JP4697763B2 - コンデンサマイクロホン - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、外部から電荷を注入してエレクトレット(分極)化させることにより外部からの給電を必要としないで動作できるコンデンサマイクロホン及びその製造法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
周知のように、コンデンサマイクロホンは、導電性振動膜とこれに並行して空気層を介して対向設置された導電性の固定電極(以下、導電体固体電極とよぶ)とを備え、振動膜の振動に起因してこの導電性振動膜と導電体固定電極との間の静電容量の変化を、振動膜上の音圧として検出するように構成したものである。この際、その検出を電気信号として出力するため、あらかじめ二つの導電体(導電性振動膜と導電体固定電極)の間に、正極電位を形成するために直流電圧を加えておき、その変化として静電容量の変化を電気信号として捉えるものである。また、単位音圧に対する出力電圧の大きさ、即ち感度は、印加している直流電圧に比例することが知られている。
【0003】
この正極電位は、外部の直流電源から供給される場合もあるが、近年では、例えば導電性振動膜或いは導電体固定電極のいずれかの対向面に、FEP(フロロエチレン・プロピレン)などの誘電体膜を装着し、この誘電体膜に電荷を注入固定し、この電荷の形成する電場をもって正極電圧相当の電位を得る、といういわゆるエレクトレット(少なくとも一部が分極している誘電体)を利用する方法が開発されている。これにより、外部直流電源を必要としないコンデンサマイクロホンが実用化されているわけである。
【0004】
次に、このエレクトレット型のコンデンサマイクロホンについて図5を参照しながら説明する。
この図5において、ハウジング101内部には、振動板リング102と、振動膜の一部であるエレクトレット形成用誘電体104と、スペーサ105と、固定電極106と、絶縁リング107などとを備えている。この誘電体104は、FEPなどの薄膜で構成されており、この外面に、金、ニッケルなどの金属を蒸着等で付着させて接地電極103としての機能を持たせたものが設けられている。固定電極106には、通気孔106Aが形成されている。また、この固定電極106には、出力端子108が接続されており、ハウジング101との間の電位差(電圧)が得られるようになっている。
【0005】
エレクトレット形成のための誘電体104への電荷の注入方法としては、電子ビームを用いたり、コロナ放電を用いるなど、各種の方法が提案されている。また、これらの方法で電荷の注入を行った場合、採用する方法によっては電荷の注入される深さに若干の差異があるが、例えば、電子ビームなどではやや深く注入できるものの、その方法でも、注入する電荷はせいぜい表面から数十ミリミクロンと、非常に浅いところに固定されてしまう。
【0006】
即ち、これは、エレクトレット形成用誘電体膜を導電性振動膜として使用する場合、その外側に前述した接地電極として、一般的に、導体金属を蒸着などの方法で数十ミリミクロン程度の膜厚に成膜するが、多くの場合、その導体金属としては、ニッケル、金などの重金属を使用している。ところが、高温電界法はもとより、電子ビーム、イオン流、その他の方法でイオン照射を行う場合でも、そのイオンはこのような重金属を用いた導体金属の膜を透過することができない。
【0007】
従って、このように注入電荷が非常に浅いところに固定されてしまうと、この表面に、例えば水などの電解質、金属などの導体、人の皮膚などの非絶縁体などが接触した場合、この浅い距離を通じて容易に放電し、注入した電荷が消滅してマイクロホンとしての機能が破壊されたり、損なわれたりする虞がある。
【0008】
そこで、従来の電荷注入の方法としては、この導体金属が付着された面とは反対側の面、つまり空気層109に臨んでいる誘電体104の内面側からなされるのが一般的であった。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
こういった事情から、従来は、電荷注入をマイクロホンとして製品を組立てる以前に行い、部品としてエレクトレットを予め形成しておき、これを用いて組立なければならなかった。その結果、エレクトレットの形成面に人体などの非絶縁体が接触したり、あるいは部品として保存中に過剰な湿気に暴露されたりすると、折角注入しておいた電荷が放電し、組立て後のマイクロホンとしての性能を損なうなどの問題があった。
【0010】
そこで、この発明は、上記した事情に鑑み、マイクロホンの組立後に金属コーテイング面からの電荷の注入を行うことが可能になり、組立が容易になるばかりか、誘電体が十分な洗浄後に、密閉された状態で保たれて水分や湿度に強く、湿度、温度などの環境条件が過酷なところであっても、優れた電気音響変換特性を維持することのできる信頼性の高いコンデンサマイクロホン及びその製造方法を提供することを目的とするものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
この発明は、導電性軽金属で形成した接地電極層を有する導電性振動膜と、
空気層を介し前記導電性振動膜に対向設置された導電体固定電極と、
前記導電性振動膜の空気層との境界面側に設けた有機化合物からなる有機誘電体層と、
この有機誘電体層内部で有機誘電体層の厚さ方向の真中位置よりも前記接地電極層側に形成したイオン又は電子からなる永久電荷層と
を有することを特徴としている。
【0012】
これにより、例えば空気中でコロナ放電を生じさせてイオンを形成し、電界によって加速するなど、接地電極層の金属面を透過して電界を注入させることができるようになる。
【0028】
【発明の実施の形態】
以下、この発明における実施の形態について、添付図面を参照しながら説明する。
[第1の実施形態]
図1は、この発明の第1の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基本構造のうち電気音響変換に係る主要部の拡大模式図を示すものである。
このエレクトレットコンデンサマイクロホンは、大略構成として、ハウジング1内部に、振動板リング2と、接地電極(以下、外側電極層31とよぶ)を有する導電性の振動膜3と、スペーサ4と、導電体固定電極(以下、内側電極とよぶ)5と、絶縁リング6とを備えており、このハウジング1からは固定電極5とハウジング1との間の電圧(電位差)を出力する出力端子7が引き出されている。
【0029】
ハウジング1は、中空円筒状に形成されており、基端面の全体が開口されて大開口部1Aを形成しているとともに、蓋を構成する先端面(外面)1Bには直径1.0mm以上の円孔1Cが開口されている。また、このハウジング1の内部には、略リング状の封止部材12が内挿・固着されており、絶縁リング6の抜け止めがなされている。
【0030】
振動板リング2は、振動膜3の周辺を固定するものであり、略リング状に形成されており、ハウジング1の内部先端に固定されている。
【0031】
振動膜3は、外側寄りのものから順に、接地電極である外側電極層31と有機化合物からなる有機誘電体層32とを備えている。このうち外側電極層31は、導電性金属のうち特に軽金属を用いて形成されている。即ち、これは、金(Au)やニッケル(Ni)などの(導電性の)重金属を使用すると、この金属面を貫通させてイオン(電荷)又は電子の注入を行うことが困難であるからである。
【0032】
このため、この実施形態では、外側電極層31に、導電性軽金属として、例えばアルミニュウム(Al)を用い、これを、メッキ、蒸着、スパッタリング等により有機誘電体層32上に厚さ0.1μm以下に成膜させている。この場合、マイクロホンに接続される入力回路は、入力抵抗が1000メグオーム以上であるから、外側電極層31の抵抗値が従来の重金属を使用する場合に比べて大きくなることは問題ない。なお、この実施形態では、導電性軽金属としてアルミニュウムを使用しているが、これ以外の導電性軽金属、例えばベリリウム(Be)などを使用してもよい。
【0033】
一方、有機誘電体層32は、空気層8を介して導電体固定電極5と並行状態で対向配置されており、この実施形態では、誘電体膜として厚さ12.5μmのFEP(フロロエチレン・プロピレン)を使用している。この有機誘電体層32には、エレクトレットコンデンサマイクロホンを構成する各部材を組付けた後で、外側電極層(導体コーティング)層31の外側からイオン(電荷)又は電子を注入させており、これによって内部には永久電荷層32Aが形成され、バイアス電荷を形成することができるようになっている。
【0034】
このため、図2に示すように、この有機誘電体層32の内部の永久電荷層32Aから空気層8に対向する端面(以下、内端面とよぶ)32Cにかけては、エレクトレット(少なくとも一部が分極している誘電体)化されており(これをエレクレット層32Bとよぶ)、同図(B)に示すように、外部電界が形成されている。なお、この実施形態では、有機誘電体膜としてFEP(フロロエチレン・プロピレン)を使用しているが、これ以外に、例えばPFA(ポリフロロ・アセタール)、PTFE(ポリテトラ・フロロエチレン)などを使用してもよい。
【0035】
スペーサ4は、外側電極層31と内側電極5との間の距離を設定・調整するためのものであり、適宜に絶縁物を用いて厚さ25μmの略リング状に形成されており、外側電極層31と内側電極5との間のハウジング1内部に固定されている。
【0036】
固定電極5は、所定の金属によって形成されており、絶縁リング6の段部6Aに支持されている。そして、この固定電極5には、空気層8内の空気の出入のために通気孔5Aが複数箇所に穿設されている。なお、この実施形態では、空気層8の厚さ、つまりスペーサ4の厚さを25μmとしている。
この固定電極5は、振動膜3が図2(A)において、例えば左右方向に振動した場合に、同図(B)に示す電位差Vが変動し、この電位差Vに起因した空気層8中の電界強度が変化してこの固定電極5から変動分に対応した出力が得られるようになっている。
【0037】
次に、振動膜3の有機誘電体層32中にエレクトレットを形成するためのイオン(電荷)の注入方法について、説明する。
この実施形態では、初めに、従来のものとは異なり、エレクトレットコンデンサマイクロホンの組立を完成させておき、振動膜3の外側電極層31を接地しておく。なお、この際、いわゆる組立前荷電(帯電)が発生して、これ起因する埃の吸着、不注意による接触放電などの不具合が生じるのを防止するため、十分に洗浄・乾燥させておく。
【0038】
次に、この振動膜3の外側から、電子ビーム、コロナ放電、その他の適宜の手段を用いて、適宜のエネルギーで、例えば電界強度100KV/m〜500KV/mで酸素イオンを加速させ、図1に示すように、外側電極層31の外側からこの外側電極層31内に酸素イオン又は電子を入射・注入させる。
【0039】
これにより、振動膜3の有機誘電体層32内部には、この有機誘電体層32の厚さ方向の真中より空気層8から遠ざかる(深い)奥部に永久電荷層32Aが形成され、その結果、表面が所定の電位、例えばこの実施形態では230Vの表面電位が得られる。なお、この表面電位は、各部の寸法と空気層8を占める空気の誘電率ε及びマイクロホンとしての音圧感度などから、適宜に設定・調整することができる。
【0040】
[第2の実施形態]
図3は、この発明の第2の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電気音響変換に係る主要部の拡大模式図を示すものである。なお、この実施形態において、第1の実施形態と同一部分には同一符号を付して重複説明を避ける。
この実施形態のエレクトレットコンデンサマイクロホンでは、導電性振動膜3の(有機化合物からなる)誘電体層34側ではなく、導電体固定電極(以下、内側電極とよぶ)52に設けた無機又は有機誘電体層51にエレクトレットを形成している。
【0041】
誘電体層34は、第1の実施形態のものに比べてエレクトレットを形成しない分だけ、また、照射イオンが導電性振動膜3を貫通し易くするために厚さを4μ以下に薄くしており、例えばこの実施形態では厚さ3.5μmのポリエステルフィルム(PET)が使用されている。なお、外側電極層33は、第1の実施形態の外側電極層31と同様に、0.1μm(1000Å)の厚さに成膜したアルミニュウム等の軽金属で構成されている。
【0042】
内側電極52には、所定の金属によって形成されており、第1の実施形態と同じ絶縁リング6の段部6Aに支持されている。なお、この内側電極52には、誘電体層51と一体で、通気孔52Aが複数箇所に穿設されている。なお、この実施形態でも、空気層8の厚さ、つまりスペーサ4の厚さを25μmとしている。
【0043】
無機又は有機誘電体層51は、エレクトレットを形成するためのものであり、導電体固定電極5の空気層8との境界面側に設けた無機酸化物又は有機化合物から構成されている。この実施形態では、無機材料、例えば二酸化珪素(SiO2)などの薄膜を所要の厚さ、即ち、1〜50μm程度に成膜されたものが使用されている。そして、この無機又は有機誘電体層51には、コンデンサマイクロホンを構成する各部品を組付けた後で、外側電極層33の外側から酸素イオン(電荷)又は電子を照射・注入させており、これによって内部には永久電荷層51A(図4参照)が形成され、バイアス電荷を付与することができるようになっている。
【0044】
即ち、図4に示すように、この無機又は有機誘電体層51の内部の永久電荷層51Aから空気層8に接する端面(以下、内端面とよぶ)51Cにかけては、エレクトレット(分極)化されており(これをエレクレット層51Bとよぶ)、同図(B)に示すように、外部電界が形成されている。なお、この実施形態では、無機酸化物として二酸化珪素(SiO2)が用いられているが、有機化合物の場合には、次のような材料でもよい。即ち、この誘電体層51の形成材料として、無機材料ではなく有機化合物、例えばFEP(フロロエチレン・プロピレン)、PFA(ポリフロロ・アセタール)、PTFE(ポリテトラ・フロロエチレン)などを使用してもよい。
【0045】
次に、無機又は有機誘電体層51中にエレクトレットを形成するためのイオン(電荷)又は電子の注入方法について、説明する。
この実施形態でも、従来のものとは異なり、初めに、エレクトレットコンデンサマイクロホンの組立を完成させておき、振動膜3の外側電極層31を接地しておく。なお、この場合にも、いわゆる組立前荷電(帯電)が発生して、これ起因する埃の吸着、不注意による接触放電などの不具合が生じるのを防止するため、純水などにより十分に洗浄・乾燥させておく。
【0046】
次に、この導電性振動膜3の外側から、電子ビーム、コロナ放電、その他の適宜の手段を用いて、適宜のエネルギーで、例えば電界強度100KV/m〜500KV/mで酸素イオン又は電子を加速させ、図3に示すように、外側電極層33の外側からその酸素イオン又は電子を入射・注入させる。
【0047】
これにより、加速されて高エネルギーを付与された酸素イオン又は電子が、振動膜3を貫通して無機又は有機誘電体層51の厚さ方向の真中より深い奥部まで入り込み永久電荷層51Aが形成される。その結果、無機又は有機誘電体層51は、空気層8との界面側で表面電位が数十Vに帯電される。この表面電位は、各部の寸法と空気層8を占める空気の誘電率ε及びマイクロホンとしての音圧感度などから、適宜に調整・設定することができる。
【0048】
【発明の効果】
以上説明してきたように、この発明では、導電性振動膜には、導電性軽金属で形成した接地電極層を有し、永久電荷層は、有機誘電体層内部で有機誘電体層の厚さ方向の真中位置よりも空気層から遠ざかる奥部に形成したイオン又は電子からなる構成、或いは、無機又は有機誘電体層内部で無機又は有機誘電体層の厚さ方向の真中よりも空気層から遠ざかる奥部に形成したイオン又は電子からなる構成としている。
【0049】
従って、この発明によれば、マイクロホンの組立後に軽金属コーテイング面からの電荷の注入を行うことが可能になり、組立が容易になるばかりか、誘電体が十分な洗浄後に、密閉された状態に保たれて水分や湿度に強く、湿度、温度などの環境条件が過酷なところであっても、優れた電気音響変換特性を維持することのできる信頼性の高いものが実現できるコンデンサマイクロホンを提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1の実施形態に係るコンデンサマイクロホンを示す概略断面図である。
【図2】図1に示すコンデンサマイクロホンのA部拡大模式図である。
【図3】この発明の第2の実施形態に係るコンデンサマイクロホンを示す概略断面図である。
【図4】図3に示すコンデンサマイクロホンのB部拡大模式図である。
【図5】従来のコンデンサマイクロホンを示す概略断面図である。
【符号の説明】
1 ハウジング
1C 円孔
2 振動板
3 導電性振動膜
31 外側電極層(接地電極)
32 誘電体層(有機誘電体層)
32A 永久電荷層
32B エレクレット層(少なくとも一部が分極している誘電体層)
32C (内)端面
33 外側電極層(接地電極)
34 有機誘電体層
4 スペーサ
5 導電体固定電極(内側電極)
51 無機又は有機誘電体層
51A 永久電荷層
51B エレクレット層(少なくとも一部が分極している誘電体層)
51C (内)端面
52 導電体固定電極(内側電極)
7 出力端子
8 空気層
Claims (1)
- 導電性軽金属で形成した接地電極層を有する導電性振動膜と、
空気層を介し前記導電性振動膜に対向設置された導電体固定電極と、
前記導電性振動膜の空気層との境界面側に設けた有機化合物からなる有機誘電体層と、
この有機誘電体層内部で有機誘電体層の厚さ方向の真中位置よりも前記接地電極層側に形成したイオン又は電子からなる永久電荷層と
を有することを特徴とするコンデンサマイクロホン。
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