(57)【要約】      （修正有）【課題】高周波特性にすぐれたコンデンサーマイクロフォンを提供する。【解決手段】コンデンサーマイクロフォンの振動板として、グラフェン１０１を用いる。従来のコンデンサーマイクより良好な高周波特性を得るためには、より高いヤング率とより低い綿密度を有する、薄膜化に適した導電性材料が必要であり、コンデンサマイクロホンの振動板として理想的な性質を有している、グラフェンが最適である。グラフェンを用いたコンデンサマイクロホンは、音楽収録、超音波測定用に利用することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性を有する基板と、
グラフェンからなる振動板と、
前記基板と前記振動版との間に配置された支持体であって、前記基板と前記支持体と前記振動板とにより形成される空間を有する配置された支持体と備えた
コンデンサーマイクロフォン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可聴音および超音波測定用マイクロフォンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
音楽をより高音質で録音するために、これまでよりも高い周波数まで測定できるマイクロフォンに対する需要が高まっている。たとえば、フォーマット上、CDでは周波数が22kHzまでの音しか記録できないのに対し、DVD-Audioフォーマットでは96kHzまでの周波数の音が原理的には記録可能である。実際の音を収録するためには、可聴周波数から高周波にまで対応できるマイクロフォンが必要である。
【０００３】
一方、ロボットの衝突防止や、医療診断などのために、超音波を測定できるマイクロフォンに対する需要も高まっている。こちらは、可聴音の性能は必ずしも要求されないが、音楽用途よりも更に高い周波数への対応が要求される。
【０００４】
このように幅広い周波数、高い周波数を測定するためのマイクロフォンとしては、コンデンサーマイクロフォンが最も広く用いられている。コンデンサーマイクロフォンとは、図２に示すように、固定電極202と導電性を持つ振動板201がコンデンサーを形成するように、支持体204により平行に配置された構造を持つデバイスである。振動板が音波ないしは超音波により振動することで、電極間の距離が変化する。この電極間距離の変化は、コンデンサーの容量を変化させる。この容量変化を、回路203により電気的に検出することで、音波ないしは超音波を測定することができる。なお、コンデンサーマイクロフォンについては、非特許文献１に詳しい記載がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】日本音響学会誌第64巻11号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
コンデンサーマイクロフォンの場合、測定できる周波数の上限は、振動板の共振周波数により制限を受ける。より高い周波数の超音波を測定するためには、より高い共振周波数を持つ振動板を用いる必要がある。
【０００７】
振動板の共振周波数は、振動膜のスチフネスの1/2乗に比例し、振動板の質量の1/2乗に反比例する。したがって、共振周波数を高めるためには、より高いスチフネスを持ち、より小さな質量を持つ膜を用いる必要がある。スチフネスは、膜の形状などにも依存するが、同一形状である場合には、材質のヤング率が高い膜ほど高いスチフネスを持つ。一方質量であるが、これは材料の密度と体積の積となる。一見、密度が低い材質ほど有利であるように見えるかもしれない。しかし、コンデンサーマイクとして機能させるためには、膜としての形状を常に維持する必要がある。たとえば振動中に割れが生じてしまうと、それ以降マイクロフォンとしての機能を果たさなくなる。単に密度の低い膜では、膜としての形状を維持するためにより厚みが必要となることが多く、結果的に質量が大きくなる場合がある。そのため、重要なのは体積密度の低さではなく、膜として機能する厚みにおける面密度の低さである。
【０００８】
たとえば、単結晶ダイヤモンドは、１TPaというヤング率を持つ。これは既知の物質中最大の値である。この材料をコンデンサーマイクの振動板として利用するには、形状を薄膜状とする必要がある。しかし、現在単結晶を薄膜状に成長させる技術が存在しない。薄膜状に結晶成長させる技術で作製可能なものは、微小な結晶粒からなる多結晶のものや、ダイヤモンドライクカーボンと呼ばれる非晶質のものだけである。これらの膜のヤング率は、良質なものでも150GPa程度であり、単結晶のものに遠く及ばない。単結晶ダイヤモンドを切削することにより、薄板形状を作製することは一応可能である。しかしながら、ダイヤモンドは非常に切削性が悪く、薄い膜を製作することはできない。また、ダイヤモンドの電気伝導性の低さも問題である。コンデンサーマイクロフォンの振動板は、コンデンサーの一方の電極として機能する必要があるため、電気伝導性が必要である。しかし、ダイヤモンドは絶縁体である。これらの理由から、ダイヤモンドでは良質のコンデンサーマイクロフォンを作成することは困難である。
【０００９】
コンデンサーマイクの振動板として用いられている材料として、シリコン窒化膜をあげることができる。シリコン窒化膜のヤング率は、製造方法などにも依存するが、通常300GPa程度である。また、シリコン窒化膜は絶縁性材料であるため、それ単体ではコンデンサーマイクロフォンの振動板として機能せず、アルミニウム等の金属材料との積層を必要とする。シリコン窒化膜はアモルファス材料であるため、膜としての性質を維持するためには、最低でも100nm程度の厚みが必要である。また、導電性を与えるためのアルミニウム膜も同程度厚みが必要になる。したがって、面密度は最低でも6g毎平方メートル程度となる。
【００１０】
従来のコンデンサーマイクより良好な高周波特性を得るためには、より高いヤング率とより低い面密度を有する、薄膜化に適した導電性材料が必要である。本願の発明者は、これら性質を満たす材質の探求を行い、コンデンサーマイクロフォンの振動板として最適な材質の発見に至った。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明では、コンデンサーマイクロフォンの振動板として、グラフェンを用いることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の方法を用いれば、高周波性能に優れるマイクロフォンが構成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明のコンデンサーマイクロフォンを示す図
【図２】コンデンサーマイクロフォンの構成要素を示す図
【図３】グラフェンの分子構造を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（実施の形態１）
図１に、本発明のコンデンサーマイクロフォンの構造の一例を示す本発明の特徴は、コンデンサーマイクロフォンの振動膜１０１として、グラフェンを利用している点である。図１に例示したものの場合、対向電極１０２は高濃度ドープされたシリコン等の導電性の基板を用いており、支持体１０３として基板上に堆積しグラフェンの下の一部を除去した絶縁膜を用いている。１０４および１０５は容量検出回路（図示せず）と振動膜１０１および対向電極１０２を接続するための電極である。
【００１５】
（グラフェンの構造）
グラフェンとは、図３にしめすように、炭素原子が六方格子上に配列した二次元シート状の物質である。なお、図３では分子の一部のみを示したが、実際の分子では六方格子が分子の端まで連続している。分子の大きさとしては、直径が100マイクロメートルを超えるようなものも得られる。つまり、コンデンサーマイクロフォンの振動膜として利用するに十分な大きさの分子も得られる。
【００１６】
他のほとんどの結晶が三次元立体構造を持つのに対し、グラフェンは一原子層の厚みの二次元形状をしているのが特徴である。したがって、膜としての形状を維持するために必要な厚みは、一原子層分だけであり、0.3ナノメートル程度である。
【００１７】
（ヤング率）
グラフェンのヤング率は１TPaであり、既知の物質中最高の値を持つことがわかった。この値は、ダイヤモンドの値と同じであるが、ダイヤモンドの場合薄膜としてこの値を得ることができないのに対し、グラフェンは一原子層の厚みの薄膜でこの値を実現できるのが大きな違いである。
【００１８】
（面密度と強度）
グラフェンの面密度は0.25mg毎平方メートルである。単に軽いのみならず、単体で振動板として利用するに十分な強度を兼ね備えている。したがって、グラフェンを用いれば、従来のシリコン窒化膜系の膜に比べて一万分の一以下の面密度を達成できる。
【００１９】
（電気伝導性）
グラフェンは良好な電気伝導性を有する。したがって、コンデンサーマイクの振動膜として利用する場合にも、金属膜等の積層を必要としない。
【００２０】
このように、グラフェンはコンデンサーマイクロフォンの振動板として理想的な性質を有しており、これを用いたコンデンサーマイクロフォンは従来よりも高い高周波特性を示す。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
本発明のマイクロフォンは、高周波特性が必要な音楽収録、超音波測定用に利用することができる。
【符号の説明】
【００２２】
１０１    グラフェン
１０２    対向電極
１０３    支持体
１０４    電極
１０５    電極
２０１    振動板
２０２    対向電極
２０３    容量検出回路
２０４    支持体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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