JP4601436B2 - 静電型電気音響変換器、これを用いたコンデンサーマイクロホンおよび静電型電気音響変換器の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、製作工程の合理化を図るとともに、部材の変形や位置ずれを低減することができる静電型電気音響変換器、これを用いたコンデンサーマイクロホンおよび静電型電気音響変換器の製造方法に関するもので、特に、静電型電気音響変換器の固定極に特徴を有するものである。

静電型電気音響変換器を用いた装置、器具ないしは道具としてコンデンサーマイクロホンがある。上記静電型電気音響変換器は、固定極板と固定リングが一体化された固定極と、この固定極に間隙を置いて対向させて配置された振動板を有し、音波に応じて振動板が振動したときの上記間隙の変化を電気信号に変換するものである。コンデンサーマイクロホンユニットは上記静電型電気音響変換器の振動板あるいは固定極のいずれかに成極電圧を加え、振動板と固定極との間隙が変化することによって発生する静電容量の変化を電圧の変化として出力する。この出力電圧は上記振動板に当たる音波に対応しており、これによって電気音響変換されることになる。コンデンサーマイクロホンでは、上記静電型電気音響変換器がコンデンサーマイクロホンユニットを構成している。このコンデンサーマイクロホンユニットは振動板が受けた音波を静電容量の変化として電気信号に変換し出力するため、電気的にはインピーダンスが高い。そこで、コンデンサーマイクロホンユニットの出力側に、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）などの能動素子を有してなるインピーダンス変換器が接続される。

上記静電型電気音響変換器の固定極と振動板の間には静電容量が生じているが、この静電容量には、振動板の変位によって変化する有効静電容量と、振動板が変位しても変化しない無効静電容量がある。無効静電容量にはまた、電気音響変換に寄与しない浮遊容量も含まれる。図４はこれらの静電容量の等価回路で、固定極と振動板からなる静電型電気音響変換部１の出力に対し直列に有効静電容量が接続され、この直列接続に対し並列に無効静電容量が接続された形になる。したがって、有効静電容量と無効静電容量の値が同じであれば、電気音響変換部１で変換された出力は半分に低下する。すなわち、感度が半分になることになるから、無効静電容量を極力小さくすることが好ましい。

無効静電容量を小さくするための先行技術として、複数の独立気泡を有する合成樹脂材料すなわち比誘電率が低い材料でスペーサを構成することにより浮遊容量を小さくしたことを特徴とするコンデンサーマイクロホンが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、背極電極上にエレクトレット層を形成した背極基板と、支持枠に振動膜を固着した振動膜ユニットとをスペーサを介して積層してなるエレクトレットコンデンサーマイクロホンにおいて、上記背極基板は絶縁基板上に背極電極とエレクトレット層と音響孔とを形成した構成であり、かつ上記音響孔の少なくとも一部を上記背極電極の形成領域の外側に設けることで、浮遊容量や損失容量の発生を防止するコンデンサーマイクロホンが知られている（例えば、特許文献２参照）。

上記有効静電容量と無効静電容量について、図面を参照しながらさらに具体的に説明する。図５において、符号２は静電型電気音響変換器の一部を構成する円板状の固定極を、符号３は静電型電気音響変換器の一部を構成する振動板を示す。振動板３は固定極２の片面側に対向させて配置されるが、振動板３と固定極２との間に所定幅の間隙６を保つために、振動板３と固定極２との間にスペーサ４が介在している。換言すれば、スペーサ４の厚さ寸法と同じ幅の上記間隙６が形成されている。スペーサ４は、外径が固定極２の外径と同じリング状の部材である。振動板３は、スペーサ４との対向面とは反対側の面の外周縁部が振動板リング５に適宜の張力を与えられて貼り付けられ、平坦面をなしている。振動板リング５の半径方向の幅はスペーサ４の半径方向の幅と同じで、振動板３が間に介在した状態でスペーサ４に振動板リング５が重ねられて固着されている。したがって、固定極２、スペーサ４、振動板３、振動板リング５がこの順に重ねられてこれらが一体に固着されている。固定極２には、音波を受けた振動板３が音波に忠実に振動することができるように、振動板３が振動したとき生じる空気の流れを円滑に行わせるための貫通孔が適宜数形成されている。

振動板３の材質としては、例えば、金属箔が用いられ、あるいは金属を真空蒸着法などによって蒸着したプラスチックフィルムが用いられる。上記金属箔としては、チタン、ニッケル、ニッケル合金などの材質が用いられる。上記蒸着によって形成される金属としては、金、ニッケル、ニッケル合金などの材質が用いられ、プラスチックフィルムとしては、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイト）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）などの材質が用いられる。

振動板３と固定極２相互間には、上記金属箔あるいはプラスチックフィルムに形成された金属膜を挟み込んで適切な間隔が保たれて機械的に固定されている。前記有効静電容量は、図５（ｂ）に示すように、振動板３が振動することができる直径ｂの範囲が固定極２と対向することによって生じる静電容量である。スペーサ４と振動板リング５で抑えられる振動板３の幅ｂで示す外周縁部ａは音波を受けても振動することができないので、固定極２と対向することによって生じる静電容量は無効静電容量である。前述のように、マイクロホンの感度を向上させるには、有効静電容量を大きくすることが必要であり、そのためには振動板３と固定極２との間隔を狭めて間隙６を小さくすることが必要である。また、振動板３が音波を受けて振動するとき、振動板３が固定極２に接触すると、マイクロホンとしての性能の劣化、放電による雑音の発生などの不具合を生じるので、振動板３と固定極２が対向する面が接触しないように、両者の対向面は平坦である必要がある。振動板３は、前述のように適切な張力を持たせて振動板リング５に貼り付けることによって平坦面を保っている。固定極２の振動板３との対向面を平坦面にするには、平面研磨する必要がある。

上記のように、固定極２は有効静電容量として寄与する部分と、無効静電容量となる部分がある。そのため、固定極２は電気的に二つの部分に、すなわち有効静電容量として寄与する部分と無効静電容量となる部分に分ける必要がある。図６に示す例がそれで、固定極２は、固定極板２１と、固定極板２１の外周に位置する固定リング２２と、固定極板２１と固定リング２２との間に介在してこれらを電気的に絶縁して結合する絶縁部２３を有してなる。固定極板２１と固定リング２２は機械的に強固に結合される必要があるため、固定極板２１の外周面と固定リング２２の内周面に断面Ｖ字状の周溝を形成し、これら内外の周溝が対向して形成されるリング状の隙間に熱可塑性のプラスチック、例えば、ポリカーボネイト（ＰＣ）が注入されて固化され、この熱可塑性プラスチックが絶縁部２３を構成している。こうして作製された固定極２は平面研磨工程に付され、少なくとも振動板３との対向面側の平面度が高められ、そのあと、前述のようにスペーサ４の介在のもとに振動板３が適切な間隔をおいて固着される。

上記固定極板２１と固定リング２２を絶縁して結合するための加工工程は次のとおりである。固定極板２１と固定リング２２を切削加工あるいはプレス加工など適宜の加工法で作製し、次に冶具などを用いて固定極板２１と固定リング２２を適切な位置に仮固定し、固定極板２１と固定リング２２の間に生じているリング状の隙間に溶融した上記プラスチック材料を注入し、冷却させて固化させる。固定極板２１と固定リング２２を結合したあとの両者の密着性を良好に保つために、固定極板２１と固定リング２２およびこれらを仮固定するための冶具も、プラスチック材料の温度に合わせて加熱し冷却する。

ところが、上記のように固定極板２１と固定リング２２を絶縁して結合する工程において、固定極板２１と固定リング２２および治具を加熱し冷却することにより、固定極板２１、固定リング２２、絶縁部２３および治具がそれぞれの線膨張係数に応じて膨張収縮する。このことによって、固定極板２１と固定リング２２の変形や位置ずれを生じやすい、という問題がある。また、加熱、冷却に時間を要するため、加工効率が悪い、という問題もある。

実開平６−３４３９９号公報 特開２００３−１２５４９５号公報

本発明は、このような従来の問題点を解消するためになされたもので、固定極板と固定リングを、絶縁部を介して一体化することによって作製される固定極の構成および製造工程を工夫することにより、加工工程での加熱、冷却を不要にし、もって、固定極を構成する固定極板と固定リングの変形、位置ずれをなくすことができるとともに、加工効率を高めることができ、加えて、無効静電容量を小さくして感度を高めることができる静電型電気音響変換器、これを用いたコンデンサーマイクロホンおよび静電型電気音響変換器の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、固定極と、この固定極に間隙をおいて対向配置された振動板とを有し、振動板あるいは固定極のいずれかに成極電圧が加えられる静電型電気音響変換器であって、上記固定極は、固定極板と、この固定極板の外周側に位置する固定リングと、これら固定極板と固定リングの間に介在してこれらを一体に結合する絶縁部とを有してなり、上記絶縁部は紫外線硬化樹脂であり、上記固定極板の外周と固定リングの内周に周溝が形成され、上記固定極板と上記固定リングが互いに上記周溝を対向して配置されることで上記固定極板と上記固定リングとの間にリング状の隙間が形成され、このリング状の隙間に紫外線硬化樹脂が塗布され硬化されることで絶縁部を介して固定極板と固定リングが一体に結合されていることを最も主要な特徴とする。

固定極は、固定極板と、この固定極板の外周側に位置する固定リングと、これら固定極板と固定リングの間に介在してこれらを一体に結合する絶縁部とを有してなり、絶縁部は紫外線硬化樹脂からなるため、固定極の作製工程では、紫外線硬化樹脂に紫外線を照射して樹脂を固化させればよく、加熱、冷却工程は不要である。よって、加熱、冷却による固定極板と固定リングの変形、位置ずれがなく、定極板と固定リングの密着性も良好である。加熱、冷却に要する時間も不要で、固定極作製工程の時間的な短縮化を図ることができる。

以下、本発明にかかる静電型電気音響変換器、これを用いたコンデンサーマイクロホンおよび静電型電気音響変換器の製造方法の実施例を、図面を参照しながら説明する。
図１、図２において、符号３０は静電型電気音響変換器の一部を構成する円板状の固定極を示す。この固定極３０には、振動板が適切な間隙をおいて対向配置されるが、振動板の構成は図６について説明した静電型電気音響変換器の例と同様であるから、図１、図２には振動板の描写は省略されている。振動板は固定極３０の片面側に対向させて配置される。振動板と固定極３０との間に所定幅の間隙を保つために、振動板と固定極３０との間にスペーサが介在している。換言すれば、スペーサの厚さ寸法と同じ幅の間隙が振動板と固定極３０との間に形成されている。

固定極３０は、固定極板３１と、固定極板３１の外周に位置する固定リング３２と、固定極板３１と固定リング３２との間に介在してこれらを電気的に絶縁して結合する絶縁部３３を有してなる。固定極板３１と固定リング３２は機械的に強固に結合される必要があるため、固定極板３１の外周面と固定リング３２の内周面に断面Ｖ字状の周溝を形成し、これら内外の周溝が対向して形成されるリング状の隙間に樹脂が塗布されて固化され、この樹脂が絶縁部３３を構成している。こうして作製された固定極３０は平面研磨工程に付され、少なくとも前記振動板との対向面側の平面度が高められ、そのあと、前述のようにスペーサの介在のもとに振動板が適切な間隔をおいて固着される。上記絶縁部３３を構成する樹脂として、紫外線硬化樹脂を用いる。

固定極３０の製造工程の例を図３に示す。以下、図１ないし図３を参照しながら、固定極３０の製造工程の例を説明する。固定極板３１と固定リング３２を冶具４０に位置決めしてセットし仮固定する。冶具４０は、固定極板３１を位置決めするためのピン４２を有している。固定極板３１は、これに対向する振動板が音波を受けて振動するとき、固定極板３１と振動板との間の空間に空気が円滑に出入りして振動板の振動が円滑に行われるように、複数の貫通孔が形成されている。これらの貫通孔のうち固定極板３１の中心に形成された貫通孔３４に上記ピン４２が嵌ることによって固定極板３１が位置決めされるようになっている。冶具４０はまた上面が陥没していて、この陥没した部分に固定極板３１と固定リング３２が落ち込むようになっている。そして、上記陥没部分の周壁４１は固定リング３２の外周面と同一径になっていて、この周壁４１の面に沿って固定リング３２を落とし込むことによって固定リング３２が位置決めされるようになっている。このようにして、固定リング３２が位置決めされ、上記ピン４２によって固定極板３１が位置決めされることにより、固定極板３１と固定リング３２の相対位置も自動的に決定されることになる。このようにして固定極板３１と固定リング３２が冶具４０に仮固定される。なお、固定極板３１と固定リング３２が動かないように、必要に応じて押さえ手段などを付加してもよい。

上記仮固定した状態で、固定極板３１の外周面と固定リング３２の内周面との間に生じているリング状の隙間に紫外線硬化樹脂を塗布する。本実施例では、紫外線硬化樹脂の例として、株式会社スリーボンド製の「３０４１Ｎ」を用いた。固定極板３１と固定リング３２は機械的に強固に結合される必要があるため、固定極板３１の外周面と固定リング３２の内周面に断面Ｖ字状の周溝を形成し、これら内外の周溝が対向して形成されるリング状の隙間に紫外線硬化樹脂を塗布して、上記周溝を含めて隙間全体を紫外線硬化樹脂で埋める。次に、紫外線硬化樹脂に紫外線（ＵＶ）を照射し、紫外線硬化樹脂を硬化させて絶縁部３３を形成する。絶縁部３３は、固定極板３１と固定リング３２を電気的に絶縁するとともに、固定極板３１と固定リング３２を機械的に強固に結合している。このようにして固定極組立体が作製されるので、これを冶具４０から取り外し、固定極組立体の平面研磨工程に付する。平面研磨工程では、少なくとも前記振動板との対向面を、凹凸がないように精度よく平滑になるように研磨する。こうして固定極３０の製造工程が完了する。

完成した固定極３０には、固定リング３２の一面側にスペーサを介して振動板を固着する。上記スペーサ、振動板の構成は、図５、図６によって説明した従来例の構成と同じでよく、振動板と固定極３０の固定極板３１との間には、上記スペーサの厚さに対応した所定の間隙が形成される。上記振動板と固定極３０の一方に成極電圧が印加され、振動板が音波を受けて振動することによって振動板と固定極３０の固定極板３１との間隔が変化して静電容量が変化し、音波に対応した電気信号に変換される。したがって、固定極３０と振動板などを含む構成部分は、静電型電気音響変換器を構成している。

上記静電型電気音響変換器によれば、固定極３０は、固定極板３１と、この固定極板３１の外周側に位置する固定リング３２と、これら固定極板３１と固定リング３２の間に介在してこれらを一体に結合する絶縁部３３とを有してなり、絶縁部３３は紫外線硬化樹脂であることから、固定極３０の製造工程においては上記紫外線硬化樹脂に紫外線を照射して硬化させればよく、加熱する必要はない。したがって、冷却する必要もない。よって、加熱、冷却による温度変動もなく、温度変動による固定極板３１と固定リング３２の変形、位置ずれもなく、精度の高い固定極３０を得ることができる。固定極３０の精度を高くすることができれば、固定極３０と振動板との間隔を狭くしても両者が接触することもなく、感度を高めることができる。また、固定極３０は固定極板３１と固定リング３２を有し、固定極板３１と固定リング３２が絶縁部３３によって電気的に分離されているため、固定極板３１の部分のみを振動板との関係で静電容量を生じる部分とすることができ、無効静電容量を大幅に低減することができ、この点からも感度を高めることができる。

以上のように構成された静電型電気音響変換器は、コンデンサーマイクロホンのマイクロホンユニットとして使用することができる。マイクロホンケース内に上記静電型電気音響変換器をコンデンサーマイクロホンユニットとして組み込み、また、インピーダンス変換器、コネクタなどを組み込むことによって、コンデンサーマイクロホンを構成することができる。上記実施例にかかる静電型電気音響変換器は上記のように感度を高めることができるため、これをマイクロホンユニットとして使用したコンデンサーマイクロホンも、感度を高めることができる。

本発明にかかる静電型電気音響変換器の主要部の例と製造時に用いる冶具の例を示す縦断面図である。 上記静電型電気音響変換器の主要部の例を示す平面図である。 上記静電型電気音響変換器の主要部の製造工程の例を示す工程図である。 一般的な静電型電気音響変換器における静電容量の分布を示す等価回路図である。 従来の静電型電気音響変換器の主要部の例を示すもので、（ａ）は分解断面図、（ｂ）は断面図である。 従来の静電型電気音響変換器の主要部の別の例を示すもので、（ａ）は分解断面図、（ｂ）は断面図である。

符号の説明

３０ 固定極
３１ 固定極板
３２ 固定リング
３３ 絶縁部
４０ 冶具

Claims (4)

1. 固定極と、この固定極に間隙をおいて対向配置された振動板とを有し、振動板あるいは固定極のいずれかに成極電圧が加えられる静電型電気音響変換器であって、
   上記固定極は、固定極板と、この固定極板の外周側に位置する固定リングと、これら固定極板と固定リングの間に介在してこれらを一体に結合する絶縁部とを有してなり、
   上記絶縁部は紫外線硬化樹脂であり、
   上記固定極板の外周と上記固定リングの内周に周溝が形成され、上記固定極と上記固定リングが互いの上記周溝を対向して配置されることで上記固定極板と上記固定リングとの間にリング状の隙間が形成され、このリング状の隙間に上記紫外線硬化樹脂が塗布され硬化されることで上記絶縁部を介して上記固定極板と上記固定リングが一体に結合されていることを特徴とする静電型電気音響変換器。
2. 固定リングにスペーサを介し振動板が重ねられて固着され、振動板の振動可能な面が上記スペーサの厚みに相当する分の間隙をおいて固定極板と対向している請求項１記載の静電型電気音響変換器。
3. 固定極板とこの固定極板の外周側に位置する固定リングとこれら固定極板と固定リングの間に介在してこれらを一体に結合する絶縁部とを有してなる固定極と、この固定極に間隙をおいて対向配置された振動板とを有し、振動板あるいは固定極のいずれかに成極電圧が加えられる静電型電気音響変換器の製造方法であって、
   上記固定極板の外周と上記固定リングの内周に周溝を形成し、
   上記固定極板と固定リングを互いの周溝が対向するように位置決めして仮固定し、
   固定極板と固定リングの間に形成されるリング状の隙間に紫外線硬化樹脂を塗布し、
   この紫外線硬化樹脂に紫外線を照射し硬化させて絶縁部を形成するとともに固定極板と固定リングを一体に結合させて固定極を作成することを特徴とする静電型電気音響変換器の製造方法。
4. 請求項１または２に記載の静電型電気音響変換器がコンデンサーマイクロホンユニットとして組み込まれているコンデンサーマイクロホン。

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