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JP2010112934A - Apparatus and method for measuring membrane stiffness - Google Patents

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JP2010112934A
JP2010112934A JP2008288071A JP2008288071A JP2010112934A JP 2010112934 A JP2010112934 A JP 2010112934A JP 2008288071 A JP2008288071 A JP 2008288071A JP 2008288071 A JP2008288071 A JP 2008288071A JP 2010112934 A JP2010112934 A JP 2010112934A
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voltage
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JP2008288071A
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Michio Kimura
教夫 木村
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Panasonic Corp
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Panasonic Corp
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Publication date
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  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
  • Electrostatic, Electromagnetic, Magneto- Strictive, And Variable-Resistance Transducers (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an apparatus for measuring membrane stiffness, which can measure the stiffness of a vibrating diaphragm of an ECM or MEMS microphone inexpensively, simply, and nondestructively. <P>SOLUTION: The apparatus includes: a vacuum container 10 that retains a completed ECM 20 in vacuum; a voltage source 30 that functions to overlap an excitation voltage with a direct-current voltage for operating the ECM 20; an input-output response measuring unit 40 for measuring the voltage and phase of a power supply terminal B that is connected to an FET 72 of the ECM 20 with respect to the excitation voltage; and a stiffness calculation unit 50 for calculating a resonant frequency from the frequency response characteristic thus measured, and for calculating the membrane stiffness of the vibrating diaphragm 105 from the resonant frequency. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、コンデンサマイクロホンの振動膜の硬さ(スチフネス:stiffness)を測定する測定方法と、その測定装置に関し、特に、再現性の高い膜スチフネス測定方法を提供するものである。   The present invention relates to a measuring method for measuring the hardness (stiffness) of a diaphragm of a condenser microphone and a measuring apparatus therefor, and particularly to provide a highly reproducible film stiffness measuring method.

静電型電気音響変換器は、静電エネルギを仲介として、音を電気信号に変換したり、逆に、電気信号を音に変換したりする電気音響変換器である。エレクトレットコンデンサマイクロホン(ECM)、MEMSマイクロホンやエレクトレットコンデンサスピーカは、この静電型電気音響変換器に分類される。   An electrostatic electroacoustic transducer is an electroacoustic transducer that converts sound into an electric signal by using electrostatic energy as an intermediary, and conversely converts an electric signal into sound. An electret condenser microphone (ECM), a MEMS microphone, and an electret condenser speaker are classified into this electrostatic electroacoustic transducer.

ECMは、小型化が可能であり、携帯電話に広く用いられている。従来のECMは、図13に示すように、音孔102を有するケース103内に、金属蒸着等で金属導体が膜上に形成されたエレクトレット振動膜105と、金属固定電極107と、FET等の回路素子が搭載されたプリント基板112とが配置されており、振動膜105と固定電極107との間隔がスペーサ106で保持され、また、固定電極107とプリント基板112との間に背気室108が形成されている。また、ケース音孔上に、異物混入等を防ぐとともに、音響要素ともなる面布101が貼り付けられている。   The ECM can be miniaturized and is widely used in mobile phones. As shown in FIG. 13, the conventional ECM includes an electret vibrating film 105 in which a metal conductor is formed on a film by metal deposition or the like in a case 103 having a sound hole 102, a metal fixed electrode 107, an FET, and the like. A printed circuit board 112 on which circuit elements are mounted is disposed, and the space between the vibration film 105 and the fixed electrode 107 is held by the spacer 106, and the back air chamber 108 is interposed between the fixed electrode 107 and the printed circuit board 112. Is formed. In addition, a face cloth 101 serving as an acoustic element is attached to the case sound hole while preventing foreign matters from being mixed.

エレクトレット振動膜105は、通常、FEP(フッ化エチレンプロピレン樹脂)を用いて形成され、与えられた電荷を保持し続ける。このECMでは、振動膜105が音圧によって振動すると、振動膜105と固定電極107とで構成される平板コンデンサの静電容量が変化し、電圧変化に変換され、変換された信号がFET109で増幅され、端子113から出力される。   The electret vibrating film 105 is usually formed using FEP (fluorinated ethylene propylene resin), and keeps a given charge. In this ECM, when the vibrating membrane 105 vibrates due to sound pressure, the capacitance of the flat plate capacitor formed by the vibrating membrane 105 and the fixed electrode 107 changes and is converted into a voltage change, and the converted signal is amplified by the FET 109. And output from the terminal 113.

なお、符号104は振動膜リング、符号110は絶縁体、符号111はクッションシートを示している。   Reference numeral 104 denotes a diaphragm ring, reference numeral 110 denotes an insulator, and reference numeral 111 denotes a cushion sheet.

高分子フィルムであるFEPは、半永久的に電荷を保持する特性を持つが、高温に晒されると電荷保持特性が劣化する傾向がある。   FEP, which is a polymer film, has the property of retaining charge semipermanently, but the charge retention property tends to deteriorate when exposed to high temperatures.

近年、リフロー可能な耐熱マイクロホンを実現するため、シリコン基板に半導体プロセスで用いられている超精密加工技術を適用して、超小型のMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)マイクロホンを製造する技術が開発されている。   In recent years, in order to realize a heat-resistant microphone that can be reflowed, a technology for manufacturing an ultra-small MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) microphone has been developed by applying an ultra-precision processing technology used in a semiconductor process to a silicon substrate. Yes.

図14は、MEMSマイクロホンの一例を示している。シリコン基板上には、半導体製造技術を用いて多数のマイクロホンチップが同時に作られ、最終的に個々に分割される。図14は、分割された1つのマイクロホンチップの側面図を示している。このMEMSマイクロホンは、シリコン基板121上に、第1の絶縁層122を介して、振動膜電極123とエレクトレット膜124とを有しており、また、その上に、第2の絶縁層125を介して、音孔127が形成された固定電極126を有している。また、振動膜電極123の背面には、シリコン基板121をエッチングして、背気室128が形成されている。また、符号Gはエアギャップ、符号Hは電気的接続のためのコンタクトホールを示す。   FIG. 14 shows an example of a MEMS microphone. On the silicon substrate, a large number of microphone chips are simultaneously manufactured using a semiconductor manufacturing technique, and finally divided into individual pieces. FIG. 14 shows a side view of one divided microphone chip. This MEMS microphone has a vibrating membrane electrode 123 and an electret film 124 on a silicon substrate 121 with a first insulating layer 122 interposed therebetween, and has a second insulating layer 125 interposed thereon. And a fixed electrode 126 in which a sound hole 127 is formed. In addition, a back air chamber 128 is formed on the back surface of the vibrating membrane electrode 123 by etching the silicon substrate 121. Reference numeral G denotes an air gap, and reference numeral H denotes a contact hole for electrical connection.

振動膜電極123は、導電性のポリシリコンで形成され、エレクトレット膜124は、窒化シリコン膜やシリコン酸化膜で形成され、また、固定電極126は、導電性のポリシリコンとシリコン酸化膜やシリコン窒化膜とを積層して形成されている。   The vibrating membrane electrode 123 is made of conductive polysilicon, the electret film 124 is made of a silicon nitride film or a silicon oxide film, and the fixed electrode 126 is made of conductive polysilicon and a silicon oxide film or silicon nitride. It is formed by laminating a film.

このMEMSマイクロホンでは、振動膜電極123が音圧によって振動すると、ECMと同じく、振動膜電極123と固定電極126とで構成される平板コンデンサの静電容量が変化し、電圧変化として取り出される。   In this MEMS microphone, when the vibrating membrane electrode 123 vibrates due to the sound pressure, the capacitance of the flat plate capacitor formed by the vibrating membrane electrode 123 and the fixed electrode 126 changes and is taken out as a voltage change, like the ECM.

ところで、マイクロホンの製造現場では、製品の品質一様性や良、不良を識別するために振動膜の膜強さ(スチフネス)の測定が行われている。従来は、振動膜を振動させて、その変位の共振周波数を光干渉計で測定し、その値を次式(数1)に代入して膜スチフネスを算出している。なお、この式は、ECM、MEMSマイクロホンを含む静電型電気音響変換器において共通に利用可能である。   By the way, at the manufacturing site of the microphone, the film strength (stiffness) of the vibrating membrane is measured in order to identify the quality uniformity, goodness, and failure of the product. Conventionally, the vibration membrane is vibrated, the resonance frequency of the displacement is measured with an optical interferometer, and the value is substituted into the following equation (Equation 1) to calculate the membrane stiffness. This equation can be commonly used in electrostatic electroacoustic transducers including ECM and MEMS microphones.

Figure 2010112934
ここで、
f0:振動膜の共振周波数[Hz]
s0:膜強さ(スチフネス)[N/m]
m0:振動膜の質量[kg]
である。
Figure 2010112934
here,
f0: Resonance frequency of vibrating membrane [Hz]
s0: Film strength (stiffness) [N / m]
m0: Mass of vibrating membrane [kg]
It is.

質量m0は、振動膜の構造が決定されていれば一意的に導出することができる。そのため、膜スチフネスは、光干渉計で共振周波数f0を測定することにより、(数1)から算出することができる(非特許文献1、2参照)。   The mass m0 can be uniquely derived if the structure of the diaphragm is determined. Therefore, the film stiffness can be calculated from (Equation 1) by measuring the resonance frequency f0 with an optical interferometer (see Non-Patent Documents 1 and 2).

optonor社カタログ micromap5000 振動・変位測定及び表面形状測定装置optonor catalog micromap5000 Vibration / displacement measurement and surface shape measurement device 早坂寿雄 他 音響工学概論 日刊工業新聞社Hisao Hayasaka et al. Introduction to Acoustical Engineering Nikkan Kogyo Shimbun

しかし、従来の膜スチフネス測定方法で使用する光干渉計は、きわめて高価であり、この方法の測定装置を一式揃えるために多くの費用が掛かる。   However, the optical interferometer used in the conventional film stiffness measurement method is extremely expensive, and it takes a lot of cost to prepare a set of measurement devices of this method.

また、上記従来の測定方法では、被測定膜であるFEPエレクトレット膜やMEMSマイクロホンの振動膜に干渉光を照射する必要がある。   Further, in the above conventional measurement method, it is necessary to irradiate the FEP electret film, which is a film to be measured, or the vibration film of the MEMS microphone with interference light.

しかし、ECMの場合、マイクロホンが完成している状態では、金属ケース上に音響特性要素であり振動膜保護のための面布が貼り付けられており、このように貼り付けられた状態では光を照射できないため、マイクロホンに組み込まれる前のFEPエレクトレット膜単体状態での測定しかできず、マイクロホン完成状態では測定できない。   However, in the case of the ECM, when the microphone is completed, a face cloth for protecting the vibration film, which is an acoustic characteristic element, is pasted on the metal case. Since irradiation cannot be performed, measurement can be performed only in the state of the FEP electret film alone before being incorporated into the microphone, and cannot be performed in the completed state of the microphone.

一方、MEMSマイクロホンの場合でも、前述したように、マイクロホンが完成している状態では、振動膜の上部に固定膜が形成されているため、固定膜が光の照射を阻害してしまい、測定するためには、固定膜を除去しての測定となる。したがって、この場合の測定はMEMSチップ単体を破壊しての測定となり、マイクロホン完成状態で測定できない。   On the other hand, even in the case of a MEMS microphone, as described above, when the microphone is completed, since the fixed film is formed on the vibration film, the fixed film hinders light irradiation, and measurement is performed. Therefore, the measurement is performed after removing the fixed film. Therefore, the measurement in this case is performed by destroying the MEMS chip alone, and cannot be performed when the microphone is completed.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、完成状態でのマイクロホンのスチフネスを、安価に、簡単に、かつ非破壊で、測定することができる膜スチフネス測定装置および膜スチフネス測定方法を提供することを目的としている。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and a film stiffness measuring apparatus and a film stiffness measuring method that can measure the stiffness of a microphone in a completed state inexpensively, easily, and non-destructively. The purpose is to provide.

本発明の膜スチフネス測定装置は、完成状態のコンデンサマイクロホンを真空中に保持する真空容器と、前記コンデンサマイクロホンを動作させるための直流電圧と前記直流電圧に励振電圧を重畳させる機能を持つ電圧源と、前記励振電圧に対する前記コンデンサマイクロホンの増幅器に接続された電源端子の電圧および位相を測定する周波数応答特性測定部と、前記周波数特性測定部が測定した周波数応答特性から共振周波数を算出し、前記共振周波数から前記振動膜の膜スチフネスを算出するスチフネス算出部とを備える。   The film stiffness measuring apparatus of the present invention includes a vacuum container for holding a completed condenser microphone in a vacuum, a DC voltage for operating the condenser microphone, and a voltage source having a function of superimposing an excitation voltage on the DC voltage. A frequency response characteristic measuring unit that measures a voltage and a phase of a power supply terminal connected to the amplifier of the condenser microphone with respect to the excitation voltage; and a resonance frequency is calculated from the frequency response characteristic measured by the frequency characteristic measuring unit, and the resonance A stiffness calculation unit that calculates the film stiffness of the vibrating membrane from the frequency.

この構成により、マイクロホンが完成した状態であっても、振動膜のスチフネスを、高価な計測器を使わずに、非破壊で測定を行うことができ、また安価に測定することが可能である。直接的に振動膜の振動変位を測定するのではなく、励振電圧による周波数応答特性から膜スチフネスを求めている。   With this configuration, even when the microphone is completed, the stiffness of the diaphragm can be measured non-destructively without using an expensive measuring instrument, and can be measured at low cost. Rather than directly measuring the vibration displacement of the vibrating membrane, the membrane stiffness is determined from the frequency response characteristics of the excitation voltage.

コンデンサマイクロホンがECMである場合には、マイクロホンが完成状態では振動膜の上部が面布で覆われており、直接的に振動膜の振動変位を測定する方法では振動膜のスチフネスを測定することができない。また、コンデンサマイクロホンがMEMSマイクロホンの場合には、マイクロホンが完成状態では音孔の下にMEMSチップが配置されていないか、配置されていたとしても振動膜が固定膜の下部に位置しており、直接的に振動膜の振動変位を測定する方法では振動膜のスチフネスを測定することができない。しかし、本発明の膜スチフネス測定装置では、マイクロホンが完成した状態であっても、非破壊で振動膜のスチフネスが測定可能となる。   When the condenser microphone is an ECM, the upper part of the diaphragm is covered with a face cloth when the microphone is completed, and in the method of directly measuring the vibration displacement of the diaphragm, the stiffness of the diaphragm can be measured. Can not. Further, when the condenser microphone is a MEMS microphone, when the microphone is completed, the MEMS chip is not disposed under the sound hole or even if it is disposed, the vibrating membrane is positioned below the fixed membrane, The method of directly measuring the vibration displacement of the vibration film cannot measure the stiffness of the vibration film. However, the membrane stiffness measuring apparatus of the present invention can measure the stiffness of the diaphragm without breaking even when the microphone is completed.

また、本発明の膜スチフネス測定装置は、前記電圧源が、直流電圧源と励振電圧源とで構成されている。   In the film stiffness measuring apparatus according to the present invention, the voltage source includes a DC voltage source and an excitation voltage source.

これらの構成により、直流電圧源に励振電圧源の励振電圧を重畳印加することで、振動膜にその励振電圧源に応じた微小振幅変位を発生させる。この微小振幅変位は、振動膜の共振周波数点で大きくなり、この変化は、応答点の電圧変化により確認できる。このように、直流電圧源と励振電圧源を用いることで、膜スチフネス測定を行うことが可能である。   With these configurations, by applying the excitation voltage of the excitation voltage source to the DC voltage source in a superimposed manner, a minute amplitude displacement corresponding to the excitation voltage source is generated in the vibration film. This minute amplitude displacement becomes large at the resonance frequency point of the diaphragm, and this change can be confirmed by the voltage change at the response point. In this way, film stiffness measurement can be performed by using a DC voltage source and an excitation voltage source.

また、本発明の膜スチフネス測定装置は、前記励振電圧源が、正弦波状の電圧を供給する。   In the membrane stiffness measuring apparatus of the present invention, the excitation voltage source supplies a sinusoidal voltage.

この構成では、周波数を走引して周波数応答を測定する。この際、周波数帯域における始点の周波数f1、終点の周波数f2とすると、その周波数帯域をN分割し、
Δf=(f2−f1)/N
ステップでこの周波数帯域をカバーする。これにより膜スチフネス測定を行うことが可能である。
In this configuration, the frequency response is measured by running the frequency. At this time, if the frequency f1 at the start point and the frequency f2 at the end point in the frequency band are set, the frequency band is divided into N,
Δf = (f2−f1) / N
Steps cover this frequency band. This makes it possible to perform film stiffness measurement.

また、本発明の膜スチフネス測定装置は、前記励振電圧源が、白色雑音波形状の電圧を供給する。   In the film stiffness measuring apparatus of the present invention, the excitation voltage source supplies a white noise wave voltage.

この構成により、白色雑音は広帯域ノイズで必要な帯域の周波数をすべて含んでいるため、周波数を走引することなく、膜スチフネス測定が可能となる。   With this configuration, since white noise includes all the frequencies in the band that is necessary for broadband noise, film stiffness measurement can be performed without running through the frequency.

また、本発明の膜スチフネス測定装置は、前記励振電圧源が、M系列信号波形状の電圧を供給する。   In the film stiffness measuring apparatus of the present invention, the excitation voltage source supplies a voltage in the form of an M-sequence signal waveform.

この構成により、M系列信号は広帯域ノイズで必要な帯域の周波数をすべて含んでいるため、周波数を走引することなく、膜スチフネス測定が可能となる。   With this configuration, since the M-sequence signal includes all frequencies in the band necessary for broadband noise, film stiffness measurement can be performed without running through the frequency.

また、本発明の膜スチフネス測定装置は、前記電圧源の基準電位とされる一端が、前記コンデンサマイクロホンの振動膜を有するコンデンサ部に接続された基準電位端子に接続され、前記電圧源の他端が、前記コンデンサマイクロホンの前記電源端子に接続される。   In the membrane stiffness measuring apparatus of the present invention, one end that is the reference potential of the voltage source is connected to a reference potential terminal that is connected to a capacitor portion having a vibrating membrane of the capacitor microphone, and the other end of the voltage source. Is connected to the power supply terminal of the condenser microphone.

また、本発明の膜スチフネス測定装置は、前記電圧源の他端が、前記コンデンサマイクロホンの前記電源端子に所定の負荷抵抗を介して接続される。   In the membrane stiffness measuring apparatus of the present invention, the other end of the voltage source is connected to the power supply terminal of the condenser microphone via a predetermined load resistor.

また、本発明の膜スチフネス測定装置は、前記周波数特性測定部の第1端子が、前記コンデンサマイクロホンの前記基準電位端子に接続され、前記周波数特性算出部の第2端子が、前記コンデンサマイクロホンの前記電源端子に接続される。   In the membrane stiffness measuring apparatus according to the present invention, the first terminal of the frequency characteristic measuring unit is connected to the reference potential terminal of the capacitor microphone, and the second terminal of the frequency characteristic calculating unit is connected to the capacitor microphone. Connected to the power terminal.

これらの構成により、スチフネス測定においても、マイクロホンが完成した状態で、通常使用時の端子を用いて、電力供給のための端子接続および入出力の周波数特性を測定するための端子接続を行うため、マイクロホン完成状態のまま非破壊で測定が可能である。   With these configurations, in the stiffness measurement, with the microphone completed, the terminal for normal use is used for the terminal connection for power supply and the terminal connection for measuring the frequency characteristics of the input and output. Non-destructive measurement is possible with the microphone completed.

また、本発明の膜スチフネス測定装置は、前記周波数特性測定部による測定結果を示す情報を表示する表示部を備える。   In addition, the film stiffness measuring apparatus of the present invention includes a display unit that displays information indicating a measurement result by the frequency characteristic measuring unit.

この構成により、周波数特性を直感的に認識可能である。   With this configuration, the frequency characteristics can be intuitively recognized.

また、本発明の膜スチフネス測定装置は、前記周波数特性測定部が、前記周波数特性における変曲点を前記共振周波数として抽出する。   In the membrane stiffness measuring apparatus of the present invention, the frequency characteristic measuring unit extracts an inflection point in the frequency characteristic as the resonance frequency.

この構成により、変曲点を抽出することで共振周波数を求め、膜スチフネスを測定することが可能である。   With this configuration, it is possible to determine the resonance frequency by extracting the inflection point and measure the film stiffness.

また、本発明の膜スチフネス測定装置は、前記真空容器が、当該真空容器の内部を、10−1〜10―2(Torr)の真空度に保持する。 In the membrane stiffness measuring apparatus of the present invention, the vacuum vessel holds the inside of the vacuum vessel at a vacuum degree of 10 −1 to 10 −2 (Torr).

この構成により、真空中かつコンデンサマイクロホンが完成した状態で膜スチフネスの測定を行うことができる。真空状態とすることにより、振動膜の周囲の空気によるインピーダンスを受けることを防止できる。   With this configuration, it is possible to measure the film stiffness in a vacuum and with the condenser microphone completed. By setting it as a vacuum state, it can prevent receiving the impedance by the air around a diaphragm.

また、本発明の膜スチフネス測定方法は、コンデンサマイクロホンの振動膜のスチフネスを測定する膜スチフネス測定方法であって、真空中に保持されたコンデンサマイクロホンを動作させるための直流電圧に励振電圧を重畳させた電圧を、完成状態の前記コンデンサマイクロホンに供給する工程と、前記励振電圧に対する前記コンデンサマイクロホンの増幅器に接続された電源端子の電圧および位相を測定することで周波数特性を測定する工程と、測定した周波数応答特性から共振周波数を求め、前記共振周波数から前記振動膜の膜スチフネスを算出する工程とを含む。   The membrane stiffness measurement method of the present invention is a membrane stiffness measurement method for measuring the stiffness of a diaphragm film of a condenser microphone, wherein an excitation voltage is superimposed on a DC voltage for operating a condenser microphone held in a vacuum. Measuring the frequency characteristics by measuring the voltage and phase of the power supply terminal connected to the amplifier of the capacitor microphone with respect to the excitation voltage, Calculating a resonance frequency from frequency response characteristics, and calculating a membrane stiffness of the vibrating membrane from the resonance frequency.

この方法により、コンデンサマイクロホンが完成した状態であっても、コンデンサマイクロホンの振動膜のスチフネスを、高価な計測器を使わずに安価に、非破壊で、測定することが可能である。   According to this method, even when the condenser microphone is completed, the stiffness of the diaphragm of the condenser microphone can be measured inexpensively and without using an expensive measuring instrument.

本発明では、コンデンサマイクロホンが完成した状態であっても、コンデンサマイクロホンの振動膜のスチフネスを、高価な計測器を使わずに安価に、非破壊で、測定することが可能である。また、直接的な振動変位検出なしに、膜スチフネスを測定しているため再現性のある膜スチフネスの測定が短時間でできる。   In the present invention, even when the condenser microphone is completed, the stiffness of the diaphragm of the condenser microphone can be measured inexpensively and non-destructively without using an expensive measuring instrument. Further, since the film stiffness is measured without directly detecting the vibration displacement, the reproducible measurement of the film stiffness can be performed in a short time.

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態における膜スチフネス測定装置の構成を概略的に示す図である。本実施形態の膜スチフネス測定装置は、膜スチフネス測定時に、完成状態のコンデンサマイクロホンを真空中に保持する。そして、コンデンサマイクロホンを動作させるための直流電圧と直流電圧に励振電圧を重畳させる機能を持つ電圧源を備えている。この励振電圧に対するコンデンサマイクロホンの増幅器に接続された電源端子の電圧および位相を測定し、測定した周波数応答特性から共振周波数を算出し、共振周波数から振動膜の膜スチフネスを算出する。膜スチフネス測定時には、マイクロホンを実際に使用するときに使用される電源端子および基準電位端子を用いるため、測定用の端子を別途設ける必要がない。そのため、マイクロホンの完成状態において、非破壊で、膜スチフネスを測定することができる。なお、本実施形態では、コンデンサマイクロホンとして図13で示したECMを用いることを想定している。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a film stiffness measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention. The film stiffness measuring apparatus of the present embodiment holds the completed condenser microphone in a vacuum when measuring the film stiffness. A voltage source having a function of superimposing an excitation voltage on the DC voltage and the DC voltage for operating the condenser microphone is provided. The voltage and phase of the power supply terminal connected to the amplifier of the condenser microphone with respect to this excitation voltage are measured, the resonance frequency is calculated from the measured frequency response characteristics, and the membrane stiffness of the diaphragm is calculated from the resonance frequency. When measuring the film stiffness, the power supply terminal and the reference potential terminal that are used when the microphone is actually used are used, so that there is no need to provide a separate measurement terminal. Therefore, the film stiffness can be measured non-destructively in the completed state of the microphone. In the present embodiment, it is assumed that the ECM shown in FIG. 13 is used as the condenser microphone.

この膜スチフネス測定装置は、測定対象がECMの振動膜105であり、図1に示すように、ECM20を収容する真空容器10と、電圧源30と、測定周波数を変えながら真空中に置かれたECM20の電圧源30の励振電圧に対する入出力応答特性を測定する入出力応答測定部40と、周波数−入出力応答特性曲線から振動膜105の共振周波数を求めてECM20の膜スチフネスを算出するスチフネス算出部50と、周波数−入出力応答特性曲線などを表示する表示部60とを備えている。   In this membrane stiffness measuring apparatus, the measurement object is the vibration membrane 105 of the ECM, and as shown in FIG. 1, the vacuum vessel 10 containing the ECM 20, the voltage source 30, and the vacuum were placed while changing the measurement frequency. The input / output response measuring unit 40 that measures the input / output response characteristics of the ECM 20 with respect to the excitation voltage of the voltage source 30 and the stiffness calculation that calculates the film stiffness of the ECM 20 by obtaining the resonance frequency of the vibration film 105 from the frequency-input / output response characteristic curve. And a display unit 60 for displaying a frequency-input / output response characteristic curve and the like.

真空容器10は、内部に完成状態のECM20をセットする載置台を備え、また、電圧源30からECM20への電圧供給を可能にする端子機構として、電圧供給端子および基準電位端子を備えている。この電圧供給端子はECM20の電源端子Bに接続され、基準電位端子はECM20の基準電位端子Aに接続される。   The vacuum vessel 10 includes a mounting table for setting the completed ECM 20 therein, and also includes a voltage supply terminal and a reference potential terminal as a terminal mechanism that enables voltage supply from the voltage source 30 to the ECM 20. The voltage supply terminal is connected to the power supply terminal B of the ECM 20, and the reference potential terminal is connected to the reference potential terminal A of the ECM 20.

また、真空容器10は、周波数応答特性の測定時に、真空ポンプにより10−1Torr以下の真空状態(10−2Torr程度、即ち、音が伝達しない程度の真空状態)に維持される。この真空度は、あまり高くないため、真空ポンプを起動してから約30秒で、その状態に到達することができる。 Further, the vacuum container 10 is maintained in a vacuum state of about 10 −1 Torr or less (about 10 −2 Torr, that is, a state where no sound is transmitted) by a vacuum pump when measuring the frequency response characteristics. Since the degree of vacuum is not so high, the state can be reached in about 30 seconds after starting the vacuum pump.

電圧源30は、ECM20を動作させるための直流電圧源と、入出力応答特性を測定するために、直流電圧に励振電圧である交流励振電圧や後述する種々の励振電圧を発生する励振電圧源と、で構成されるとともに、直流電圧に励振電圧を重畳させる機能を有する。そして、この電圧をECM20へ供給する。   The voltage source 30 includes a DC voltage source for operating the ECM 20, an excitation voltage source that generates an AC excitation voltage, which is an excitation voltage, and various excitation voltages to be described later in order to measure input / output response characteristics. And has a function of superimposing an excitation voltage on a DC voltage. Then, this voltage is supplied to the ECM 20.

入出力応答特性測定部40は、励振電圧の測定周波数を掃引しながら真空中のECM20の励振電圧に対する入出力応答特性を測定する。   The input / output response characteristic measurement unit 40 measures the input / output response characteristic with respect to the excitation voltage of the ECM 20 in vacuum while sweeping the measurement frequency of the excitation voltage.

スチフネス算出部50は、入出力応答特性測定部40が測定した周波数−入出力応答特性曲線から振動膜105の共振周波数を求め、この共振周波数を上述の(数1)に代入してECM20の振動膜のスチフネスを算出する。   The stiffness calculation unit 50 obtains the resonance frequency of the vibrating membrane 105 from the frequency-input / output response characteristic curve measured by the input / output response characteristic measurement unit 40, and substitutes this resonance frequency into the above (Equation 1) to vibrate the ECM 20. Calculate the stiffness of the film.

本実施形態の膜スチフネス測定装置では、(数1)に代入するための共振周波数を、ECM20の励振電圧に対する入出力応答特性の測定結果から求めている。   In the film stiffness measuring apparatus of the present embodiment, the resonance frequency to be substituted into (Equation 1) is obtained from the measurement result of the input / output response characteristics with respect to the excitation voltage of the ECM 20.

ECM20は、通常、図2のような基本回路構成で使用される。ECM20は、振動膜105を有するコンデンサ部71と、コンデンサ部71から出力された信号を増幅する増幅器としてのFET72とを備えている。また、完成状態において外部から接続可能な基準電位端子Aと電源端子Bを備えている。図2のように、電源端子BはFET72に接続されており、基準電位端子Aはコンデンサ部71に接続されている。それぞれの端子A、Bが直流電圧源62の端子に接続され、負荷抵抗63を通して電圧供給を受けることで、ECM20は動作状態となる。なお、図2における一点鎖線はECM20の金属ケースを表している。   The ECM 20 is normally used in a basic circuit configuration as shown in FIG. The ECM 20 includes a capacitor unit 71 having a vibration film 105 and an FET 72 as an amplifier that amplifies a signal output from the capacitor unit 71. In addition, a reference potential terminal A and a power supply terminal B that can be connected from the outside in the completed state are provided. As shown in FIG. 2, the power supply terminal B is connected to the FET 72, and the reference potential terminal A is connected to the capacitor unit 71. Each terminal A, B is connected to a terminal of the DC voltage source 62 and receives voltage supply through the load resistor 63, so that the ECM 20 is in an operating state. In addition, the dashed-dotted line in FIG. 2 represents the metal case of ECM20.

図3は、本発明にかかるECM20の励振電圧に対する入出力応答特性を測定する際の回路構成の一例を示している。本回路では、外部基準電位点は直流電圧源62の正極側接地点となっているが、FET72の動作は、図2と同じである。   FIG. 3 shows an example of a circuit configuration when measuring the input / output response characteristics with respect to the excitation voltage of the ECM 20 according to the present invention. In this circuit, the external reference potential point is the positive-side ground point of the DC voltage source 62, but the operation of the FET 72 is the same as in FIG.

電圧源30として、入出力応答特性の測定時には、振動膜105を振動させるために、本実施形態では直流電圧源62に励振電圧源としての交流電圧源61を重畳している。また、励振電圧源としては、正弦波状の電圧を供給する交流電圧源、白色雑音波形状の電圧を供給する電圧源、M系列信号波形状の電圧を供給する電圧源などが用いられる。正弦波状の電圧を用いる場合には、周波数を走引して周波数応答を測定する。この際、周波数帯域における始点の周波数f1、終点の周波数f2とすると、その周波数帯域をN分割し、
Δf=(f2−f1)/N
ステップでこの周波数帯域をカバーする。また、白色雑音波形状の電圧、M系列信号波形状の電圧を用いる場合には、白色雑音やM系列信号が高帯域ノイズで必要な帯域のすべてを含んでいるために、周波数を走引することなく周波数応答を測定することができる。
In the present embodiment, an AC voltage source 61 as an excitation voltage source is superimposed on the DC voltage source 62 in order to vibrate the vibrating membrane 105 when measuring the input / output response characteristics as the voltage source 30. As the excitation voltage source, an AC voltage source that supplies a sinusoidal voltage, a voltage source that supplies a white noise wave voltage, a voltage source that supplies an M-sequence signal wave voltage, or the like is used. When a sinusoidal voltage is used, the frequency response is measured by running the frequency. At this time, if the frequency f1 at the start point and the frequency f2 at the end point in the frequency band are set, the frequency band is divided into N,
Δf = (f2−f1) / N
Steps cover this frequency band. In addition, when using a white noise wave-shaped voltage or an M-sequence signal waveform voltage, the white noise or M-sequence signal includes all the necessary bands for high-band noise, and thus the frequency is shifted. The frequency response can be measured without

また、上記のように、直流電圧源62の一端は、接地されており、任意に設けられる所定の負荷抵抗63を介して、ECM20の電源端子Bに接続されている。一方、交流電圧源61の一端は直流電圧源62の他端に接続されており、交流電圧源61の他端は、外部基準電位点から電圧源30を介して基準電位とされており、ECM20の基準電位端子Aに接続されている。   Further, as described above, one end of the DC voltage source 62 is grounded, and is connected to the power supply terminal B of the ECM 20 via a predetermined load resistor 63 provided arbitrarily. On the other hand, one end of the AC voltage source 61 is connected to the other end of the DC voltage source 62, and the other end of the AC voltage source 61 is set to the reference potential from the external reference potential point via the voltage source 30, and the ECM 20 Are connected to the reference potential terminal A.

また、図3に示すように、入出力応答特性測定を実行する入出力応答特性測定部40の端子は、それぞれECM20への交流電圧源61端及び負荷抵抗63端に接続されている。すなわち、入出力応答特性測定部40の第1端子は、ECM20の基準電位端子Aに接続され、第2端子は、ECM20の電源端子Bに接続される。また、入出力応答特性測定部40は、それぞれの電圧を測定する電圧計と、入力及び電圧の位相差を測定する位相測定計を備えている。   As shown in FIG. 3, the terminals of the input / output response characteristic measuring unit 40 that performs the input / output response characteristic measurement are connected to the AC voltage source 61 end and the load resistance 63 end to the ECM 20, respectively. That is, the first terminal of the input / output response characteristic measurement unit 40 is connected to the reference potential terminal A of the ECM 20, and the second terminal is connected to the power supply terminal B of the ECM 20. The input / output response characteristic measurement unit 40 includes a voltmeter that measures each voltage and a phase meter that measures the phase difference between the input and the voltage.

また、別の1例として図4のように構成してもよい。図4は、外部基準電位点を図2と同じにした構成である。つまり、本回路では、外部基準電位点は直流電圧源62の負極側接地点となっている。   Moreover, you may comprise as FIG. 4 as another example. FIG. 4 shows a configuration in which the external reference potential point is the same as that in FIG. That is, in this circuit, the external reference potential point is a negative-side ground point of the DC voltage source 62.

具体的には、直流電圧源62の一端は、外部基準電位点されて基準電位となっており、ECM20の基準電位端子Aに接続されている。一方、交流電圧源61の一端は直流電圧源62の他端に接続されており、交流電圧源61の他端は、任意に設けられる所定の負荷抵抗63を介して、ECM20の電源端子Bに接続されている。   Specifically, one end of the direct-current voltage source 62 is set as an external reference potential to be a reference potential, and is connected to the reference potential terminal A of the ECM 20. On the other hand, one end of the AC voltage source 61 is connected to the other end of the DC voltage source 62, and the other end of the AC voltage source 61 is connected to a power supply terminal B of the ECM 20 via a predetermined load resistor 63 provided arbitrarily. It is connected.

なお、入出力応答特性測定部40の端子とECMとの接続関係は、図3と同様である。   The connection relationship between the terminals of the input / output response characteristic measurement unit 40 and the ECM is the same as that in FIG.

次に、減圧真空環境下で、このコンデンサ部がどのような等価回路で表わされるかを説明する。
空気中にあるECM20の音響等価回路は図5のように表される。
Next, a description will be given of what equivalent circuit the capacitor portion is represented in under reduced pressure.
An acoustic equivalent circuit of the ECM 20 in the air is expressed as shown in FIG.

ここで、Aは図13に示すECM20の面布101とケース103の音孔102と振動膜105前面の容積で構成される機械インピーダンスであり、r1とm1はケース103の音孔102の機械インピーダンスであり、C1はケース103と振動膜105前面の容積で構成される気室のコンプライアンス(即ち、スチフネスの逆数)である。また、Bは振動膜105の機械インピーダンスであり、m0は振動膜105の質量であり、c0(=1/so)は振動膜105のコンプライアンスであり、r0は振動膜105自身のダンピング抵抗である。また、r2とm2は固定電極107の穴のインピーダンスと振動膜105と固定電極間の薄流体層のインピーダンスの直列合成インピーダンスであり、C2は薄流体層のコンプライアンスであり、C3は背気室108で構成される気室の空気コンプライアンスである。   Here, A is the mechanical impedance constituted by the volume of the face cloth 101 of the ECM 20 shown in FIG. C1 is the compliance of the air chamber composed of the volume of the front surface of the case 103 and the vibrating membrane 105 (that is, the reciprocal of stiffness). B is the mechanical impedance of the vibrating membrane 105, m0 is the mass of the vibrating membrane 105, c0 (= 1 / so) is the compliance of the vibrating membrane 105, and r0 is the damping resistance of the vibrating membrane 105 itself. . Further, r2 and m2 are the combined impedance in series of the impedance of the hole of the fixed electrode 107 and the impedance of the thin fluid layer between the vibrating membrane 105 and the fixed electrode, C2 is the compliance of the thin fluid layer, and C3 is the back air chamber 108. Air compliance of the air chamber composed of

このように、空気中にあるECM20のコンデンサ部71は、振動膜105と固定電極107との間の機械インピーダンスの他に、空気による機械インピーダンスを有しているため、ECM20の励振電圧に対する入出力応答特性を空気中で測定する場合は、その影響のため振動膜そのものの機械インピーダンス影響を測定することが極めて困難である。   As described above, since the capacitor unit 71 of the ECM 20 in the air has mechanical impedance due to air in addition to the mechanical impedance between the vibrating membrane 105 and the fixed electrode 107, input / output with respect to the excitation voltage of the ECM 20 is performed. When the response characteristic is measured in air, it is extremely difficult to measure the mechanical impedance effect of the diaphragm itself due to the influence.

この振動膜105の前部気室や背気室108の空気に起因するコンプライアンスc1、c2およびc3は、次の(数2)で表される。

Figure 2010112934
C:音響コンプライアンス[m5/N]
γ:空気の体積比熱[J/m3K]
V:気室の容積[m3]
P0:気圧[N/m2] Compliances c1, c2, and c3 caused by the air in the front air chamber and the back air chamber 108 of the vibrating membrane 105 are expressed by the following (Equation 2).
Figure 2010112934
C: Acoustic compliance [m 5 / N]
γ: Volume specific heat of air [J / m 3 K]
V: Volume of air chamber [m 3 ]
P0: Barometric pressure [N / m 2 ]

この測定装置では、ECM20が真空中に配置されているから、C(=c1、c2、c3)の値は極めて大きい値となり、短絡状態となる。従って、真空容器10内のコンデンサ部71の等価回路は、振動膜105自身の機械インピーダンスのみで代表されることになる。
このコンデンサ部の可逆式は、次式(数3)(数4)のように表される(川村雅恭著「
電気音響工学概論」株式会社昭晃堂発行、参照)。
In this measuring apparatus, since the ECM 20 is disposed in a vacuum, the value of C (= c1, c2, c3) becomes a very large value and is in a short circuit state. Therefore, the equivalent circuit of the capacitor unit 71 in the vacuum vessel 10 is represented only by the mechanical impedance of the vibrating membrane 105 itself.
The reversible equation of this capacitor part is expressed by the following equations (Equation 3) (Equation 4) (written by Masaaki Kawamura “
"Introduction to electroacoustic engineering", published by Shoshodo Co., Ltd.)

Figure 2010112934
Figure 2010112934

Figure 2010112934
V1:励振源の交流電圧[V]
Zm:被測定振動板の機械インピーダンス
:DC成極電圧[V]
A:力係数
ε0:真空の誘電率 8.85E-12[F/m]
S:コンデンサ部の面積[m2]
Cm:コンデンサ部の電気容量[F]
d0:エアギャップ間隔[m]
V:振動板の速度[m/sec]
sn:負スチフネス[N/m]
Figure 2010112934
V1: Excitation source AC voltage [V]
Zm: Mechanical impedance of diaphragm to be measured E B : DC polarization voltage [V]
A: Force coefficient ε0: Dielectric constant of vacuum 8.85E-12 [F / m]
S: Capacitor area [m 2 ]
Cm: Capacitor capacitance [F]
d0: Air gap interval [m]
V: Speed of diaphragm [m / sec]
sn: Negative stiffness [N / m]

ここで、被測定振動膜の機械インピーダンスは、

Figure 2010112934
Here, the mechanical impedance of the diaphragm to be measured is
Figure 2010112934

また、力係数は、

Figure 2010112934
The force coefficient is
Figure 2010112934

また、コンデンサ部71の容量Cmは、

Figure 2010112934
The capacitance Cm of the capacitor unit 71 is
Figure 2010112934

また、負スチフネスは、

Figure 2010112934
で表される。 Negative stiffness is
Figure 2010112934
It is represented by

この(数3)は、振動膜の機械的な力の関係に着目した式であり、(数4)は、振動膜の電気的な関係に着目した式である。
この測定装置では、ECM20の振動膜105を励振源で駆動することになるため、外力Fは0であり、(数3)は(数9)のように表される。

Figure 2010112934
This (Equation 3) is an equation that focuses on the relationship between the mechanical forces of the diaphragm, and (Equation 4) is an equation that focuses on the electrical relationship of the diaphragm.
In this measuring apparatus, since the vibration film 105 of the ECM 20 is driven by an excitation source, the external force F is 0, and (Equation 3) is expressed as (Equation 9).
Figure 2010112934

そのため、(数4)は、(数9)を用いて次式(数10)のように変形できる。

Figure 2010112934
Therefore, (Equation 4) can be transformed into the following equation (Equation 10) using (Equation 9).
Figure 2010112934

したがって、ECM20のコンデンサ部の減圧真空環境下でのインピーダンスは、次式(数11)のようになる。

Figure 2010112934
Therefore, the impedance of the capacitor portion of the ECM 20 under a reduced-pressure vacuum environment is expressed by the following equation (Equation 11).
Figure 2010112934

このインピーダンスは、図6に示すように、電気容量Cmと振動板機械インピーダンスとが並列に配置された共振等価回路として表現され、振動膜105の機械的共振周波数が電気的共振周波数として表されていることがわかる。また、ECM20の構造では、構造要因で振動には寄与しない微小な固定的浮遊・寄生容量が発生し、Cmに並列に付加される。   As shown in FIG. 6, this impedance is expressed as a resonance equivalent circuit in which the electric capacitance Cm and the diaphragm mechanical impedance are arranged in parallel, and the mechanical resonance frequency of the diaphragm 105 is expressed as the electric resonance frequency. I understand that. Further, in the structure of the ECM 20, a minute fixed floating / parasitic capacitance that does not contribute to vibration is generated due to a structural factor, and is added in parallel to Cm.

減圧真空環境下でのコンデンサ部71の表現が得られたことから、回路構成が図3に示すものの等価回路は図7で表され、回路構成が図4に示すものの等価回路は図8で表される。   Since the expression of the capacitor unit 71 under a reduced-pressure vacuum environment is obtained, the equivalent circuit of the circuit configuration shown in FIG. 3 is shown in FIG. 7, and the equivalent circuit of the circuit configuration shown in FIG. 4 is shown in FIG. Is done.

減圧真空環境下でのコンデンサ部71の等価回路を組み込んだ図7、図8の励振電圧に対する入出力応答は、電子回路の動作をシミュレーションする汎用回路シミュレーターSPICEで求めることができる。   The input / output response to the excitation voltage shown in FIGS. 7 and 8 incorporating the equivalent circuit of the capacitor unit 71 under a reduced-pressure vacuum environment can be obtained by a general-purpose circuit simulator SPICE that simulates the operation of the electronic circuit.

図9は、図7(実回路は図3)の励振電圧に対するゲインー位相応答曲線であり、
図7のB点(図3のB点)に、振動膜105の共振周波数f0と共振のするどさの位相情報とゲイン共振情報をもった応答曲線が得られることを示している。なお、ゲイン曲線では、図7におけるB点、C点、D点でのシミュレーション結果を示しており、位相曲線では、図7におけるB点でのシミュレーション結果のみを示している。
FIG. 9 is a gain-phase response curve with respect to the excitation voltage of FIG. 7 (the actual circuit is FIG. 3).
7 shows that a response curve having the resonance frequency f0 of the vibration film 105, phase information of the resonance depth, and gain resonance information can be obtained at point B in FIG. 7 (point B in FIG. 3). The gain curve shows the simulation results at points B, C, and D in FIG. 7, and the phase curve shows only the simulation results at point B in FIG.

図10は、図8(実回路は図4)の励振電圧に対するゲインー位相応答曲線であり、
図8のB点(図4のB点)に、振動膜105の共振周波数f0と共振のするどさの位相情報とゲイン共振情報をもった応答曲線が得られることを示している。なお、ゲイン曲線では、図8におけるB点、C点、D点でのシミュレーション結果を示しており、位相曲線では、図8におけるB点でのシミュレーション結果のみを示している。そして、B点における電圧および位相が、ECM20の出力端子としての端子Bの電圧および位相となる。
FIG. 10 is a gain-phase response curve with respect to the excitation voltage of FIG. 8 (the actual circuit is FIG. 4).
8 shows that a response curve having the resonance frequency f0 of the vibration film 105, phase information of the resonance depth, and gain resonance information is obtained at point B (point B in FIG. 4). The gain curve shows the simulation results at points B, C, and D in FIG. 8, and the phase curve shows only the simulation results at point B in FIG. The voltage and phase at point B become the voltage and phase of terminal B as the output terminal of ECM 20.

図11及び図11の部分拡大図である図12に示すゲインー位相応答曲線は、図3の測定回路において、励振電圧源の交流電圧の周波数を走引した場合の測定結果であり、B点に、振動膜105の共振周波数f0と共振のするどさの位相情報とゲイン共振情報をもった応答曲線が得られることを示している。   The gain-phase response curve shown in FIG. 12 which is a partially enlarged view of FIG. 11 and FIG. 11 is a measurement result when the frequency of the alternating voltage of the excitation voltage source is run in the measurement circuit of FIG. This shows that a response curve having the resonance frequency f0 of the vibration film 105, the phase information of the resonance depth, and the gain resonance information can be obtained.

励振電圧周波数−入出力応答曲線aは、ECM20の基準電位端子Aにおける周波数毎の電圧を入力特性とし、電源端子Bにおける周波数毎の電圧を出力特性とし、入力特性に対する出力特性の利得(ゲイン)を示したものである。また、励振電圧周波数−位相曲線bは、上記入力特性と出力特性の周波数毎の位相差を示したものである。   The excitation voltage frequency-input / output response curve a has a voltage for each frequency at the reference potential terminal A of the ECM 20 as an input characteristic, a voltage for each frequency at the power supply terminal B as an output characteristic, and a gain of the output characteristic with respect to the input characteristic. Is shown. The excitation voltage frequency-phase curve b shows the phase difference for each frequency of the input characteristics and the output characteristics.

例えば、図11に示した励振電圧周波数−入出力応答曲線は、表示部60に表示される。
スチフネス算出部50は、この曲線から、反共振点の周波数と共振点の周波数とをサーチし、2周波数の平均を取ることにより共振周波数f0を求め、この値を(数1)に代入してECM20の振動膜のスチフネスを算出する。
For example, the excitation voltage frequency-input / output response curve shown in FIG. 11 is displayed on the display unit 60.
The stiffness calculation unit 50 searches the frequency of the antiresonance point and the frequency of the resonance point from this curve, obtains the resonance frequency f0 by taking the average of the two frequencies, and substitutes this value in (Equation 1). The stiffness of the diaphragm of the ECM 20 is calculated.

あるいは、スチフネス算出部50は、励振電圧周波数−入出力応答曲線の共振−反共振部の曲線部分と、ゲイン一定曲線との交点を求め、その値を(数1)に代入して振動膜のスチフネスを算出する。   Alternatively, the stiffness calculation unit 50 obtains an intersection between the curve portion of the resonance-antiresonance unit of the excitation voltage frequency-input / output response curve and the constant gain curve, and substitutes the value into (Equation 1) to calculate the vibration film. Calculate the stiffness.

また、例えば、図11に示した励振電圧周波数−位相曲線が表示部60に示される。スチフネス算出部50は、この曲線のピーク、すなわち変曲点を共振周波数f0として求め、この値を(数1)に代入してECM20の振動膜105のスチフネスを算出する。   For example, the excitation voltage frequency-phase curve shown in FIG. The stiffness calculation unit 50 obtains the peak of the curve, that is, the inflection point as the resonance frequency f0, and substitutes this value into (Equation 1) to calculate the stiffness of the diaphragm 105 of the ECM 20.

このように、本実施形態の膜スチフネス測定方法では、直流電圧源に励振電圧源を重畳印加することで、振動膜にその励振電圧源に応じた微小振幅変位を発生させる。この微小振動変位は、振動膜の共振周波数点で大きくなり、その変化が応答点に電圧変化を生じせしめ、図9〜図12に示すように、共振点近傍でシミュレーションデータおよび実データ(測定データ)にもあるように共振カーブが得られる。   As described above, in the film stiffness measurement method of the present embodiment, the excitation voltage source is superimposed on the DC voltage source to generate a minute amplitude displacement corresponding to the excitation voltage source on the vibration film. The minute vibration displacement becomes large at the resonance frequency point of the vibration film, and the change causes a voltage change at the response point. As shown in FIGS. 9 to 12, simulation data and actual data (measurement data) are generated near the resonance point. The resonance curve can be obtained as shown in Fig. 2).

このような膜スチフネス測定方法により、ECM20の図11に示す励振電圧周波数―入出力応答曲線aおよび励振電圧周波数―位相曲線bから共振周波数を求めているため、安価に測定することができる。また、ECM20のように完成品の状態にあるマイクロホンで再現性の有る測定結果を短時間で得ることができる。   Since the resonance frequency is obtained from the excitation voltage frequency-input / output response curve a and the excitation voltage frequency-phase curve b shown in FIG. 11 of the ECM 20 by such a film stiffness measurement method, it can be measured at low cost. Further, a reproducible measurement result can be obtained in a short time with a microphone in a finished product state like the ECM 20.

また、本実施形態のマイクロホン完成状態で測定する測定装置では、測定対象物を真空中に配置して入出力の応力測定を行っているため、振動膜の周囲の空気による影響を排除することができ、振動膜のみの入出力応答を正確に測定することができる。   In addition, in the measurement apparatus that measures in the completed state of the microphone according to the present embodiment, the measurement object is placed in a vacuum and the input / output stress is measured, so that the influence of the air around the diaphragm can be eliminated. It is possible to accurately measure the input / output response of only the vibrating membrane.

このときの真空レベルは、10−1〜10−2Torr程度で良く、真空ポンプにより短時間で設定することができる。 The vacuum level at this time may be about 10 −1 to 10 −2 Torr, and can be set in a short time by a vacuum pump.

また、この測定装置では、入出力応答測定部40が、ゲインの絶対値|G|と位相角度とを測定しているため、図6の等価回路でのインピーダンス測定と同等の、正確な測定結果を得ることができる。   Further, in this measuring apparatus, since the input / output response measuring unit 40 measures the absolute value | G | of the gain and the phase angle, an accurate measurement result equivalent to the impedance measurement in the equivalent circuit of FIG. Can be obtained.

また、入出力応答の測定は、市販の周波数応答測定器を用いて行っても良い。   In addition, the input / output response may be measured using a commercially available frequency response measuring device.

また、表示部60及びスチフネス算出部50は、パーソナルコンピュータ(PC)の機能を用いて実現することができる。この場合、PCから入出力応答測定部40に測定周波数の帯域を指定し、入出力応答測定部40が指定された周波数帯域を走査して入出力測定結果をPCに出力すると、PCの画面にゲインの絶対値|G|と位相角度とが表示されるようにすることができる。   Moreover, the display part 60 and the stiffness calculation part 50 are realizable using the function of a personal computer (PC). In this case, when the measurement frequency band is designated from the PC to the input / output response measurement unit 40, and the input / output response measurement unit 40 scans the designated frequency band and outputs the input / output measurement result to the PC, the screen of the PC is displayed. The absolute value | G | of the gain and the phase angle can be displayed.

なお、本実施形態では、ECM20の振動膜105のスチフネスを測定する場合について説明したが、本発明は、その他の静電型電気音響変換器(例えばMEMSマイクロホン)を測定対象とすることも可能である。   In the present embodiment, the case where the stiffness of the vibration film 105 of the ECM 20 is measured has been described. However, the present invention can also use other electrostatic electroacoustic transducers (for example, MEMS microphones) as measurement targets. is there.

また、本実施形態では励振電圧入出力応答特性を電圧により測定することを説明したが、B点の電流を検出することにより振動膜のスチフネスを測定してもよい。   In the present embodiment, the excitation voltage input / output response characteristic is measured by voltage. However, the stiffness of the diaphragm may be measured by detecting the current at point B.

本発明は、ECM、MEMSマイクロホンの振動膜のスチフネスを、これらのマイクロホンが完成した状態であっても、安価に、且つ、簡単に測定することができる膜スチフネス測定装置、膜スチフネス測定方法として有用である。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is useful as a membrane stiffness measuring apparatus and a membrane stiffness measuring method that can easily and inexpensively measure the stiffness of diaphragms of ECM and MEMS microphones even when these microphones are completed. It is.

本発明の実施形態における膜スチフネス測定装置の概要を示す図The figure which shows the outline | summary of the film | membrane stiffness measuring apparatus in embodiment of this invention. 本発明の実施形態におけるECMを実際に使用する際の回路構成の一例を示す図The figure which shows an example of the circuit structure at the time of actually using ECM in embodiment of this invention 本発明の実施形態におけるECMの入出力応答特性を測定する際の回路構成の一例を示す図The figure which shows an example of the circuit structure at the time of measuring the input-output response characteristic of ECM in embodiment of this invention 本発明の実施形態におけるECMの入出力応答特性を測定する際の回路構成の他の一例を示す図The figure which shows another example of the circuit structure at the time of measuring the input-output response characteristic of ECM in embodiment of this invention 本発明の実施形態におけるECMの機械インピーダンスの等価回路を示す図The figure which shows the equivalent circuit of the mechanical impedance of ECM in embodiment of this invention 本発明の実施形態における膜スチフネス測定回路の等価回路を示す図The figure which shows the equivalent circuit of the film | membrane stiffness measuring circuit in embodiment of this invention 本発明の実施形態におけるECMの入出力応答特性を測定する際の回路構成が図3に示すものである場合の等価回路図FIG. 3 is an equivalent circuit diagram when the circuit configuration when measuring the input / output response characteristics of the ECM in the embodiment of the present invention is as shown in FIG. 本発明の実施形態におけるECMの入出力応答特性を測定する際の回路構成が図4に示すものである場合の等価回路図4 is an equivalent circuit diagram when the circuit configuration when measuring the input / output response characteristics of the ECM in the embodiment of the present invention is as shown in FIG. 本発明の実施形態における図3測定回路上の各点における周波数−入出力応答曲線およびB点における周波数−位相曲線のシミュレーション結果を示す図The figure which shows the simulation result of the frequency-input / output response curve in each point on the FIG. 3 measurement circuit in embodiment of this invention, and the frequency-phase curve in B point. 本発明の実施形態における図4の測定回路上の各点における周波数−入出力応答曲線、B点における周波数−位相曲線のシミュレーション結果を示す図The figure which shows the simulation result of the frequency-input / output response curve in each point on the measurement circuit of FIG. 4 in embodiment of this invention, and the frequency-phase curve in B point. 本発明の実施形態における膜スチフネス測定方法で測定される周波数−入出力応答曲線および周波数−位相曲線を示す図The figure which shows the frequency-input / output response curve and frequency-phase curve which are measured with the film | membrane stiffness measuring method in embodiment of this invention. 本発明の実施形態における図11に示した曲線の要部拡大図The principal part enlarged view of the curve shown in FIG. 11 in embodiment of this invention ECMの構成を示す図Diagram showing ECM configuration MEMSマイクロホンの構成を示す図The figure which shows the structure of a MEMS microphone

符号の説明Explanation of symbols

10 真空容器
20 ECM
30 電圧源
40 入出力応答測定部
50 スチフネス算出部
60 表示部
61 交流電圧源
62 直流電圧源
63 負荷抵抗
71 コンデンサ部
72 FET
101 面布
102 音孔
103 ケース
104 振動膜リング
105 エレクトレット振動膜
106 スペーサ
107 固定電極
108 背気室
109 FET
110 絶縁体
111 クッションシート
112 プリント基板
113 端子
121 シリコン基板
122 第1の絶縁層
123 振動膜電極
124 エレクトレット膜
125 第2の絶縁層
126 固定電極
127 音孔
128 背気室
10 Vacuum vessel 20 ECM
30 Voltage Source 40 Input / Output Response Measurement Unit 50 Stiffness Calculation Unit 60 Display Unit 61 AC Voltage Source 62 DC Voltage Source 63 Load Resistor 71 Capacitor Unit 72 FET
101 Face cloth 102 Sound hole 103 Case 104 Vibration film ring 105 Electret vibration film 106 Spacer 107 Fixed electrode 108 Back air chamber 109 FET
110 Insulator 111 Cushion Sheet 112 Printed Circuit Board 113 Terminal 121 Silicon Substrate 122 First Insulating Layer 123 Vibrating Membrane Electrode 124 Electret Membrane 125 Second Insulating Layer 126 Fixed Electrode 127 Sound Hole 128 Back Air Chamber

Claims (12)

完成状態のコンデンサマイクロホンを真空中に保持する真空容器と、
前記コンデンサマイクロホンを動作させるための直流電圧と前記直流電圧に励振電圧を重畳させる機能を持つ電圧源と、
前記励振電圧に対する前記コンデンサマイクロホンの増幅器に接続された電源端子の電圧および位相を測定する周波数応答特性測定部と、
前記周波数特性測定部が測定した周波数応答特性から共振周波数を算出し、前記共振周波数から前記振動膜の膜スチフネスを算出するスチフネス算出部と
を備える膜スチフネス測定装置。
A vacuum container for holding the completed condenser microphone in a vacuum;
A voltage source having a function of superimposing an excitation voltage on the DC voltage and the DC voltage for operating the condenser microphone;
A frequency response characteristic measuring unit that measures a voltage and a phase of a power supply terminal connected to an amplifier of the condenser microphone with respect to the excitation voltage;
A membrane stiffness measurement apparatus comprising: a stiffness calculation unit that calculates a resonance frequency from a frequency response characteristic measured by the frequency characteristic measurement unit, and calculates a membrane stiffness of the vibrating membrane from the resonance frequency.
請求項1に記載の膜スチフネス測定装置であって、
前記電圧源は、直流電圧源と励振電圧源とで構成された
膜スチフネス測定装置。
The film stiffness measuring device according to claim 1,
The voltage source comprises a DC voltage source and an excitation voltage source.
請求項2に記載の膜スチフネス測定装置であって、
前記励振電圧源は、正弦波状の電圧を供給する
膜スチフネス測定装置。
The film stiffness measuring device according to claim 2,
The excitation voltage source supplies a sinusoidal voltage.
請求項2に記載の膜スチフネス測定装置であって、
前記励振電圧源は、白色雑音波形状の電圧を供給する
膜スチフネス測定装置。
The film stiffness measuring device according to claim 2,
The excitation voltage source supplies a white noise wave-shaped voltage.
請求項2に記載の膜スチフネス測定装置であって、
前記励振電圧源は、M系列信号波形状の電圧を供給する
膜スチフネス測定装置。
The film stiffness measuring device according to claim 2,
The excitation voltage source supplies a voltage in the form of an M-sequence signal waveform.
請求項1ないし5のいずれか1項に記載の膜スチフネス測定装置であって、
前記電圧源の基準電位とされる一端は、前記コンデンサマイクロホンの振動膜を有するコンデンサ部に接続された基準電位端子に接続され、
前記電圧源の他端は、前記コンデンサマイクロホンの前記電源端子に接続される
膜スチフネス測定装置。
The film stiffness measuring device according to any one of claims 1 to 5,
One end to be a reference potential of the voltage source is connected to a reference potential terminal connected to a capacitor unit having a vibrating membrane of the capacitor microphone,
The other end of the voltage source is connected to the power supply terminal of the condenser microphone.
請求項6に記載の膜スチフネス測定装置であって、
前記電圧源の他端は、前記コンデンサマイクロホンの前記電源端子に所定の負荷抵抗を介して接続される
膜スチフネス測定装置。
The film stiffness measuring device according to claim 6,
The other end of the voltage source is connected to the power supply terminal of the condenser microphone via a predetermined load resistance.
請求項1ないし7のいずれか1項に記載の膜スチフネス測定装置であって、
前記周波数特性測定部の第1端子は、前記コンデンサマイクロホンの前記基準電位端子に接続され、
前記周波数特性算出部の第2端子は、前記コンデンサマイクロホンの前記電源端子に接続される
膜スチフネス測定装置。
The film stiffness measuring device according to any one of claims 1 to 7,
The first terminal of the frequency characteristic measurement unit is connected to the reference potential terminal of the condenser microphone,
The second terminal of the frequency characteristic calculation unit is connected to the power supply terminal of the condenser microphone.
請求項1ないし8のいずれか1項に記載の膜スチフネス測定装置であって、更に、
前記周波数特性測定部による測定結果を示す情報を表示する表示部を備える
膜スチフネス測定装置。
The film stiffness measuring device according to any one of claims 1 to 8, further comprising:
A film stiffness measurement device comprising a display unit for displaying information indicating a measurement result obtained by the frequency characteristic measurement unit.
請求項1ないし9のいずれか1項に記載の膜スチフネス測定装置であって、
前記周波数特性測定部は、前記周波数特性における変曲点を前記共振周波数として抽出する
膜スチフネス測定装置。
The film stiffness measuring device according to any one of claims 1 to 9,
The frequency characteristic measurement unit extracts an inflection point in the frequency characteristic as the resonance frequency.
請求項1ないし10のいずれか1項に記載の膜スチフネス測定装置であって、
前記真空容器は、当該真空容器の内部を、10−1〜10―2(Torr)の真空度に保持する
膜スチフネス測定装置。
It is a film | membrane stiffness measuring apparatus of any one of Claim 1 thru | or 10, Comprising:
The said vacuum vessel is a film | membrane stiffness measuring apparatus which hold | maintains the inside of the said vacuum vessel to the vacuum degree of 10 < -1 > -10 <-2 > (Torr).
コンデンサマイクロホンの振動膜のスチフネスを測定する膜スチフネス測定方法であって、
真空中に保持されたコンデンサマイクロホンを動作させるための直流電圧に励振電圧を重畳させた電圧を、完成状態の前記コンデンサマイクロホンに供給する工程と、
前記励振電圧に対する前記コンデンサマイクロホンの増幅器に接続された電源端子の電圧および位相を測定することで周波数特性を測定する工程と、
測定した周波数応答特性から共振周波数を求め、前記共振周波数から前記振動膜の膜スチフネスを算出する工程と
を含む膜スチフネス測定方法。
A film stiffness measurement method for measuring the stiffness of a diaphragm of a condenser microphone,
Supplying a voltage obtained by superimposing an excitation voltage on a DC voltage for operating a condenser microphone held in a vacuum to the condenser microphone in a completed state;
Measuring a frequency characteristic by measuring a voltage and a phase of a power supply terminal connected to an amplifier of the condenser microphone with respect to the excitation voltage;
Obtaining a resonance frequency from the measured frequency response characteristics, and calculating a film stiffness of the vibration film from the resonance frequency.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2019153899A (en) * 2018-03-02 2019-09-12 新日本無線株式会社 Analysis and design methods for capacitive transducers

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