JP4422066B2 - 膜スチフネス測定装置および膜スチフネス測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、膜スチフネス測定装置および膜スチフネス測定方法に関する。

「スチフネス」は、一般に、「強さ」、「剛性」あるいは「弾性」と訳されるものであり、振動膜のスチフネスとは、その振動膜の強さ（剛性、弾性）をいう。

一般に、エレクトレットコンデンサマイクロホン（ＥＣＭ）では、振動膜としてＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等の熱可塑性樹脂製の振動膜が多く採用される。ＥＣＭの製造工程において、所定のテンションで張られた熱可塑性樹脂フィルムが支持リング等に接着されるが、このときに、フィルムにあまり大きなテンションをかけてしまうと、振動膜のスチフネスが高くなりすぎて、マイク感度を十分に高めることができなくなってしまう。

また、フィルムのテンションを小さい値に設定すれば、振動膜のスチフネスを下げることができるが、テンションを小さくしすぎると振動膜にシワが発生しやすくなり、このためマイクの音響特性が不安定なものとなってしまう。

このように、膜のスチフネスは、ＥＣＭのようなＭＥＭＳ（微小電気機械システム）素子の特性に大きな影響を与える。したがって、素子の製造上、膜スチフネスを適切に設定することが重要であり、そして、適切な膜スチフネスの設定（条件出し）のためには、膜スチフネスの測定、解析が必要である。

振動膜のスチフネスは、振動解析に特化した専用の測定装置によって測定される。従来より受音体（たとえばマイクロホン）の振動膜の膜強さ（スチフネス）を測定する装置として、光干渉計等が知られている。

光干渉計等によって、膜の変位の共振周波数を測定することで、膜スチフネスを導出することができる。以下、この点について説明する。

膜の共振周波数をf0とすると、f0について以下の関係式が成立する。
f0=(s0/m0)1/2/(2π) だだし、各パラメータの内容は、以下のとおりである。
fo：受音体の膜の共振周波数 [Hz]
s0：膜強さ（スチフネス） [N/m]
m0：膜の質量 [kg]

上記の式において、膜の共振周波数（f0）は光干渉計で測定することができる。また、膜の質量m0は、受音体としての膜構造が決定されていれば一意的に導出することができる。したがって、膜スチフネス（s0）は、二つの値が既知のパラメータから、計算で求めることができる。

このような膜スチフネスの測定方法は、例えば、非特許文献１に記載されている。また、真空下に置かれた資料の微小振動を解析し、その資料の共振周波数等を測定する専用の装置は、例えば、非特許文献２に記載されている。また、光干渉計については、例えば、特許文献１に記載されている。
安野 功修ほか「エレクトレットコンデンサマイクロホンの温度特性-評価方法及び設計法」 電子情報通信学会 信学技報、２００５年１月、ＥＡ２００４−１３４ Ｐ５７−６２ OPTONAR社カタログ micromap5000 振動・変位測定及び表面形状測定装置 特開２００１−７４４１１号公報

膜のスチフネスを求めるためには、微小振動を精密に解析する必要があり、このためには、高度な機能をもつ専用の振動解析機能をもつ非常に高価な装置を用いなければならない。したがって、膜スチフネス測定のために要するコストが高くなる。

また、例えば、膜を振動し易くするために供試体を真空環境に設置しなければならないといった条件面での制約もある。

本発明は、このような考察に基づいてなされたものであり、通常環境（常温常圧）下で、かつ、高価な干渉計等を用いることなく安価に、膜スチフネス測定を可能とすることを目的とする。

本発明の膜スチフネス測定装置は、機械構造空気コンデンサの一方の電極が、膜スチフネスの測定対象の膜で構成されるコンデンサ部と、前記コンデンサ部からの信号を増幅する増幅器と、前記コンデンサ部と前記増幅器との共通接続点に直流バイアス電圧を印加するための直流電圧源を有するバイアス部と、前記増幅器の出力信号の電圧を測定する電圧測定部と、前記コンデンサ部に音圧を加える発音部と、前記コンデンサ部に加わる音圧を測定する音圧測定部と、を備える。

本発明の膜スチフネス測定装置では、微小振動を解析して共振周波数を求める従来の方法に代えて、受音した機械構造空気コンデンサからの電圧信号を検出し、その特性を調べることによって膜スチフネスを求める方法を採用する。すなわち、発音部から発出される音の音圧が音圧測定部によって測定されると共に、その音は同時に、被測定膜を一極とする機械構造空気コンデンサ（コンデンサ部）によって受音される。これによって、その音圧の変化に応じてコンデンサの容量が変化して音圧に比例した電気信号がコンデンサから出力され、増幅器によって増幅され、増幅された信号の電圧を電圧計部で測定する。この場合、増幅器の出力電圧は、音圧と、振動膜面積と、膜および背気室のスチフネスと、コンデンサのギャップと、コンデンサをバイアスする直流バイアス電圧と、増幅器に関連した容量と、増幅器のゲイン等、を含む関数で表すことができる。したがって、膜スチフネス以外のパラメータの値が既知であれば、その式を膜スチフネスについて解くことにより、膜スチフネスを求めることができる。そして、例えば、上記パラメータの設定を適切に行うこと、外乱要因を極力排除すること、また、雑音による残留値平均出力電圧を低減する（無視できるようにする）こと、などの工夫によって、測定精度が向上し、実用に耐える精度での膜スチフネスの測定が可能となる。専用の高価な装置が不要となるため、低コスト化が実現され、また、常温常圧下で、コンデンサ部の出力電圧を測定して所定の解析を行えばよいため、測定、解析の手続も簡素化される。

また、本発明の膜スチフネス測定装置では、前記コンデンサ部における前記膜スチフネスの測定対象の膜で構成される前記電極と、この電極に対向する対向電極との間の空間は、前記対向電極に設けられた貫通孔を介して所定容積の空間をもつ背気室に繋がっており、かつ、前記背気室の容積は、その背気室のスチフネスが前記膜スチフネスよりも十分に小さなスチフネスとなるように調整されているものを含む。

コンデンサ部の背気室のスチフネスは、その容積で決定されるため、その容積を調整して、背気室のスチフネス（背気室の弾性）が膜スチフネスよりも十分に小さくなるように設定するものである。これにより、膜スチフネスを求める際に、背気室のスチフネスを無視することが可能となり、これによって、膜スチフネスの算出が容易となる。

また、本発明の膜スチフネス測定装置では、前記コンデンサ部および前記増幅器を収納する筐体部を有し、前記筐体部は、電気的な雑音シールド機能と、前記発音部が発する音を前記コンデンサ部に導くための音孔と、を有するものを含む。

コンデンサ部のコンデンサは容量が小さいため、周囲環境からの外乱を受けやすい。また、増幅器も微小信号を扱うことから同様に外部の影響を受けやすい。そこで、雑音シールド機能を有し、また、音を空気コンデンサ部に導くための音孔を有する筐体部に、コンデンサ部と増幅器を収納する構造としたものである。これにより、外乱の影響を受けにくくすることができ、膜スチフネスの測定精度が向上する。また、筐体にコンデンサ部を収納したとしても、コンデンサ部は、音孔を介して受音することができるため、何ら問題はない。

また、本発明の膜スチフネス測定装置では、前記バイアス部は、その一端が前記コンデンサ部と前記増幅器との共通接続点に接続される抵抗と、前記直流電圧源と、を含んで構成され、そして、前記抵抗と前記コンデンサ部によって定まる時定数に対応する周波数が、前記膜スチフネスを測定する周波数よりも十分に小さいものを含む。

コンデンサ部の容量値とバイアス部の抵抗の抵抗値で決まる時定数に依存するコーナー周波数を、極めて低い周波数（例えば、１０Hz以下）とすることにより、その時定数による測定値への影響は、ほとんど無視できるようになる。したがって、測定周波数帯域を、例えば、オーディオ帯域に設定したとしても何ら問題は生じない。

また、本発明の膜スチフネス装置では、前記電圧計部の内部に、フィルタによる測定周波数の帯域制限機能、および、数学的変換式を利用した周波数選択機能の少なくとも一つを備えるものを含む。

測定に使用する周波数帯域を限定し、あるいは、その周波数帯域を選択することによって、測定帯域の平方に比例する雑音を減らす効果が得られる。したがって、雑音による残留値平均出力を低減することができる。

また、本発明の膜スチフネス装置では、前記発音部がスピーカまたはピストンホンで構成されるものを含む。

これにより、音圧を調整したオーディオ周波数帯域の音を、簡単に得ることができる。

また、本発明の膜スチフネス測定装置のでは、前記発音部と前記筐体部とが密閉されたカップラで結合されているものを含む。

これにより、反射音や残響音の筐体内への進入を、効果的に抑制することができる。

また、本発明の膜スチフネス測定方法は、本発明の膜スチフネス測定装置を用いて、測定対象の膜の膜スチフネスを測定する膜スチフネス測定方法であって、前記コンデンサ部に加える音圧を一定とし、一方、前記コンデンサ部に印加する前記直流バイアス電圧を変化させ、少なくとも２点の直流バイアス点に対応する前記増幅器から得られる電圧信号の傾きから前記膜スチフネスを求める。

先に説明したように、増幅器の出力電圧は、音圧と、振動膜面積と、膜および背気室のスチフネスと、コンデンサのギャップと、コンデンサをバイアスする直流バイアス電圧と、増幅器に関連した容量と、増幅器のゲイン等、を含む関数で表すことができるが、実際には、さらに、雑音による残留値平均出力（直流電圧成分）が重畳される。この雑音による残留値併記値出力は、他のパラメータの値を適切に設定することにより低減することはできるが、それだけでは完全に除去することがむずかしい。そこで、複数の測定値の差分をとることによって、雑音による残留値平均出力（直流電圧成分）を相殺するものである。すなわち、音圧を一定とし、これによって、増幅器の出力電圧を、直流バイアス電圧に依存する関数として取り扱い、かつ、直流バイアスを離散的に変化させた場合における少なくとも２点に対応する、増幅器の出力電圧の電圧点を求め、一方の電圧点から他方の電圧点を減算し、各電圧点を結ぶ直線の傾きを求める（つまり、増幅器の出力電圧の変化に対する直流バイアス電圧の変化の割合を求める）。この傾きの値は、すなわち、膜スチフネスを表しており、したがって、雑音による残留値平均出力（直流電圧成分）の影響を排して、正確な膜スチフネスを算出することができる。すなわち、この測定方法により、雑音による残留値平均出力（直流電圧成分）が相殺されて見えなくなるため、膜スチフネスの測定精度が向上する。

また、本発明の膜スチフネス測定方法は、本発明の膜スチフネス測定装置を用いて、測定対象の膜の膜スチフネスを測定する膜スチフネス測定方法であって、前記コンデンサ部に印加する直流バイアス電圧を一定とし、一方、前記コンデンサ部に加える音圧を変化させ、少なくとも２点の音圧点に対応する前記コンデンサ部の電圧信号の傾きから膜スチフネスを求める。

同様に、直流バイアス電圧を一定とし、これによって、増幅器の出力電圧を、音圧に依存する関数として取り扱い、かつ、音圧を離散的に変化させた場合における少なくとも２点に対応する、増幅器の出力電圧の電圧点を求め、一方の電圧点から他方の電圧点を減算して各電圧点を結ぶ直線の傾きを求める（すなわち、増幅器の出力電圧の変化に対する音圧の変化の割合を求める）。この傾きの値は、すなわち、膜スチフネスを表しており、したがって、雑音による残留値平均出力（直流電圧成分）の影響を排して、正確な膜スチフネスを算出することができる。つまり、この測定方法により、雑音による残留値平均出力（直流電圧成分）が相殺されて見えなくなるため、膜スチフネスの測定精度が向上する。

本発明によって、通常環境（常温常圧）下で、かつ、高価な干渉計等を用いずに安価に、膜スチフネス測定を可能とすることができる。

すなわち、受音した機械構造空気コンデンサからの電圧信号を検出し、その特性を調べることによって膜スチフネスを求める方法を採用し、パラメータの設定を適切に行うこと、外乱要因を極力排除すること、また、雑音による残留値平均出力電圧を低減する（無視できるようにする）こと、などの工夫によって、実用に耐える精度での膜スチフネスの測定が可能となる。

本発明では、微小振動を解析する機能をもつ専用の高価な装置が不要となるため、低コスト化が実現され、また、常温常圧下で、コンデンサ部の出力電圧を測定して所定の解析を行えばよいため、測定、解析の手続も簡素化される。

具体的には、背気室のスチフネス（背気室の弾性）が膜スチフネスよりも十分に小さくなるように設定することによって、膜スチフネスを求める際に、背気室のスチフネスを無視することが可能となり、これによって、膜スチフネスの算出が容易となる。

また、雑音シールド機能を有し、また、音を空気コンデンサ部に導くための音孔を有する筐体部に、コンデンサ部と増幅器を収納する構造とすることによって、外乱の影響を受けにくくすることができ、膜スチフネスの測定精度が向上する。また、筐体にコンデンサ部を収納したとしても、コンデンサ部は、音孔を介して受音することができるため、何ら問題は生じない。

また、コンデンサ部の容量値とバイアス部の抵抗の抵抗値で決まる時定数に依存するコーナー周波数を、極めて低い周波数（例えば、１０Hz以下）とすることにより、その時定数による測定値への影響は、ほとんど無視できるようになり、測定周波数帯域を、例えば、オーディオ帯域に設定したとしても何ら問題は生じない。

また、発音部としてスピーカまたはピストンホンを用いることにより、音圧を調整したオーディオ周波数帯域の音を、簡単に得ることができる。

また、発音部と筐体部とが密閉されたカップラー（導波管等）で結合することによって、反射音や残響音の筐体内への進入を、効果的に抑制することができ、測定精度が向上する。

また、本発明の膜スチフネスの測定方法によれば、筐体部（空気コンデンサ部）に加える音圧を一定とし、バイアス部の電圧を可変させ、バイアス変化に対応する最低２点のバイアス点に対応する電圧測定部の測定値の傾きから残留雑音による影響を受けずに、膜スチフネスを求めることができる。

また、空気コンデンサ部に加えるバイアス電圧を一定とし、筐体部（空気コンデンサ部）に加える音圧を可変させ、音圧変化に対応する最低２点の音圧点に対応する電圧測定部の傾きから、残留雑音による影響を受けずに膜スチフネスを求め得る。本発明の膜スチフネスの測定方法によれば、雑音による残留値平均出力（直流電圧成分）が相殺されて見えなくなるため、膜スチフネスの測定精度が向上する。

本発明によって、エレクトレットコンデンサマイクロホンに用いる振動膜の膜スチフネスの解析を、安価かつ容易に行うことが可能となる。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の膜スチフネス測定装置の全体構成と、コンデンサ部および増幅器の具体的構成を示す図である。

図示されるように、膜スチフネス測定装置は、発音部１５（スピーカまたはピストンホン２０を備える）と、音孔２１および電気的な雑音シールド機能を備える筐体部１３と、筐体部１３に収納されている機械構造空気コンデンサ（コンデンサ部：例えば、空気分離の平行平板コンデンサであり、以下、空気コンデンサという）１０と、増幅器１２と、空気コンデンサ１０と増幅器１２の共通接続点に直流バイアス電圧を与えるバイアス部１１（可変直流電圧源VSとバイアス用抵抗６０とを備える）と、電圧測定部１４と、音圧測定部５０と、を有する。

図１の左上に点線で囲まれて示されるように、空気コンデンサ１０は、被測定膜７２により構成される電極７２と、ギャップ材７４（ギャップ値はd0）と、対向電極７６と、背気室７８と、を備える構造である。対抗電極７６には貫通孔７７が設けられている。被測定膜７２により構成される電極７２と、対向電極７６との間の空間７５は、貫通穴７７を介して背気室７８に連通している。また、被測定膜（振動膜）７２のスチフネス（強さ）はS0であり、振動膜の面積をＳDIAである。

また、増幅器１２は、図１の右下に記載されるように、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を備えており、入力抵抗はＲin、入力容量はＣinであり、また、増幅器の増幅率（アンプゲイン）はＧで表わされる。
また、発音部１５は、反射音や残響音の少ない開放空間３０に置かれており、この発音部１５から発せられる音波は、開放空間３０またはカップラ４０（導波管など）を介して筐体１３に到達し、さらに、音孔２１を介して空気コンデンサ１０に導かれる。また、発音部１５から発せられる音波の音圧をＰとする。この音圧Ｐは、空気コンデンサ１０との近傍に設けられた音圧測定部５０により、常時、測定される。

図１の膜スチフネス測定装置の測定動作の概要は以下のとおりである。すなわち、音圧Ｐの音を受音した空気コンデンサ１０からの電圧信号を検出し、その特性を調べることによって膜スチフネスを求める。

発音部から発出される音の音圧Ｐが音圧測定部５０によって測定されると共に、その音は同時に、被測定膜を一極とする空気コンデンサ１０によって受音される。そして、音圧の変化に応じて空気コンデンサ１０の容量が変化して音圧Ｐに比例した電気信号が空気コンデンサ１０から出力され、増幅器１２によって増幅され、増幅された信号の電圧を電圧測定部（電圧計部）１４で測定する。

ここで、増幅器１２の出力電圧は、音圧と、振動膜面積と、膜および背気室のスチフネスと、コンデンサのギャップと、コンデンサをバイアスする直流バイアス電圧と、増幅器に関連した容量と、増幅器のゲインと、を含む関数で表すことができる。したがって、膜スチフネス以外のパラメータの値が既知であれば、その式を膜スチフネスについて解くことにより、膜スチフネスを求めることができる。

また、例えば、上記パラメータの設定を適切に行うこと、外乱要因を極力排除すること、雑音による残留値平均出力電圧を低減する（無視できるようにする）こと、などの工夫によって、測定精度が向上し、実用に耐える精度での膜スチフネスの測定が可能となる。

この構成により、専用の高価な装置が不要となるため、低コスト化が実現され、また、常温常圧下で、コンデンサ部の出力電圧を測定して所定の処理を行えばよいため、測定、解析の手続も簡素化される。
以下、膜スチフネスの測定動作について、より具体的に説明する。
図１の膜スチフネス測定装置において、増幅器１２から出力される信号電圧は、以下の（数１）のように表される。

先に説明したように、発音部１５と筐体部１３は反射音や残響音の少ない開放空間３０に置かれている。ここでカップラ１５と、筐体部１３の前面に設けられた音孔２１とを、密閉されたカップラー４０で結合することによって、反射音や残響音をより少なくすることができる。
空気コンデンサ部１０の面積SDIAと電極間距離d0と空気コンデンサ部の有効容量Cm及びストレー容量Cpは機械構造寸法で決定されるコンデンサであることからその値は一意的に求めことができる。
ちなみに平板コンデンサの容量は（数２）で与えられる。

空気コンデンサの容量値は、概ね１ｐFから５０ｐF程度の値となる。また、ゲインＧは、ゲイン・周波数特性測定で測定可能である。また、入力容量は汎用のベクトルインピーダンスメータで測定できる。したがって、増幅器１２の入力容量CinとゲインGの値は既知となる。
上記の空気コンデンサ１０は小さな容量であるから、その周りの外乱を受けやすい。また、増幅器１２も小さな信号を扱うことから同様に外部の影響を受けやすい。このために、雑音シールド機能を有し、音を空気コンデンサ１０に導くための音孔を有する筐体部１３に、空気コンデンサ１０および増幅器１２に収納することにより、外乱の影響を受けにくくすることができる。
また、容量性の信号源（つまり、空気コンデンサ１０）にインターフェースする増幅器１２としては、例えば、接合形電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）を用いられる場合が多く、入力容量は最大10[pF]、入力抵抗は最大8[Gohm]程度のものを用いことが多い。
バイアス部１１の抵抗６０の抵抗値は、増幅部１２の入力抵抗（不図示）より大きいか、あるいは、ほぼ同じ大きさとする。この抵抗６０を用いて直流バイアス電圧を空気コンデンサ１０に供給する。このようにすることで、空気コンデンサ１０の容量とバイアス部１１の抵抗６０で構成される電気時定数によるコーナー周波数を容易に数１０Ｈｚ以下にすることができ、その周波数特性は無視できるようになる。これにより、測定周波数をオーディオ帯域に選定することができるようになる。
発音部１５は、オーディオ帯域をカバーできるコーン型のスピーカまたは音圧基準発生器としてよく知られているピストンホン（２０）を備えており、これにより、オーディオ帯域の音圧を精度良く発生させることができる。
音圧測定部５０は、一般的な普通騒音計を用いる。音圧Pは、音圧測定部５０で測定されることからその値は既知である。また、可変直流バイアス源ＶＳから供給されるバイアス電圧EBも、既知である。

背気室のスチフネス（弾性）Sｂは、対向電極の背面の背気室の容積で決定される。
背気室のスチフネス（弾性）は、以下の（数３）で示される。

上記の式から、容積Vbを十分に大きくすることによって、背気室のスチフネス（弾性）Sbを極めて小さくすることができる。これによって、背気室のスチフネス（弾性）Ｓｂが、膜スチフネスS0に影響を与えないようになる。したがって、容積を調整することにより、先の（数１）から背気室のスチフネスSbを省略することができ、これにより、下記の（数４）が得られる。

また、電圧測定部１４内に、測定帯域を制限するフィルタや高速フーリエ変換器（ＦＦＴアナライザ）のような周波数選択機能を持たせることは、測定帯域の平方に比例する雑音を減らす効果があり、これによって、残留平均値Ｄを小さくできる効果が得られる。
従って、空気コンデンサ部からの信号（数１参照）は、既知の定数と測定時の残留値と一つの未知定数膜スチフネスS0の一次式（数５）で表すことができるようになる。

図１の測定器のバイアス部のバイアス電圧を可変することは、（数５）で直流バイアスEBを変化させることであり、それぞれのバイアス電圧による信号出力（V1，V2）は、以下の（数６）のようになる。

（数６）は、音圧Pを一定としたとき、出力電圧V（V1，V2）が、バイアス電圧EB（ＥＢ１，ＥＢ２）を変数とする一次関数（ｙ＝ａｘ+ｂ）で表されることを意味している。

図２は、図１の膜スチフネス測定装置におけるバイアス電圧（EB）と出力電圧（V1あるいはV2）の関係を示す特性図である。
特性線S1として示されるように、出力電圧（V1あるいはV2）は、広範囲に渡って、バイアス電圧（EB）に比例して直線状に変化する。したがって、（数６）のいずれか一方の式を、S0について解くことによって、膜スチフネスを求めることもできないわけではないが、この場合、雑音に起因する平均残留成分Dをどのように扱うかが問題となる。

そこで、（数６）に示されるV2からV1を減算して、（V2-V1）が、（EB2−EB1）を変数とする一次関数にて表されるものと考え、その関数を、S0について解くことによって、膜スチフネスを求めるようにする。この場合、V2からV1を減算しているため、平均残留成分Dが相殺されて見えなくなるため、膜スチフネスS0の測定精度を高めることが可能となる。

すなわち、V2からV1を差し引くことで、残留値平均Dを消去でき、残留雑音の影響をなくすことができる。さらにS0について解くと、以下の（数７）のようになる。

ここで、（数７）の右辺は、増幅器の出力電圧の変化量（V2-V1）に対する、直流バイアス電圧の変化量（EB2−EB1）の割合を示している。すなわち、図２における、２点の電圧測定点（V1,V2）を結ぶ直線（図２の特性線S2）の傾きを求めていることになり、この傾きが、すなわち、求める膜スチフネスである。

したがって、すべて既知の定数と測定時に与えられるパラメーター（ここではバイアス電圧値EB）の複数点における測定データの傾き（図２中、点線で示される特性線S2の傾き）として、膜スチフネスS0を容易に導出することができる。

なお、以上の例では、２点の測定データから傾きを求めているが、３点以上の測定データから傾きを求めてもよい。

上記の例では、音圧Pを一定とし、バイアス電圧EBを変化させているが、逆に、バイアス電圧EBを一定とし、音圧Pを変化させてもよい。

図３は、図１の膜スチフネス測定装置における、音圧（P）と出力電圧（V1あるいはV2）の関係を示す特性図である。音圧Pが変化すると、信号出力V（V1，V2）は、以下の（数８）にしたがって変化する。

図３において、特性線S3は、（数９）のV1（またはV2）についての音圧Pとの関係を示しており、特性線S4は、２点の測定データ（V1,V2）の傾きを示している。V2からV1を差し引くことで、残留値平均Dを消去でき残留雑音の影響をなくすことができる。

V2からV1を差し引いた後、その式をS0について解くと、S0は、以下の（数９）のように表される。

（数９）の右辺は、増幅器の出力電圧の変化量（V2-V1）に対する、音圧の変化量（P2-P1）の割合を示している。すなわち、図３における、２点の電圧測定点（V1,V2）を結ぶ直線（図３の特性線S4）の傾きを求めていることになり、この傾きが、すなわち、求める膜スチフネスである。このように、すべて既知の定数と測定時に与えるパラメーター（ここでは音圧Ｐ）から、複数の測定点における電圧値の傾きとして、振動膜の膜スチフネスS0を容易に導出することができる。

以上説明したように、本発明によって、通常環境（常温常圧）下で、かつ、高価な干渉計等を用いずに安価に、膜スチフネス測定を可能とすることができる。

すなわち、受音した機械構造空気コンデンサからの電圧信号を検出し、その特性を調べることによって膜スチフネスを求める方法を採用し、パラメータの設定を適切に行うこと、外乱要因を極力排除すること、また、雑音による残留値平均出力電圧を低減する（無視できるようにする）こと、などの工夫によって、実用に耐える精度での膜スチフネスの測定が可能となる。

本発明では、微小振動を解析する機能をもつ専用の高価な装置が不要となるため、低コスト化が実現され、また、常温常圧下で、コンデンサ部の出力電圧を測定して所定の解析を行えばよいため、測定、解析の手続も簡素化される。

具体的には、背気室のスチフネス（背気室の弾性）が膜スチフネスよりも十分に小さくなるように設定することによって、膜スチフネスを求める際に、背気室のスチフネスを無視することが可能となり、これによって、膜スチフネスの算出が容易となる。

また、雑音シールド機能を有し、また、音を空気コンデンサ部に導くための音孔を有する筐体部に、コンデンサ部と増幅器を収納する構造とすることによって、外乱の影響を受けにくくすることができ、膜スチフネスの測定精度が向上する。また、筐体にコンデンサ部を収納したとしても、コンデンサ部は、音孔を介して受音することができるため、何ら問題は生じない。

また、コンデンサ部の容量値とバイアス部の抵抗の抵抗値で決まる時定数に依存するコーナー周波数を、極めて低い周波数（例えば、１０Hz以下）とすることにより、その時定数による測定値への影響は、ほとんど無視できるようになり、測定周波数帯域を、例えば、オーディオ帯域に設定したとしても何ら問題は生じない。

また、発音部としてスピーカまたはピストンホンを用いることにより、音圧を調整したオーディオ周波数帯域の音を、簡単に得ることができる。

また、発音部と筐体部とが密閉されたカップラー（導波管等）で結合することによって、反射音や残響音の筐体内への進入を、効果的に抑制することができ、測定精度が向上する。

また、本発明の膜スチフネスの測定方法によれば、筐体部（空気コンデンサ部）に加える音圧を一定とし、バイアス部の電圧を可変させ、バイアス変化に対応する最低２点のバイアス点に対応する電圧測定部の測定値の傾きから残留雑音による影響を受けずに、膜スチフネスを求め得る。

また、空気コンデンサ部に加えるバイアス電圧を一定とし、筐体部（空気コンデンサ部）に加える音圧を可変させ、音圧変化に対応する最低２点の音圧点に対応する電圧測定部の 傾きから、残留雑音による影響を受けずに膜スチフネスを求め得る。本発明の膜スチフネスの測定方法によれば、雑音による残留値平均出力（直流電圧成分）が相殺されて見えなくなるため、膜スチフネスの測定精度が向上する。

本発明によって、エレクトレットコンデンサマイクロホンに用いる振動膜の膜スチフネスの解析を、安価かつ容易に行うことが可能となる。

本発明は、バイアスもしくは音圧を変えてその出力電圧を得て、残留雑音の影響なしにその傾きから膜スチフネスを導出しうるという特徴を有し、例えば、エレクトレットコンデンサマイクロホンに使用される振動膜のスチフネスを簡易に求めることが可能な膜スチフネス測定装置ならびに膜スチフネス測定方法として有用である。

本発明の膜スチフネス測定装置の全体構成と、コンデンサ部および増幅器の具体的構成を示す図 図１の膜スチフネス測定装置における、直流バイアス電圧と増幅器の出力電圧との関係を示す特性図 図１の膜スチフネス測定装置における、音圧と増幅器の出力電圧との関係を示す特性図

符号の説明

１０ 機械構造空気コンデンサ
１１ バイアス部
１２ 増幅器
１３ 筐体部
１４ 電圧測定部
１５ 発音部
１６ 音圧測定部
２０ スピーカまたはピストンホン
２１ 音孔
３０ 開放空間
４０ カップラ
５０ 音圧測定部
６０ 抵抗（バイアス用抵抗）
７０ ケース
７２ 膜スチフネス測定対象の膜からなるコンデンサの電極
７４ ギャップ材
７５ 空気コンデンサの電極に挟まれた空間
７６ 対向電極
７７ 貫通孔
７８ 背気室
ＶＳ 可変直流電圧源
ＥＢ 直流バイアス電圧
Ｐ 音圧
Ｓ１〜Ｓ４ 特性線

Claims (14)

1. 機械構造空気コンデンサの一方の電極が、膜スチフネスの測定対象の膜で構成されるコンデンサ部と、
   前記コンデンサ部からの信号を増幅する増幅器と、
   前記コンデンサ部と前記増幅器との共通接続点に直流バイアス電圧を印加するための直流電圧源を有するバイアス部と、
   前記増幅器の出力電圧を測定する電圧測定部と、
   前記コンデンサ部に音圧を加える発音部と、
   前記コンデンサ部に加わる音圧を測定する音圧測定部と、を備え、
   前記コンデンサ部に加える音圧を一定とし、一方、前記コンデンサ部に加える前記直流バイアス電圧を変化させることで、それぞれの前記直流バイアス電圧に対応する前記出力電圧を求め、
   前記出力電圧の変化量に対する前記直流バイアス電圧の変化量の割合から膜スチフネスを求める膜スチフネス測定装置。
2. 請求項１記載の膜スチフネス測定装置であって、
   前記コンデンサ部における前記膜スチフネスの測定対象の膜で構成される前記電極と、この電極に対向する対向電極との間の空間は、前記対向電極に設けられた貫通孔を介して所定容積の空間をもつ背気室に繋がっており、かつ、前記背気室の容積は、その背気室のスチフネスが前記膜スチフネスよりも十分に小さなスチフネスとなるように調整されている膜スチフネス測定装置。
3. 請求項１記載の膜スチフネス測定装置であって、
   前記コンデンサ部および前記増幅器を収納する筐体部を有し、前記筐体部は、電気的な雑音をシールドするシールド機能と、前記発音部が発する音を前記コンデンサ部に導くための音孔と、を有する膜スチフネス測定装置。
4. 請求項１記載の膜スチフネス測定装置であって、
   前記バイアス部は、その一端が前記コンデンサ部と前記増幅器との共通接続点に接続される抵抗と、前記直流電圧源と、を含んで構成され、前記抵抗と前記コンデンサ部によって定まる時定数に対応する周波数が、前記膜スチフネスを測定する周波数よりも十分に小さい膜スチフネス測定装置。
5. 請求項１記載の膜スチフネス装置であって、
   前記電圧測定部の内部に、フィルタによる測定周波数の帯域制限機能および数学的変換式を利用した周波数選択機能の少なくとも一つを備えた膜スチフネス測定装置。
6. 請求項１記載の膜スチフネス装置であって、
   前記発音部がスピーカまたはピストンホンで構成される膜スチフネス測定装置。
7. 請求項３記載の膜スチフネス測定装置であって、
   前記発音部と前記筐体部は、密閉されたカップラーで結合されている膜スチフネス測定装置。
8. 機械構造空気コンデンサの一方の電極が、膜スチフネスの測定対象の膜で構成されるコンデンサ部と、
   前記コンデンサ部からの信号を増幅する増幅器と、
   前記コンデンサ部と前記増幅器との共通接続点に直流バイアス電圧を印加するための直流電圧源を有するバイアス部と、
   前記増幅器の出力電圧を測定する電圧測定部と、
   前記コンデンサ部に音圧を加える発音部と、
   前記コンデンサ部に加わる音圧を測定する音圧測定部と、を備え、
   前記コンデンサ部に印加する直流バイアス電圧を一定とし、一方、前記コンデンサ部に加える音圧を変化させることで、それぞれの前記音圧に対応する前記出力電圧を求め、
   前記出力電圧の変化量に対する前記音圧の変化量の割合から膜スチフネスを求める膜スチフネス測定装置。
9. 請求項８記載の膜スチフネス測定装置であって、
   前記コンデンサ部における前記膜スチフネスの測定対象の膜で構成される前記電極と、この電極に対向する対向電極との間の空間は、前記対向電極に設けられた貫通孔を介して所定容積の空間をもつ背気室に繋がっており、かつ、前記背気室の容積は、その背気室のスチフネスが前記膜スチフネスよりも十分に小さなスチフネスとなるように調整されている膜スチフネス測定装置。
10. 請求項８記載の膜スチフネス測定装置であって、
    前記コンデンサ部および前記増幅器を収納する筐体部を有し、前記筐体部は、電気的な雑音をシールドするシールド機能と、前記発音部が発する音を前記コンデンサ部に導くための音孔と、を有する膜スチフネス測定装置。
11. 請求項８記載の膜スチフネス測定装置であって、
    前記バイアス部は、その一端が前記コンデンサ部と前記増幅器との共通接続点に接続される抵抗と、前記直流電圧源と、を含んで構成され、前記抵抗と前記コンデンサ部によって定まる時定数に対応する周波数が、前記膜スチフネスを測定する周波数よりも十分に小さい膜スチフネス測定装置。
12. 請求項８記載の膜スチフネス装置であって、
    前記電圧測定部の内部に、フィルタによる測定周波数の帯域制限機能および数学的変換式を利用した周波数選択機能の少なくとも一つを備えた膜スチフネス測定装置。
13. 請求項８記載の膜スチフネス装置であって、
    前記発音部がスピーカまたはピストンホンで構成される膜スチフネス測定装置。
14. 請求項１０記載の膜スチフネス測定装置であって、
    前記発音部と前記筐体部は、密閉されたカップラーで結合されている膜スチフネス測定装置。

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