(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円形の振動板と背電極により形成されたエレクトレットコンデンサを有するコンデンサマイクロフォンにおいて、前記背電極は、前記振動板に臨んで円形の湾曲凹状部を有し、
前記湾曲凹状部は深さがその中央部で最大にされ半径方向外周縁に向かって深さが漸次減少され、
前記湾曲凹状部の最大深さ部分は前記振動板の最大振幅位置近傍であることを特徴とするコンデンサマイクロフォン。
【請求項２】
前記湾曲凹状部の最大深さ部分を１０μｍ〜１００μｍとしたことを特徴とする請求項１記載のコンデンサマイクロフォン。
【請求項３】
前記背電極は前記湾曲凹状部の外周縁部分に前記振動板に向かって突出した円周状突起を有することを特徴とする請求項２記載のコンデンサーマイクロフォン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は振動板と背電極により形成されたエレクトレットコンデンサを有するコンデンサマイクロフォンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
エレクトレットコンデンサを形成する振動板と背電極の間にギャップ成形するのに、従来は、例えば図４に例示されるように平らな背電極１と振動板２の間に薄いリング状のスペーサ３を介在させ、或は、図５に例示されるように背電極１に凸状の突起物４を１個から複数個設ける等の構成が採用されていた。図示は省略するが、前記突起物を背電極に１個から複数個設ける構成も採用されていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようのな従来構造では以下のような問題のあることを本発明者は見出した。
（１）狭いギャップが必要な場合、平らな背電極を使用すると振動板が吸引され振動板吸着不良を生じ易かった。
（２）スペーサを用いてギャップを形成する方法では、スペーサ自体にコストがかかる他、組立て工数も増えてしまう。
（３）背電極や振動板に凸状の突起物を設ける構造は、振動板にテンションをかけることになり、共振周波数が上がってしまい、尚かつ振動板の有効面積を減らすことになりマイクロフォン感度を上げるのが困難になる。
【０００４】
本発明の目的は、電極に与えられる電荷の吸引力によるエレクトレットコンデンサの両極（背電極、振動板）間吸着現象を解消することができるコンデンサマイクロフォンを提供することにある。
【０００５】
本発明の別の目的は、振動板と背電極の間にギャップ成形するのための部品を削減することができるコンデンサーマイクロフォンを提供することにある。
【０００６】
本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るコンデンサマイクロフォンは、振動板と背電極により形成されたエレクトレットコンデンサを備え、前記背電極は、前記振動板に臨んで湾曲凹状部を有し、前記湾曲凹状部の最大深さ部分が前記振動板の最大振幅位置近傍とされる。前記湾曲凹状部の湾曲面は例えば縦断面形状がサインカーブ、コサインカーブ又は円弧などであってよい。
【０００８】
上記より、前記振動板の最大振幅位置近傍を最大深さ部分とするように前記背電極を湾曲凹状に形成することにより、エレクトレットコンデンサ両極間（背電極、振動板）の吸引力を中心部分（振動板の最大振幅部分近傍）に集中させないようにすることができる。要するに、振動板の振幅が大きな部分ほど背電極と振動板のギャップが大きくされ、背電極、振動板間の吸着現象を解消し易くなる。換言すれば、振動板が最大限に吸引される中心部でも振動板吸着不良が発生し難くなる。更に、振動板の振幅が小さな部分ほど背電極と振動板のギャップが小さくされるから、蓄積電荷量が増え、コンデンサマイクロフォンの高感度化に寄与する。
【０００９】
前記湾曲凹状部の最大深さ部分は１０μｍ〜１００μｍとされる。この最大深さ部分の寸法範囲１０μｍ〜１００μｍは、成極電圧や感度等の通常要求される仕様や湿度や温度等の実使用上の変動要因などを考慮して検討した結果から得られたものである。
【００１０】
即ち、コンデンサーマイクロフォンの振動板と背電極に挟まれた空隙が図３に例示され、横軸は振動板に想定される変位、縦軸はその変位状態で振動板に作用してくる力の大きさ示している。そしてカーブＣ１は背電極によって作用される静電的吸引力、カーブＣ２は振動板のバネ定数による復元力を示す。このＣ１，Ｃ２の両曲線は常に２つの交点Ａ，Ｂで交わる。これらの交点では吸引力と復元力が相等しいので、振動板はこの点で平衡が保たれる。
【００１１】
平衡点Ａでは、振動板を平衡点Ａから原位置側（左側）に移動させると復元力より吸引力の方が大きくなり平衡点Ａに引き戻そうとする力がかかる。逆に振動板を背電極側（右側）に移動してみると復元力の方が大きくなるので、ここでも平衡点Ａに引き戻そうとする力がかかることになる。
【００１２】
それに対し平衡点Ｂでは、振動板を原位置側に移動させると復元力の方が大きくなり振動板はさらに原位置側に動こうとして平衡点Ｂには戻ろうとはしない。逆に背電極側に移動させると吸引力の方が大きくなり背電極に吸引され平衡点Ｂに戻らなくなる。これが振動板吸着不良である。
【００１３】
上記の事柄を数式化すると動作空隙長ｄ０を、次のようにして求めることができる。
【００１４】
ここに、両極間にかけられた偏極用直流電圧（成極電圧）Ｖ０によって振動板のところに発生される静電場の強さをＥ、電束をＤ、また空隙（ギャップ）の誘電率をε０、背電極面積をＳとすれば、振動板に作用してくる静電的吸引力Ｆ０は式（１）のように書かれる。
【００１５】
【数１】
0003914426.tif 000002
【００１６】
そして、この振動板が原位置から背電極に向かってΔｘだけ変位した状態で、ギャップ間距離をｄｉとすると、この電場の強さＥは式（２）のように与えられる。
【００１７】
【数２】
0003914426.tif 000003
【００１８】
従って、この位置で振動板が受ける吸引力Ｆ０は式（１）から、式（３）のようになる。
【００１９】
【数３】
0003914426.tif 000004
【００２０】
一方この状態で振動板に働く復元力は振動板のスチフネスをｓｄとして、ｓｄｘのように表せるから、平衡点Ａは上記式（３）とｓｄｘを等しいとして式（４）のように計算される。尚Δｘ／ｄｉ≪１の関係が満たされているものとする。
【００２１】
【数４】
0003914426.tif 000005
【００２２】
安定平衡点Ａまでの距離Δｘが式（４）のように知られたので、このコンデンサマイクロフォンの動作空隙長ｄ０は式（５）のように決定されることになる。
【００２３】
【数５】
0003914426.tif 000006
【００２４】
例として既存のエレクトレットコンデンサマイクロフォン（φ５．８×２ｍｍ）の動作空隙距離ｄ０を求める。式（４）の各々の値を、
ε０=８．８５５×１０−１２（F/m）、Ｓ=１３．２×１０−６（m２）、Ｖ０=−２００（V）、ｄｉ=２５×１０−６（m）、ｓｄ=９３９．７４（N/m）
とすると、平衡点Ａまでの距離Δｘは、
Δx=５．８４×１０−６
となり、５．８４×１０−６（m）と求められる。これにより、式（５）から動作空隙距離ｄ０は１９．１６×１０−６（m）となる。
【００２５】
動作空隙距離ｄ０は成極電圧Ｖ０やギャップ間距離ｄｉ等に応じて変わる。マイクロフォンの感度を上げる為に成極電圧Ｖ０を増加させ若しくはギャップ間距離ｄｉを更に狭め、或は温湿度が変化したりすると、安定平衡点Ａが不安定平衡点Ｂに近づき、前記のような振動板吸着現象の生じる可能性が高くなる。この為、背電極から安定平衡点Ａまでの距離を確実に保てるように考慮することが必要であり、本発明では、エレクトレットコンデンサマイクロフォンの実用的な大きさなどを考慮し、例えば、背電極の直径が１ｍｍ〜４０ｍｍのような範囲において、前記最大深さ部分の寸法を１０μｍ〜１００μｍの範囲の中から選べば良いという結論を見出した。
【００２６】
本発明の望ましい形態の一つとして、前記背電極に、前記湾曲凹状部の周縁部分に前記振動板とのギャップを形成する段差部を形成するとよい。この段差部は背電極と振動板の間のリング状スペーサの代わりになるから、コンデンサマイクロフォンの部品点数削減、組立て行程の簡素化に資することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図１には本発明に係るコンデンサマイクロフォン一例が断面にて示される。同図に示されるコンデンサマイクロフォン１０は、特に制限されないが、横断面円形のボタン型のマイクロフォン用ケーシング１１を有し、その筒内には、音波通過開口（一端開口部）１２に面してコンデンサの一極を成す振動板１３と、間隙をもって前記振動板１３の対極（コンデンサの他極）を成す背電極１４と、マイクロフォン用回路基板１６とが設けられている。前記振動板１３は、ポリエステルフィルムなどの誘電体膜の一面に金属膜が蒸着され、その金属膜が振動板リング１８に固定され、その誘電体面が背電極１４に面している。
【００２８】
前記背電極１４は、前記振動板１３に臨んで湾曲凹状部１４Ａを有し、前記湾曲凹状部１４Ａの最大深さ部分は前記振動板の最大振幅位置近傍とされる。この例では振動板１３は円形であり、図２例示されるようにその中心部が最大振幅位置とされる。前記湾曲凹状部１４Ａの最大深さ部分は１０μｍ〜１００μｍの範囲から選ばれた値が設定される。最大深さ部分の寸法決定に際しては、ギャップ間距離ｄｉに対して動作空隙長ｄ０が例えば７０％以上というように比較的大きくなるようにされる。当然最大深さ部分の寸法を決定するときは湿度や温度によって振動板のテンションが低下する場合を想定することが望ましく、数１０％程度の余裕を持つことが望ましい。例えば前記φ５．８×２mmの外形寸法を有する具体例に係るコンデンサマイクロフォンの場合には、湾曲凹状部１４Ａの深さ寸法を２５μｍとし、その湾曲形状を縦断面で円弧形状とする。
【００２９】
前記背電極１４は前記湾曲凹状部１４Ａの周縁部分に前記振動板とのギャップを形成する段差部１４Ｂを有する。この段差部１４Ｂは背電極１４と振動板１３の間のリング状スペーサの代わりになり、振動板１３の周縁部分においても背電極１４との間に最低限のギャップが形成され、その部分も有効なコンデンサとして機能することができる。したがって、単体部品としてのリング状スペーサは不要になる。
【００３０】
前記背電極１４は、絶縁性リング１９の内側段差部分に概略同心状態に嵌合固定される。絶縁性リング１９の内側には導電性接続リング２０が挿入され、導電性接続リング２０はマイクロフォン用回路基板１６及び背電極１４に接する。前記ケーシング１１の他端開口部２１は内側に折り曲げられ、折り曲げられた周縁部が前記マイクロフォン用回路基板１６を導電性接続リング２０に向けて押圧固定している。要するに、前記マイクロフォン用回路基板１６のか締め付けにより導電性接続リング２０が背電極１４に押圧される。
【００３１】
前記振動板１３と背電極１４はエレクトレットコンデンサを構成して、電気音響変換を行なう。前記マイクロフォン用回路基板１６は、そのエレクトレットコンデンサに臨む一面に、出力インピーダンス変換に利用される電界効果トランジスタなどの回路素子２２が搭載される。前記マイクロフォン用回路基板１６の他面にはインピーダンス変換された電気音響信号を出力する外部接続電極（図示せず）が形成されている。
【００３２】
前記背電極１４とマイクロフォン用回路基板１６上の所定の導電パターンとの接続は前記導電性接続リング２０を介して行われる。前記振動板１３の金属膜とマイクロフォン用回路基板１６上の所定の導電パターンとの接続は前記振動板リング１８からケーシング１１の周面を通ってその周端縁部のか締め付け部分に至る経路で行われる。前記マイクロフォン用回路基板１６の表裏面に形成された導電パターンは、前記背電極１４及び振動板１３に前記回路素子２２を接続し、前記回路素子２５を前記外部接続電極に接続する。
【００３３】
上記コンデンサマイクロフォン１０によれば、前記振動板の最大振幅位置近傍を最大深さ部分とするように前記背電極１４を湾曲凹状に形成するから、振動板１３の振幅が大きな部分ほど背電極１４と振動板１３のギャップが大きくされ、背電極１４・振動板１３間の吸着現象を解消し易くなる。換言すれば、振動板１３が最大限に吸引される中心部でも振動板吸着不良が発生し難くなる。更に、振動板１３の振幅が小さな部分ほど背電極１４と振動板１３のギャップが小さくされるから、蓄積電荷量が増え、コンデンサマイクロフォン１０は高感度化される。更に、前記背電極１４は前記湾曲凹状部１４Ａの周縁部分に前記振動板１３とのギャップを形成する段差部１４Ｂを有するから、背電極１４と振動板１３の間に単体部品としてのリング状スペーサを設けなくても良く、コンデンサマイクロフォン１０の部品点数削減、組立て行程の簡素化を実現することができる。
【００３４】
以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。
【００３５】
例えば、コンデンサマイクロフォンの具体的な構造は図２の断面構造に限定されず適宜変更可能である。尚、図１において前期湾曲凹上部１４Ａの深さは実際の寸法に比べて強調して図示してあり、実際の寸法は明細書記載の通りである。
【００３６】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記の通りである。
【００３７】
すなわち、振動板の最大振幅する部分に合わせ背電極に湾曲凹状部分を形成したから振動板吸着不良を解消することが容易になる。背電極の湾曲凹状部分の外周縁に段差部を設けることにより単体部品としてのスペーサの部品数を減らすことができ組立て工程も簡略化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るコンデンサーマイクロフォンの縦断面図である。
【図２】振動板最大振幅位置の説明図である。
【図３】コンデンサーマイクロフォンの振動板と背電極に挟まれた空隙における振動板の想定変位とその変位状態にいて振動板に作用する力の関係を示す説明図である。
【図４】振動板と背電極とのギャップを単体部品としてのリング状スペーサで形成する従来構造を例示する断面図である。
【図５】振動板と背電極とのギャップを凸状の突起物により形成する従来構造を例示する断面図である。
【符号の説明】
１０  コンデンサマイクロフォン
１１  マイクロフォン用ケーシング
１３  振動板
１４  背電極
１４Ａ  湾曲凹状部
１４Ｂ  段差部
１６  マイクロフォン用回路基板
１９  絶縁性リング
２０  導電性接続リング
【図１】
0003914426.tif 000007
【図２】
0003914426.tif 000008
【図３】
0003914426.tif 000009
【図４】
0003914426.tif 000010
【図５】
0003914426.tif 000011