(57)【要約】【課題】音と磁場と振動のうち少なくとも二つを電気信号に変換する静電容量型センサを提供する。【解決手段】静電容量型センサ１００は、振動体９０３の振動を静電容量の変化に変換するトランスデューサと、インピーダンス変換器が取り付けられている回路基板９１１と、開口部を有する収容器９０１と、磁性体５００とを含む。トランスデューサは収容器９０１に収容されており、収容器９０１の開口部は回路基板９１１によって塞がれており、トランスデューサはインピーダンス変換器９１０に電気的に接続されている。磁性体５００は振動体９０３に取り付けられている。【選択図】図３
2018078439.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動体の振動を静電容量の変化に変換するトランスデューサと、
インピーダンス変換器が取り付けられている回路基板と、
開口部を有する収容器と、
磁性体と
を含み、
上記トランスデューサは上記収容器に収容されており、
上記収容器の上記開口部は上記回路基板によって塞がれており、
上記トランスデューサは上記インピーダンス変換器に電気的に接続されており、
上記磁性体は、上記振動体に取り付けられている
静電容量型センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の静電容量型センサにおいて、
上記磁性体は、軟質磁性体である
ことを特徴とする静電容量型センサ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の静電容量型センサにおいて、
さらに磁石を含み、
上記磁石は上記収容器の内部に固定されている
ことを特徴とする静電容量型センサ。
【請求項４】
請求項３に記載の静電容量型センサにおいて、
上記磁石は永久磁石または一時磁石である
ことを特徴とする静電容量型センサ。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の静電容量型センサにおいて、
上記収容器は、当該開口部と対向する底部に貫通孔を有する
ことを特徴とする静電容量型センサ。
【請求項６】
請求項５に記載の静電容量型センサにおいて、
上記回路基板は貫通孔を有する
ことを特徴とする静電容量型センサ。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれかに記載の静電容量型センサにおいて、
上記振動体は振動膜であって、当該振動膜に張りを与えた状態で当該振動膜を保持する振動膜リングを含み、
上記振動膜リングと接触していない上記振動膜の部位の面積の７０％以上１００％以下の面積を上記磁性体が持つ
ことを特徴とする静電容量型センサ。
【請求項８】
振動体の振動を静電容量の変化に変換するトランスデューサと、
インピーダンス変換器が取り付けられている回路基板と、
開口部を有する収容器と
を含み、
上記トランスデューサは上記収容器に収容されており、
上記収容器の上記開口部は上記回路基板によって塞がれており、
上記トランスデューサは上記インピーダンス変換器に電気的に接続されており、
上記振動体は、磁性体または磁石で形成されている、あるいは、磁性体または磁石である
静電容量型センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音と磁場と振動のうち少なくとも二つを電気信号に変換する静電容量型センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
音を電気信号に変換する機器としてマイクロホンが知られている。図１に指向性コンデンサマイクロホンの従来的構造の例を示す。図１に示す単一指向性エレクトレットコンデンサマイクロホン９００は、指向性コンデンサマイクロホンの例である。説明の便宜から、図１を正面に見たときの紙面の上と下をそれぞれ単一指向性エレクトレットコンデンサマイクロホン９００の後と前とする。なお、図２は、単一指向性エレクトレットコンデンサマイクロホン９００の分解斜視図である。本明細書に添付の図面では、見易さを考慮して、複数の同じ構成要素のうち一部にのみ符号を附している場合がある。
【０００３】
単一指向性エレクトレットコンデンサマイクロホン９００は、大まかに言えば、収容器（以下、カプセルという）９０１と、コンデンサの原理を利用して音波の振動を静電容量の変化に変換するトランスデューサ（静電容量型トランスデューサ）と、回路基板９１１を含んでいる。この例では、カプセル９０１は有底円筒状の形状を有している。
【０００４】
単一指向性エレクトレットコンデンサマイクロホン９００の前部であるカプセル９０１の底部には、一つ以上の前部音孔９０１ａ（この例では前部音孔９０１ａの数は５個である。図２参照）が設けられている。単一指向性エレクトレットコンデンサマイクロホン９００の後部であるカプセル９０１の開口部は開放されており、単一指向性エレクトレットコンデンサマイクロホン９００の製造当初において、単一指向性エレクトレットコンデンサマイクロホン９００の開口部からトランスデューサが押し込まれる。
【０００５】
トランスデューサは、この例では、可動電極に相当する振動膜９０３（ダイヤフラムとも呼称される）と、振動膜９０３に張りを与えた状態でこれを保持する振動膜リング９０２と、固定電極に相当する第１背極板９０５と、振動膜９０３と第１背極板９０５との接触を防止するためのスペーサ９０４と、指向性のための音響抵抗を実現する第１コンタクト９０６および第２背極板９０７と、第２背極板９０７と回路基板９１１とを電気的に連絡する第２コンタクト９０９を含んでいる。
【０００６】
一般的に、カプセル９０１と振動膜リング９０２はそれぞれ金属材料で形成されており、振動膜９０３は表面に金属材料が蒸着されているプラスチックフィルムや金属薄膜である。振動膜リング９０２の形状はこの例では円環状平板であり、円形の振動膜９０３の一方の面の縁部が振動膜リング９０２の一方の面に接着されている。振動膜リング９０２は、振動膜リング９０２の他方の面がカプセル９０１の底部に接触するように、単一指向性エレクトレットコンデンサマイクロホン９００の内部に配置されている。このため、カプセル９０１と振動膜９０３との電気的な導通が確保されている。なお、振動膜リング９０２は、カプセル９０１の底部と振動膜９０３との接触を防止するスペーサとしての役割も果たしている。
【０００７】
スペーサ９０４は電気絶縁性を有し、スペーサ９０４の形状はこの例では円環状平板であり、スペーサ９０４の外径は振動膜リング９０２の内径よりも十分に大きい。振動膜９０３の他方の面の縁部がスペーサ９０４の一方の面に接触するように、スペーサ９０４は振動膜９０３の後ろに配置されている。
【０００８】
この例では、振動膜リング９０２の外径とスペーサ９０４の外径はそれぞれ、単一指向性エレクトレットコンデンサマイクロホン９００の内径、つまりカプセル９０１の内径とほぼ同じか当該内径より僅かに小さい。このため、単一指向性エレクトレットコンデンサマイクロホン９００の前後方向に直交する方向（図１を正面に見たときの紙面の左右方向）に、振動膜リング９０２とスペーサ９０４のガタが生じにくくなっている。
【０００９】
次に、第１背極板９０５は少なくとも一つの貫通孔９０５ａ（この例では貫通孔９０５ａの数は４個である。図２参照）を有する円形平板であり、第２背極板９０７は少なくとも一つの貫通孔９０７ａ（この例では貫通孔９０６ａの数は６個である。図２参照）を有する円形平板である。第１コンタクト９０６はこの例では円筒状の外観形状を持ち、第１コンタクト９０６の内部には、第１コンタクト９０６の内壁に連なる平板状の隔壁が形成されている。この隔壁には貫通孔９０６ｂが形成されている。第１コンタクト９０６の一方の開口部９０６ａの径と他方の開口部９０６ｃの径はそれぞれ貫通孔９０６ｂの径よりも大きく、第１コンタクト９０６の一方の開口部９０６ａと他方の開口部９０６ｃは、貫通孔９０６ｂを介して連通している。
【００１０】
第１背極板９０５の外径はスペーサ９０４の内径よりも十分に大きく、第１コンタクト９０６の内径は、第１背極板９０５の全ての貫通孔９０５ａを含む最小の円の径よりも大きく、さらに、この例では、第１コンタクト９０６の外径は第１背極板９０５の外形よりも小さく、第２背極板９０７の外径は第１コンタクト９０６の外径とほぼ同じである。第１背極板９０５は第１背極板９０５の一面がスペーサ９０４の他方の面に接触するようにスペーサ９０４の後ろに配置されており、第１コンタクト９０６は第１コンタクト９０６の開口部９０６ａ側の端面が第１背極板９０５の他方の面に接触するように第１背極板９０５の後ろに配置されており、第２背極板９０７は第２背極板９０７の一面が第１コンタクト９０６の開口部９０６ｃ側の端面に接触するように第１コンタクト９０６の後ろに配置されている。なお、第１背極板９０５のスペーサ９０４に向かい合う面にはエレクトレット（図示せず）が溶着されている。
【００１１】
この例では、これら第１背極板９０５と第１コンタクト９０６と第２背極板９０７はそれぞれの外径に合う内径を持つ円筒状のホルダ９０８の内部に収容されており、ホルダ９０８の外径は単一指向性エレクトレットコンデンサマイクロホン９００の内径、つまりカプセル９０１の内径とほぼ同じである。このため、単一指向性エレクトレットコンデンサマイクロホン９００の前後方向に直交する方向に、ホルダ９０８だけでなく第１背極板９０５と第１コンタクト９０６と第２背極板９０７のガタが生じにくくなっている。
【００１２】
第１背極板９０５は一般的に金属材料で形成されており、この例ではさらに、第１コンタクト９０６と第２背極板９０７も金属材料で形成されており、上述の構造と相俟って、第１背極板９０５と第１コンタクト９０６と第２背極板９０７との間で電気的な導通が確保されている。他方、ホルダ９０８は電気絶縁性を有しており、第１背極板９０５と第１コンタクト９０６と第２背極板９０７のそれぞれとカプセル９０１との間は電気的に絶縁されている。また、スペーサ９０４が上述のように電気的絶縁性を有し第１背極板９０５と振動膜９０３との接触を防止する役割も有するので、第１背極板９０５と振動膜リング９０２との間は電気的に絶縁されている。
【００１３】
第２コンタクト９０９はこの例ではフランジを有する円筒状の外観形状を有しており、第２コンタクト９０９の一方の開口部側（フランジを有する開口部の反対側）の端面が第２背極板９０７に接触し、フランジがホルダ９０８の一方の開口部側（カプセルの底部に向かう開口部の反対側）の端面に接触するように第２背極板９０７の後ろに配置されている。第２コンタクト９０９の上記一方の開口部の内径は、第２背極板９０７の全ての貫通孔９０７ａを含む最小の円の径よりも大きい。この例では、第２コンタクト９０９は金属材料で形成されており、第２コンタクト９０９と第２背極板９０７との間で電気的な導通が確保されている。なお、第２コンタクト９０９の外径は単一指向性エレクトレットコンデンサマイクロホン９００の内径、つまりカプセル９０１の内径よりも十分に小さく、第２コンタクト９０９とカプセル９０１とは接触していないので、第２コンタクト９０９とカプセル９０１との間は電気的に絶縁されている。
【００１４】
上述のように、単一指向性エレクトレットコンデンサマイクロホン９００の製造当初において、単一指向性エレクトレットコンデンサマイクロホン９００の開口部からトランスデューサが押し込まれた後に、一つ以上の貫通孔（以下、後部音孔という）９１１ａ（この例では後部音孔９１１ａの数は４個である。図２参照）を有する円形平板状の回路基板９１１が続けて押し込まれる。回路基板９１１は、回路基板９１１の内表面（単一指向性エレクトレットコンデンサマイクロホン９００の内部に向かう面）が第２コンタクト９０９の他方の開口部側（フランジを有する開口部の側）の端面に接触するように第２コンタクト９０９の後ろに配置されている。この状態でカプセル９０１の開口部の端部を内側に折り曲げるように加締めることによって、回路基板９１１がカプセル９０１の底部に向かって押し付けられる。この圧力が、回路基板９１１に接触する第２コンタクト９０９を介してホルダ９０８や第２背極板９０７に伝わり、この結果、トランスデューサ全体がカプセル９０１の底部に向かって押し付けられ、振動膜リング９０２と、振動膜９０３と、スペーサ９０４と、第１背極板９０５と、第１コンタクト９０６と、第２背極板９０７と、ホルダ９０８と、第２コンタクト９０９と、回路基板９１１が単一指向性エレクトレットコンデンサマイクロホン９００の前後方向にしっかりと固定される。なお、第２コンタクト９０９の上記他方の開口部の内径は、回路基板９１１の全ての後部音孔９１１ａを含む最小の円の径よりも大きい。
【００１５】
回路基板９１１の外表面と内表面にはそれぞれ回路パターン（図示せず）が形成されており、さらに回路基板９１１の内表面にはインピーダンス変換器９１０が取り付けられている。回路基板９１１の内表面の回路パターンの少なくとも一部は第２コンタクト９０９の他方の開口部側（フランジを有する開口部の側）の端面と接触している。回路基板９１１の外表面は単一指向性エレクトレットコンデンサマイクロホン９００の外部に面しており、回路パターンに例えばマイクケーブル（図示せず）が半田付けされる。
【００１６】
単一指向性エレクトレットコンデンサマイクロホン９００の内部において、上述のように、振動膜リング９０２と、振動膜９０３と、スペーサ９０４と、第１背極板９０５と、第１コンタクト９０６と、第２背極板９０７と、第２コンタクト９０９と、回路基板９１１が積層された状態において、上述の各部材の貫通孔は次のような音響的役割を持つ。
【００１７】
スペーサ９０４（スペーサ９０４の厚さは数十μｍ程度）と振動膜９０３と第１背極板９０５に挟まれた狭い空間（以下、コンデンサ空間という）は、第１背極板９０５の各貫通孔９０５ａを介して、このコンデンサ空間よりも遥かに大きな空間である第１コンタクト９０６の開口部９０６ａに連通しており、このため、振動膜９０３が振動しやすくなっている。
【００１８】
また、音源からの音波は、前部音孔９０１ａだけでなく後部音孔９１１ａからも単一指向性エレクトレットコンデンサマイクロホン９００の内部に入り込むことができる。単一指向性エレクトレットコンデンサマイクロホン９００の外部は、回路基板９１１の後部音孔９１１ａを介して、第２コンタクト９０９の内部空間と連通しており、第２コンタクト９０９の内部空間は、第２背極板９０７の貫通孔９０７ａを介して、第１コンタクト９０６の開口部９０６ｃと連通しており、第１コンタクト９０６の開口部９０６ｃは、第１コンタクト９０６の貫通孔９０６ｂを介して、第１コンタクト９０６の開口部９０６ａと連通しており、第１コンタクト９０６の開口部９０６ａは、第１背極板９０５の貫通孔９０５ａを介して、コンデンサ空間と連通している。このような構成によって、単一指向性エレクトレットコンデンサマイクロホン９００は指向性を有する。
【００１９】
特に、この例では、第１コンタクト９０６の開口部９０６ｃが比較的狭い空間になっており、かつ、単一指向性エレクトレットコンデンサマイクロホン９００の前方あるいは後方から見たとき（つまり、図１の紙面の下ないし上から見たとき）第２背極板９０７の貫通孔９０７ａと第１コンタクト９０６の貫通孔９０６ｂはオーバーラップしていないため、第１コンタクト９０６の開口部９０６ｃを通過する際に、後部音孔９１１ａから入り込んだ音波の伝達遅延（音響抵抗ともいう）が生じる。この音響抵抗が所望の単一指向性の実現に寄与している。なお、一般的に、指向性コンデンサマイクロホンの指向性は、このような音響抵抗だけでなく、回路基板９１１の後部音孔９１１ａの構成（数、形状、大きさ、位置など）、第２背極板９０７の貫通孔９０７ａの構成（数、形状、大きさ、位置など）、第１背極板９０５の貫通孔９０５ａの構成（数、形状、大きさ、位置など）などに依存しえる。また、回路基板９１１の後部音孔９１１ａの構成（数、形状、大きさ、位置など）、第２背極板９０７の貫通孔９０７ａの構成（数、形状、大きさ、位置など）、第１コンタクト９０６の構成（特に、一方の開口部９０６ａと他方の開口部９０６ｃと貫通孔９０６ｂのそれぞれの数、形状、大きさ、位置など）、第１背極板９０５の貫通孔９０５ａの構成（数、形状、大きさ、位置など）などは、指向性コンデンサマイクロホンの周波数特性にも影響を及ぼす。
【００２０】
さて、上述の構成によると、音波による振動膜９０３の振動は振動膜９０３と第１背極板９０５との間の静電容量の変化を表す信号として現れるが（静電容量型トランスデューサの原理）、この変化は電圧の振幅が小さい微弱信号である。このため、インピーダンス変換器９１０として、入力インピーダンスの大きい電圧制御型の素子、例えばＦＥＴ（Field Effect Transistor；電界効果トランジスタ）が用いられることが多い。この場合、回路基板９１１の内表面の回路パターン（図示せず）と、第２コンタクト９０９と、第２背極板９０７と、第１コンタクト９０６とを介して、ＦＥＴのゲート端子と第１背極板９０５との電気的な導通が確保されている。ＦＥＴの例えばドレイン端子は、回路基板９１１のスルーホール（図示せず）を介して、回路基板９１１の外表面に形成されている回路パターン（図示せず）との電気的な導通が確保されている。同様に、ＦＥＴの例えばソース端子は、回路基板９１１のスルーホール（図示せず）を介して、回路基板９１１の外表面に形成されている回路パターン（グラウンドパターン；図示せず）との電気的な導通が確保されている。グラウンドパターンはカプセル９０１と接触している。
【００２１】
マイクロホンの構造は良く知られており、先行技術文献を挙げるまでもないが、ここで説明した指向性コンデンサマイクロホンの例として特許文献１を例示しておく。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】特開２０１１−０８２７２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
既述のように、マイクロホンは音を電気信号に変換する機器として知られている。ところで、このようなマイクロホンの構造を客観的に観察すると、音のセンサとしての主たる役割をトランスデューサが担っていることが分かる。上記の例の静電容量型トランスデューサは、振動体（例えば振動膜）の振動が静電容量の変化を生み出す構造、換言すれば振動体の振動を静電容量の変化に変換する構造を持っている。したがって、静電容量型トランスデューサの本質は振動体の振動であると言えるので、振動体の振動を生じさせる原因は音に限定されないことを理解できる。
【００２４】
このような観察と理解を敷衍して、本発明は、音と磁場と振動のうち少なくとも二つを電気信号に変換する静電容量型センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明の静電容量型センサは、振動体の振動を静電容量の変化に変換するトランスデューサと、インピーダンス変換器が取り付けられている回路基板と、開口部を有する収容器と、磁性体とを含む。トランスデューサは収容器に収容されており、収容器の開口部は回路基板によって塞がれており、トランスデューサはインピーダンス変換器に電気的に接続されている。磁性体は振動体に取り付けられている。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の静電容量型センサによると、音と磁場と振動のうち少なくとも二つを電気信号に変換することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】従来の指向性コンデンサマイクロホンの断面図。
【図２】従来の指向性コンデンサマイクロホンの分解斜視図。
【図３】第１実施形態の静電容量型センサの断面図。
【図４】第１実施形態の静電容量型センサの分解斜視図。
【図５】静電容量型センサの音響特性（磁性体の面積が、振動膜リングと接触していない振動膜の部位の面積の１１０％の場合および当該面積の６％の場合）。
【図６】静電容量型センサの電磁石に対する応答特性（磁性体の面積が、振動膜リングと接触していない振動膜の部位の面積の１１０％の場合および当該面積の６％の場合）。
【図７】静電容量型センサの音響特性（磁性体の面積が、振動膜リングと接触していない振動膜の部位の面積の７０％の場合）。
【図８】静電容量型センサの電磁石に対する応答特性（磁性体の面積が、振動膜リングと接触していない振動膜の部位の面積の７０％の場合）。
【図９】第２実施形態の静電容量型センサの断面図。
【図１０】第２実施形態の静電容量型センサの分解斜視図。
【図１１】第１実施形態と第２実施形態の磁気センサとしての感度を比較説明する図。
【図１２】静電容量型センサ出力の磁石に対する極性変化を説明する図。
【図１３】第３実施形態の静電容量型センサの断面図。
【図１４】第３実施形態の静電容量型センサの分解斜視図。
【図１５】第１実施形態の変形例の静電容量型センサの断面図。
【図１６】第１実施形態の変形例の静電容量型センサの分解斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。先行技術との対比によって本発明の実施形態の理解を容易にするため、各実施形態の静電容量型センサは図１に示す単一指向性エレクトレットコンデンサマイクロホン９００と類似の構成を採用している。なお、各実施形態において、図１に示す単一指向性エレクトレットコンデンサマイクロホン９００に含まれる構成要素と同じ構成要素には単一指向性エレクトレットコンデンサマイクロホン９００における当該構成要素の符号を割り当てて重複説明を省略する。よって、重複説明が省略された構成要素については図１に示す単一指向性エレクトレットコンデンサマイクロホン９００に関する説明を参照されたい。
【００２９】
《第１実施形態》
第１実施形態の静電容量型センサ１００（図３，４参照）は、磁性体５００を含んでいる点で、図１に示す単一指向性エレクトレットコンデンサマイクロホン９００と異なる。
【００３０】
図３，４に示す例では、磁性体５００は振動体である振動膜９０３の一方の面（つまり、振動膜リング９０２が接着されている面）に接着されている。磁性体５００の形状に特段の限定は無いが、振動膜９０３の強度と振動膜９０３の振動への影響と振動膜リング９０２の厚みなどを考慮して、薄い円形平板状の形状を有していることが好ましい。磁性体５００の径は、振動膜リング９０２の内径とスペーサ９０４の内径との関係で制限を受けない。例えば、磁性体５００の径が、振動膜リング９０２の内径とスペーサ９０４の内径のうち大きくない方よりも小さい場合には、振動膜９０３の一方の面（つまり、振動膜リング９０２が接着されている面）と振動膜９０３の他方の面（つまり、スペーサ９０４が配置されている面）のいずれかに磁性体５００を接着することができる（このため、図３，４に示す例では磁性体５００は振動膜９０３の一方の面に接着されている）。磁性体５００の径が、振動膜リング９０２の内径とスペーサ９０４の内径のうち大きい方よりも小さく且つ小さい方よりも大きい場合には、振動膜リング９０２とスペーサ９０４のうち大きい方の内径を持つ方が配置されている振動膜９０３の面に磁性体５００が接着される。磁性体５００の径が、振動膜リング９０２の内径とスペーサ９０４の内径のうち小さくない方よりも大きい場合には、例えば、スペーサ９０４が配置される方の振動膜９０３の面に磁性体５００が接着される。ただし、この場合、磁性体５００の縁部がスペーサ９０４の一方の面に接触するように、スペーサ９０４は振動膜９０３の後ろ側に配置されている。また、磁性体５００を正視した時（つまり、磁性体５００の面の法線方向で磁性体５００を見た時、換言すれば静電容量型センサ１００の前後方向で磁性体５００を見た時）、磁性体５００の中心と、振動膜リング９０２とスペーサ９０４のうち大きくない内径を持つ方の円形の貫通孔の中心とが一致するように、磁性体５００は振動膜９０３に固定されるのが好ましい（この例では、磁性体５００の中心はスペーサ９０４の中央貫通孔の中心に一致する）。このため、磁性体５００の存在によって振動膜９０３の振動が妨げられることはなく、また、磁性体５００は振動膜９０３に固定されているので、振動膜９０３と磁性体５００は一緒に振動する。なお、ここで“薄い”とは、振動膜リング９０２とスペーサ９０４のそれぞれの厚さが考慮されるものの、振動膜９０３が振動したときに、磁性体５００がカプセル９０１の底部（磁性体５００が振動膜９０３の一方の面に接着されている場合）あるいは第１背極板９０５（磁性体５００が振動膜９０３の他方の面に接着されている場合）と接触しないことを意味する。
【００３１】
磁性体５００は、外部磁場に対して高感度であって、交流磁場に対しても損失無く応答を得る観点から、保磁力が小さく透磁率が大きい性質を持つ軟質磁性体が望ましい。静電容量型センサ１００への適用に好ましい軟質磁性体としては、例えば、ファインメット（Fe（鉄）にSi（ケイ素）、B（ホウ素）、Cu（銅）、Nb（ニオブ）を添加した高温融液を急冷固化して得られたアモルファスを結晶化温度以上で熱処理して得られる微細な結晶粒径を持つナノ結晶軟磁性体である。“ファインメット”は日立金属株式会社の登録商標である）が挙げられる。
【００３２】
このような構成を持つ静電容量型センサ１００は、磁性体５００を含む以外は図１に示す単一指向性エレクトレットコンデンサマイクロホン９００と同じ構造を持つから音のセンサとして使用できることは勿論であり、音センサ（マイクロホン）以外に、振動センサとしても磁気センサとしても使用できる。つまり、外部振動が静電容量型センサ１００に加わると静電容量型トランスデューサの構成要素である振動膜９０３が振動し、この振動によって静電容量の変化が生じるので、マイクロホンと同じ原理によって外部振動の強度を検知できる。また、静電容量型センサ１００が磁場の中に置かれると磁性体５００の存在によって静電容量型トランスデューサの構成要素である振動膜９０３の偏移が生じ、この偏移によって静電容量の変化が生じるので、マイクロホンと同じ原理によって磁場の強度や方向を検知できる。なお、磁場は、静磁場でも交流磁場でもよい。
【００３３】
このような多機能センサである静電容量型センサ１００は、独立センサとして、或いは、コンビネーションセンサとして使用することができる。独立センサとして静電容量型センサ１００を使用する場合は、所望のセンサ以外のセンサ機能を発現しないための措置を講じるのが好ましい。例えば、静電容量型センサ１００を磁気センサとしてのみ使用したい場合には、静電容量型センサ１００の全ての音孔を塞ぎ、且つ、静電容量型センサ１００を振動しないように固定する措置が考えられる。また、静電容量型センサ１００をマイクロホンとしてのみ使用したい場合には、静電容量型センサ１００を磁気シールドで覆い、且つ、静電容量型センサ１００を振動しないように固定する措置が考えられる。また、静電容量型センサ１００を振動センサとしてのみ使用したい場合には、静電容量型センサ１００を磁気シールドで覆い、且つ、静電容量型センサ１００の全ての音孔を塞ぐ措置が考えられる。
【００３４】
コンビネーションセンサとして静電容量型センサ１００を使用する場合は、静電容量型トランスデューサの出力から各センサとしての検出値を分離する処理が必要になる。例えば、静電容量型センサ１００の全ての音孔を塞いで静電容量型センサ１００を使用すると、静電容量型センサ１００は振動センサ且つ磁気センサとして機能する。このため、静電容量型トランスデューサの出力には振動センサとしての検知信号と磁気センサとしての検知信号が重畳しえる（もちろん、このような使用方法であっても、例えば、外部磁場が存在しなければ、或いは、検出精度よりも十分に小さい外部磁場しか存在しなければ、静電容量型センサ１００は結果的に振動センサとしてのみ機能する）。したがって、静電容量型トランスデューサの出力から振動センサとしての検知信号と磁気センサとしての検知信号を分離して得なければならない。いずれか一方の情報が既知であればＦＴＴやコンパレータを用いて分離処理を実行可能である。このような分離処理は周知技術を用いて実現可能であるからその詳細な説明を省略する。
【００３５】
静電容量型センサ１００の構造は、磁性体５００を含んでいる点で、図１に示す単一指向性エレクトレットコンデンサマイクロホン９００の構造と異なるだけであるから、静電容量型センサ１００は生産容易な構造を持っている。また、静電容量型センサ１００はエレクトレットコンデンサマイクロホンと類似の構成を持っているため、エレクトレットコンデンサマイクロホンが持っている、小型である、振動体が軽くて動きやすい（例えば振動膜９０３の厚みは数μm程度である）、振動体に外部から直流電圧をかける必要がない、などの特徴も併せ持っている。
【００３６】
また、静電容量型センサ１００は、静電容量型センサ１００の用途に応じた種々の設計変更を容易に行える構造を持っている。
【００３７】
静電容量型センサ１００のマイクロホンとしての感度は次のような設計変更によって調整できる。例えば、面積の小さい及び／又は薄い磁性体５００を採用することによって、音波に対する振動膜９０３の振動が容易になり、静電容量型センサ１００は感度の良いマイクロホンとして機能することができる。また、第１背極板９０５が貫通孔９０５ａを持つことによって、空気粘性による振動膜９０３の振動抑制を低減することもできる。逆に、面積の大きい及び／又は厚い磁性体５００を採用することによって、音波に対して振動膜９０３が振動し難くなり、静電容量型センサ１００は制限された感度を持つマイクロホンとして機能することができる。もし、静電容量型センサ１００がマイクロホンとしての機能を持つ必要が無い場合には、前部音孔９０１ａと後部音孔９１１ａは不要である。
【００３８】
静電容量型センサ１００の振動センサとしての感度は次のような設計変更によって調整できる。例えば、塊状の磁性体５００を振動膜９０３の中心に配置することによって振動膜９０３の中心部位における慣性質量が大きくなるので、外部振動に対して振動膜９０３が振動し易くなり、静電容量型センサ１００は感度の良い振動センサとして機能することができる。逆に、薄くて面積の広い磁性体５００を振動膜９０３を広く覆うように配置することによって振動膜９０３の中心部位における慣性質量が大きくならないので、外部振動に対して振動膜９０３が振動し難くなり、静電容量型センサ１００は制限された感度を持つ振動センサとして機能することができる。
【００３９】
静電容量型センサ１００の磁気センサとしての感度は次のような設計変更によって調整できる。例えば、面積の小さい磁性体５００を採用することによって磁性体５００を横切る磁束が少なくなるので、磁場に対して振動膜９０３が偏移し難くなり、静電容量型センサ１００は制限された感度を持つ磁気センサとして機能することができる。逆に、面積の大きい磁性体５００を採用することによって磁性体５００を横切る磁束が多くなるので、磁場に対して振動膜９０３が偏移し易くなり、静電容量型センサ１００は感度の良い磁気センサとして機能することができる。
【００４０】
上述の説明から分かるように、用途に応じた設計変更は静電容量型センサ１００の各機能にトレードオフの関係を与える。例えば、面積の小さい磁性体５００の採用は、良好な感度を持つマイクロホン機能と制限された感度を持つ磁気センサ機能とを有する静電容量型センサ１００を実現する。
【００４１】
そこで、このようなトレードオフの関係の下での好ましい磁性体５００の面積について説明する。なお、図５〜図８に関する実験では、静電容量型センサ１００の変形例であり、無指向性コンデンサマイクロホンと類似する構成を持つ静電容量型センサ１００ａを用いた。静電容量型センサ１００ａについては後述する。
【００４２】
振動膜リング９０２と接触していない振動膜９０３の部位の面積（つまり、振動膜リング９０２の中央貫通孔の面積であり、さらに言い換えれば、振動膜リング９０２の内径で定まる円の面積である）をＳとして、磁性体５００の面積が1.1Ｓと0.06Ｓの各場合の静電容量型センサ１００ａの音響特性を図５に示す。また、磁性体５００の面積が1.1Ｓと0.06Ｓの各場合の静電容量型センサ１００ａの電磁石に対する応答特性を図６に示す。なお、磁性体５００の面積が1.1Ｓの場合は、磁性体５００は、振動膜９０３の他方の面（つまり、スペーサ９０４が配置されている面）に装着される。つまり、図示される各例とは異なり、静電容量型センサ１００ａは、スペーサ９０４の内径が振動膜リング９０２の内径よりも大きい構成（図示せず）を持つ。
【００４３】
図５から、（１）磁性体５００の面積が小さいほど感度のピークが鋭くなり静電容量型センサ１００ａをマイクロホンとして有効に使用できる帯域が狭くなる、（２）磁性体５００の面積が大きいほど感度が低下するものの静電容量型センサ１００ａをマイクロホンとして有効に使用できる帯域が広くなる、という傾向を理解できる。また、図６から、磁性体５００の面積が大きいほど磁場に対する応答特性が良好になる、という傾向を理解できる。
【００４４】
次に、磁性体５００の面積が0.7Ｓの場合の静電容量型センサ１００ａの音響特性を図７に示し、磁性体５００の面積が0.7Ｓの場合の静電容量型センサ１００ａの電磁石に対する応答特性を図８に示す。
【００４５】
図７，８から、磁性体５００の面積が0.7Ｓの場合の静電容量型センサ１００ａは、感度が良好でありながら有効使用帯域が十分に広いマイクロホン機能を有し、さらに、磁場に対して良好な応答特性を持つ磁気センサ機能を有することが分かる。
【００４６】
したがって、図５〜８から、マイクロホン機能と磁気センサ機能をバランス良く有する静電容量型センサ１００ａを実現するには、磁性体５００の面積は0.7Ｓ以上1.0Ｓ以下が好ましいと言える。
【００４７】
《第２実施形態》
第２実施形態の静電容量型センサ２００（図９，１０参照）は、さらに磁石６００を含んでいる点で、図３，４に示す静電容量型センサ１００と異なる。なお、第２実施形態では、第１実施形態と異なる点を主に説明するので、それ以外の事項については第１実施形態の説明の「静電容量型センサ１００」を「静電容量型センサ２００」に読み替えてここに適用する。
【００４８】
磁石６００はカプセル９０１の内部に固定されている。好ましくは、磁石６００は、カプセル９０１の内部にて静電容量型センサ２００の前後方向に位置する構成要素、例えば第２背極板９０７に接着剤などで固定されている。図９，１０に示す例では、磁石６００は、第２背極板９０７の貫通孔９０７ａを塞がないように、第２背極板９０７の後ろに配置されている。磁石６００の形状に特段の限定は無いが、カプセル９０１内部の部品との干渉などを考慮して、薄い平板状の形状を有していることが好ましい。また、磁性体５００を正視した時、磁石６００は、磁石６００の幾何学的中心（例えば、磁石６００が平板円状の形状を持つ場合には円の中心であり、磁石６００が平板矩形状の形状を持つ場合には対角線の交点である）と磁性体５００の幾何学的中心（例えば、磁性体５００が平板円状の形状を持つ場合には円の中心であり、磁性体５００が平板矩形状の形状を持つ場合には対角線の交点である）とがオーバーラップするように配置されるのが好ましい。
【００４９】
磁石６００は永久磁石または一時磁石である。一時磁石として電磁石を例示できる。磁石６００として電磁石を用いる場合にはコイル、鉄心、コイルへの通電をＯＮ／ＯＦＦ制御する回路などが必要になるがこれらの構成などは周知であるから説明を省略する。電磁石の磁束密度はコイルの電流によって調節できる。第１実施形態で述べたような静電容量型センサの用途に応じた感度設定は、静電容量型センサ２００ではコイルの電流を調節することによっても達成できる。
【００５０】
また、永久磁石としてフェライト磁石を例示できる。フェライト磁石はセラミックタイプでもよいしマグネットシートタイプでもよい。なお、小型の静電容量型センサ２００において磁束密度があまりに大きい永久磁石、例えばネオジム磁石を用いると、磁性体５００が貼り付けられている振動膜９０３が磁石６００によって強く吸引されてしまいセンサとしての感度が著しく低下してしまう場合や、永久磁石の磁場が被測定物に及び被測定物に悪影響を与える場合ある。よって、磁石６００の磁束密度は静電容量型センサ２００の使用目的などを考慮して選定されるのがよい。換言すれば、適切な磁束密度を持つ磁石６００を用いる限り、静電容量型センサ２００のマイクロホンとして機能にも振動センサとしての機能にも影響を与えることはなく、さらに、磁気センサとしての機能を向上させる。
【００５１】
つまり、磁石６００をカプセル９０１の内部に配置することによって、磁気センサとしての静電容量型センサ２００の感度が向上する。この理由は、静電容量型センサ２００の被測定物と磁石６００によって振動膜９０３に貼り付けられている磁性体５００を通過する磁束が増加し、振動膜９０３をより大きく偏移させるからである、と推察される。
【００５２】
図１１に、磁石６００としてマグネットシートタイプのフェライト磁石を用いた第２実施形態の静電容量型センサ２００と、比較例として第１実施形態の静電容量型センサ１００と、のそれぞれの磁場に対する感度試験を行った結果を示す。この試験では、swept sine waveで駆動した電磁石で外部磁場を形成した。
【００５３】
図１１にて、符号ａで示すデータは、外部磁場が無い場合（つまり、電磁石を駆動させない場合）の静電容量型センサ１００の試験結果であり、静電容量型センサ１００の暗騒音に対する感度を示している。符号ｂで示すデータは、電磁石で外部磁場を形成した場合の静電容量型センサ１００の試験結果であり、符号ｃで示すデータは、電磁石で外部磁場を形成した場合の静電容量型センサ２００の試験結果である。このように、静電容量型センサ２００の磁場に対する感度は、静電容量型センサ１００の磁場に対する感度と比較して、概ね３０ｄＢ向上している。
【００５４】
＜実施形態の用途例＞
既述のように、第１実施形態の静電容量型センサ１００と第２実施形態の静電容量型センサ２００はそれぞれ磁気センサとしての機能を持つ。このため、静電容量型センサ１００に磁石を近づけてから遠ざけると、静電容量型トランスデューサからの出力の極性は、図１２に示す符号ｍで示すデータのように反転する（図１２中、符号ｍで示すデータの負値電圧は静電容量型センサ１００に磁石を近づけた場合を示しており、符号ｍで示すデータの正値電圧は静電容量型センサ１００から磁石を遠ざけた場合を示している。また、図１２中、比較のため、１kHzの音波に対する静電容量型トランスデューサの出力も図示している）。このため、静電容量型トランスデューサからの出力の極性変化をＯＮとＯＦＦの切り替えのトリガーとすることによって静電容量型センサ１００をスイッチとして利用することもできる。なお、このことは静電容量型センサ１００に限らず静電容量型センサ２００にも妥当する。
【００５５】
《第３実施形態》
振動体である振動膜９０３に磁性体５００が取り付けられている構成（上述の各実施形態）と異なる構成を持つ第３実施形態を説明する。第３実施形態の静電容量型センサ３００（図１３，１４参照）は、振動膜９０３に替えて振動膜９０３ａを含み、磁性体５００を含まない。なお、第３実施形態では、第１実施形態と異なる点を主に説明するので、それ以外の事項については第１実施形態の説明の「静電容量型センサ１００」を「静電容量型センサ３００」に読み替えてここに適用する。
【００５６】
第３実施形態の静電容量型センサ３００では、第１実施形態と異なり、振動膜９０３ａ自体が磁性体または磁石で形成されている、あるいは、振動膜９０３ａ自体が磁性体または磁石である。このため、静電容量型センサ３００は磁性体５００を含まない。第３実施形態における振動膜９０３ａは、例えば、酸化鉄、コバルト、フェライトなどの粉末磁性体と樹脂などの結合剤を混合してこれを膜状に成形して得られる。第１背極板９０５のスペーサ９０４に向かい合う面にはエレクトレットが溶着されている。
【００５７】
第３実施形態の静電容量型センサ３００は、第２実施形態のように、さらに磁石６００を含み得る。磁石６００に関する説明は第２実施形態の説明と同じであるから、重複説明を省略する。
【００５８】
＜補記＞
上述の各実施形態の静電容量型センサはバックエレクトレットタイプの単一指向性コンデンサマイクロホンと類似する構成を持っているが、本発明の静電容量型センサは、フロントエレクトレットタイプやホイルエレクトレットタイプの指向性コンデンサマイクロホンと類似する構成を持っていてもよい。
また、本発明の静電容量型センサは、指向性コンデンサマイクロホンと類似する構成ではなく、無指向性コンデンサマイクロホンと類似する構成を持っていてもよい。無指向性コンデンサマイクロホンと類似する構成を持つ静電容量型センサの一例を図１５，１６に示す。図１５，１６に示す静電容量型センサ１００ａは、第１実施形態の変形例であり、後部音孔９１１ａを持たない点で第１実施形態の静電容量型センサ１００と異なる。図示しないが、後部音孔９１１ａを持たない点で第２実施形態の静電容量型センサ１００と異なる第２実施形態の変形例も本発明の実施形態の一例である。
また、本発明はカプセルの形状や大きさなどにも依存しない。
さらに、本発明は、インピーダンス変換器の種類や、回路基板上の回路パターンや、インピーダンス変換器と回路パターンとの接続などにも依存しない。
【００５９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、当業者にとって、本発明が本明細書中で説明された実施形態に限定されないことは明らかである。本発明は、特許請求の範囲の記載によって定まる本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく修正及び変更態様として実施され得る。本明細書の記載は、例示説明を目的とするものであり、特段の断りが無い限り、本発明に対して何ら制限的な意味を有しない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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