(57)【要約】【課題】マイクロホンの２電極間の電位を、組みあがった状態で、かつ、非破壊で測定することを可能とすること。【解決手段】エレクトレットコンデンサ３００における固定極３０２と振動板３０６に、バイアス電圧発生器５００を接続して掃引バイアス電圧を印加し、同時に、インピーダンス測定器６００によって両極間のインピーダンスを測定し、そのインピーダンス測定値が最低値となるバイアス電圧値、あるいは、インピーダンス値が急激に変化する２つのバイアス電圧値の平均値の電圧値を求め、これによって両極間の電位を同定する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動板と、この振動板に対向して配置される固定極とを備え、かつ、前記振動板および固定極のいずれかがエレクトレット化されたエレクトレット材であるエレクトレットコンデンサの両極間電位の測定方法であって、
前記振動板と前記固定極との間にバイアス電圧を掃引印加しながら、前記振動板と前記固定極との間のインピーダンス値を測定する第１のステップと、
その測定されたインピーダンス値と前記バイアス電圧値との関係に基づいて、前記振動板と前記固定極との間の電位を同定する第２のステップと、
を含むことを特徴とする、エレクトレットコンデンサの両極間電位の測定方法。
【請求項２】
請求項１記載のエレクトレットコンデンサの両極間の電位測定方法であって、
前記第２のステップにおいて、前記インピーダンス値が最小となるときのバイアス電圧値をもって両極間の電位とすることを特徴とする、エレクトレットコンデンサの両極間電位の測定方法。
【請求項３】
請求項１記載のエレクトレットコンデンサの両極間の電位測定方法であって、
前記第２のステップにおいて、前記インピーダンス値が急激に変化する２つの電圧値を求め、この２つの電圧値の平均電圧値を算出し、その平均電圧値をもって両極間の電位とすることを特徴とする、エレクトレットコンデンサの両極間電位の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エレクトレットコンデンサの両極間電位の測定方法に関し、特に、エレクトレットコンデンサが組み立てられた状態で、両極間の電位を非破壊で測定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１は、エレクトレットコンデンサマイクロホン（振動板、スペーサおよび背極にて形成される機械式のマイクロホン）の構造の一例を説明するための断面図であり、（ａ）は、エレクトレットコンデンサマイクロホンの構造を示す断面図、（ｂ）は、エレクトレットコンデンサマイクロホンに接続される電子部品の断面図である。
【０００３】
図１（ａ）に示されるように、エレクトレットコンデンサマイクロホンは、金属のケース１０１の前面に前面板１０１aが一体に形成され、前面板１０１ａに音孔１０７が形成され、前面板１０１ａの内面の周縁部に金属製の振動板リング１０２が対接されるとともに電気的に接続され、その振動板リング１０２の前面板と反対の面に振動膜１０３が貼り付けられている。そのフィルムの一面に金属が蒸着され、その蒸着膜が振動板リング１０２に接して取り付けられている。
【０００４】
その振動膜１０３にスペーサ１０４を介して、背極１０５に近接対向され、背極１０５は筒状の背極保持体１０６の前面に保持されている。背極保持体１０６の内部で構成される背室１１０内にインピーダンス変換用IC素子１０９が配され、そのIC素子の入力端子１０９aは背極と接続され、出力端子１０９ｂはケースの背面から突出され、ケースの背面を塞ぐ配線基板１０８の配線に接続される。配線基板１０８の背面にケースの後方端子部が折り曲げられて、内部の各部が前面板１０１ａに押し付けられて全体が固定される。
【０００５】
背極１１０には、FEP等のエレクトレット材が融着されており、そのエレクトレット材をエレクトレット化することにより、背極-振動膜間に電位Vgが発生する。なお、参照符号１２０は接続用部品であり、参照符号１２０ａはバネ接点であり、参照符号１２０ｂは接続用部品筐体であり、参照符号１２１は、ゴムブッシュである。
【０００６】
図１（ａ）のマイクロホンに音信号が入力されると、振動板およびスペーサおよび背極で形成されたコンデンサの容量が変化し、電圧信号としてインピーダンス変換用IC素子１０９に入力され、インピーダンス変換された電気信号が、出力端子１０９ｂを介して出力される。インピーダンス変換用IC１０９から出力された信号は、スルーホール１１１を介して配線パターンに出力される。
ここで、マイクロホン感度は、背極（１０９）−振動膜（１０３）間の電位Vgに比例するため、両極間電位Vgの測定技術は、安定したVgを供給するために必要な技術となり、したがって、精密でばらつきの少ない感度のエレクトレットマイクロホンの製造のための、重要技術となっている。
従来のVgの測定方法としては、特許文献１に示すように、Vgを測定する代わりに、背極１０５の表面電位を測定するのが一般的であり、マイクロホン作成時には、背極の表面電位を制御することによって、所望の感度のマイクロホンを作成していた。
【０００７】
また、近年、ＭＥＭＳ（微小電気機械システム）技術を用いてシリコン基板を加工することによって形成されるエレクトレットコンデンサマイクロホンも登場している（例えば、特許文献２参照）。
【０００８】
図２は、シリコン基板を加工することによって形成された音響トランスデューサを搭載したマイクロホンの断面構造を示す図である。
【０００９】
図２において、配線基板４０４上に音響トランスデューサ３００と、インピーダンス変換ＩＣ２００が実装されている。参照符号４００はケース、参照符号４０２はケース側面板である。
【００１０】
インピーダンス変換ＩＣ２００は、信号出力端子２０４ａと信号入力端子２０４ｂを備え、各端子２０４ａ，２０４ｂは、例えば、半田２０２により配線基板４０４上の配線パターンに接続されている。
【００１１】
また、音響変換トランスデューサ３００は、シリコン基板３００と、空孔（音孔）３０４が設けられた第１電極（例えば、シリコンからなる）３０２と、第２電極（例えば、シリコン酸化膜からなる）３０７と、を備え、第１電極３０２と第２電極３０７は、所定のエアギャップ３０６を隔てて対向して設けられている。参照符号３０８は、エアギャップを形成するスペーサ（例えば、金属からなる）であり、参照符号３０９はボンディングワイヤである。
【００１２】
また、配線基板４０４には、スルーホール３１２ａ，３１２ｂが設けられている。配線基板４０４の裏面には、グランド配線パターン３１４ａと信号配線パターン３１４ｂが形成されている。
【００１３】
図２に示されるような、ＭＥＭＳ技術を用いて製造されるエレクトレットコンデンサマイクロホンは、例えば、特許文献２に記載されている。
【特許文献１】特開平６-３１３７８２号公報（第５頁、第１図）
【特許文献２】特開平２００５−１８３４３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、特許文献１に記載される従来の表面電位測定方法においては、マイクロホンが組みあがった状態での測定は不可能である。
さらに、図２に示されるような、半導体製造プロセスにより作成された音響トランスデューサ（音響−電気変換素子）を搭載したエレクトレットコンデンサマイクロホンでは、例えば、第２電極にエレクトレット材を用いた場合は、第２電極（例えば、シリコン酸化膜）に印加された表面電位を測定する際、シリコンからなる第１電極が障害物となってしまい、非破壊でかつ正確に表面電位測定することは難しくなり、同様に、第１電極をエレクトレット材とした場合でも、こんどは第２電極が障害物となり、したがって、非破壊でかつ正確に表面電位測定することは難しい。
【００１５】
本発明は、前記実情に基づいてなされたものであり、その目的は、エレクトレットコンデンサの２極間の電位を、エレクトレットコンデンサが組みあがった状態で、かつ、非破壊で測定することを可能とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明のエレクトレットコンデンサの両極間電位の測定方法は、振動板と、この振動板に対向して配置される固定極とを備え、かつ、前記振動板および固定極のいずれかがエレクトレット化されたエレクトレット材であるエレクトレットコンデンサの両極間電位の測定方法であって、前記振動板と前記固定極との間にバイアス電圧を掃引印加しながら、前記振動板と前記固定極との間のインピーダンス値を測定する第１のステップと、その測定されたインピーダンス値と前記バイアス電圧値との関係に基づいて、前記振動板と前記固定極との間の電位を同定する第２のステップと、を含む。
【００１７】
組み立てられた状態のエレクトレットコンデンサの両極にバイアス電圧を印加し、その電圧値を線形的に変化させると、それに伴って両極間のインピーダンスが変化する。ここで、エレクトレットコンデンサの一極は、エレクトレット材（永久的電気分極をもつ素材）からなっているため、両極間に電位Vgが生じているため、そのインピーダンスの変化の挙動は、一極がエレクトレット化されていないときと比べて異なるものとなる。そのインピーダンスの変動の挙動は、エレクトレット化により生じた電位Vgと密接に関連するため、測定されたインピーダンス値と、そのとき印加されているバイアス電圧値との関係に基づいて、両極間（すなわち、振動板と固定極との間）の電位を同定することが可能となる。
【００１８】
また、本発明のエレクトレットコンデンサの両極間の電位測定方法の一態様では、前記第２のステップにおいて、前記インピーダンス値が最小となるときのバイアス電圧値をもって両極間の電位とする。
【００１９】
２極間の電圧が大きくなると、その静電引力により、振動板が固定極へと近づくため、測定されるインピーダンスが大きくなり、固定極がエレクトレット化されていない場合においては、バイアス電圧が０Vの場合に、インピーダンス値が最小値となるが、固定極がエレクトレット化されて場合においては、バイアス電圧が０Vの場合、すでにエレクトレット化により得られている電位Vgにより静電引力が発生しているため、インピーダンス値が最低値とならない。一方で、バイアス電圧がVgと正負逆の-Vgであるときに、バイアス電圧とVgが打ち消しあい、２極間電圧が０Vとなるため、インピーダンス値が最低値となる。このような原理を利用し、固定極がエレクトレット化済みの２極間のインピーダンスを掃引電圧を印加しながら測定し、インピーダンスが最小値となるときのバイアス電圧（最低電圧値）を求めることによって、組み上がった状態のエレクトレットコンデンサの２極間電位を、非破壊で測定することができる。したがって、マイクロホンが組み上がった状態におけるエレクトレット材の帯電量を精度良く求めることができる。
【００２０】
また、本発明のエレクトレットコンデンサの両極間の電位測定方法の他の態様では、前記第２のステップにおいて、前記インピーダンス値が急激に変化する２つの電圧値を求め、この２つの電圧値の平均電圧値を算出し、その平均電圧値をもって両極間の電位とする。
【００２１】
振動板−固定極間に、掃引バイアス電圧により特性が変化する材料が存在する場合（あるいは、帯電量を測定しようとする極の対向極がそのような材料で構成されている場合）、その材料の特性が重なったインピーダンス−バイアス特性となってしまい、インピーダンス値が最低の場合に静電引力が０になるとは限らない。本態様の測定方法は、このような場合にも適用可能な方法である。すなわち、２極間電圧が大きくなると、その静電引力により、振動膜が固定極へと近づき、ついには接触する。振動膜と固定極が接触する場合のバイアス電圧をVｔ+およびVｔ-とした場合、Vｔ+およびVｔ-の前後では、振動膜と固定極の接触により、インピーダンスの値が急激に変化する。Vt＋時は、振動膜と固定極がプラス電圧により接触しており、反対にVt-部は、振動膜と固定極がマイナス電圧により接触している状態であり、Vt+およびVt-における静電引力は同値である。したがって、Vt+とVt-の平均値Vcにおける静電引力は０であり、したがってその時に２極間の電圧は０Vとなると推定することができる。２極間の電位が０になるということは、バイアス電圧が両極間電位Vgと正負逆の-Vgとなっているということであるから、この原理を適用すれば、両極間の電位が０Ｖになると推定されるVc（＝Vt+とVt-の平均値）は、すなわち、両極間に介在する材料のインピーダンス変化の影響がある状況下における、両極間の電位そのものを表していることになる。このようにして、エレクトレットコンデンサの両極間電位を、非破壊で測定することができる。したがって、マイクロホンが組み上がった状態におけるエレクトレット材の帯電量を精度良く求めることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の電位測定によれば、マイクロホンに組みあがった状態でのエレクトレットコンデンサの２極間電位を、非破壊で測定することができる。
【００２３】
したがって、マイクロホンが組み上がった状態におけるエレクトレット材の帯電量を精度良く求めることができ、これによって、エレクトレット化時の最適な条件出しや製造プロセス条件を最適化することが可能となる。
【００２４】
したがって、精密でばらつきの少ない高感度のエレクトレットコンデンサマイクロホンの製造が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
（実施の形態１）
図３は、本発明の実施の形態におけるインピーダンス測定方法を実施するための基本構成を示す図である。
【００２６】
図示されるように、エレクトレット化済みの第１電極（固定極）３０２と第２電極（振動膜）３０６とにより構成されたエレクトレットコンデンサ３００の両極に対し、掃引バイアス電圧発生器５００を接続してバイアス電圧Vbを掃引印加し、同時に、インピーダンス測定器６００によって２極間のインピーダンスを測定する。
図４は、本発明の実施の形態におけるインピーダンス測定により得られるインピーダンス−バイアス電圧特性の一例を示す図である。
【００２７】
ここで、特性線Ｌ１は、固定極がエレクトレットされていない場合のインピーダンスーバイアス電圧特性であり、特性線Ｌ２は、固定極がエレクトレット化されている場合のインピーダンス−バイアス電圧特性である。
ここで、２極間の電圧が大きくなると、その静電引力により、振動膜３０６が固定極３０２へと近づくため、測定されるインピーダンスが大きくなる。そのため、固定極がエレクトレット化されていない場合においては、バイアス電圧が０Vの場合に、インピーダンス値が最小値となる。
【００２８】
これに対し、固定極３０６がエレクトレット化されて場合においては、バイアス電圧が０Vの場合、すでにエレクトレット化により得られている電位Vgにより、静電引力が発生しているため、インピーダンス値が最低値とならない。一方で、バイアス電圧がVgと正負逆の-Vgであるときに、バイアス電圧とVgが打ち消しあい、２極間電圧が０Vとなるため、インピーダンス値が最低値となる。
上記のような原理を利用し、固定極３０２がエレクトレット化済みの２極間のインピーダンスを、掃引電圧を印加しながら測定し、インピーダンスが最小値となるときのバイアス電圧、最低電圧値を求めることでエレクトレットによる２極間電位を測定することができる。
本発明によって、マイクロホンに組みあがった状態での２極間電位を、非破壊で測定することができる。
なお、従来の表面電位計での測定においては、固定極３０２に穴が存在する場合や、サンプルが極端に小さい場合、測定位置のズレにより測定誤差が発生し、正確に表面電位を測定することが難しかったが、本発明の電位測定方法によれば、そのような誤差がなく測定することが可能となる。
（実施の形態２）
【００２９】
半導体プロセスにより作成された音響トランスデューサ（図２）を使用したエレクトレットコンデンサマイクロホンの場合、２極間に半導体材料が存在する（あるいは、帯電量を測定しようとする極の対向極が半導体材料で構成されている）構造であるため、掃引電圧により、２極間インピーダンスだけでなく、半導体材料のインピーダンスも変化してしまうため、その両者の特性が重なったインピーダンス−バイアス電圧特性となる。このような特性を示す場合には、バイアス電圧の最小値近辺に半導体の特性が重なってしまい、インピーダンス値が最低の場合に、静電引力が０となるとは限らない。
【００３０】
このような半導体プロセスにより作成された音響トランスデューサのエレクトレットによる２極間電位を測定するには、実施の形態１の測定方法は利用できない。本実施形態では、このような場合にも適用可能な２極間電位の測定方法について説明する。
【００３１】
図５は、本発明の実施の形態におけるインピーダンス測定により得られるインピーダンス−バイアス電圧特性の一例を示す図である。ここで、特性線Ｌ３は、半導体プロセスにより作成された音響トランスデューサを使用したマイクロホンの場合の、２極間のインピーダンス−バイアス電圧特性を示している。
【００３２】
ここで、２極間電圧が大きくなると、その静電引力により、振動膜が背極へと近づき、ついには接触する。振動膜と背極が接触する場合のバイアス電圧をVｔ+およびVｔ-とした場合、Vｔ+およびVｔ-の前後では、振動膜と背極の接触により、インピーダンスの値が急激に変化する。
【００３３】
Vt＋時は、振動膜と背極が＋電圧により接触しており、反対にVt-部は、振動膜と背極がー電圧により接触している状態であり、Vt+およびVt-における静電引力は同値である。したがって、Vt+とVt-の平均値Vcにおける静電引力は０であり、したがってその時に２極間の電圧は０Vとなると推定することができる。
【００３４】
実施の形態１で説明したとおり、２極間の電位が０になるということは、バイアス電圧が両極間電位Vgと正負逆の-Vgとなっているということであるから、この原理を適用すれば、両極間の電位が０Ｖになると推定されるVc（＝Vt+とVt-の平均値）は、すなわち、半導体材料の影響がある状況下における両極間の電位そのものを表していることになる。このようにして、エレクトレットコンデンサを構成する２極間の電位を高精度に同定することができる。
【００３５】
先に説明したように、半導体プロセスにより作成された音響トランスデューサを使用したマイクロホンであって、特にその半導体プロセスがサーフィスマイクロマシニングである場合、特にスペーサを半導体で形成する構造をとらざるを得ない場合が多いため、掃引電圧により、２極間インピーダンスだけでなく、半導体のインピーダンスも変化してしまうことになり、その両者の特性が重なったインピーダンスーバイアス電圧特性となり、図５の特性線Ｌ３に示すように、最小値近辺に半導体の特性が重なってしまい、インピーダンス値が最低の場合に、静電引力が０となるとは限らない。
【００３６】
したがって、このような半導体プロセスにより作成された音響トランスデューサのエレクトレットによる２極間電位を測定するには、実施の形態１の測定方法は利用できず、実施の形態２の測定方法が有効となる。本実施の形態によれば、半導体プロセスにより作成された音響トランスデューサの２極間電位を非破壊で測定することができる。
【００３７】
なお、本実施の形態は、半導体プロセスにより作成された音響トランスデューサのみならず、振動板−固定極間に、掃引電圧により特性の変化する材料が存在する場合、すべてに有効な測定方法となる。
【００３８】
以上説明したように本発明によれば、マイクロホンに組みあがった状態でのエレクトレットコンデンサの２極間電位を、非破壊で測定することができる。
【００３９】
したがって、マイクロホンが組み上がった状態におけるエレクトレット材の帯電量を精度良く求めることができ、これによって、エレクトレット化時の最適な条件出しや製造プロセス条件を最適化することが可能となる。
【００４０】
したがって、精密でばらつきの少ない高感度のエレクトレットコンデンサマイクロホンの製造が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、マイクロホンに組み上がった状態でのエレクトレットコンデンサの２極間電位を非破壊で測定することを可能とするという効果を奏し、したがって、エレクトレットコンデンサの両極間電位の測定方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】エレクトレットコンデンサマイクロホン（振動板、スペーサおよび背極にて形成される機械式のマイクロホン）の構造の一例を説明するための断面図であり、（ａ）は、エレクトレットコンデンサマイクロホンの構造を示す断面図、（ｂ）は、エレクトレットコンデンサマイクロホンに接続される電子部品の断面図
【図２】シリコン基板を加工することによって形成された音響トランスデューサを搭載したマイクロホンの断面構造を示す図
【図３】本発明の実施の形態におけるインピーダンス測定方法を実施するための基本構成を示す図
【図４】本発明の実施の形態におけるインピーダンス測定により得られるインピーダンス−バイアス電圧特性の一例を示す図
【図５】本発明の実施の形態におけるインピーダンス測定により得られるインピーダンス−バイアス電圧特性の一例を示す図
【符号の説明】
【００４３】
１０１  ケース
１０１ａ  前面板
１０２  振動板リング
１０３  振動膜
１０４  スペーサ
１０５  背極
１０６  背極保持体
１０７  音孔
１０８  配線基板
１０９  インピーダンス変換用ＩＣ
１０９ａ  インピーダンス変換用ＩＣの入力端子
１０９ｂ  インピーダンス変換用ＩＣの出力端子
１１０  背室
１１１  スルーホール
１２０  接続用部品
１２０ａ  バネ接点
１２０ｂ  接続用部品筐体
１２１  ゴムブッシュ
１３０  実装対象部品
１３０ａ  接続用部品の入力端子
２００  インピーダンス変換用ＩＣ
２０２  半田
２０４ａ  インピーダンス変換用ＩＣの入力端子
２０４ｂ  インピーダンス変換用ＩＣの出力端子
３００  エレクトレットコンデンサ（組み上がった状態）
３０２  第一電極
３０４  空孔（音孔）
３０６  エアギャップ
３０７  第二電極
３０８  スペーサを兼ねる接合材
３０９  ボデンィングワイヤ
３１０  シリコン基板
３１２ａ，３１２ｂ  スルーホール
３１４ａ  グランド配線パターン
３１４ｂ  信号配線パターン
４００  ケース
４０２  ケース側面板
４０４  配線基板
５００  掃引電圧印加装置
６００  インピーダンス測定装置
【図１】
2008026059.tif 000003
【図２】
2008026059.tif 000004
【図３】
2008026059.tif 000005
【図４】
2008026059.tif 000006
【図５】
2008026059.tif 000007