JP2015159401A - エレクトレット材の製造方法およびエレクトレットコンデンサマイクロホン - Google Patents

Abstract

【課題】高い表面電位を有するエレクトレット層を得ることができるエレクトレット材の製造方法およびエレクトレットコンデンサマイクロホンを提供すること。【解決手段】基材１１面に対してエレクトレット誘電膜を一様に成膜する全面成膜工程１２ａおよびエレクトレット誘電膜を部分的に成膜する部分成膜工程１２ｂを実行することで、エレクトレット誘電膜１２に部分的に厚みの異なる成膜パターンが形成される。続いてエレクトレット誘電膜１２に対して、電荷を注入することで、部分的に表面電位の異なる帯電パターンを有するエレクトレット層を得ることができる。特定な帯電パターンを有するエレクトレット層をコンデンサマイクロホンに利用することで、マイクロホンの周波数応答特性を制御することが可能となる。【選択図】図１

Description

この発明は、所望の表面電位分布を得ることができるエレクトレット材の製造方法およびこの製造方法によって得られるエレクトレット材を用いたエレクトレットコンデンサマイクロホンに関する。

コンデンサマイクロホンには、振動板と固定電極とをスペーサリングを介して対向させた構成の振動板組立体が具備されており、このうち固定電極側にエレクトレット材を備えたものがバックエレクトレット方式と呼ばれ、振動板側にエレクトレット材を備えたものが膜エレクトレット方式と呼ばれている。

前記したようにエレクトレット材を備えたエレクトレットコンデンサマイクロホンによると、エレクトレット材により成極電圧を得ることができるので、例えばＤＣ−ＤＣコンバータなどを含む成極電源装置が不要であり、コンデンサマイクロホンに付帯させる電子回路の簡素化を図ることができる。
また、エレクトレット材を構成する素材が電気絶縁性であるため、成極電圧の漏洩を防止することができ、成極電圧の漏洩に起因する雑音の発生を抑制することができるという特質も備えている。

ところで、前記したエレクトレットコンデンサマイクロホンにおいては、その高域の周波数応答は、エレクトレット材の表面電位分布に依存することが報告されている（非特許文献１参照）。
すなわち前記非特許文献１には、帯電領域の異なるエレクトレット層を備えたエレクトレットコンデンサマイクロホンを複数作成し、前記エレクトレット層の帯電パターンに応じて、例えば５ｋＨｚ以上の高域の感度特性にどのような影響が生ずるかについて検証した結果が開示されている。

その検証結果によると、エレクトレット層の帯電領域の違いによって、高域の感度特性が上昇または低下したり、もしくは山谷が発生することが明らかにされている。
換言すればエレクトレット層に特定の帯電パターンを持たせることで、エレクトレットコンデンサマイクロホンの高域の感度特性（周波数応答）を制御することが可能であると言うことができる。

日本音響学会講演論文集 昭和５７年３月 ２４９〜２５０頁 田中正則ら

エレクトレット層に特定の帯電パターンを持たせる手段としては、前記非特許文献１に開示されているように、ＦＥＰ（Ｆｌｕｏｒｉｎａｔｅｄ Ｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）テフロンフィルムを加工する手段と、エレクトレット誘電膜に荷電する際に、エレクトレット誘電膜に対向するコロナ帯電器との間に、金属マスクを介在させる手段が知られている。

非特許文献１に開示された前者のＦＥＰテフロンフィルムを加工する手段によると、多数の通気孔を穿設したＦＥＰテフロンフィルムを、固定電極となる金属素材に接着するなどの複雑な工程が必要があり、これによるとエレクトレット材の生産性が悪く、コスト高になる。
一方、後者のエレクトレット誘電膜とコロナ帯電器との間に、金属マスクを介在させる手段においては、前者に比較して生産性の悪い問題を克服することができるものの、後述するように表面電位の高いエレクトレット層を安定的に作ることが困難であるという課題を抱えている。

図７は、コロナ帯電器に金属マスクを併用した後者のエレクトレット材の製造方法を模式図で示したものである。なお図７は固定電極にエレクトレット層を形成したバックエレクトレット方式のマイクロホンに用いられるエレクトレット誘電膜への荷電手段を示している。
図７に示す符号１１はエレクトレットコンデンサマイクロホンに用いられる金属素材により形成された固定電極を示しており、この固定電極１１の一方の平坦な面にはエレクトレット誘電膜１２が成膜されている。

前記エレクトレット誘電膜１２を成膜する素材としては、フッ素系材料の一例として旭硝子社より提供されているＣＹＴＯＰを好適に利用することができ、このＣＹＴＯＰは前記固定電極１１に対して、例えば塗布法により一定の厚さに成膜することができる。
そして図７に示す構成においては、固定電極１１に成膜されたエレクトレット誘電膜１２の上部を覆うようにして、金属マスク２１が配置され、金属マスク２１を間にしてコロナ帯電器２２がさらに上部に配置されている。

電荷注入工程において用いられるコロナ帯電器２２の代表例として、スコロトロンと呼ばれるものが存在し、このスコロトロンはケーシング２２ａの中央部にワイヤー電極２２２２ｂが配置され、ケーシング２２ａの開口部には網目状のグリッド電極２２ｃが備えられている。
前記ワイヤー電極２２ｂには定電流源Ｉｃを介して高圧電源Ｖｈからの電位が印加され、またグリッド電極２２ｃにはグリッドバイアスＶｇが印加されて、前記エレクトレット誘電膜１２に対する帯電電位（荷電量）が制御できるように構成されている。
なお、前記した固定電極１１および金属マスク２１は、基準電位点に接続されている（接地されている）。

図７に示したコロナ帯電器２２は、前記固定電極１１および金属マスク２１に沿って水平方向に移動しつつ、固定電極１１上に成膜されたエレクトレット誘電膜１２に対して電荷を注入（荷電）する動作が実行される。
この時、金属マスク２１の開口部に位置するエレクトレット誘電膜１２に対しては、帯電量が高く設定され、金属マスク２１で遮蔽されるエレクトレット誘電膜１２に対しては、帯電量は低くもしくは設定されない状態になされる。

すなわち、図７に示すエレクトレット材の製造方法によると、金属マスク２１のマスクパターンに応じて、エレクトレット誘電膜１２に対して特定の帯電パターン（電位分布）を付与することができる（異なる電位分布の帯電パターンを選択的に付与することができる）。
このようにして荷電されるエレクトレット層に特定の電位分布を設定することで、マイクロホンの感度特性（周波数応答）を制御することが可能となる。

ところで、図７に示したエレクトレット材の製造方法によると、コロナ帯電器２２とエレクトレット誘電膜１２との間に介在される接地された金属マスク２１に対して、コロナ帯電器２２から火花放電が発生する場合がある。
この火花放電の発生は、前記した高圧電源Ｖｈの電位に依存し、エレクトレット誘電膜１２に対して高い表面電位を与えるために電源Ｖｈの電位を高める程、その発生度合いが上昇する。

前記したように火花放電が生じた場合には、火花放電により両極性（正および負）のイオンが発生し、その近傍におけるエレクトレット誘電膜１２が中和されて電荷が消失する。したがって、前記したように金属マスク２１を用いて、エレクトレット誘電膜１２に特定の帯電パターンを付与する手法によると、高い表面電位を有するエレクトレット層を得ることに限界が生ずる。

この発明は、前記した技術的な観点に基づいてなされたものであり、所望の電位分布を設定することができると共に、高い表面電位を有するエレクトレット層を安定して得ることができるエレクトレット材の製造方法、およびこの製造方法により得られるエレクトレット材を用いたエレクトレットコンデンサマイクロホンを提供することを課題とするものである。

前記した課題を解決するためになされたこの発明に係るエレクトレット材の製造方法によると、基材面に対してエレクトレット誘電膜を一様に成膜する全面成膜工程およびエレクトレット誘電膜を部分的に成膜する部分成膜工程とを実行することで、エレクトレット誘電膜に部分的に厚みの異なる成膜パターンを形成する成膜パターン形成工程と、前記成膜パターン形成工程により基材面に対して成膜されたエレクトレット誘電膜に対して電荷を注入してエレクトレット層とする電荷注入工程とを備えることで、表面電位の異なる帯電パターンを有するエレクトレット層を得ることを特徴とする。

この場合、前記した成膜パターン形成工程の一つの好ましい態様は、基材面にエレクトレット誘電膜を一様に成膜する全面成膜工程と、一様に成膜された前記エレクトレット誘電膜上に、エレクトレット誘電膜をさらに部分的に成膜する部分成膜工程とを備える。

また、前記した成膜パターン形成工程の他の一つの好ましい態様は、基材面にエレクトレット誘電膜を部分的に成膜する部分成膜工程と、部分的に成膜された前記エレクトレット誘電膜上およびエレクトレット誘電膜が成膜されない前記基材面に対して、エレクトレット誘電膜をさらに一様に成膜する全面成膜工程とを備える。

加えて、前記したエレクトレット誘電膜が成膜される前記基材面は、平坦面状に形成されていることが望ましい。
そして、前記した製造方法によって得られたエレクトレット層を備えた基材は、固定電極として用いられ、前記エレクトレット層に対向して振動板を配置することで、エレクトレットコンデンサマイクロホンを構成することができる。

この発明に係るエレクトレット材の製造方法によると、前記した成膜パターン形成工程によって、基材面に形成されるエレクトレット誘電膜に部分的に厚みの異なる成膜パターンを形成することができる。
そして、成膜されたエレクトレット誘電膜に対して電荷を注入してエレクトレット層とする電荷注入工程を実行することで、Ｑ＝ＣＶ（Ｑは電荷量、Ｃは静電容量、Ｖは電位）にしたがった表面電位の異なる帯電パターンを有するエレクトレット層を得ることができる。

この場合、前記した電荷注入工程においては、部分的に厚みの異なるエレクトレット誘電膜に対して一様に電荷を注入することで部分的に表面電位の異なるエレクトレット層を得ることができる。
このために、この明細書の冒頭で従来例として説明したように電荷注入工程において金属マスクを用いる必要はなく、したがって全体的に表面電位を高めたエレクトレット層を安定して得ることができる。

また、前記した製造方法によって得られたエレクトレット層を備えた基材は、固定電極として用いられ、前記エレクトレット層に対向して振動板を配置することで、エレクトレットコンデンサマイクロホンを構成することができる。
そして、特定の帯電パターンを有するエレクトレット層を利用して、マイクロホンの周波数応答を制御することができると共に、全体的に高い表面電位のエレクトレットを利用した感度の高いコンデンサマイクロホンを実現することができる。

この発明に係るエレクトレット材の製造方法の一例について各部を断面図で示した工程図である。 この発明に係る製造方法によって得られるエレクトレット材の第２の例を示した断面図である。 同じく第３の例を示した断面図である。 同じく第４の例を示した断面図である。 同じく第５の例を示した断面図である。 この発明に係る製造方法によって得られたエレクトレット材を用いたコンデンサマイクロホンの一例を示した分解図である。 従来のエレクトレット材の製造方法の一例を示した模式図である。

以下、この発明に係るエレクトレット材の製造方法について、図１に示す工程図に基づいて説明する。
図１に示す工程図は、金属素材による基材の一方の面に、エレクトレット層を形成するエレクトレット材の製造方法の一例を示すものである。そして、一方の面にエレクトレット層が形成される前記基材は、後述するようにエレクトレットコンデンサマイクロホンの固定電極として利用するものとなる。
このために前記基材１１は、例えば円板状に形成され、エレクトレット層が形成される基材面は、平坦面状に形成されていることが望ましい。

図１（Ａ）は、平坦面になされた基材１１上にエレクトレット誘電膜１２ａを成膜した状態を示しており、（Ａ）に示す例は、エレクトレット誘電膜１２ａを、基材面に対して一様に成膜する全面成膜工程を示している。
このエレクトレット誘電膜１２ａには、すでに説明したとおり、旭硝子社より提供されるＣＹＴＯＰを好適に利用することができ、このＣＹＴＯＰは前記基材１１に対して例えばスプレー法などを利用して塗布され、固化することで一様の厚さに成膜される。

図１（Ｂ）は、前記した全面成膜工程により一様の厚さに成膜されたエレクトレット誘電膜１２ａ上に、エレクトレット誘電膜１２ｂを部分的に（選択的に）成膜する部分成膜工程の様子を示している。この図１（Ｂ）に示す例においては、エレクトレット誘電膜１２ａ上に、さらにエレクトレット誘電膜１２ｂを部分成膜するために、マスク２３が利用され、前記したＣＹＴＯＰが再びスプレー塗布される。

マスク２３を利用して部分成膜されたエレクトレット誘電膜１２ｂは、固化することで、エレクトレット誘電膜に部分的に厚みの異なる成膜パターンが形成される。
すなわち、前記マスク２３の開口部分に位置する誘電膜は、部分成膜工程により厚さが大きく成膜される。
以上のとおり、図１（Ａ），（Ｂ）は、全面成膜工程および部分成膜工程を含む成膜パターン形成工程を示している。

図１（Ｃ）は、基材面に対して成膜されたエレクトレット誘電膜（誘電膜１２ａ，１２ｂを含めて単に符号１２で示している。）に対して電荷を注入してエレクトレット層とする電荷注入工程を示している。
この電荷注入工程においては、図７に基づいてすでに説明したスコロトロンと呼ばれるコロナ帯電器２２が用いられる。

なお、図１（Ｃ）においては、コロナ帯電器２２に加えられる高圧電源Ｖｈ、グリッドバイアスＶｇ、定電流源Ｉｃの図示は省略しているが、これらは図７に示した例と同様に配置される。
前記コロナ帯電器２２は、基材面に成膜されたエレクトレット誘電膜１２に沿って、図１（Ｃ）の白抜きの矢印で示すように水平方向に移動しつつ、エレクトレット誘電膜１２に対して一様に電荷を注入（荷電）するように動作する。

図１（Ｃ）に示すエレクトレット誘電膜１２は、すでに説明したとおり、部分的に厚みの異なるように成膜されており、このエレクトレット誘電膜に対してコロナ帯電器２２により一様に電荷の注入（荷電）がなされる。
これにより、Ｑ＝ＣＶ（Ｑは電荷量、Ｃは静電容量、Ｖは電位）にしたがった表面電位の異なるエレクトレット層（エレクトレット誘電膜と同一の符号１２で示す。）が形成される。

ここで、エレクトレット層１２の表面電位Ｖは、Ｖ＝Ｑ／Ｃで表すことができ、前記Ｃ（静電容量）は、エレクトレット層１２の厚さに反比例する。このために、全面成膜された誘電膜１２ａと部分成膜された誘電膜１２ｂを含めた層の厚い部分は、誘電膜１２ａのみの部分に比較して、表面電位は低く設定される。

例えば、全面成膜された誘電膜１２ａと、部分成膜された誘電膜１２ｂによる層の厚さが同一である場合には、誘電膜１２ａ，１２ｂによる厚さの大きな領域の表面電位は、誘電膜１２ａのみによる厚さの小さな領域に比較して、約半分の表面電位に設定される。
図１（Ｄ）は、以上説明した工程にしたがって製造された表面電位の異なるエレクトレット層１２について示してものである。すなわち、その表面電位の設定状態を折れ線矢印の長さで模式的に示している。

図２は、この発明に係る製造方法によって得られるエレクトレット材の第２の例を示した断面図である。
この図２に示す成膜パターン形成工程は、基材１１の上面にエレクトレット誘電膜を一様に成膜する全面成膜工程が２回繰り返され、エレクトレット誘電膜１２ａ１，１２ａ２が二層に形成される。そして、一様に成膜された二層からなるエレクトレット誘電膜１２ａ１，１２ａ２の上に、図１に示したマスク２３を利用して部分成膜工程が実行され、エレクトレット誘電膜１２ｂが部分的に成膜される。

この図２に示す例によると、図１に示す例に比較して、全面成膜工程によるエレクトレット誘電膜の厚さをより大きく設定することができ、したがって各層の厚さの比に応じたエレクトレット層１２の表面電位を設定することが可能となる。

図３に示す成膜パターン形成工程は、図１に示した例に加えて、さらに全面成膜工程によりエレクトレット誘電膜１２ａ２が成膜されている。すなわち、最初の全面成膜工程によるエレクトレット誘電膜１２ａ１と、次の部分成膜工程によるエレクトレット誘電膜１２ｂを共に覆うようにして、最後に全面成膜工程によりエレクトレット誘電膜１２ａ２が成膜される。
この図３に示す例においても、図２に示した例に近い作用効果を得ることができる。

図４に示す成膜パターン形成工程は、基材１１の上面に、図１に示したマスク２３を利用して、エレクトレット誘電膜１２ｂが部分的に成膜される（部分成膜工程）。この部分成膜工程によるエレクトレット誘電膜１２ｂの固化後に、部分的に成膜された前記エレクトレット誘電膜１２ｂ上、およびエレクトレット誘電膜が成膜されない前記基材１１の上面に対して、エレクトレット誘電膜１２ａを一様に成膜する全面成膜工程が実行される。
図４に示す成膜パターン形成工程によると、図１に示した例に近い作用効果を得ることができる。

図５に示す成膜パターン形成工程は、図４に示す成膜パターン形成工程の実行後に、さらに全面成膜工程によりエレクトレット誘電膜１２ａ２が成膜される。すなわち、エレクトレット誘電膜１２ｂを部分的に成膜する部分成膜工程の実行後に、エレクトレット誘電膜を一様に成膜する全面成膜工程が２回繰り返され、エレクトレット誘電膜１２ａ１，１２ａ２が二層に形成される。
図５に示す成膜パターン形成工程においても、図２および図３に示した例に近い作用効果を得ることができる。

以上説明した表面電位の異なる帯電パターンを有するエレクトレット層１２を備えた基材１１は、エレクトレットコンデンサマイクロホンの固定電極（前記基材と同一の符号１１で示す。）として利用することができる。
図６は、バックエレクトレット方式のコンデンサマイクロホンユニットの例を示すものであり、図６はマイクロホンユニットを主要部に別けて分解した状態を断面図で示している。

このコンデンサマイクロホンユニットは、音波を受けて振動する振動板と固定電極（背面電極）とを所定間隔の空気層を介して対向させたコンデンサ要素を有し、このコンデンサ要素はユニットケース１内において組み立てられている。

すなわち、前記ユニットケース１は、前面側に多数の音導入孔２を有し、後面側が開放された円筒形状になされており、このユニットケース１は、例えば真鍮などの金属素材により成形されている。このユニットケース１内には、その後面側からフロントメッシュ３、リング状の振動板ホルダ４に取り付けられた振動板５、リング状のスペーサ６、金属素材による固定電極１１および合成樹脂等により成形された絶縁座７が挿入されている。
なお、前記固定電極１１の振動板５に対向する面には、エレクトレット層１２が配置されている。

前記固定電極１１は、ユニットケース１および振動板５に対して電気的に絶縁されるように絶縁座７によって支持されている。また、絶縁座７の中央部には前記固定電極１１から信号を取り出すための引出電極ロッド８が取り付けられている。
なお、前記絶縁座７の後面には蓋体９が取り付けられており、前記絶縁座７の適宜の位置に穿設された連通孔７ａを介して、絶縁座７と固定電極１１との間、および絶縁座７と蓋体９との間に、空気室が形成されている。

前記ユニットケース１の後部の内周面には、図示せぬロックリングが取り付けられ、絶縁座７を介して固定電極１１には振動板ホルダ４側に所定の押圧力が付与され、振動板ホルダ４や固定電極１１を含むユニット部品の全体が、ユニットケース１内に固定されている。そして、前記ユニットケース１の後部には、図示せぬ円筒状の本体ケース（マイクロホンケース）が取り付けられ、この本体ケース内に、ＦＥＴ等のインピーダンス変換器を搭載した回路基板等が収容されて、エレクトレットコンデンサマイクロホンが構成される。

以上説明したこの発明に係るエレクトレット材の製造方法によると、部分的に厚みの異なるエレクトレット誘電膜を作成して、電荷注入を実行することで、部分的に表面電位の異なるエレクトレット層を得ることができる。
したがって、電荷注入に際して金属マスクを用いる従来の製造方法に比較すると、火花放電の発生を抑制することができる。これにより全体的に表面電位を高めたエレクトレット層を安定して得ることができるなど、前記した発明の効果の欄に記載したとおりの作用効果を得ることができる。

また、前記した製造方法によって得られたエレクトレット層を備えた基材をコンデンサマイクロホンの固定電極として用いることにより、所望の周波数応答特性を備えたマイクロホンを得ることができる。しかも、全体的に高い表面電位のエレクトレットを利用した感度の高いコンデンサマイクロホンを実現できるなど、前記した発明の効果の欄に記載したとおりの作用効果を得ることができる。

１ ユニットケース
２ 音導入孔
３ フロントメッシュ
４ 振動板ホルダ
５ 振動板
６ スペーサ
７ 絶縁座
８ 引出電極ロッド
９ 蓋体
１１ 固定電極（基材）
１２ エレクトレット層（エレクトレット誘電膜）
１２ａ エレクトレット誘電膜（全面成膜層）
１２ｂ エレクトレット誘電膜（部分成膜層）
２１ 金属マスク
２２ コロナ帯電器
２３ 塗布用マスク

Claims (5)

1. 基材面に対してエレクトレット誘電膜を一様に成膜する全面成膜工程およびエレクトレット誘電膜を部分的に成膜する部分成膜工程とを実行することで、エレクトレット誘電膜に部分的に厚みの異なる成膜パターンを形成する成膜パターン形成工程と、
   前記成膜パターン形成工程により基材面に対して成膜されたエレクトレット誘電膜に対して電荷を注入してエレクトレット層とする電荷注入工程と、
   を備えることで、表面電位の異なる帯電パターンを有するエレクトレット層を得ることを特徴とするエレクトレット材の製造方法。
2. 前記成膜パターン形成工程は、基材面にエレクトレット誘電膜を一様に成膜する全面成膜工程と、一様に成膜された前記エレクトレット誘電膜上に、エレクトレット誘電膜をさらに部分的に成膜する部分成膜工程とを備えることを特徴とする請求項１に記載されたエレクトレット材の製造方法。
3. 前記成膜パターン形成工程は、基材面にエレクトレット誘電膜を部分的に成膜する部分成膜工程と、部分的に成膜された前記エレクトレット誘電膜上およびエレクトレット誘電膜が成膜されない前記基材面に対して、エレクトレット誘電膜をさらに一様に成膜する全面成膜工程とを備えることを特徴とする請求項１に記載されたエレクトレット材の製造方法。
4. 前記エレクトレット誘電膜が成膜される前記基材面が、平坦面状に形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載されたエレクトレット材の製造方法。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載された製造方法によって得られるエレクトレット層を備えた基材を固定電極として用い、前記エレクトレット層に対向して振動板を配置した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。

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