JP2010283595A - マイクロホン - Google Patents

Abstract

【課題】機械振動による振動雑音を抑圧でき、品質の良い集音信号を出力するマイクロホンを提供する。
【解決手段】可動電極である第１の電極１０１，１１１及び第１の電極１０１，１１１に対向して配置された第２の電極１０２，１１２を、それぞれ具備した第１の容量部Ｍ１及び第２の容量部Ｍ２と、第１の容量部Ｍ１の第１の電極１１１からの信号及び第２の容量部Ｍ２の第２の電極１１２からの信号を増幅する第１の増幅器２０１と、第１の容量部Ｍ１の第２の電極１０２からの信号及び第２の容量部２０２の第１の電極１１１からの信号を増幅する第２の増幅器２０２を有することを特徴とするマイクロホンを提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、コンデンサマイクロホンに係り、特に機械振動による振動雑音を抑圧しようとするものである。また、容量部を構成する２つの対向する電極に発生する電荷を有効に利用するコンデンサマイクロホンに関する。

コンデンサマイクロホンを構成する容量部は、静電エネルギーを仲介として、容量部に配置された対向電極の振動や振れに基づいて電気信号を出力するセンサーである。コンデンサマイクロホン以外にも、容量部を備えるセンサーとして、圧力センサー及び加速度センサーなどがある。コンデンサマイクロホン及び圧力センサーは、対向電極の振動を感知するセンサーであり、加速度センサーは、振れを感知するセンサーである。

コンデンサマイクロホンにおいて、会話を集音する時のセンサーの出力信号は、３ｍＶ〜１０ｍＶ程度であり、極めて微弱な信号である。一方、振動膜は有限の質量を持っているため、外来機械振動により振動膜に外力が加わって振動膜が振動する。このような外来機械振動による振動雑音信号が集音信号に入り混じると、集音信号は微弱であるため、信号品質が悪化する。

一方、従来技術を参照すると、特許文献１には、弾性を有するゴムを介してマイクロホンを基板に取り付けることで、外来振動がマイクロホンに伝達することを抑制する技術が開示されている。

また、特許文献２には、２個のコンデンサマイク素子をパッケージ内に配置することにより、マイクに衝撃を与えたときの衝撃音を抑制する技術が開示されている。

特開平９−２１５０８１号公報 特開２００８−２２７６５２号公報

携帯通信端末、ムービー、デジタルカメラ等において、振動雑音の低減の需要が高まっている。これらの機器は小型化が急速に進んでおり、使用される部品にも小型化が求められている。以上のような要請から、外来機械振動による振動雑音による集音信号への影響を低減し、小型化が可能なコンデンサマイクロホンを提供することを本発明の目的とする。

本発明のマイクロホンは、可動電極である第１の電極及び第１の電極に対向して配置された第２の電極を、それぞれ具備した第１の容量部及び第２の容量部と、第１の容量部の第１の電極からの信号及び第２の容量部の第２の電極からの信号を増幅する第１の増幅器と、第１の容量部の第２の電極からの信号及び第２の容量部の第１の電極からの信号を増幅する第２の増幅器を有している。

本発明のマイクロホンの第１の容量部においては、可動電極である第１の電極が第１の増幅器に接続し、第１の電極に対向する第２の電極が第２の増幅器に接続している。その結果、音波や振動による可動電極（振動電極）の動きに対して、各電極には相補の信号が得られることになり、各電極の電荷、電圧などの信号は逆位相となる。そして、増幅された信号も同様に逆位相となり、両電極上の発生電荷を有効に利用できる（特願２００８−３２８４９２を参照）。

また、本発明のマイクロホンの第２の容量部においては、可動電極である第１の電極が第２の増幅器に接続し、第１の電極に対向する第２の電極が第１の増幅器に接続している。その結果、音波や振動による可動電極（振動電極）の動きに対して、各電極には相補の信号が得られることになり、各電極の電荷、電圧などの信号は逆位相となる。そして、増幅された信号も同様に逆位相となり、両電極上の発生電荷を有効に利用できる。

また、上述の接続を増幅器側からみると、第１の容量部と第２の容量部を構成する対向する電極は逆極性で接続している。そのため、これらの信号の平衡接続をするか、もしくは、後述する減算機能を有する増幅器を具備して一方の信号からもう一方の信号を減算することにより、出力を２倍にすることができる。さらに、容量部に外来からの雑音が混入した場合には同相となるので、外来からの雑音を低減することが可能となる。

さらに、本発明のマイクロホンは、第１の容量部、第２の容量部、第１の増幅器及び第２の増幅器が配置されている基板と、第１の容量部、第２の容量部、第１の増幅器及び第２の増幅器を覆うように基板の上に配置されたカバーを有し、基板における第１の容量部の下には、開口部が形成されており、基板における第２の容量部の下は塞がれていることが好ましい。

上記のような構成とすることにより、音圧などの圧力が開口部から導入されると、第１の容量部を構成する可動電極を挟んで開口部とは反対側の空間（第１の容量部、カバー及び基板で区切られる（定義される）空間）は、音響的な空間となる。第１の容量部の直上の空間のみが音響的な空間となる場合と比較すると、音響的な空間の容積が大きくなるため、空間のスチフネス（剛性）を小さくすることができ、第１の容量部と第２の容量部の可動電極のスチフネスと比べて小さくすることが可能となる。開口部から導かれた音エネルギーは、第１の容量部の可動電極を振動させた後、第２の容量部の可動電極にまで伝わる。ここで、音響的な空間の容積が大きくなると、音響的な空間に音エネルギーが拡散・消散しやすくなるため、第２の容量部の可動電極に加わる音エネルギーは非常に小さくなる。

そのため、音エネルギーによる第２の容量部の可動電極の振動は、第１の容量部の可動電極の振動と比較して極めて小さくなる。このことは、音響感度の相互干渉が極めて小さいことを意味し、音エネルギーによるマイクロホンの音響感度が第１の容量部の音響感度で決定されることを意味する。

一方、マイクロホン全体が振動することによる振動エネルギーについて考えてみる。第１の容量部と第２の容量部は同一基板上に配置されているため、第１の容量部と第２の容量部のそれぞれの可動電極に対して、同じ大きさの加速度が作用する。つまり、それぞれの可動電極には、同相の振動エネルギーが加わることになる。そのため、これら第１の容量部と第２の容量部を逆極性で並列接続し、後述する容量結合電荷増幅器と組合せすることにより振動エネルギーによるノイズ信号をキャンセルすることができる。

以上説明したように、音エネルギーに関しては、マイクロホンの音響感度が第１の容量部の音響感度で決定され、振動エネルギーに関してはキャンセルされる。そのため、第１の容量部の音圧などの圧力に対する感度を高めることができ、マイクロホンの機能が向上する。

また、本発明のマイクロホンにおいて、基板におけるカバーが配置されている面とは反対側の面に、外部と信号を授受するための端子が設けられていることが好ましい。

また、本発明のマイクロホンにおいて、基板におけるカバーが配置されている面とは反対側の面に、電圧供給端子及び接地端子が設けられていることが好ましい。ここで、電圧供給端子は、第１の増幅器、第２の増幅器のそれぞれに電圧を与える働きを有する。この構成により、小型で表面実装性に優れたマイクロホンを提供することができる。

また、本発明のマイクロホンにおいて、第１の容量部、第２の容量部、第１の増幅器及び第２の増幅器を収納する容器を具備し、第１の増幅器の出力端子と、第２の増幅器の出力端子と、第１の増幅器及び第２の増幅器に電圧を供給する電圧供給端子と、接地端子が容器から導出されていることが好ましい。

さらに、本発明のマイクロホンは、基板、第１の容量部及びカバーにより区切られる空間が有する第１の剛性は、第１の容量部が有する第１の電極が有する第２の剛性と比較して小さいことが好ましい。

さらに、本発明のマイクロホンは、第１の剛性は、第２の剛性の１／１０以下であることが好ましい。このような関係とすることで、第２の容量部の可動電極に加わる音エネルギーを十分に小さくすることができるからである。

また、本発明のマイクロホンは、プリント基板などの基板、第１の容量部及びカバーにより区切られる空間が有する体積が、第２の容量部と基板とによって塞がれる空間と比較して１０倍以上であることが好ましい。尚、第１の容量部及び第２の容量部は、第１の電極及び第２の電極からなる構造を支持するような、シリコン基板に代表される半導体基板を有している。そして、この半導体基板は貫通孔を有している。この貫通孔が占める空間が第２の容量部と基板によって塞がれる空間を代表することになる。

また、本発明のマイクロホンは、前記第１の増幅器からの出力信号と前記第２の増幅器からの出力信号を減算する機能を有する第３の増幅器を有することが好ましい。

また、本発明のマイクロホンは、第１の増幅器及び第２の増幅器がＩＣで構成されることが好ましい。この構成によれば、さらなる小型化が可能となる。

また、本発明のマイクロホンは、第１の増幅器及び第２の増幅器が一つのＩＣで構成されることが好ましい。この構成によれば、さらなる小型化が可能となる。

また、本発明のマイクロホンは、第１の増幅器、第２の増幅器及び第３の増幅器が一つのＩＣで構成されることが好ましい。

さらに、本発明のマイクロホンにおいて、第１の増幅器及び第２の増幅器が容量結合型電荷増幅器を構成していることが好ましい。容量結合型電荷増幅器は、容量型のセンサー素子部（容量部）の容量と増幅器の入力端子と出力端子に接続された帰還容量で増幅度が決定できる増幅器であり、シンプルな構成で実現できるものである。また、容量結合型電荷増幅器は反転増幅器であり、増幅器の入力端子は仮想短絡されるため、入力端子や容量部の寄生容量が存在してもその影響を受けない増幅器として動作する。

また、第１の増幅器側からは第２の増幅器は仮想短絡動作をしていることから、容量部の第１の増幅器に接続している電極の対向する電極は仮想短絡している状態となり、第２の増幅器の影響はない。

同様なことを、第２の増幅器側からも言うことができ、相互の増幅器の影響を受けることなく動作する。

反転型容量結合電荷増幅器の上記の特質から、第１の容量部に加えて、第２容量部を並列接続、すなわち第２の容量部の第２の電極の信号を第１の反転増幅型容量結合増幅器の入力にもしくは、第１の容量部の第１の電極に接続する。さらに、第２の容量部の第１の電極の信号を第２の反転型容量結合電荷増幅器の入力にもしくは、第１の容量部の第２の電極に接続する。

このように接続することで、第１の容量部は第２の容量部の負荷にはならない。同様に、第２の容量部は第１の容量部の負荷にはならない。従って、それぞれの容量部の信号は損失なく、増幅できる。

さらに、前述したように本発明のマイクロホンでは、第１の増幅器の入力は第１の容量部の可動電極である第１の電極の信号と第２の容量部の対向電極である第２の電極の信号を接続しており、逆極性接続を行っていることで電荷増幅器として減算ができる構成となっている。

同様に、前述したように本発明のマイクロホンでは、第２の増幅器の入力は第２の容量部の可動電極である第１の電極の信号と第１の容量部の対向電極である第２の電極の信号を接続しており、逆極性接続を行っていることで電荷増幅器として減算ができる構成となっている。

前述したように、本発明のマイクロホンでは、第１の容量部は音に対する感度と振動に対する感度を持つが、第２の容量部は振動に対する感度のみを持っていることから、上記の逆極性接続と容量結合電荷増幅器の特性から、出力には第１の容量部の振動雑音信号から第２の容量部の振動雑音信号が減算されて十分に小さくなった（抑圧された）振動雑音信号と第１の容量部の集音信号が得られる。

また、本発明のマイクロホンにおいて、第１の増幅器からの出力信号と、第２の増幅器からの出力信号は、実質的に逆位相であることが好ましい。

また、本発明のマイクロホンにおいて、第１の電極が基準電位（接地電位）に接続されていないことが好ましい。

また、本発明のマイクロホンにおいて、第２の電極が基準電位（接地電位）に接続されていないことが好ましい。

また、本発明のマイクロホンにおいて、第１の増幅器からの出力信号と、第２の増幅器からの出力信号をアナログ−デジタル変換するアナログ−デジタル変換器に接続し、出力信号がデジタル信号であってもよい。また、このようなマイクロホンをデジタル信号出力マイクロホンと呼ぶこともできる。ここで、デジタル信号出力マイクロホンとは、マイクロホンに入力された信号（音、振動、振れ等）を”１”、”０”のデジタル信号として出力するマイクロホンをいうものとする。

また、本発明のマイクロホンは、第１の増幅器、第２の増幅器及びアナログ−デジタル変換器がＩＣで構成されることが好ましい。さらに、これらが一つのＩＣで構成されることが好ましい。

また、本発明のマイクロホンは、アナログ−デジタル変換器はΔシグマ変調器であることが好ましい。

また、本発明のマイクロホンは、デジタル信号はＰＤＭ（パルス密度変調）方式で出力されることが好ましい。

また、本発明のマイクロホンは、ＰＤＭ出力をデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）により、オーディオインターフェイスフォーマット変換して出力することが好ましい。

また、本発明のマイクロホンにおいて、第１の容量部と第２の容量部がＭＥＭＳ素子部で構成されていることが好ましい。このような構成とすることで、外付け部品が不要で小型化が可能であり、接続損失もなく信頼性の高い出力特性を得ることが可能となる。

また、本発明のマイクロホンにおいて、第１の電極又は第２の電極の表面には、誘電体膜が形成されていることが好ましい。

また、本発明のマイクロホンにおいて、誘電体膜が永久電荷を保持するエレクトレット膜であることが好ましい。この構成により、外部からの電荷の供給（成極電圧）無しに駆動することができる。また、この構成により、容量部を構成するＭＥＭＳ素子部に成極ＤＣ電圧を与えるための接続線を必要としなくなる。

従って、対向して配置された第１の電極と第２の電極に発生する電荷又は電圧に対する接続線の影響がないため、完全相補な信号となりうる。

従来のエレクトレット容量素子を構成する容量部は対向電極である第１の電極もしくは第２の電極を基準電位（接地電位）に接続していたため一方の電極の信号だけしか利用しておらず、信号利用率（効率）は５０％であった。従って、第１と第２の電極の信号電荷を利用すれば、信号利用率（効率）は１００％となる。

これは、例えば従来のコンデンサマイクロホンでこれまでの感度を１とした場合、本発明の接続構成を用いたコンデンサマイクロホンは感度が２倍となることを意味する。

エレクトレット容量素子として対向配設される第１の電極と第２の電極を何れも基準電位（接地電位）に接続せず、フローティング構造とし、シンプルに実現できる手段としては、半導体基板上に形成する微小電気機械システムであるＭＥＭＳ素子部が適している。

さらに、第１の電極もしくは第２の電極の一方に誘電体膜を固着し、その誘電体膜をエレクトレット化することで、エレクトレットＭＥＭＳマイクロホンチップ（エレクトレットＭＥＭＳ容量部）を構成することができる。

また、本発明の別のマイクロホンは、可動電極である第１の電極及び第１の電極に対向して配置された第２の電極を、それぞれ具備した第１の容量部及び第２の容量部と、第１の容量部、第２の容量部が配置されている基板と、第１の容量部、第２の容量部を覆うように、基板の上に配置されたカバーを有し、基板における第１の容量部の下には、開口部が形成されており、基板における第２の容量部の下は塞がれており、基板、第１の容量部及びカバーにより区切られる空間が有する体積は、第２の容量部と基板とによって塞がれる空間の体積と比較して１０倍以上であることが好ましい。尚、第１の容量部及び第２の容量部は、第１の電極及び第２の電極からなる構造を支持するような、シリコン基板に代表される半導体基板を有している。そして、この半導体基板は貫通孔を有している。この貫通孔が占める空間が第２の容量部と基板によって塞がれる空間を代表することになる。

ここで、第１の容量部、第２の容量部、第１の増幅器及び第２の増幅器を同一のプリント基板の第１面上に搭載し、金属キャップでそれらを覆った容器からなるコンデンサマイクロホンは、他の電子機器（携帯電話など）の基板に貼り付けることが可能である。ここで、プリント基板には面実装端子を設けることで、他の電子機器の基板への貼り合わせが可能となる。従って、本発明のマイクロホンは、搭載可能なパッケージと考えることは可能である。

尚、以上の特徴を矛盾が生じないように適宜組み合わせることが出来ることは言うまでもない。また、それぞれの特徴において、効果が複数期待できるときも、全ての効果を発揮できなければいけないわけではない。

本発明によれば、振動雑音が十分に抑制された出力信号を得ることのできるマイクロホンを提供することが出来る。特に、面実装が可能なマイクロホンを提供することが出来る。

本発明の第１の実施の形態におけるコンデンサマイクロホンの等価回路図の概略図 本発明の第１の実施の形態に係るＭＥＭＳ素子部の断面図及び回路図の概略図 本発明の第１の実施の形態に係るコンデンサマイクロホンの実装概観図 本発明の第１の実施の形態に係るコンデンサマイクロホンの音響機械等価回路の説明図 本発明の第１の実施の形態に係るコンデンサマイクロホンの振動機械等価回路の説明図 本発明の第１の実施の形態に係る試作品におけるコンデンサマイクロホンの等価回路図の概略図 本発明の第１の実施の形態に係る試作品とその実特性データの説明図 本発明の第１の実施の形態に係る試作品とその実特性データの説明図 本発明の第１の実施の形態に係る試作品とその実特性データの説明図 本発明の第２の実施の形態におけるコンデンサマイクロホンの等価回路図の概略図

（第１の実施の形態）
以下、本発明の第１の実施の形態について、図１〜図４を参照して詳細に説明する。また、本発明で使用している、材料、数値は好ましい例を例示しているだけであり、この形態に限定されることはない。また、本発明の思想の範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。さらに加えるならば、他の実施の形態との組み合わせなども可能である。なお、ここでは、コンデンサマイクロホンの容量部は、ＭＥＭＳ素子部であり、特に、エレクトレットを有するＭＥＭＳ素子部であるとして説明する。ここで、ＭＥＭＳ素子部とは、後述するが、半導体プロセスを用いて形成されたコンデンサを指している。以上のことは、本発明に共通して言えることである。

図１は、本発明の第１の実施の形態におけるコンデンサマイクロホンの等価回路図の概
略図である。

図１に示すように、コンデンサマイクロホンは、第１の容量部Ｍ１、第２の容量部Ｍ２、第１の増幅器２０１、第２の増幅器２０２を具備している。

第１の容量部Ｍ１は、第１の容量部Ｍ１の可動電極である第１の電極１０１と、第１の電極１０１に対向して配置された第２の電極１０２とを具備したＭＥＭＳ素子部である。また、第１の増幅器２０１は、第１の容量部Ｍ１の第１の電極１０１に接続され、第１の電極１０１からの信号を増幅する。また、第２の増幅器２０２は、第１の容量部の第２の電極１０２に接続され、第２の電極１０２からの信号を増幅する。ここで、第１の容量部Ｍ１の第１の電極１０１表面には、永久電荷を保持するエレクトレット膜１０３が形成されている。

また、第２の容量部Ｍ２は、第２の容量部Ｍ２の可動電極である第１の電極１１１と、第１の電極１１１に対向して配置された第２の電極１１２とを具備したＭＥＭＳ素子部である。また、第１の増幅器２０１は、第２の容量部Ｍ２の第２の電極１１２に接続され、第２の電極１１２からの信号を増幅する。また、第２の増幅器２０２は、第２の容量部Ｍ２の第１の電極１１１に接続され、第１の電極１１１からの信号を増幅する。ここで、第２の容量部の第１の電極１１１表面には、永久電荷を保持するエレクトレット膜１１３が形成されている。

なお、第１の増幅器２０１の入力端子２１１と第２の増幅器２０２の入力端子２２１からみると、第１の容量部Ｍ１と第２の容量部Ｍ２は逆極性で接続していることになる。

図２（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係るＭＥＭＳ素子部の断面図を示し、図２（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係るＭＥＭＳ素子部の回路図の概略図を示している。ＭＥＭＳ素子部は、ＣＭＯＳ（相補型電界効果トランジスタ）の製造プロセス技術を利用して、シリコン基板（シリコンウェハ）上に同時に製造された多数のマイクロホンチップを最終的に個々に分割することで形成される。図２（ａ）は、分割された１つのマイクロホンチップの断面図を示している。

図２（ａ）に示すように、ＭＥＭＳ素子部は、ｎ型のシリコン基板１００と、シリコン基板１００上に形成された酸化シリコン膜１０５と、酸化シリコン膜１０５の表面に形成された可動電極として機能する第１の電極１０１と、第１の電極１０１の表面（第１の電極１０１と後述する第２の電極に挟まれるように配置する）に形成されたエレクトレット膜１０３と、ガラス化されたシリコン膜からなるスペーサ部１０４と、スペーサ１０４によって支持される固定電極として機能する第２の電極１０２と、シリコン基板１００をエッチングすることで形成される貫通孔１０６を有する。そして、第２の電極には、複数の孔１０７が設けられており、第１の電極１０１と第２の電極１０２に挟まれた空間にはエアギャップＧが設けられており、電気的接続のためのコンタクトホールＨもさらに設けられている。また、第１の電極１０１及び第２の電極１０２の上又は下にシリコン酸化膜やシリコン窒化膜、エレクトレット膜等の膜が積層されることで、第１の膜及び第２の膜を構成していてもよい。尚、可動電極である第１の電極を有する膜を振動膜、可動膜などと呼ぶことが出来、ここでは第１の膜がそれに該当する。ここで、第１の電極１０１及び第２の電極１０２はｎドープのポリシリコン膜からなり、エレクトレット膜１０３は酸化シリコン膜がエレクトレット化された膜である。エアギャップＧは、もともとスペーサ部１０４が形成された部分をウェットエッチングなどの半導体微細加工技術を使用した方法でエッチング除去することによって形成されるが、他の方法でも構わない。また、音波が第１の電極などからなる振動膜を振動させることで、ＭＥＭＳ素子部は、コンデンサマイクロホンの容量部として機能することになる。ここで、第１の電極１０１と第２の電極１０２は一対のコンデンサとして機能している。

ここで、エレクトレット膜１０３について説明をさらに加える。まず、シリコン基板（ウェハ）上に形成された複数のＭＥＭＳ素子部を、個々に分割してチップにする。その後、分割されたチップに対して、コロナ放電等によりエレクトレット化処理を行い、誘電体膜をエレクトレット化する。その結果、エレクトレット膜１０３に電荷を保持させることができる。なお、ウェハレベルでエレクトレット化してもよいことは言うまでもない。エレクトレット膜の性質にもよるが、一般的に、エレクトレット膜には負の電荷が帯電させられる。

エレクトレット膜は、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の無機膜で構成されていることから、ＦＥＰ等の高分子フィルムを利用しているエレクトレットマイクロホンに比較して、高温に晒されても電荷保持特性が劣化することはなく、半田リフローでの実装を行うセンサーには適している。

次に、ＭＥＭＳ素子部の回路図について、図２（ｂ）を用いて説明することにする。エレクトレット化された膜を有する第１の電極１０１側には、電荷として
第１の電極側電荷：−Ｑ_１[Ｃ]、
対向電極である第２の電極１０２には、電荷として
第２の電極側電荷：＋Ｑ_１[Ｃ]が表われ、平衡状態となっている。

この平衡状態では、対向電極により形成される容量Ｃ_ｍは、エアギャップＧと電極面積に依存し一意な値となる。

さらに、この容量Ｃ_mは、図２（ｂ）の等価回路に示すように、シリコン基板１００上で、基準電位（接地電位）に接続されることなく（グランド接続されることなく）、フローティングした構造として形成することが容易に可能である。

この平衡状態から、単一角周波数ω_ｓの正弦波音波が、可動電極として機能する第１の電極１０１に導かれると、第１の電極が音波と同じ周波数で正弦波振動する。この微小振動変位の大きさは振動膜の剛性（スチフネス）で概ね決定される。

この振動により、平衡状態の容量に変化が生じ、両電極の電荷に変化が生じる。

となる。

この微小電荷変化は微小電圧変化としても表されて

となる。

また、逆に微小電圧変化を主体で表現すれば、

となる。

また、フローティング構造を持つことで、図２（ａ）の構造に依存する固有の寄生容量が発生する。第１の電極１０１とシリコン基板間１００間においては寄生容量１１０が発生する。また、第２の電極１０２とシリコン基板１００間においては寄生容量１０９が発生する。これらの寄生容量は、第１の電極１０１及び第２の電極の支持枠や電極のリード等の固定物によるところとなる。また、チップをプリント基板上に接着実装した場合にも、シリコン基板を通して寄生容量が発生することとなる。以上のような寄生容量は、音波や振動で変化することの無い値である。そのため、これらの容量端に信号となる変動電荷（電圧）は発生しない。

従って、ＭＥＭＳマイクロホンチップは図２（ｂ）に示すような等価回路として表されることになる。ここで容量部の容量は前述したＣ_ｍ、寄生容量１０９と１１０は、それぞれＣ_P1とＣ_P2とで表されている。ここで、寄生容量Ｃ_P1とＣ_P2は電極の配線部等で発生する容量のため振動せずこの２つの容量には、電荷の発生はない。つまり音による起電圧は発生しない。

ＤＣバイアスコンデンサマイクロホン、エレクトレットコンデンサマイクロホン及びエレクトレットＭＥＭＳマイクロホンに関して、上記で論じた対向して配設された両電極に生じる電荷変化の考察はこれまで論じられたことはない（特願２００８−３２８４９２を参照）。

ＤＣバイアスコンデンサマイクロホンは、１９００年代初頭にＥ．Ｃ．Ｗｅｎｔｅによって考案されて以来、成極ＤＣ電圧をどちらか一方の電極に印加する基本構成・構造となっているため、必然的にどちらか一方の電極が基準電位（接地電位）に接続されてしまっていた。そのため、信号電荷が接地ラインに流れてしまい両電極の信号電荷を利用するという考察がなされたことはなかった。

１９６０年代にＧ．Ｍ．Ｓｅｓｓｌｅｒがテフロンフィルムをエレクトレット化してコンデンサマイクロホンに応用し、エレクトレットコンデンサマイクロホンとして導入し、今日では携帯電話等に広く使用されている。このようなエレクトレットコンデンサマイクロホンでも、小型化できたとしてもＤＣバイアスコンデンサマイクロホンの基本構成・構造をとっており、この場合もどちらか一方の電極が接地ライン（接地電位）に接続されることで信号電荷が接地ラインに流れてしまい両電極の信号電荷を利用するという考察がなされたことはなかった。

以上のことから本発明の第１の実施の形態に係るコンデンサマイクロホンは、容量部の両電極に生じた信号電荷を有効に利用することが出来る点に特徴がある。

次に、本発明の第１の実施の形態に係るコンデンサマイクロホンの実装概観図について説明する。図３（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施の形態に係るコンデンサマイクロホンの実装概観図である。

図３（ａ）はコンデンサマイクロホン（モジュール）の金属キャップを外した状態の上面図を表し、図３（ｂ）はコンデンサマイクロホン（モジュール）の左側面図を表し、図３（ｃ）は同下面図を表し、図３（ｄ）は同断面図を表している。尚、図３（ｄ）は図３（ａ）のＡ−Ａ’の断面図を表しており、図３（ａ）は図３（ｄ）のＢ−Ｂ’の断面から実装基板の方を見た図面となっている。

図３（ａ）〜（ｄ）に示すように、コンデンサマイクロホンは、プリント基板３０１と金属キャップ（カバー）３０２から構成される容器３００内に、第１の容量部３０３、第２の容量部３０４、増幅器３３０が収納されることで構成されている。ここで、増幅器３３０は、第１の増幅器と第２の増幅器が一つのＩＣで構成されている（第１の容量部３０３と第１の増幅器及び第２増幅器の接続関係、第２の容量部３０４と第１の増幅器及び第２の増幅器の接続関係については、図１の説明と同様であるので、説明を省略する）。

また、音や圧力を導入する開口部（導入孔）３０６がプリント基板３０１に設けられており、第１の容量部３０３は開口部３０６を覆うように、開口部３０６の上に設けられている。一方、第２の容量部３０４は開口部が設けられていないプリント基板３０１の上に設けられている（別の言い方をすると、プリント基板における第２の容量部の下は塞がれている）。

また、プリント基板における第１の容量部３０３、第２の容量部３０４、増幅器３３０が実装されている面と反対側の面には、第１の増幅器の出力端子１２１、第２の増幅器の出力端子１２２、第１の増幅器及び第２の増幅器に電圧を供給する電圧供給端子（電源入力端子）１２３、接地端子１２４が配置され、面実装端子構造を構成し、外部とのインターフェース端子となる。尚、プリント基板３０１と金属キャップ３０２は半田リフロー等で結合される。尚、プリント基板３０１の第１面には第１の容量部３０３、第２の容量部３０４、増幅器３３０が接着剤で接着実装されている。

また、増幅器３３０は、第１の増幅器の入力端子に対応するＭＩＣＩＮ１−１とＭＩＣＩＮ１−２、第２の増幅器の入力端子に対応するＭＩＣＩＮ２−１とＭＩＣＩＮ２−２、電圧供給端子に接続するＶＤＤ、第１の増幅器の出力端子１２１に対応するＯＵＴ１、第２の増幅器の出力端子１２２に対応するＯＵＴ２、基準電位（接地端子）に接続するＶＳＳを有しているＣＭＯＳ型高入力インピーダンス増幅器である。尚、前述したように、入力端子以外の端子は、外部と信号をやりとりする端子となり、プリント基板３０１の第２面に形成されている端子１２１〜１２４と接続している。また、接地端子１２４は、金属キャップ３０２とプリント基板３０１を通して電気的に接続され、容器３００は、接地電位を有する外部からの電磁的な雑音から容器内部を保護するシールド容器となる。

また、第１の容量部３０３の電極端子１０４は増幅器３３０の入力端子ＭＩＣＩＮ１−２に、第１の容量部３０３の電極端子１０５は増幅器３３０の入力端子ＭＩＣＩＮ２−２に、ボンディングワイヤ３１３により接続している。

また、第２の容量部３０４の電極端子１１４は増幅器３３０の入力端子ＭＩＣＩＮ２−１に、第２の容量部３０４の電極端子１１５は増幅器３３０の入力端子ＭＩＣＩＮ１−１に、ボンディングワイヤ３１３により接続している。

尚、増幅器３３０は、第１の増幅器からの出力信号から第２の増幅器の出力信号を減算するような減算機能を有する、第３の増幅器をさらに具備していてもよい。この場合には、増幅器３３０は、第１の増幅器、第２の増幅器及び第３の増幅器が一つのＩＣで構成されている方が好ましい。

ここで、プリント基板３０１、金属キャップ３０２、第１の容量部３０３により区切られた（定義された）空間３０５について詳しく説明することにする。

音圧などの圧力が開口部から導入されると、第１の容量部を構成する可動電極を挟んで開口部とは反対側の空間（第１の容量部、カバー及び基板で区切られる（定義される）空間）は、音響的な空間となる。第１の容量部の直上の空間のみが音響的な空間となる場合などと比較すると、音響的な空間の容積が大きくなるため、空間のスチフネス（剛性）を小さくすることができ、第１の容量部と第２の容量部の可動電極のスチフネスと比べて小さくすることが可能となる。開口部から導かれた音エネルギーは、第１の容量部の可動電極を振動させた後、第２の容量部の可動電極にまで伝わる。ここで、音響的な空間の容積が大きくなると、音響的な空間に音エネルギーが拡散・消散しやすくなるため、第２の容量部の可動電極に加わる音エネルギーは非常に小さくなる。

そのため、音エネルギーによる第２の容量部の可動電極の振動は、第１の容量部の可動電極の振動と比較して極めて小さくなる。このことは、音響感度の相互干渉が極めて小さいことを意味し、音エネルギーによるマイクロホンの音響感度が第１の容量部の音響感度で決定されることを意味する。

一方、マイクロホン全体が振動することによる振動エネルギーについて考えてみる。第１の容量部と第２の容量部は同一基板上に配置されているため、第１の容量部と第２の容量部のそれぞれの可動電極に対して、同じ大きさの加速度が作用する。つまり、それぞれの可動電極には、同相の振動エネルギーが加わることになる。そのため、これら第１の容量部と第２の容量部を逆極性で並列接続し、後述する容量結合電荷増幅器と組合せすることにより振動エネルギーによるノイズ信号をキャンセルすることができる。

以上説明したように、音エネルギーに関しては、マイクロホンの音響感度が第１の容量部の音響感度で決定され、振動エネルギーに関してはキャンセルされる。そのため、第１の容量部の音圧などの圧力に対する感度を高めることができ、マイクロホンの機能が向上する。従って、音響的な空間の容積が大きくなると好ましいことが分かる。尚、このような空間３０５は、第１の容量部３０３の周囲の空間と第２の容量部３０４の周囲の空間（及び第２の容量部の貫通孔が形成されている空間）を共有した空間となっているため、共有空間（共有気室）と呼ぶこともできる。

また、本発明の第１の実施形態では、開口部３０６の位置を第１の容量部３０３の直下に配置することで、音響的な空間３０５の容積を大きくすることを考えた。しかし、開口部３０６の位置は、第１の容量部３０３の直下に配置しなくても構わない。例えば、開口部３０６を、プリント基板における、第１の容量部３０３が覆わないような第１の容量部３０３からずれた場所に設けても構わない。また、開口部３０６を、金属キャップ３０２における、第１の容量部３０３の上側近傍に設けても構わない。以上のような場合には、第１の容量部３０３の周囲の空間と第２の容量部３０４の周囲の空間を隔てるような隔壁を設ける必要がある。開口部３０６から入ってくる音圧などの圧力が第１の容量部３０３の上側から導入され、第１の容量部３０３の可動電極よりも下の空間（貫通孔が形成されている空間など）が音響的な空間となる。そして、隔壁を設けているため、音圧などの圧力が第２の容量部３０４の可動電極には及ばなくなる。このようにすることで、前述した要領で、マイクロホン全体が振動することによる振動エネルギーによるノイズをキャンセルできるからである。尚、金属キャップに開口部を形成する構成や、プリント基板における第１の容量部３０３からずれた位置に開口部を形成する構成だと、音響的な空間の体積が小さくなる。そのため、第１の容量部が覆うように、プリント基板に開口部を設けた方が好ましい。

第１の容量部３０３、第２の容量部３０４の大きさを１．５ｍｍｘ１．２ｍｍ程度、増幅器ＩＣ３３０を□１．５ｍｍ程度として、図３のように配置をした場合にはコンデンサマイクロホンの容器の大きさは、約６ｍｍ（Ｗ）ｘ３ｍｍ（Ｄ）ｘ１．３ｍｍ（Ｈ）で十分な空間３０５を確保できる。この場合、空間３０５の容積は約９．５Ｅ−９[ｍ^３]程度となり、後述するスチフネスＳ_CBは音響機械等価回路上で約５[Ｎ／Ｍ]程度となり、極めて小さなスチフネスとなっている。

次に、本発明の第１の実施の形態に係るコンデンサマイクロホンを用いると、第１の容量部３０３は音と振動に対応し、第２の容量部３０４は振動のみに応答する構成になることについて、機械音響等価回路、振動機械等価回路を用いて説明する。

図４（ａ）は、第１の容量部をＭ１、第２の容量部をＭ２とし、それぞれ同一のチップを使用するものとした場合の音響機械等価回路である。

音圧などの圧力が第１の容量部の直下の開口部から導かれる時の、第１の電極（可動電極）を有する可動膜に加わる力の大きさ４０１は、

さらに、第１の容量部と第２の容量部の可動膜の剛性（スチフネス）４０２、４０３をそれぞれ考慮し、第１の容量部と第２の容量部の可動膜自身の質量４０４、４０５をそれぞれ考慮し、第１の容量部と第２の容量部のエアギャップＧの空気抵抗４０６、４０７をそれぞれ考慮すると、以下のように表せる。

さらに、第２の容量部の下側には開口部が無いため、プリント基板との間に貫通孔からなる空間が構成され、この空間はバネ剛性を持つ。このバネ剛性の大きさ４０８は

である。

プリント基板３０１、第１の容量部３０３、第２の容量部３０４、金属キャップ３０２で区切られる空間（図３の３０５）の剛性４０９は

である。

ここで、剛性４０９はその容積により以下のような条件を満たすように設定することが好ましい。

ここで、Ｓ_ＣＢは、Ｓ_０の１／１０以下であることが好ましく、Ｓ_ＣＢは、Ｓ_Ｂの１／１０以下であることが好ましい。また、Ｓ_ＣＢは、Ｓ_Ｂの１／１０以下であることを別の言い方をすると、第２の容量部３０４とプリント基板３０１とによって塞がれる空間（第２の容量部の可動電極下部の空間、特に、第２の容量部３０４の貫通孔が占める空間）体積の１０倍以上となるように、プリント基板３０１、第１の容量部３０３、第２の容量部３０４、金属キャップ３０２で区切られる空間を設けることが好ましい。

このような条件とすることにより、プリント基板３０１、第１の容量部３０３、金属キャップ３０２で区切られる共有空間の剛性を無視することができるようになり（回路上で機械音響的に短絡することができるようになり）、図４の（ｂ）のような音響機械等価回路として扱うことができるようになる。

機械音響的な短絡により、第２の容量部３０４の可動膜に加わる音エネルギーによる力Ｆ_Ｍ２４１０は０[Ｎ／ｍ^２]に近い値、もしくは第１の容量部３０３の可動膜に加わる力Ｆ_Ｍ１４０１の（１／１０）・（０．１）以下とすることができる。

従って、第１の容量部Ｍ１（３０３）と第２の容量部Ｍ２（３０４）のマイクロホンとしての出力は以下のように表すことができる。

また、本発明の振動雑音抑圧マイクロホンでは下記で表されるＭ１とＭ２の音響感度において、

を持たせることで音響感度を同じくする。

その結果、

となる。

また、上述のエレクトレット電位の調節バランスは±５％以内で可能でこの電位差異を考慮した場合、Ｍ２の出力は以下で表現できる。

なお、第２の容量部の可動膜は、その構造から、第１の容量部の可動膜の振れと逆の振れとなる。すなわち位相が１８０度異なることとなる。

上記から、本構成のコンデンサマイクロホンの音響感度はＭ１の音響感度

として差し支えがない。

図５（ａ）は、第１の容量部をＭ１、第２の容量部をＭ２とし、それぞれ同一のチップを使用するものとした場合の振動機械等価回路である。

前述した振動加速度によって、第１の容量部の可動膜と第２の容量部の可動膜に働く力は同じになり、

で、表される。

プリント基板、第１の容量部、第２の容量部、金属キャップで区切られる空間の剛性の条件

は振動機械等価回路にそのまま適用することができて、機械振動的にもプリント基板、第１の容量部、金属キャップで区切られる共有空間の剛性を無視することができるようになり（回路上で機械振動的に短絡することができるようになり）、図５の（ｂ）のような振動機械等価回路として扱うことができるようになる。

機械振動的な短絡により、相互独立に第１の容量部の可動膜と第２の容量部の可動膜に、振動加速度による力Ｆ_VIBが加わった場合と等価となり、Ｍ１とＭ２の振動加速度による出力は以下のように表される。

前述したように、本発明のコンデンサマイクロホンでは着電電位を調節することで音響感度を等しくしてあることから、Ｍ２の振動加速度による出力は

となり、Ｍ１の振動加速度による出力と同じ値をもつことになる。振動加速度による出力はいずれも、音響感度に比例する出力となる。

前述したように、着電電位の調節バランスは±５％以内で可能で、この電位を考慮した場合、Ｍ２の振動加速度による出力は

で表される。

以上説明してきたことから、第１の容量部と第２の容量部の第１の電極と第２の電極の電荷（電圧）は

以下、上述した両電極上の信号電荷を有効に利用できる読み取り回路構成を図１に沿って説明する。

第１の容量部の第１の電極１０１は第１の電極端子１０４を通して第１の増幅器２０１の反転入力端子２１１に接続され反転型容量結合増幅器を構成する。一方、第１の容量部の第２の電極１０２は第２の電極端子１０５を通して、第２の増幅器２０２の反転入力端子２２１に接続され、同様に反転型容量結合電荷増幅器を構成する。

第２の容量部の第１の電極１１１は第１の電極端子１１４を通して第２の増幅器２０２の反転入力端子２２１に接続され反転型容量結合増幅器を構成する。一方、第２の容量部の第２の電極１１２は第２の電極端子１１５を通して、第１の増幅器２０１の反転入力端子２１１に接続され、同様に反転型容量結合電荷増幅器を構成する。

入力端子２１１と２２１からみた場合、第１の容量部と第２の容量部の電極は逆極性で接続している。

第１の増幅器２０１と第２の増幅器２０２は同一の性能のものであるのが望ましく、同一のウェハから切り出したものを用いてもよいし、同一基板上に集積化して形成してもよい。

尚、非反転入力端子２１２と２２２は基準電位（接地電位）に接続する。

また、第１の容量部の第１の電極１０１上に、永久電荷を保持するエレクトレット膜１０３が形成され、第２の容量部の第１の電極１１１上に、永久電荷を保持するエレクトレット膜１１３が成膜されている。

また、前述したように、第１の容量部の第１の電極１０１と第２の電極１０２には、それぞれの構造・実装要因による固定容量１０９、１１０がある。一方、同様に、第２の容量部の第１の電極１１１と第２の電極１１２には、それぞれの構造・実装要因による固定容量１１９、１２０がある。

第１の増幅器２０１と第２の増幅器２０２は、高入力インピーダンス増幅器であって、高入力インピーダンスを達成するためにＣＭＯＳ型が望ましい。

また、動作電源は正・負２電源を使用してもよいが、単電源動作をする高入力インピーダンスＣＭＯＳ型増幅器が望ましい。

帰還抵抗２１３、２２３は第１の増幅器２０１と第２の増幅器２０２が飽和するのを防ぐための放電抵抗であり、帰還容量２１４、２２４は電荷（電圧）の増幅度合いを決定するものである。尚、帰還抵抗はＭＯＳ集積回路上のＭＯＳ ＯＮ抵抗で形成する。

第１の増幅器２０１の出力は外部との信号出力端子１２１へ、第２の増幅器２０２の出力は外部との信号出力端子１２２へ導かれる。

端子１２３は増幅器への電圧供給端子（電源供給端子）であり、端子１２４は基準電位（接地端子）である。接地端子１２４はシールドをかねる容器３００（図３を参照）にも接続されて、電磁外乱雑音の混入を低減する。

尚、反転型容量結合電荷増幅器である第１の増幅器２０１及び第２の増幅器２０２では、反転入力端子２１１、２２１は非反転入力端子２１２、２２２の間でそれぞれ通常の反転増幅器と同じように仮想短絡が発生する。

このような仮想短絡により、反転入力端子２１１、２２１の入力インピーダンスは無限大となるため、これら端子には電流は流れ込まない。

また、上記仮想短絡により、第１の容量部の第２の電極端子１０５と第２の容量部の第１の電極端子１１４は仮想接地され、第２の増幅器２０２は第１の増幅器２０１へ影響を与えない。

同様に、第１の容量部の第１の電極端子１０４と第２の容量部の第２の電極端子１１５は仮想接地され、第１の増幅器２０１は第２の増幅器２０２へ影響を与えない。

従って、第１の容量部の第１の電極１０１上の電荷及び第２の容量部の第２の電極１１２上の電荷は、帰還容量２１４、帰還抵抗２１３へ流れ込む。

同様に、第１の容量部の第２の電極１０２上の電荷及び第２の容量部の第１の電極１１１上の電荷は、帰還容量２２４と帰還抵抗２２３へと流れ込む。

帰還容量２１４、２２４の容量値をＣ_f、帰還抵抗２１３、２２４の帰還抵抗値をＲ_fとし、第１の容量部、第２の容量部を信号源とした反転型容量結合電荷増幅器の構成での信号出力端子１２１、１２２の出力電圧は以下のように表される。

ここで、空間３０５（図３参照）が極めて大きく、かつ着電電位が十分に制御された場合、

となり、出力には振動雑音信号が入り混じらない（振動雑音が完全に抑圧された）集音信号を得ることができる。

着電電位が前述したように±５％以内であれば信号出力１２１は

ここで、空間３０５（図３参照）が極めて大きく、かつ着電電位が十分に制御された場合

となり、出力には振動雑音信号が入り混じらない（振動雑音が完全に抑圧された）集音信号を得ることができる。

着電電位が前述したように±５％以内であれば信号出力１２２は

となり、本構成のコンデンサマイクロホンの振動雑音信号は抑圧構成のないマイクロホンに比較して１／２０以下に抑圧されて出力される。

上式からわかるように、この接続構成により、二つの信号出力端子１２１と１２２には、空間３０５が極めて大きく、かつ着電電位が十分に制御された場合は位相が逆位相で同じ大きさの集音信号しか出力されない。

着電電位に差異（前述の±５％以内）がある場合でも、１／２０以下に抑圧された振動雑音信号と劣化のない集音信号が逆位相で二つの信号出力端子１２１と１２２に得られる。

この二つの信号を平衡接続処理（減算処理）すれば、従来の一方の電極が接地されたコンデンサマイクロホンに比較して、２倍の大きさの信号が得られるという特質も持ちうる。尚、減算は、減算機能を有した第３の増幅器を組み込んで行ってもよい。

また、帰還抵抗と帰還容量で決定できる低域カットオフフィルターが形成されるため上式は、以下で述べるカットオフ周波数ｆ_cutより高い周波数領域で成り立つ。低域カットオフ周波数ｆ_cutは振動雑音抑圧エレクトレットＭＥＭＳマイクロホンの使用帯域を勘案して決定できる。

また、前述したように固定容量１０９、１１０、１１９及び１２０端には信号電荷は発生しないので、出力には表れない。

尚、実際の特性測定は試作のＩＣ３３０に前述した減算機能を有する第３の増幅器を組み込んだ図６の構成で行っている。

図６は、図１の要素に、減算機能を有する第３の増幅器２０３、増幅度を決定する抵抗２３１、２３２、２３３、２３４と減算出力信号の出力端子１２５が追加された図を示している。

第１の容量部、第２の容量部として、エレクトレットＭＥＭＳマイクロホンチップＭ１、Ｍ２を用い、Ｃ_ｍは１ｐＦのものを用いて測定を行った。

Ｍ１とＭ２は同一のエレクトレットＭＥＭＳマイクロホンチップであり、前述したようにその音響感度を同じにするために、ここではＭ１のエレクトレット電位を−９Ｖ、Ｍ２のエレクトレット電位を−１５Ｖとし、次式

を具現化している。

増幅器２０１と２０２のＣ_ｆは２．５６ｐＦとし、減算増幅器２０３のゲインは抵抗２３１、２３２、２３３、２３４により、０．５とした試作ＩＣ３３０を用いた。

帰還抵抗２１３と２２３は前述の低域カットオフ周波数が３Ｈｚ程度になるように設定している。

図６のような構成を有するマイクロホンによる、周波数（横軸）に対する音響感度（縦軸）についての測定結果を図７に示している（音響感度周波数特性）。ここで、図７においては、Ｍ１についての音響感度を、Ｍ１と表し、Ｍ２についての音響感度を、Ｍ２と表している。尚、マイクロホンの概観については、図３を参照されたい。

図７から分かるように、Ｍ１の音響感度は−５４．６[ｄＢＶ／Ｐａ]で、Ｍ２の音響感度は−８５．１[ｄＢＶ／Ｐａ]となっている。さらに言うと、大きな共有空間３０５（図３参照）の効果により、Ｍ２への音エネルギーはＭ１のそれに比較して、３０ｄＢほど（１／３０ほど）小さくなっていることが分かる。
これは、次式

の条件が十分に満たされているからである。以上から、本構成のコンデンサマイクロホンの音響感度はＭ１で決定されることが分かる。尚、周波数特性はマイクロホンとして十分な平坦な特性となっている。

図６のような構成を有するマイクロホンによる、周波数（横軸）に対するマイクロホンの出力信号のＦＦＴ周波数分析（以下ＦＦＴ）出力（縦軸）についての測定結果を図８に示している。ここで、マイクロホンの出力信号のＦＦＴ出力を計測するために、マイクロホン及び加速度モニタとなる加速度センサーを、小型振動加振器上にとりつけ、単一周波数３２０Ｈｚの振動加速度

を与えている。
そのため、図８においては、加速度モニタとなる加速度センサーのＦＦＴ出力についても示している。尚、加速度センサーについてのＦＦＴ出力をＧsensorと表し、マイクロホンについてのＦＦＴ出力を、Microphone_outと表している。また、尚、マイクロホンの概観については、図３を参照されたい。

図８から分かるように、振動加速度１[Ｇ_ｒｍｓ]に対して、−２０[ｄＢＶ]の出力が得られるように加速度センサーの増幅器を調整しているので、１[Ｇ_ｒｍｓ]の加速度でマイクロホンが励振されていることが分かる。尚、３２０Ｈｚのｎ倍の周波数における加速度センサー及びマイクロホンの出力は加振器の非線形応答によるもので、いずれも３２０Ｈｚの基本波に対して６０ｄＢ以上小さくそのひずみは１％以下である。また、加振器から発生する音が、測定するマイクロホンの入力とならにように防音対策した測定系としている。

このような測定環境における単一周波数３２０Ｈｚの振動加速度によるマイクロホンの出力は同一周波数の振動雑音出力として−１２０．４[ｄＢＶ]で、前述した音響感度−５４．６[ｄＢＶ／Ｐａ]に比較して極めて小さい振動雑音出力となっている。

図６のような構成を有するマイクロホンと従来構成品（振動雑音抑制構成なし）を比較するために、それぞれの周波数（横軸）に対する振動雑音出力（縦軸）を図９に示している。

振動加振器の入力信号の周波数をスイープするとともに、振動加速度を１[Ｇ_ｒｍｓ]に保ち、従来品と本振動雑音抑圧マイクロホンの振動雑音出力を測定したものである。

本発明の振動雑音抑圧マイクロホンの出力は従来品に比較して１／１００〜１／１０以下の振動雑音出力となっていて、本発明による振動雑音出力抑圧の効果が極めて大きいことを示している。

（第２の実施の形態）
以下、本発明の第２の実施の形態について、図７を参照して詳細に説明する。
また、本発明で使用している、材料、数値は好ましい例を例示しているだけであり、この形態に限定されることはない。また、本発明の思想の範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。さらに加えるならば、他の実施の形態との組み合わせなども可能である。なお、ここでは、コンデンサマイクロホンの容量部は、ＭＥＭＳ素子部であり、特に、エレクトレットを有するＭＥＭＳ素子部であるとして説明する。ここで、ＭＥＭＳ素子部とは、後述するが、半導体プロセスを用いて形成されたコンデンサを指している。以上のことは、本発明に共通して言えることである。

図７は、本発明の第２の実施の形態におけるコンデンサマイクロホンの等価回路図の概略図である。

図７に示すように、本発明の第２の実施の形態におけるコンデンサマイクロホンは、図１の構成に、アナログ−デジタル変換器７０４を付加した構成となっている。第１の増幅器２０１の出力端子１２１がアナログ−デジタル変換器７０４の入力端子７０１に接続している。また、第２の増幅器２０２の出力端子１２２がアナログ−デジタル変換器７０４の入力端子７０２に接続している。そして、アナログ−デジタル変換器の出力はデジタル出力端子７０３へ導かれる。

アナログ−デジタル変換器７０４は、図３で説明したようなプリント基板３０１と金属キャップ３０２から構成される容器３００内に配置される構造となり、図７では、符号７０５を容器として説明している。

尚、アナログ−デジタル変換器７０４、第１の増幅器２０１及び第２の増幅器２０２は、同じ製造プロセス技術を利用して、１チップ上に構成することが可能である。尚、アナログ−デジタル変換器７０４、第１の増幅器２０１及び第２の増幅器２０２はＩＣで構成されていることが好ましく、一つのＩＣとして構成されていることが好ましい。そして、電圧供給端子（電源供給端子）１２３及び接地端子１２４を共通化することが可能である。また、このような構成とすることにより、アナログ−デジタル変換器７０４、第１の増幅器２０１及び第２の増幅器２０２の共通回路（例えば、低電圧発生回路）を１つにすることが可能となり、低消費電力化が可能となるだけでなく、チップサイズを小さくすることが可能となる。そのため、より安価なマイクロホンを提供することができる。

また、アナログ−デジタル変換器７０４は、高分解能を特徴とするΔシグマ変調器であることが望ましい。特に、クロック周波数１Ｍ〜４ＭＨｚ、オーバーサンプリング率５０〜６４倍、４次のΔシグマ変調器を用いることで、高信号対雑音比を低消費電力で実現することができる。

また、出力端子７０３は、一定幅のパルスの密度より、波形を表すＰＤＭ（Pulse Density Modulation）形式で出力し、外部のＤＳＰ（Digital Signal Processor）により、オーディオインターフェイスフォーマット、例えば、ＳＰＤＩＦフォーマットに変換される。また、容器７０５内にＤＳＰを取り込むことで、出力端子７０３は、オーディオインターフェイスフォーマット、例えば、ＳＰＤＩＦフォーマットで出力することも可能である。

そして、実施の形態１で説明したように平衡信号出力端子１２１、１２２での振動雑音抑圧比が向上するので、平衡信号出力端子１２１、１２２をアナログ−デジタル変換器７０４の入力端子７０１、７０２に、それぞれ接続することで、アナログ−デジタル変換器を付加したマイクロホンの振動雑音抑圧比も向上し、より品質のよいデジタル出力信号を供給できる。

本発明のマイクロホンによると、品質の良い集音信号を提供できるため、有用である。

１００ シリコン基板
１０１、１１１ 可動電極となる第１の電極
１０２、１１２ 第２の電極
１０３、１１３ エレクトレット膜
１０４ スペーサ
１０５ 酸化シリコン膜
１０６ 貫通孔
１０７ 孔
１０８ 容量
１０９、１１０、１１９、１２０ 寄生容量（固定容量）
１１３ エレクトレット膜
１１４ 第１の電極端子
１１５ 第２の電極端子
１２１、１２２ 出力端子
１２３ 電圧供給端子
１２４ 接地端子
１２５ 出力端子
２０１ 第１の増幅器
２０２ 第２の増幅器
２０３ 第３の増幅器
２１１、２２１ 反転入力端子
２１２、２２２ 非反転入力端子
２１３、２２３ 帰還抵抗
２１４、２２４ 帰還容量
３００、７０５ 容器
３０１ プリント基板
３０２ 金属キャップ（カバー）
３０３ 第１の容量部
３０４ 第２の容量部
３０５ 空間
３０６ 開口部
７０４ アナログ−デジタル変換器

Claims (22)

1. 可動電極である第１の電極及び前記第１の電極に対向して配置された第２の電極を、それぞれ具備した第１の容量部及び第２の容量部と、
   前記第１の容量部の第１の電極からの信号及び前記第２の容量部の第２の電極からの信号を増幅する第１の増幅器と、
   前記第１の容量部の第２の電極からの信号及び前記第２の容量部の第１の電極からの信号を増幅する第２の増幅器を有することを特徴とするマイクロホン。
2. 前記第１の容量部、前記第２の容量部、前記第１の増幅器及び前記第２の増幅器が配置されている基板と、
   前記第１の容量部、前記第２の容量部、前記第１の増幅器及び前記第２の増幅器を覆うように、前記基板の上に配置されたカバーを有し、
   前記基板における前記第１の容量部の下には、開口部が形成されており、
   前記基板における前記第２の容量部の下は塞がれていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロホン。
3. 前記基板における前記カバーが配置されている面とは反対側の面に、
   外部と信号を授受するための端子が設けられていることを特徴とする請求項２に記載のマイクロホン
4. 前記基板における前記カバーが配置されている面とは反対側の面に、
   電圧供給端子及び接地端子が設けられていることを特徴とする請求項２に記載のマイクロホン。
5. 前記開口部は、圧力を導入するための導入孔であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載のマイクロホン。
6. 前記基板、前記第１の容量部及び前記カバーにより区切られる空間が有する第１の剛性は、前記第１の容量部が有する第１の電極が有する第２の剛性と比較して小さいことを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載のマイクロホン。
7. 前記第１の剛性は、前記第２の剛性の１／１０以下であることを特徴とする請求項６に記載のマイクロホン。
8. 前記第１の増幅器からの出力信号と前記第２の増幅器からの出力信号を減算する機能を有する第３の増幅器を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のマイクロホン。
9. 前記第１の増幅器、前記第２の増幅器及び前記第３の増幅器は一つのＩＣで構成されていることを特徴とする請求項８に記載のマイクロホン。
10. 前記第１の増幅器及び前記第２の増幅器が容量結合型電荷増幅器を構成していることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のマイクロホン。
11. 前記第１の増幅器からの出力信号と、前記第２の増幅器からの出力信号は、実質的に逆位相であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のマイクロホン。
12. 前記第１の容量部の第１の電極と前記第２の容量部の第２の電極が接地電位に接続されていないことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載のマイクロホン。
13. 前記第１の容量部の第２の電極と前記第２の容量部の第１の電極が接地電位に接続されていないことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載のマイクロホン。
14. 前記第１の増幅器からの出力信号と、前記第２の増幅器からの出力信号をアナログ−デジタル変換するアナログ−デジタル変換器に接続し、出力信号がデジタル信号であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載のマイクロホン。
15. 前記第１の増幅器、前記第２の増幅器及び前記アナログ−デジタル変換器がＩＣで構成されていることを特徴とする請求項１４に記載のマイクロホン。
16. 前記アナログ−デジタル変換器がΔシグマ変調器であることを特徴とする請求項１４又は１５に記載のマイクロホン。
17. 前記デジタル信号はパルス密度変調方式で出力されることを特徴とする請求項１４〜１６のいずれか１項に記載のマイクロホン。
18. 前記パルス密度変調方式で出力されるデジタル信号を、デジタルシグナルプロセッサにより、オーディオインターフェイスフォーマット変換して出力することを特徴とする請求項１７に記載のマイクロホン。
19. 前記第１の容量部及び前記第２の容量部は、ＭＥＭＳ素子部であることを特徴とする請求項１〜１８のいずれか１項に記載のマイクロホン。
20. 前記第１の電極又は前記第２の電極の表面には、誘電体膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜１９のいずれか１項に記載のマイクロホン。
21. 前記誘電体膜は、エレクトレット膜であることを特徴とする請求項２０に記載のマイクロホン。
22. 可動電極である第１の電極及び前記第１の電極に対向して配置された第２の電極を、それぞれ具備した第１の容量部及び第２の容量部と、
    前記第１の容量部、前記第２の容量部が配置されている基板と、
    前記第１の容量部、前記第２の容量部を覆うように、前記基板の上に配置されたカバーを有し、
    前記基板における前記第１の容量部の下には、開口部が形成されており、
    前記基板における前記第２の容量部の下は塞がれており、
    前記基板、前記第１の容量部及び前記カバーにより区切られる空間が有する体積は、前記第２の容量部と前記基板とによって塞がれる空間の体積と比較して１０倍以上であることを特徴とするマイクロホン。

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