JP2003174696A - コンデンサマイクロフォン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 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
ーマイクロフォンを提供する。 【解決手段】 振動板（１３）と背電極（１４）により
形成されたエレクトレットコンデンサを備え、背電極
は、振動板に臨んで湾曲凹状部（１４Ａ）を有し、前記
湾曲凹状部の最大深さ部分を振動板の最大振幅位置近傍
とする。前記振動板の最大振幅位置近傍を最大深さ部分
とするように背電極を湾曲凹状に形成するから、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。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。前記湾曲凹
状部の最大深さ部分は１０μｍ〜１００μｍとされる。

Description

【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１
０μｍ〜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，Ｃ
２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ｄ_０
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）Ｖ_０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ε_０、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Ｆ_０は式（１）のように書かれ
る。

【００１５】

【数１】

【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ｄ
_ｉ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】

【００１８】従って、この位置で振動板が受ける吸引力
Ｆ_０は式（１）から、式（３）のようになる。

【００１９】

【数３】

【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ｓ_ｄとして、ｓ_ｄｘのように表せるか
ら、平衡点Ａは上記式（３）とｓ_ｄｘを等しいとして式
（４）のように計算される。尚Δｘ／ｄ_ｉ≪１の関係が
満たされているものとする。

【００２１】

【数４】

【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ｄ_０は式（５）のように決定されることにな
る。

【００２３】

【数５】

【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ｄ
_０を求める。式（４）の各々の値を、 ε_０=８．８５５×１０^−１２（F/m）、Ｓ=１３．２×
１０^−６（m^２）、Ｖ_０=−２００（V）、ｄ_ｉ=２５×１
０^−６（m）、ｓ_ｄ=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ｄ_０は１９．１６×
１０^−６（m）となる。

【００２５】動作空隙距離ｄ_０は成極電圧Ｖ_０やギャッ
プ間距離ｄ_ｉ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Ｖ_０を増加させ若しくはギャップ
間距離ｄ_ｉ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１０
μｍ〜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ｄ_ｉに対して動作空隙長ｄ
_０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１
４Ｂ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１
３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１
１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１
３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

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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湾曲凹状
   部を有し、前記湾曲凹状部の最大深さ部分を前記振動板
   の最大振幅位置近傍としたとことを特徴とするコンデン
   サマイクロフォン。
2. 【請求項２】 前記湾曲凹状部の最大深さ部分を１０μ
   ｍ〜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。
3. 【請求項３】 前記背電極は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。