコンデンサマイクロホンにおけるゲートリング１２は、従来のコンデンサマイクロホンにおいて用いられていた全体が金属製のゲートリングに比べて導電性の部材がより小さく構成されている、つまり、導電部１４の表面積が絶縁部１５の表面積よりも小さく構成されているので、ゲートリング１２の導電部１４の存在を起因とする寄生容量の発生を効果的に抑制できることになる。例えば、本発明に係るコンデンサマイクロホンにおけるゲートリング１２では、導電部１４と金属製の筒状筐体１との間には絶縁部１５及び絶縁体膜２が存在し、且つ、その間隔も大きいので、導電部１４と筒状筐体１との間に生じる寄生容量は小さくなる。更に、振動膜リング１１に対して導電部１４及び絶縁部１５を相対させ、且つ、基板３及び金属配線パターン４に対して導電部１４及び絶縁部１５を相対させるので、従来の金属製ゲートリングに比べて導電部１４の表面積が小さくなる。その結果、ゲートリング１２の存在を起因とした寄生容量Ｃｐも小さくなり、コンデンサマイクロホンの高感度化を達成できる。

コンデンサマイクロホンの等価回路図を用いて説明すると、本発明に係るコンデンサマイクロホンでも図６に示したのと同様の回路構成となるので、下記の数２が成立する。但し、Ｃｐは各導電性部材間の相互作用による寄生容量であり、ＣｍはコンデンサＣの静電容量（振動系容量）であり、Ｖｉｎは入力信号であり、Ｖｏｕｔは出力信号である。また、ＩＣチップ５又は基板３上に形成された他の電子部品によって実現されるインピーダンス変換素子３４による増幅度を１とする。

［数２］
Ｖｏｕｔ＝Ｖｉｎ×Ｃｍ／（Ｃｍ＋Ｃｐ）

上述したように、図２に示したゲートリング１２を起因とする寄生容量Ｃｐを小さくできるので、振動膜電極９の音響振動によるコンデンサＣの静電容量の変化を高感度で検出できることになる。特に、コンデンサマイクロホンを小型化するとコンデンサＣも小型化されるので、振動膜電極９の音響振動によるコンデンサＣの静電容量の変化量も小さくなるのだが、本発明に係るコンデンサマイクロホンでは寄生容量が小さく抑えられているので、寄生容量により生じるコンデンサＣの静電容量の変化量の検出感度の低下を抑制して、振動膜電極９の音響振動を高感度で検出できる。

＜別実施形態＞
＜１＞
上記実施形態では、ゲートリング１２が絶縁部１５としての絶縁性リングに導電部１４としての３個の導電材を埋め込んで構成された場合について説明したが、導電部１４の個数や構造は改変可能である。
例えば、図３に示すゲートリング４０における導電部１６は、絶縁部１５としての絶縁性リングの表面を橋渡しして振動膜リング１１及び金属配線パターン４と接触して、コンデンサＣと基板３とを導通させる４個の導電材で構成されている。具体的には、断面が四角形である絶縁性リングの上面、下面、及び、内側側面に導電材が形成されている。従って、ゲートリング４０が、振動膜リング１１と基板３とを電気的に導通させる導電部１６と、振動膜リング１１と基板３とを電気的に絶縁させる絶縁部１５を備えている。絶縁性リングの表面に導電部１６を形成する方法としては、導電材を蒸着する方法や、略コの字形状の導電材キャップを絶縁性リングに嵌め込む方法など、様々な方法を用いることができる。

また図３（ａ）の斜視図及び図３（ｂ）の断面図に示したように、絶縁部１５としての絶縁性リングの表面を導電部１６としての導電材で橋渡しする部位はリングの上側端面、下側端面及び内側面であり、絶縁性リングの外側面には導電材が設けられていない。このため、導電部１６と金属製の筒状筐体１との間には絶縁部１５としての絶縁性リングを挟んで大きな間隔が設けられ、且つ、絶縁体膜２も存在しているので、導電部１６と筒状筐体１との間に生じる寄生容量は小さくなる。更に、基板３及び金属配線パターン４に相対する導電部１６の表面積が小さいので、導電部１６と基板３との間に生じる寄生容量も小さくなる。従って、寄生容量により生じるコンデンサＣの静電容量の変化量の検出感度の低下を抑制して、振動膜電極９の音響振動を高感度で検出できる。

＜２＞
図４（ａ）の斜視図及び図４（ｂ）の断面図に示すように、一般に用いられている両面基板（プリント回路基板）をリング状にしてゲートリング５０を構成してもよい。この場合、ゲートリング５０としての両面基板は、断面が矩形のリング状の絶縁基板材料２０において、その上下表面のそれぞれの一部に所定のパターンで印刷形成される導体１７がスルーホール１８を介して電気的に接続されるように形成されている。その結果、絶縁基板材料２０の上下表面のそれぞれには、導体１７が形成されている部分と、導体１７が形成されておらず、絶縁基板材料２０が表面に現れている部分とがある。図４に示した例では、絶縁基板材料２０の上下表面に形成された導体１７の外径よりも、絶縁基板材料２０の外径の方が大きくなるように導体１７が形成されている。
従って、上記スルーホール１８及び絶縁基板材料２０の上下表面のそれぞれの一部に形成された上記導体１７が本発明の導電部１９に相当する。また、上記絶縁基板材料２０が本発明の絶縁部に相当する。

絶縁基板材料２０は、ガラス繊維布などのリジッドな平板状の基材にエポキシ樹脂などの樹脂を染み込ませて形成される。そして、図示したような穴を絶縁基板材料２０に形成した後、銅などの導電性の良好な金属が用いて所定パターンの導体１７及びスルーホール１８を形成して、図４に示すようなゲートリング５０を得る。また、導電層１９の電気的接触の安定性向上、耐腐食性向上などのために、導体１７及びスルーホール１８の表面層に金を追加で形成してもよい。このように、両面基板、所謂、プリント回路基板を作製するために広く用いられている方法によってゲートリング５０を作製できるので、ゲートリング５０の作製コストを低減できる。
また、絶縁基板材料２０として、絶縁性の樹脂材料を用いてもよい。そして、その樹脂材料にメッキ（樹脂メッキ）を施して導電部１９を形成することで比較的フレキシブルなゲートリング５０が得られる。

以上のように、ゲートリング５０が、振動膜リング１１と基板３とを電気的に導通させる導電部１９と、振動膜リング１１と基板３とを電気的に絶縁させる絶縁部（絶縁基板材料２０）を備えている。そして、図示するように、導電部１９としての導体１７の外径は絶縁基板材料２０の外径よりも小さい。従って、導電部１９と金属製の筒状筐体１との間には絶縁部としての絶縁基板材料２０を挟んで大きな間隔が設けられている。加えて、導電部１９と筒状筐体１との間には絶縁体膜２も存在しているので、導電部１９と筒状筐体１との間に生じる寄生容量を小さくできる。また、基板３及び金属配線パターン４に相対する導体１７の表面積が小さいので、導電部１９と基板３との間に生じる寄生容量も小さくなる。
従って、寄生容量により生じるコンデンサＣの静電容量の変化量の検出感度の低下を抑制して、振動膜電極９の音響振動を高感度で検出できる。

＜３＞
上記実施形態及び別実施形態では本発明に係るコンデンサマイクロホンで用いられる樹脂材料の耐熱性について説明していなかったが、上述の樹脂材料に耐熱性のものを用いてもよい。例えば、上記絶縁基板材料２０などに耐熱性の樹脂材料を用いた場合、コンデンサマイクロホンを表面実装するためにリフローによってはんだ付けすることもできる。具体的には、コンデンサマイクロホンと基板との間のはんだを溶かすために加熱したとしても、絶縁基板材料２０として耐熱性の樹脂材料を用いているので、ゲートリング５０が熱によって変形しないようにできる。

＜４＞
上記実施形態及び別実施形態では、エレクトレット部材７が音孔１３から見て振動膜電極９よりも前側にあるフロントエレクトレットタイプのコンデンサマイクロホンにゲートリング１２、４０、５０を組み込んだ場合について説明したが、図５の従来例で示したようにエレクトレット部材が音孔から見て振動膜電極よりも後ろ側に設けられたバックエレクトレットタイプ、又は、振動膜電極自身がエレクトレット部材となるホイルエレクトレットタイプのコンデンサマイクロホンなどにゲートリング１２、４０、５０を組み込んでも構わない。つまり、本発明のコンデンサマイクロホンを構成する、固定電極、振動膜電極、エレクトレット部材などの各種部材の構成は、上記実施形態及び別実施形態において説明したものから改変してもよい。

＜５＞
上記実施形態及び別実施形態では、ゲートリング１２、４０、５０における導電部１４、１６、１９の形状、また、導体１７及びスルーホールの形状を具体的に図示して説明したが、他の形状に改変してもよい。

本発明のコンデンサマイクロホンは、小型且つ高感度なマイクを作製するときに利用できる。

コンデンサマイクロホンの断面図 （ａ）はゲートリングの斜視図であり、（ｂ）はゲートリングの縦断面図 （ａ）はゲートリングの斜視図であり、（ｂ）はゲートリングの縦断面図 （ａ）はゲートリングの斜視図であり、（ｂ）はゲートリングの縦断面図 従来のコンデンサマイクロホンの縦断面図 コンデンサマイクロホンの等価回路図

符号の説明

１ 筒状筐体
３ 基板
５ ＩＣチップ（変換回路）
６ 背極（固定電極）
７ エレクトレット部材（固定電極）
９ 振動膜電極
１２ ゲートリング
１４ 導電部
１５ 絶縁部

Claims (5)

1. 筒状筐体の内部に、
   振動膜電極及び固定電極で構成されるコンデンサと、
   前記振動膜電極の振動により生じた前記コンデンサの静電容量の変化を電気信号に変換して出力する変換回路を有する基板と、
   前記コンデンサと前記基板との間に設けられ、前記コンデンサと前記基板とを電気的に導通させるゲートリングと、
   を備えるコンデンサマイクロホンであって、
   前記ゲートリングは、前記コンデンサと前記基板とを電気的に導通させる導電部と、前記コンデンサと前記基板とを電気的に絶縁させる絶縁部とを有するコンデンサマイクロホン。
2. 前記導電部の表面積は、前記絶縁部の表面積よりも小さく構成される請求項１記載のコンデンサマイクロホン。
3. 前記ゲートリングは、絶縁性リングの周方向に沿って単数又は複数個の導電材を埋め込んで構成される請求項１又は２記載のコンデンサマイクロホン。
4. 前記ゲートリングは、絶縁性リングの表面に、前記絶縁性リングの上側端面と内側面と下側端面とを橋渡しして前記コンデンサと前記基板とを導通させる略コの字形状の導電材を、前記絶縁性リングの周方向に沿って単数又は複数個設けて構成される請求項１又は２記載のコンデンサマイクロホン。
5. 前記ゲートリングは、絶縁基板材料の上下表面のそれぞれの一部に印刷形成される導体がスルーホールを介して電気的に接続されている両面基板であり、
   前記導電部は、前記スルーホール及び前記導体である請求項１記載のコンデンサマイクロホン。

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