(57)【要約】【課題】ＥＣＭやＭＥＭＳマイクロホンの振動膜のスチフネスを、安価に、簡単に、かつ非破壊で、測定することができる膜スチフネス測定装置を提供する。【解決手段】完成状態のＥＣＭ２０を真空中に保持する真空容器１０と、ＥＣＭ２０を動作させるための直流電圧と直流電圧に励振電圧を重畳させる機能を持つ電圧源３０と、励振電圧に対するＥＣＭ２０のＦＥＴ７２に接続される電源端子Ｂの電圧および位相を測定する入出力応答測定部４０と、測定した周波数応答特性から共振周波数を求め、共振周波数から振動膜１０５の膜スチフネスを算出するスチフネス算出部５０とを備える。【選択図】図１
2010112934.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
完成状態のコンデンサマイクロホンを真空中に保持する真空容器と、
前記コンデンサマイクロホンを動作させるための直流電圧と前記直流電圧に励振電圧を重畳させる機能を持つ電圧源と、
前記励振電圧に対する前記コンデンサマイクロホンの増幅器に接続された電源端子の電圧および位相を測定する周波数応答特性測定部と、
前記周波数特性測定部が測定した周波数応答特性から共振周波数を算出し、前記共振周波数から前記振動膜の膜スチフネスを算出するスチフネス算出部と
を備える膜スチフネス測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の膜スチフネス測定装置であって、
前記電圧源は、直流電圧源と励振電圧源とで構成された
膜スチフネス測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の膜スチフネス測定装置であって、
前記励振電圧源は、正弦波状の電圧を供給する
膜スチフネス測定装置。
【請求項４】
請求項２に記載の膜スチフネス測定装置であって、
前記励振電圧源は、白色雑音波形状の電圧を供給する
膜スチフネス測定装置。
【請求項５】
請求項２に記載の膜スチフネス測定装置であって、
前記励振電圧源は、Ｍ系列信号波形状の電圧を供給する
膜スチフネス測定装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の膜スチフネス測定装置であって、
前記電圧源の基準電位とされる一端は、前記コンデンサマイクロホンの振動膜を有するコンデンサ部に接続された基準電位端子に接続され、
前記電圧源の他端は、前記コンデンサマイクロホンの前記電源端子に接続される
膜スチフネス測定装置。
【請求項７】
請求項６に記載の膜スチフネス測定装置であって、
前記電圧源の他端は、前記コンデンサマイクロホンの前記電源端子に所定の負荷抵抗を介して接続される
膜スチフネス測定装置。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の膜スチフネス測定装置であって、
前記周波数特性測定部の第１端子は、前記コンデンサマイクロホンの前記基準電位端子に接続され、
前記周波数特性算出部の第２端子は、前記コンデンサマイクロホンの前記電源端子に接続される
膜スチフネス測定装置。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の膜スチフネス測定装置であって、更に、
前記周波数特性測定部による測定結果を示す情報を表示する表示部を備える
膜スチフネス測定装置。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれか１項に記載の膜スチフネス測定装置であって、
前記周波数特性測定部は、前記周波数特性における変曲点を前記共振周波数として抽出する
膜スチフネス測定装置。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の膜スチフネス測定装置であって、
前記真空容器は、当該真空容器の内部を、１０−１〜１０―２（Ｔｏｒｒ）の真空度に保持する
膜スチフネス測定装置。
【請求項１２】
コンデンサマイクロホンの振動膜のスチフネスを測定する膜スチフネス測定方法であって、
真空中に保持されたコンデンサマイクロホンを動作させるための直流電圧に励振電圧を重畳させた電圧を、完成状態の前記コンデンサマイクロホンに供給する工程と、
前記励振電圧に対する前記コンデンサマイクロホンの増幅器に接続された電源端子の電圧および位相を測定することで周波数特性を測定する工程と、
測定した周波数応答特性から共振周波数を求め、前記共振周波数から前記振動膜の膜スチフネスを算出する工程と
を含む膜スチフネス測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンデンサマイクロホンの振動膜の硬さ（スチフネス：stiffness）を測定する測定方法と、その測定装置に関し、特に、再現性の高い膜スチフネス測定方法を提供するものである。
【背景技術】
【０００２】
静電型電気音響変換器は、静電エネルギを仲介として、音を電気信号に変換したり、逆に、電気信号を音に変換したりする電気音響変換器である。エレクトレットコンデンサマイクロホン（ＥＣＭ）、ＭＥＭＳマイクロホンやエレクトレットコンデンサスピーカは、この静電型電気音響変換器に分類される。
【０００３】
ＥＣＭは、小型化が可能であり、携帯電話に広く用いられている。従来のＥＣＭは、図１３に示すように、音孔１０２を有するケース１０３内に、金属蒸着等で金属導体が膜上に形成されたエレクトレット振動膜１０５と、金属固定電極１０７と、ＦＥＴ等の回路素子が搭載されたプリント基板１１２とが配置されており、振動膜１０５と固定電極１０７との間隔がスペーサ１０６で保持され、また、固定電極１０７とプリント基板１１２との間に背気室１０８が形成されている。また、ケース音孔上に、異物混入等を防ぐとともに、音響要素ともなる面布１０１が貼り付けられている。
【０００４】
エレクトレット振動膜１０５は、通常、ＦＥＰ（フッ化エチレンプロピレン樹脂）を用いて形成され、与えられた電荷を保持し続ける。このＥＣＭでは、振動膜１０５が音圧によって振動すると、振動膜１０５と固定電極１０７とで構成される平板コンデンサの静電容量が変化し、電圧変化に変換され、変換された信号がＦＥＴ１０９で増幅され、端子１１３から出力される。
【０００５】
なお、符号１０４は振動膜リング、符号１１０は絶縁体、符号１１１はクッションシートを示している。
【０００６】
高分子フィルムであるＦＥＰは、半永久的に電荷を保持する特性を持つが、高温に晒されると電荷保持特性が劣化する傾向がある。
【０００７】
近年、リフロー可能な耐熱マイクロホンを実現するため、シリコン基板に半導体プロセスで用いられている超精密加工技術を適用して、超小型のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）マイクロホンを製造する技術が開発されている。
【０００８】
図１４は、ＭＥＭＳマイクロホンの一例を示している。シリコン基板上には、半導体製造技術を用いて多数のマイクロホンチップが同時に作られ、最終的に個々に分割される。図１４は、分割された１つのマイクロホンチップの側面図を示している。このＭＥＭＳマイクロホンは、シリコン基板１２１上に、第１の絶縁層１２２を介して、振動膜電極１２３とエレクトレット膜１２４とを有しており、また、その上に、第２の絶縁層１２５を介して、音孔１２７が形成された固定電極１２６を有している。また、振動膜電極１２３の背面には、シリコン基板１２１をエッチングして、背気室１２８が形成されている。また、符号Ｇはエアギャップ、符号Ｈは電気的接続のためのコンタクトホールを示す。
【０００９】
振動膜電極１２３は、導電性のポリシリコンで形成され、エレクトレット膜１２４は、窒化シリコン膜やシリコン酸化膜で形成され、また、固定電極１２６は、導電性のポリシリコンとシリコン酸化膜やシリコン窒化膜とを積層して形成されている。
【００１０】
このＭＥＭＳマイクロホンでは、振動膜電極１２３が音圧によって振動すると、ＥＣＭと同じく、振動膜電極１２３と固定電極１２６とで構成される平板コンデンサの静電容量が変化し、電圧変化として取り出される。
【００１１】
ところで、マイクロホンの製造現場では、製品の品質一様性や良、不良を識別するために振動膜の膜強さ（スチフネス）の測定が行われている。従来は、振動膜を振動させて、その変位の共振周波数を光干渉計で測定し、その値を次式（数１）に代入して膜スチフネスを算出している。なお、この式は、ＥＣＭ、ＭＥＭＳマイクロホンを含む静電型電気音響変換器において共通に利用可能である。
【００１２】
【数１】
2010112934.tif 000003
ここで、
ｆ０：振動膜の共振周波数[Hz]
ｓ０：膜強さ（スチフネス）[N/m]
ｍ０：振動膜の質量[kg]
である。
【００１３】
質量ｍ０は、振動膜の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。そのため、膜スチフネスは、光干渉計で共振周波数ｆ０を測定することにより、（数１）から算出することができる（非特許文献１、２参照）。
【００１４】
【非特許文献１】optonor社カタログ  micromap5000  振動・変位測定及び表面形状測定装置
【非特許文献２】早坂寿雄  他  音響工学概論  日刊工業新聞社
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかし、従来の膜スチフネス測定方法で使用する光干渉計は、きわめて高価であり、この方法の測定装置を一式揃えるために多くの費用が掛かる。
【００１６】
また、上記従来の測定方法では、被測定膜であるＦＥＰエレクトレット膜やＭＥＭＳマイクロホンの振動膜に干渉光を照射する必要がある。
【００１７】
しかし、ＥＣＭの場合、マイクロホンが完成している状態では、金属ケース上に音響特性要素であり振動膜保護のための面布が貼り付けられており、このように貼り付けられた状態では光を照射できないため、マイクロホンに組み込まれる前のＦＥＰエレクトレット膜単体状態での測定しかできず、マイクロホン完成状態では測定できない。
【００１８】
一方、ＭＥＭＳマイクロホンの場合でも、前述したように、マイクロホンが完成している状態では、振動膜の上部に固定膜が形成されているため、固定膜が光の照射を阻害してしまい、測定するためには、固定膜を除去しての測定となる。したがって、この場合の測定はＭＥＭＳチップ単体を破壊しての測定となり、マイクロホン完成状態で測定できない。
【００１９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、完成状態でのマイクロホンのスチフネスを、安価に、簡単に、かつ非破壊で、測定することができる膜スチフネス測定装置および膜スチフネス測定方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の膜スチフネス測定装置は、完成状態のコンデンサマイクロホンを真空中に保持する真空容器と、前記コンデンサマイクロホンを動作させるための直流電圧と前記直流電圧に励振電圧を重畳させる機能を持つ電圧源と、前記励振電圧に対する前記コンデンサマイクロホンの増幅器に接続された電源端子の電圧および位相を測定する周波数応答特性測定部と、前記周波数特性測定部が測定した周波数応答特性から共振周波数を算出し、前記共振周波数から前記振動膜の膜スチフネスを算出するスチフネス算出部とを備える。
【００２１】
この構成により、マイクロホンが完成した状態であっても、振動膜のスチフネスを、高価な計測器を使わずに、非破壊で測定を行うことができ、また安価に測定することが可能である。直接的に振動膜の振動変位を測定するのではなく、励振電圧による周波数応答特性から膜スチフネスを求めている。
【００２２】
コンデンサマイクロホンがＥＣＭである場合には、マイクロホンが完成状態では振動膜の上部が面布で覆われており、直接的に振動膜の振動変位を測定する方法では振動膜のスチフネスを測定することができない。また、コンデンサマイクロホンがＭＥＭＳマイクロホンの場合には、マイクロホンが完成状態では音孔の下にＭＥＭＳチップが配置されていないか、配置されていたとしても振動膜が固定膜の下部に位置しており、直接的に振動膜の振動変位を測定する方法では振動膜のスチフネスを測定することができない。しかし、本発明の膜スチフネス測定装置では、マイクロホンが完成した状態であっても、非破壊で振動膜のスチフネスが測定可能となる。
【００２３】
また、本発明の膜スチフネス測定装置は、前記電圧源が、直流電圧源と励振電圧源とで構成されている。
【００２４】
これらの構成により、直流電圧源に励振電圧源の励振電圧を重畳印加することで、振動膜にその励振電圧源に応じた微小振幅変位を発生させる。この微小振幅変位は、振動膜の共振周波数点で大きくなり、この変化は、応答点の電圧変化により確認できる。このように、直流電圧源と励振電圧源を用いることで、膜スチフネス測定を行うことが可能である。
【００２５】
また、本発明の膜スチフネス測定装置は、前記励振電圧源が、正弦波状の電圧を供給する。
【００２６】
この構成では、周波数を走引して周波数応答を測定する。この際、周波数帯域における始点の周波数ｆ１、終点の周波数ｆ２とすると、その周波数帯域をＮ分割し、
Δｆ＝（ｆ２−ｆ１）／Ｎ
ステップでこの周波数帯域をカバーする。これにより膜スチフネス測定を行うことが可能である。
【００２７】
また、本発明の膜スチフネス測定装置は、前記励振電圧源が、白色雑音波形状の電圧を供給する。
【００２８】
この構成により、白色雑音は広帯域ノイズで必要な帯域の周波数をすべて含んでいるため、周波数を走引することなく、膜スチフネス測定が可能となる。
【００２９】
また、本発明の膜スチフネス測定装置は、前記励振電圧源が、Ｍ系列信号波形状の電圧を供給する。
【００３０】
この構成により、Ｍ系列信号は広帯域ノイズで必要な帯域の周波数をすべて含んでいるため、周波数を走引することなく、膜スチフネス測定が可能となる。
【００３１】
また、本発明の膜スチフネス測定装置は、前記電圧源の基準電位とされる一端が、前記コンデンサマイクロホンの振動膜を有するコンデンサ部に接続された基準電位端子に接続され、前記電圧源の他端が、前記コンデンサマイクロホンの前記電源端子に接続される。
【００３２】
また、本発明の膜スチフネス測定装置は、前記電圧源の他端が、前記コンデンサマイクロホンの前記電源端子に所定の負荷抵抗を介して接続される。
【００３３】
また、本発明の膜スチフネス測定装置は、前記周波数特性測定部の第１端子が、前記コンデンサマイクロホンの前記基準電位端子に接続され、前記周波数特性算出部の第２端子が、前記コンデンサマイクロホンの前記電源端子に接続される。
【００３４】
これらの構成により、スチフネス測定においても、マイクロホンが完成した状態で、通常使用時の端子を用いて、電力供給のための端子接続および入出力の周波数特性を測定するための端子接続を行うため、マイクロホン完成状態のまま非破壊で測定が可能である。
【００３５】
また、本発明の膜スチフネス測定装置は、前記周波数特性測定部による測定結果を示す情報を表示する表示部を備える。
【００３６】
この構成により、周波数特性を直感的に認識可能である。
【００３７】
また、本発明の膜スチフネス測定装置は、前記周波数特性測定部が、前記周波数特性における変曲点を前記共振周波数として抽出する。
【００３８】
この構成により、変曲点を抽出することで共振周波数を求め、膜スチフネスを測定することが可能である。
【００３９】
また、本発明の膜スチフネス測定装置は、前記真空容器が、当該真空容器の内部を、１０−１〜１０―２（Ｔｏｒｒ）の真空度に保持する。
【００４０】
この構成により、真空中かつコンデンサマイクロホンが完成した状態で膜スチフネスの測定を行うことができる。真空状態とすることにより、振動膜の周囲の空気によるインピーダンスを受けることを防止できる。
【００４１】
また、本発明の膜スチフネス測定方法は、コンデンサマイクロホンの振動膜のスチフネスを測定する膜スチフネス測定方法であって、真空中に保持されたコンデンサマイクロホンを動作させるための直流電圧に励振電圧を重畳させた電圧を、完成状態の前記コンデンサマイクロホンに供給する工程と、前記励振電圧に対する前記コンデンサマイクロホンの増幅器に接続された電源端子の電圧および位相を測定することで周波数特性を測定する工程と、測定した周波数応答特性から共振周波数を求め、前記共振周波数から前記振動膜の膜スチフネスを算出する工程とを含む。
【００４２】
この方法により、コンデンサマイクロホンが完成した状態であっても、コンデンサマイクロホンの振動膜のスチフネスを、高価な計測器を使わずに安価に、非破壊で、測定することが可能である。
【発明の効果】
【００４３】
本発明では、コンデンサマイクロホンが完成した状態であっても、コンデンサマイクロホンの振動膜のスチフネスを、高価な計測器を使わずに安価に、非破壊で、測定することが可能である。また、直接的な振動変位検出なしに、膜スチフネスを測定しているため再現性のある膜スチフネスの測定が短時間でできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００４５】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態における膜スチフネス測定装置の構成を概略的に示す図である。本実施形態の膜スチフネス測定装置は、膜スチフネス測定時に、完成状態のコンデンサマイクロホンを真空中に保持する。そして、コンデンサマイクロホンを動作させるための直流電圧と直流電圧に励振電圧を重畳させる機能を持つ電圧源を備えている。この励振電圧に対するコンデンサマイクロホンの増幅器に接続された電源端子の電圧および位相を測定し、測定した周波数応答特性から共振周波数を算出し、共振周波数から振動膜の膜スチフネスを算出する。膜スチフネス測定時には、マイクロホンを実際に使用するときに使用される電源端子および基準電位端子を用いるため、測定用の端子を別途設ける必要がない。そのため、マイクロホンの完成状態において、非破壊で、膜スチフネスを測定することができる。なお、本実施形態では、コンデンサマイクロホンとして図１３で示したＥＣＭを用いることを想定している。
【００４６】
この膜スチフネス測定装置は、測定対象がＥＣＭの振動膜１０５であり、図１に示すように、ＥＣＭ２０を収容する真空容器１０と、電圧源３０と、測定周波数を変えながら真空中に置かれたＥＣＭ２０の電圧源３０の励振電圧に対する入出力応答特性を測定する入出力応答測定部４０と、周波数−入出力応答特性曲線から振動膜１０５の共振周波数を求めてＥＣＭ２０の膜スチフネスを算出するスチフネス算出部５０と、周波数−入出力応答特性曲線などを表示する表示部６０とを備えている。
【００４７】
真空容器１０は、内部に完成状態のＥＣＭ２０をセットする載置台を備え、また、電圧源３０からＥＣＭ２０への電圧供給を可能にする端子機構として、電圧供給端子および基準電位端子を備えている。この電圧供給端子はＥＣＭ２０の電源端子Ｂに接続され、基準電位端子はＥＣＭ２０の基準電位端子Ａに接続される。
【００４８】
また、真空容器１０は、周波数応答特性の測定時に、真空ポンプにより１０−１Ｔｏｒｒ以下の真空状態（１０−２Ｔｏｒｒ程度、即ち、音が伝達しない程度の真空状態）に維持される。この真空度は、あまり高くないため、真空ポンプを起動してから約３０秒で、その状態に到達することができる。
【００４９】
電圧源３０は、ＥＣＭ２０を動作させるための直流電圧源と、入出力応答特性を測定するために、直流電圧に励振電圧である交流励振電圧や後述する種々の励振電圧を発生する励振電圧源と、で構成されるとともに、直流電圧に励振電圧を重畳させる機能を有する。そして、この電圧をＥＣＭ２０へ供給する。
【００５０】
入出力応答特性測定部４０は、励振電圧の測定周波数を掃引しながら真空中のＥＣＭ２０の励振電圧に対する入出力応答特性を測定する。
【００５１】
スチフネス算出部５０は、入出力応答特性測定部４０が測定した周波数−入出力応答特性曲線から振動膜１０５の共振周波数を求め、この共振周波数を上述の（数１）に代入してＥＣＭ２０の振動膜のスチフネスを算出する。
【００５２】
本実施形態の膜スチフネス測定装置では、（数１）に代入するための共振周波数を、ＥＣＭ２０の励振電圧に対する入出力応答特性の測定結果から求めている。
【００５３】
ＥＣＭ２０は、通常、図２のような基本回路構成で使用される。ＥＣＭ２０は、振動膜１０５を有するコンデンサ部７１と、コンデンサ部７１から出力された信号を増幅する増幅器としてのＦＥＴ７２とを備えている。また、完成状態において外部から接続可能な基準電位端子Ａと電源端子Ｂを備えている。図２のように、電源端子ＢはＦＥＴ７２に接続されており、基準電位端子Ａはコンデンサ部７１に接続されている。それぞれの端子Ａ、Ｂが直流電圧源６２の端子に接続され、負荷抵抗６３を通して電圧供給を受けることで、ＥＣＭ２０は動作状態となる。なお、図２における一点鎖線はＥＣＭ２０の金属ケースを表している。
【００５４】
図３は、本発明にかかるＥＣＭ２０の励振電圧に対する入出力応答特性を測定する際の回路構成の一例を示している。本回路では、外部基準電位点は直流電圧源６２の正極側接地点となっているが、ＦＥＴ７２の動作は、図２と同じである。
【００５５】
電圧源３０として、入出力応答特性の測定時には、振動膜１０５を振動させるために、本実施形態では直流電圧源６２に励振電圧源としての交流電圧源６１を重畳している。また、励振電圧源としては、正弦波状の電圧を供給する交流電圧源、白色雑音波形状の電圧を供給する電圧源、Ｍ系列信号波形状の電圧を供給する電圧源などが用いられる。正弦波状の電圧を用いる場合には、周波数を走引して周波数応答を測定する。この際、周波数帯域における始点の周波数ｆ１、終点の周波数ｆ２とすると、その周波数帯域をＮ分割し、
Δｆ＝（ｆ２−ｆ１）／Ｎ
ステップでこの周波数帯域をカバーする。また、白色雑音波形状の電圧、Ｍ系列信号波形状の電圧を用いる場合には、白色雑音やＭ系列信号が高帯域ノイズで必要な帯域のすべてを含んでいるために、周波数を走引することなく周波数応答を測定することができる。
【００５６】
また、上記のように、直流電圧源６２の一端は、接地されており、任意に設けられる所定の負荷抵抗６３を介して、ＥＣＭ２０の電源端子Ｂに接続されている。一方、交流電圧源６１の一端は直流電圧源６２の他端に接続されており、交流電圧源６１の他端は、外部基準電位点から電圧源３０を介して基準電位とされており、ＥＣＭ２０の基準電位端子Ａに接続されている。
【００５７】
また、図３に示すように、入出力応答特性測定を実行する入出力応答特性測定部４０の端子は、それぞれＥＣＭ２０への交流電圧源６１端及び負荷抵抗６３端に接続されている。すなわち、入出力応答特性測定部４０の第１端子は、ＥＣＭ２０の基準電位端子Ａに接続され、第２端子は、ＥＣＭ２０の電源端子Ｂに接続される。また、入出力応答特性測定部４０は、それぞれの電圧を測定する電圧計と、入力及び電圧の位相差を測定する位相測定計を備えている。
【００５８】
また、別の１例として図４のように構成してもよい。図４は、外部基準電位点を図２と同じにした構成である。つまり、本回路では、外部基準電位点は直流電圧源６２の負極側接地点となっている。
【００５９】
具体的には、直流電圧源６２の一端は、外部基準電位点されて基準電位となっており、ＥＣＭ２０の基準電位端子Ａに接続されている。一方、交流電圧源６１の一端は直流電圧源６２の他端に接続されており、交流電圧源６１の他端は、任意に設けられる所定の負荷抵抗６３を介して、ＥＣＭ２０の電源端子Ｂに接続されている。
【００６０】
なお、入出力応答特性測定部４０の端子とＥＣＭとの接続関係は、図３と同様である。
【００６１】
次に、減圧真空環境下で、このコンデンサ部がどのような等価回路で表わされるかを説明する。
空気中にあるＥＣＭ２０の音響等価回路は図５のように表される。
【００６２】
ここで、Ａは図１３に示すＥＣＭ２０の面布１０１とケース１０３の音孔１０２と振動膜１０５前面の容積で構成される機械インピーダンスであり、ｒ１とｍ１はケース１０３の音孔１０２の機械インピーダンスであり、Ｃ１はケース１０３と振動膜１０５前面の容積で構成される気室のコンプライアンス（即ち、スチフネスの逆数）である。また、Ｂは振動膜１０５の機械インピーダンスであり、ｍ０は振動膜１０５の質量であり、ｃ０(＝１／ｓｏ)は振動膜１０５のコンプライアンスであり、ｒ０は振動膜１０５自身のダンピング抵抗である。また、ｒ２とｍ２は固定電極１０７の穴のインピーダンスと振動膜１０５と固定電極間の薄流体層のインピーダンスの直列合成インピーダンスであり、Ｃ２は薄流体層のコンプライアンスであり、Ｃ３は背気室１０８で構成される気室の空気コンプライアンスである。
【００６３】
このように、空気中にあるＥＣＭ２０のコンデンサ部７１は、振動膜１０５と固定電極１０７との間の機械インピーダンスの他に、空気による機械インピーダンスを有しているため、ＥＣＭ２０の励振電圧に対する入出力応答特性を空気中で測定する場合は、その影響のため振動膜そのものの機械インピーダンス影響を測定することが極めて困難である。
【００６４】
この振動膜１０５の前部気室や背気室１０８の空気に起因するコンプライアンスｃ１、ｃ２およびｃ３は、次の（数２）で表される。
【数２】
2010112934.tif 000004
Ｃ：音響コンプライアンス[m5/N]
γ：空気の体積比熱[J/m3K]
Ｖ：気室の容積[m3]
Ｐ０：気圧[N/m2]
【００６５】
この測定装置では、ＥＣＭ２０が真空中に配置されているから、Ｃ（＝ｃ１、ｃ２、ｃ３）の値は極めて大きい値となり、短絡状態となる。従って、真空容器１０内のコンデンサ部７１の等価回路は、振動膜１０５自身の機械インピーダンスのみで代表されることになる。
このコンデンサ部の可逆式は、次式（数３）（数４）のように表される（川村雅恭著「
電気音響工学概論」株式会社昭晃堂発行、参照）。
【００６６】
【数３】
2010112934.tif 000005
【００６７】
【数４】
2010112934.tif 000006
Ｖ１：励振源の交流電圧[V]
Ｚｍ：被測定振動板の機械インピーダンス
ＥＢ：ＤＣ成極電圧[V]
Ａ：力係数
ε０：真空の誘電率  8.85E-12[F/m]
Ｓ：コンデンサ部の面積[m2]
Ｃｍ：コンデンサ部の電気容量[F]
ｄ０：エアギャップ間隔[m]
Ｖ：振動板の速度[m/sec]
ｓｎ：負スチフネス[N/m]
【００６８】
ここで、被測定振動膜の機械インピーダンスは、
【数５】
2010112934.tif 000007
【００６９】
また、力係数は、
【数６】
2010112934.tif 000008
【００７０】
また、コンデンサ部７１の容量Ｃｍは、
【数７】
2010112934.tif 000009
【００７１】
また、負スチフネスは、
【数８】
2010112934.tif 000010
で表される。
【００７２】
この（数３）は、振動膜の機械的な力の関係に着目した式であり、（数４）は、振動膜の電気的な関係に着目した式である。
この測定装置では、ＥＣＭ２０の振動膜１０５を励振源で駆動することになるため、外力Ｆは０であり、（数３）は（数９）のように表される。
【数９】
2010112934.tif 000011
【００７３】
そのため、（数４）は、（数９）を用いて次式（数１０）のように変形できる。
【数１０】
2010112934.tif 000012
【００７４】
したがって、ＥＣＭ２０のコンデンサ部の減圧真空環境下でのインピーダンスは、次式（数１１）のようになる。
【数１１】
2010112934.tif 000013
【００７５】
このインピーダンスは、図６に示すように、電気容量Ｃｍと振動板機械インピーダンスとが並列に配置された共振等価回路として表現され、振動膜１０５の機械的共振周波数が電気的共振周波数として表されていることがわかる。また、ＥＣＭ２０の構造では、構造要因で振動には寄与しない微小な固定的浮遊・寄生容量が発生し、Ｃｍに並列に付加される。
【００７６】
減圧真空環境下でのコンデンサ部７１の表現が得られたことから、回路構成が図３に示すものの等価回路は図７で表され、回路構成が図４に示すものの等価回路は図８で表される。
【００７７】
減圧真空環境下でのコンデンサ部７１の等価回路を組み込んだ図７、図８の励振電圧に対する入出力応答は、電子回路の動作をシミュレーションする汎用回路シミュレーターＳＰＩＣＥで求めることができる。
【００７８】
図９は、図７（実回路は図３）の励振電圧に対するゲインー位相応答曲線であり、
図７のＢ点（図３のＢ点）に、振動膜１０５の共振周波数ｆ０と共振のするどさの位相情報とゲイン共振情報をもった応答曲線が得られることを示している。なお、ゲイン曲線では、図７におけるＢ点、Ｃ点、Ｄ点でのシミュレーション結果を示しており、位相曲線では、図７におけるＢ点でのシミュレーション結果のみを示している。
【００７９】
図１０は、図８（実回路は図４）の励振電圧に対するゲインー位相応答曲線であり、
図８のＢ点（図４のＢ点）に、振動膜１０５の共振周波数ｆ０と共振のするどさの位相情報とゲイン共振情報をもった応答曲線が得られることを示している。なお、ゲイン曲線では、図８におけるＢ点、Ｃ点、Ｄ点でのシミュレーション結果を示しており、位相曲線では、図８におけるＢ点でのシミュレーション結果のみを示している。そして、Ｂ点における電圧および位相が、ＥＣＭ２０の出力端子としての端子Ｂの電圧および位相となる。
【００８０】
図１１及び図１１の部分拡大図である図１２に示すゲインー位相応答曲線は、図３の測定回路において、励振電圧源の交流電圧の周波数を走引した場合の測定結果であり、Ｂ点に、振動膜１０５の共振周波数ｆ０と共振のするどさの位相情報とゲイン共振情報をもった応答曲線が得られることを示している。
【００８１】
励振電圧周波数−入出力応答曲線ａは、ＥＣＭ２０の基準電位端子Ａにおける周波数毎の電圧を入力特性とし、電源端子Ｂにおける周波数毎の電圧を出力特性とし、入力特性に対する出力特性の利得（ゲイン）を示したものである。また、励振電圧周波数−位相曲線ｂは、上記入力特性と出力特性の周波数毎の位相差を示したものである。
【００８２】
例えば、図１１に示した励振電圧周波数−入出力応答曲線は、表示部６０に表示される。
スチフネス算出部５０は、この曲線から、反共振点の周波数と共振点の周波数とをサーチし、２周波数の平均を取ることにより共振周波数ｆ０を求め、この値を（数１）に代入してＥＣＭ２０の振動膜のスチフネスを算出する。
【００８３】
あるいは、スチフネス算出部５０は、励振電圧周波数−入出力応答曲線の共振−反共振部の曲線部分と、ゲイン一定曲線との交点を求め、その値を（数１）に代入して振動膜のスチフネスを算出する。
【００８４】
また、例えば、図１１に示した励振電圧周波数−位相曲線が表示部６０に示される。スチフネス算出部５０は、この曲線のピーク、すなわち変曲点を共振周波数ｆ０として求め、この値を（数１）に代入してＥＣＭ２０の振動膜１０５のスチフネスを算出する。
【００８５】
このように、本実施形態の膜スチフネス測定方法では、直流電圧源に励振電圧源を重畳印加することで、振動膜にその励振電圧源に応じた微小振幅変位を発生させる。この微小振動変位は、振動膜の共振周波数点で大きくなり、その変化が応答点に電圧変化を生じせしめ、図９〜図１２に示すように、共振点近傍でシミュレーションデータおよび実データ（測定データ）にもあるように共振カーブが得られる。
【００８６】
このような膜スチフネス測定方法により、ＥＣＭ２０の図１１に示す励振電圧周波数―入出力応答曲線ａおよび励振電圧周波数―位相曲線ｂから共振周波数を求めているため、安価に測定することができる。また、ＥＣＭ２０のように完成品の状態にあるマイクロホンで再現性の有る測定結果を短時間で得ることができる。
【００８７】
また、本実施形態のマイクロホン完成状態で測定する測定装置では、測定対象物を真空中に配置して入出力の応力測定を行っているため、振動膜の周囲の空気による影響を排除することができ、振動膜のみの入出力応答を正確に測定することができる。
【００８８】
このときの真空レベルは、１０−１〜１０−２Ｔｏｒｒ程度で良く、真空ポンプにより短時間で設定することができる。
【００８９】
また、この測定装置では、入出力応答測定部４０が、ゲインの絶対値｜Ｇ｜と位相角度とを測定しているため、図６の等価回路でのインピーダンス測定と同等の、正確な測定結果を得ることができる。
【００９０】
また、入出力応答の測定は、市販の周波数応答測定器を用いて行っても良い。
【００９１】
また、表示部６０及びスチフネス算出部５０は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）の機能を用いて実現することができる。この場合、ＰＣから入出力応答測定部４０に測定周波数の帯域を指定し、入出力応答測定部４０が指定された周波数帯域を走査して入出力測定結果をＰＣに出力すると、ＰＣの画面にゲインの絶対値｜Ｇ｜と位相角度とが表示されるようにすることができる。
【００９２】
なお、本実施形態では、ＥＣＭ２０の振動膜１０５のスチフネスを測定する場合について説明したが、本発明は、その他の静電型電気音響変換器（例えばＭＥＭＳマイクロホン）を測定対象とすることも可能である。
【００９３】
また、本実施形態では励振電圧入出力応答特性を電圧により測定することを説明したが、Ｂ点の電流を検出することにより振動膜のスチフネスを測定してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本発明は、ＥＣＭ、ＭＥＭＳマイクロホンの振動膜のスチフネスを、これらのマイクロホンが完成した状態であっても、安価に、且つ、簡単に測定することができる膜スチフネス測定装置、膜スチフネス測定方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明の実施形態における膜スチフネス測定装置の概要を示す図
【図２】本発明の実施形態におけるＥＣＭを実際に使用する際の回路構成の一例を示す図
【図３】本発明の実施形態におけるＥＣＭの入出力応答特性を測定する際の回路構成の一例を示す図
【図４】本発明の実施形態におけるＥＣＭの入出力応答特性を測定する際の回路構成の他の一例を示す図
【図５】本発明の実施形態におけるＥＣＭの機械インピーダンスの等価回路を示す図
【図６】本発明の実施形態における膜スチフネス測定回路の等価回路を示す図
【図７】本発明の実施形態におけるＥＣＭの入出力応答特性を測定する際の回路構成が図３に示すものである場合の等価回路図
【図８】本発明の実施形態におけるＥＣＭの入出力応答特性を測定する際の回路構成が図４に示すものである場合の等価回路図
【図９】本発明の実施形態における図３測定回路上の各点における周波数−入出力応答曲線およびＢ点における周波数−位相曲線のシミュレーション結果を示す図
【図１０】本発明の実施形態における図４の測定回路上の各点における周波数−入出力応答曲線、Ｂ点における周波数−位相曲線のシミュレーション結果を示す図
【図１１】本発明の実施形態における膜スチフネス測定方法で測定される周波数−入出力応答曲線および周波数−位相曲線を示す図
【図１２】本発明の実施形態における図１１に示した曲線の要部拡大図
【図１３】ＥＣＭの構成を示す図
【図１４】ＭＥＭＳマイクロホンの構成を示す図
【符号の説明】
【００９６】
１０  真空容器
２０  ＥＣＭ
３０  電圧源
４０  入出力応答測定部
５０  スチフネス算出部
６０  表示部
６１  交流電圧源
６２  直流電圧源
６３  負荷抵抗
７１  コンデンサ部
７２  ＦＥＴ
１０１  面布
１０２  音孔
１０３  ケース
１０４  振動膜リング
１０５  エレクトレット振動膜
１０６  スペーサ
１０７  固定電極
１０８  背気室
１０９  ＦＥＴ
１１０  絶縁体
１１１  クッションシート
１１２  プリント基板
１１３  端子
１２１  シリコン基板
１２２  第１の絶縁層
１２３  振動膜電極
１２４  エレクトレット膜
１２５  第２の絶縁層
１２６  固定電極
１２７  音孔
１２８  背気室
【図１】
2010112934.tif 000014
【図２】
2010112934.tif 000015
【図３】
2010112934.tif 000016
【図４】
2010112934.tif 000017
【図５】
2010112934.tif 000018
【図６】
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【図７】
2010112934.tif 000020
【図８】
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【図９】
2010112934.tif 000022
【図１０】
2010112934.tif 000023
【図１１】
2010112934.tif 000024
【図１２】
2010112934.tif 000025
【図１３】
2010112934.tif 000026
【図１４】
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