(57)【特許請求の範囲】
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【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
【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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