JP2010034991A - マイクロホンユニット - Google Patents

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Abstract

【課題】フラットな周波数特性を有するマイクロホンユニットを提供する。
【解決手段】マイクロホンユニット120は、筐体200と、第1の基板210と、第2の基板220と、振動ユニット230と、振動板232と、ASIC240と、ダミー部品300とを含む。ダミー部品300は、開口部130の下に位置するように基板210に取り付けられている。
【選択図】図3

Description

本発明はマイクロホンユニットに関し、特に、マイクロホンユニットの音響特性の改善に関する。
電話などによる通話や、音声認識、音声録音などに際しては、目的の音声(話者の声)のみを集音することが好ましい。しかし、集音のための音声入力装置の使用環境では、背景雑音など目的の音声以外の音が存在することがある。そのため、雑音が存在する環境で使用される場合にも目的の音声を正確に抽出することを可能にする、すなわち雑音を除去する機能を有する音声入力装置の開発が進んでいる。また、近年では、電子機器の小型化が進んでおり、音声入力装置の小型化も進められている。
音声入力装置(以下「マイクロホン」ともいう。)に関し、たとえば、特開平06−339192号公報(特許文献1)は、「無指向性のエレクトリックコンデンサマイクロホンにおいて、個々の音響インピーダンス特性のばらつきを、所定特性に容易に調整できるようにする」ためのマイクロホンユニットを開示している([要約]の[目的])。このマイクロホンユニットは、「振動板5およびバックプレート6、カバープレート9等をユニットケース2に収容したマイクロホンユニット1において、バックプレート6の背部と外部とを連通する通路12を形成し、この通路12に、この通路12の音響インピーダンスを変える調整機構を設けたものである。調整機構の一例として、カバープレート9に通路12を設け、この通路12にボルト14を螺合した。ボルト14の螺合度を変えることにより、通路12の音響インピーダンスが変わることになる。」というものである([要約]の[解決手段])。
また、特開平08−098289号公報(特許文献2)は、「周波数の高い領域における感度周波数特性を改善して、平坦な感度周波数特性を持った地上設置型マイクロホン」を開示している([要約]の[目的])。この地上設置型マイクロホンは、「マイクロホン素子1の容器1aに、振動板1cの内側において該容器1aの内外を連結する極めて微小な圧力等価音孔1bを設ける。」というものである([要約]の[解決手段])。
特開2007−060228号公報(特許文献3)は、「優れた受音特性を得ることができるキャビティ及び通気穴(リーク穴)を持つと共に安価に作製することができる」シリコンマイクロホンパッケージを開示している([要約]の[目的])。この「シリコンマイクロホンパッケージ1は、開口部4a上にシリコンマイクロホンチップ2を実装した印刷回路基板4と、シリコンマイクロホンチップ2を包囲して印刷回路基板4上に設置されるケーシング5と、ケーシング5の裏面に設置される絶縁板6とを備える。ケーシング5の裏面には、溝部5aと、該溝部5aが臨む開口部5bとが設けられる。絶縁板6には、貫通孔6aが設けられる。ケーシング5を印刷回路基板4上に設置することにより、ケーシング5と印刷回路基板4に包囲された空間がキャビティ7となり、絶縁板6をケーシング5の裏面に設置することにより、貫通孔6a、溝部5a、及び開口部5bがキャビティ7と外部空間とを連通する通気穴8となる。」というものである([要約]の[解決手段])。
特開2001−054195号公報(特許文献4)は、「部品点数が少なく小型で、振動時の反射波による悪影響を防止したエレクトレットコンデンサマイクロホン」を開示している([要約]の[目的])。当該エレクトレットコンデンサマイクロホンは、「固定電極6と振動膜4とを一定間隔で配置し、両者間の静電容量の変化によって振動膜4に与えられた音声信号を検出するようにしたエレクトレットコンデンサマイクロホンにおいて、絶縁材からなる箱型ケース9の凹部9a内に、上記固定電極6と振動膜4、半導体素子8を収納し、上記凹部9aの壁面に背室12を備える。」というものである([要約]の[解決手段])。
特開2003−163996号公報(特許文献5)は、「部品点数が少なく小型で、振動時の反射波による悪影響を防止したエレクトレットコンデンサマイクロホン」を開示している([要約]の[課題])。このエレクトレットコンデンサマイクロホンは、「固定電極6と振動膜4とを一定間隔で配置し、両者間の静電容量の変化によって振動膜4に与えられた音声信号を検出するようにしたエレクトレットコンデンサマイクロホンにおいて、絶縁材からなる箱型ケース9の凹部9a内に、上記固定電極6と振動膜4、半導体素子8を収納し、上記凹部9aの壁面に背室12」を備える([要約]の[解決手段])。
特開平06−339192号公報 特開平08−098289号公報 特開2007−060228号公報 特開2001−054195号公報 特開2003−163996号公報
一般に、マイクロホンユニットは、内部空間を含む筐体部と、内部空間内に配置され音響振動を電気信号に変換する振動板と、電気信号を増幅して出力するアンプ部と、前記筐体部に設けられて内部空間と外部空間とを連通する開口部とを備える。
このような構成を有するマイクロホンユニットにおいては、音の入力される開口部からダストが侵入して振動板上に付着することによる動作不良を避けるため、開口部の直下に振動板を配置せず、開口部の直下(筐体の内側部分)に振動板が重らないようにオフセット配置する。開口部の直下に振動板を配置すれば、開口部から振動板に至る経路長すなわち伝播時間は最短で、内部空間の容積を最小限に抑えることができる。しかし、振動板を開口部からオフセット配置した場合は、開口部から振動板に至るまでに、一定の経路長と一定の内部空間容積が存在する。この内部空間は、音響的に共振する系を構成する。この空間の共振周波数foは、開口部から振動板に至る経路長、内部空間の容積、形状等に応じて決定される。
マイクロホンの周波数特性を高域までフラットに保つためには、内部空間が有する共振周波数を高く設定することが望ましいが、そのためには、内部空間の容積を極力小さく設計する必要がある。しかしながら、振動板は、その強度を保つため周囲を支持する支持部を有しており、一定の厚み(例えば0.4mm程度)を持つ。そのため、たとえば、箱型の筐体の上部に開口部を設け、振動板を筐体の内部空間の底部に開口部からオフセットさせて配置した場合には、内部空間には、少なくとも支持部の厚みと、開口部から入力した音声を振動板に伝達するための音響経路厚み(例えば0.3mm程度)を足した厚みが必要になる。このため、開口部下の振動板および支持部の横には無駄な空間が存在することになる。音響伝達は、0.3mmの厚みがあれば十分であるが、開口部の下における、0.7mmという厚みは、無駄であり、内部空間容積を増大させ、共振周波数foの低下を招いて、フラットな周波数帯域を狭くし、マイクロホンの周波数特性の劣化を引き起こす。
本発明は、上述のような問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、小型で音響特性が改善されるマイクロホンユニットを提供することである。他の目的は、よりフラットな周波数特性を有するマイクロホンユニットを提供することである。
この発明のある局面に従うマイクロホンユニットは、内部空間および開口部を有する筐体と、内部空間に配置されて音響振動を電気信号に変換する振動部と、内部空間内に配置されて開口部から振動板への音響伝達特性を補正する音響補正部材とを備える。
好ましくは、内部空間は、第1の部分空間および第2の部分空間を含む。振動部は、第1の部分空間と第2の部分空間との間に配置されている。筐体部には、第2の部分空間につながる第2の開口部がさらに形成されておいる。音響補正部材は、第1の部分空間または第2の部分空間の少なくとも一方に設置される。
好ましくは、第1の部分空間および第2の部分空間の各空気容積が等しくなるように、音響補正部材は形成されている。
好ましくは、第1の開口部から振動部までの音響インピーダンスと、第2の開口部から振動部までの音響インピーダンスとが等しくなるように、音響補正部材の形状は形成されている。
好ましくは、振動部は、開口部の中心軸からオフセットして配置されている。
好ましくは、音響補正部材は、開口部の下部に配置されている。
好ましくは、音響補正部材は、絶縁体である。
好ましくは、音響補正部材は、導電性材料で形成されており、かつ、グランド電位に固定されている。
好ましくは、音響補正部材は、筐体にはめ込まれている。
好ましくは、マイクロホンユニットは、基板をさらに備える。音響補正部材は、基板に半田接合されている。
本発明に係るマイクロホンユニットによると、よりフラットな周波数特性が実現され、音響特性が改善される。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。
<第1の実施の形態>
図1を参照して、本発明の実施の形態に係るマイクロホンユニットの使用態様について説明する。図1は、マイクロホンユニット120を使用する携帯電話機100の構成の概略を表わす図である。携帯電話機100は、システムボード110を備える。システムボード110は、マイクロホンユニット120を含む。マイクロホンユニット120は、開口部130を含む。システムボード110には、携帯電話機100の動作を実現するための回路素子が搭載される。
図2を参照して、本発明の実施の形態に係るマイクロホンユニット120の構成について説明する。図2は、マイクロホンユニット120の筐体200の上部をシステムボード110に平行な面で切断した状態を表わす図である。マイクロホンユニット120は、筐体200と、第1の基板210と、第2の基板220と、振動ユニット230と、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)240と、ダミー部品300とを備える。振動ユニット230は、振動板232を含む。本実施の形態に係るマイクロホンユニット120は、たとえば、コンデンサ型マイクロホンであるが、その他のマイクロホンであってもよい。第1の基板210と第2の基板220とは、一体の基板として構成されてもよい。
振動板232は、たとえば、無機圧電薄膜もしくは有機圧電薄膜を使用して、圧電効果により音響−電気変換する構成、又は、エレクトレット膜を使用する構成であるが、これらの構成に限られない。第1の基板210、第2の基板220によって構成されるマイク基板は、たとえば、絶縁成形基材、焼成セラミックス、ガラスエポキシ、プラスチック等の材料により構成されるが、その他の絶縁性の材料が使用されてもよい。
振動板232は、音波の入射に応答して法線方向に振動する。振動ユニット230は、振動板232に入射した音声に応じた電気信号を出力する。振動板232は、たとえば、動電型(ダイナミック型)、電磁型(マグネティック型)、圧電型(クリスタル型)等の、種々のマイクロホンの振動板であり得る。
あるいは、振動板232は、半導体膜(たとえばシリコン膜)、シリコンマイク(Siマイク)の振動板であってもよい。シリコンマイクを利用することで、マイクロホンユニット120の小型化および高性能化が実現され得る。なお、振動板232の形状は、特に限定されない。たとえば、振動板232の外形は、円形、楕円形、多角形等であってもよい。
ダミー部品300は、筐体200の内部空間における音響伝達特性を補正する。たとえば、ダミー部品300が筐体200に設けられていない場合に比べて、内部空間の容積を少なくすることにより、当該内部空間における共振周波数を高域にシフトさせる。これにより、周波数特性がフラットな帯域が広がり、音響特性が向上し得る。
図3を参照して、マイクロホンユニット120の構成についてさらに説明する。図3は、システムボード110に垂直な平面でマイクロホンユニット120を切った状態を表わす図である。筐体200は、振動ユニット230と振動板232とASIC240とダミー部品300とを囲むように構成されている。ダミー部品300は、開口部130の下に位置するように第1の基板210に取り付けられている。開口部130と振動板232とは、オフセットされて配置されている。このような配置により、チリなどの微小物体が開口部130から入った場合でも、振動板232に到達しにくくなるため、振動板232の振動に影響を及ぼしにくくなる。
ある局面において、ダミー部品300は、たとえば樹脂その他の絶縁体によって構成される。他の局面において、ダミー部品300は、第1の基板210を経由してグランド電位に固定され得る。この場合、ダミー部品300は、導電性材料で構成されてもよい。そうすることにより、電磁シールドの効果を強化できる。
ダミー部品300は、筐体200の壁面に、あるいは、第1の基板210にはめ込まれている。はめ込み構造にすることにより、筐体に対し、ダミー部品300を正確に位置決めすることができる。他の局面において、ダミー部品300は、第1の基板210に半田接合されてもよい。
マイクロホンユニット120の内部、すなわち、筐体200の内部には、内部空間310が形成されている。内部空間310は、主として、振動ユニット230と、開口部130との間にずれ(オフセット)が存在することにより形成される。
内部空間310を構成する第1の基板210は、たとえば、凸部を有する型を絶縁成形基材に押圧することによって、あるいは、所望の型を用いて焼成セラミックスによって製造される。また、他の局面においては、第1の基板210は、貫通孔を有する基板と貫通孔を有さない基板とを複数貼り合わせることによっても製造可能である。
次に、図4を参照して、他の局面に従うマイクロホンユニット400の構成について説明する。図4は、ダミー部品300を有さないマイクロホンユニット400の構成の概略を表わす図である。マイクロホンユニット400は、筐体200と、第1の基板210と、第2の基板220と、振動ユニット230と、振動板232と、ASIC240とを含む。ダミー部品は、マイクロホンユニット400には含まれない。
図4に示される構成を有するマイクロホンユニット400は、開口部130から発話された音声が筐体200の内部で共振する。その場合、筐体200の内部空間410の容積が大きいため、共振周波数は、筐体200の内部空間が小さい場合の共振周波数よりも低くなる。
そこで、図5を参照して、筐体200の内部の容積と共振周波数との関係について説明する。図5は、共振周波数について筐体200の内部の容積が大きい場合と小さい場合とのそれぞれを表わす図である。
グラフ510は、たとえば、図4に示されるマイクロホンユニット400の場合の共振周波数の特性に相当する。グラフ520は、本実施の形態に係るマイクロホンユニット120の場合の共振周波数の特性に相当する。
マイクロホンユニット400の内部空間410は、マイクロホンユニット120の内部空間310よりも、少なくともダミー部品300の体積分だけ大きくなる。その結果、マイクロホンユニット400の共振周波数は、マイクロホンユニット120の共振周波数よりも低くなる。しかしながら、図3に示されるように、ダミー部品300を筐体200の内部に取り付けると、内部空間310の容積は、内部空間410の容積よりも小さくなる。その結果、グラフ510のように示される周波数特性が、グラフ520のように変化する。すなわち、共振周波数が高くなり、フラットな周波数特性が高域まで伸びる。その結果、本実施の形態に係るマイクロホンユニット120を使用する携帯電話機100の音響特性が向上する。
なお、図5において、グラフ510とグラフ520との交点の周波数として10KHzが例示されている。グラフ510の共振周波数の値は、7〜8KHzとして例示されている。これらの数値は、あくまで例示のものであって、マイクロホンユニットの構成によって各値は異なり得る。
<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説明する。本実施の形態に係るマイクロホンユニット600は、いわゆる差動マイクである点で、前述の第1の実施の形態に係るマイクロホンユニット120と異なる。
図6を参照して、本実施の形態に係るマイクロホンユニット600の構成について説明する。図6は、マイクロホンユニット600の断面構造の概略を表わす図である。マイクロホンユニット600は、筐体610と、第1の基板620と、第2の基板630と、振動ユニット230と、振動板232と、ASIC240と、ダミー部品300とを含む。筐体610の前面には、開口部130,132が設けられている。開口部130を透過した音声は、ダミー部品300およびASIC240の上側(すなわち「内部空間310」)を伝播し、振動板232の上面を振動させる。一方、開口部132より入った音声は、第1の基板620に設けられた開口部を通り、第2の基板630との間に設けられた伝送路(すなわち内部空間640)を通って、振動板232の裏面を振動させる。
図6に示される例において、好ましくは、マイクロホンユニット600の内部空間310の容積と、内部空間640の容積とは、ほぼ同じである。また、開口部130から振動板232までの距離と、開口部132から振動板232までの距離、すなわち、各伝播時間が同じである。この場合には、内部空間310を伝播するノイズと、内部空間640を伝播するノイズとが打ち消しあうので、ノイズがキャンセルされた状態で振動板232は振動する。その結果、より良質な音響特性が得られる。
ここで、使用する周波数帯域において、開口部130から振動板232の周波数特性、および、開口部132から振動板232の周波数特性が、バランスして一致することが望ましい。バランスがずれると、差動マイクロフォンとしての特性、たとえば、遠方ノイズ抑圧効果が劣化するからである。
図7を参照して、他の局面に従うマイクロホンユニット700について説明する。図7は、ダミー部品を有さないマイクロホンユニット700の構成の概略を表わす図である。マイクロホンユニット700は、筐体610と、第1の基板620と、第2の基板630と、振動ユニット230と、振動板232と、ASIC240とを備える。筐体610には、開口部130,132が設けられている。
マイクロホンユニット700は、筐体610の内部にダミー部品を有さないため、開口部130から入った音声が伝播する内部空間410の容積は、ダミー部品300が設けられているマイクロホンユニット600の内部空間640の容積よりも大きくなる。そのため、マイクロホンユニット700における共振周波数が図6のマイクロホンユニット600における共振周波数よりも低くなる。
しかしながら、本実施の形態に係るマイクロホンユニット600によると、ダミー部品300により空間の容積部が小さくなるため、共振周波数が高くなる。結果として、携帯電話機に必要な音声特性を確保することができる。
また、内部空間640の感度に合わせてダミー部品のサイズを変更し、良質な差動特性をえるための微調整が可能となる。
<第1の変形例>
図8を参照して、本実施の形態の第1の変形例について説明する。図8は、本変形例に係るマイクロホンユニット800の断面の構成の概略を表わす図である。マイクロホンユニット800は、筐体810と、第1の基板210と、第2の基板220と、振動ユニット230と、振動板232と、ASIC240とを含む。筐体810の構成のうち、開口部130の下面には、突起部810aが形成されている。開口部130から入る音声は、内部空間820をとおり、振動板232を振動させる。
突起部810aは、たとえば筐体810を射出成型することによって形成される。このような突起部810aは、前述のダミー部品300と同様に、筐体810の内部の空間の容積を減少させる。したがって、突起部810aを有さないマイクロホンユニット400(図4)における共振周波数よりも、マイクロホンユニット800の共振周波数が高くなる。その結果、携帯電話機の音声特性が向上する。
<第2の変形例>
図9を参照して、本実施の形態の第2の変形例について説明する。図9は、本変形例に係るマイクロホンユニット900の断面構成の概略を表わす図である。マイクロホンユニット900は、筐体910と、第1の基板620と、第2の基板630と、振動ユニット230と、振動板232と、ASIC240とを含む。
筐体910において、開口部130の下には、突起部810aが形成されている。マイクロホンユニット900は、いわゆる差動マイクである。したがって、開口部130から入った音声は、突起部810aによって容積が減じられた内部空間820を通り、振動板232の上面からその振動板232を振動させる。一方、開口部132から入った音声は、第1の基板620と第2の基板630との間に形成された伝送路を通り、振動板232の下面から振動板232を振動させる。このようにすると、開口部130から入った音声の伝送路の容積が突起部810aが設けられていない場合に比べて小さくなるため、共振周波数の低下が防止され、マイクロホンユニット900を搭載する携帯電話機の音声特性が向上し得る。この場合、内部空間820の容積と、内部空間640の容積とは、ほぼ同じであることが望ましい。このような構成により、差動マイクとしてノイズがキャンセルされ得る。
第1の変形例および第2の変形例に関し、筐体810の内部に横向きの音道を形成するのは困難であるため、通常は、穴あけ加工を予め施した部材を、2個以上貼り合せてマイクロホンユニットの筐体を作成することになる。しかしながら、第1の変形例に係るマイクロホンユニット800または第2の変形例に係るマイクロホンユニット900のように、ダミー部品300を配置する構成によると、1個の部材を加工することで筐体810を形成することができるため、加工が容易になり、かつ、工数の削減、およびコストの削減の効果が得られる。
[実施の形態の効果]
以上詳述したように、本発明の各実施の形態又はその変形例に係るマイクロホンユニットによると、筐体の内部空間に設けられたダミー部品300あるいは突起部810aにより、その内部空間の容積が少なくなる。その結果、共振周波数が高域にシフトし、周波数特性がフラットな領域が増加する。これにより、当該マイクロホンユニットを備える機器(たとえば携帯電話機、ボイスレコーダ等)の音響特性が向上し得る。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明に係るマイクロホンユニットは、携帯電話機、ボイスレコーダ、パーソナルコンピュータ、携帯情報端末、受話器等に適用可能である。
本発明の実施の形態に係るマイクロホンユニット120を使用する携帯電話機100の構成の概略を表わす図である。 マイクロホンユニット120の筐体200の上部をシステムボード110に平行な面で切断した状態を表わす図である。 システムボード110に垂直な平面でマイクロホンユニット120を切った状態を表わす図である。 ダミー部品300を有さないマイクロホンユニット400の構成の概略を表わす図である。 共振周波数について筐体200の内部空間の容積が大きい場合における周波数特性と、小さい場合における周波数特性とを表わす図である。 本発明の第2の実施の形態に係るマイクロホンユニット600の断面構造の概略を表わす図である。 ダミー部品を有さないマイクロホンユニット700の構成の概略を表わす図である。 本発明の実施の形態の第1の変形例に係るマイクロホンユニット800の断面の構成の概略を表わす図である。 本発明の実施の形態の第2の変形例に係るマイクロホンユニット900の断面構成の概略を表わす図である。
符号の説明
100 携帯電話機、110 システムボード、120,400,600,700,800,900 マイクロホンユニット、130,132 開口部、200,810 筐体、210,620 第1の基板、220,630 第2の基板、230 振動ユニット、232 振動板、240 ASIC、300 ダミー部品、310,410,640 内部空間、810a 突起部。

Claims (10)

  1. 内部空間および第1の開口部を有する筐体と、
    前記内部空間に配置されて音響振動を電気信号に変換する振動部と、
    前記内部空間内に配置されて前記第1の開口部から前記振動板への音響伝達特性を補正する音響補正部材とを備える、マイクロホンユニット。
  2. 前記内部空間は、第1の部分空間および第2の部分空間を含み、
    前記振動部は、第1の部分空間と第2の部分空間との間に配置され、
    前記筐体部には、第2の部分空間につながる第2の開口部がさらに形成されており、
    前記第1の開口部は、前記第1の部分空間に繋がっており、
    前記音響補正部材は、前記第1の部分空間または前記第2の部分空間の少なくとも一方に設置される、請求項1に記載のマイクロホンユニット。
  3. 第1の部分空間および第2の部分空間の各空気容積が等しくなるように、前記音響補正部材は形成されている、請求項2に記載のマイクロホンユニット。
  4. 前記第1の開口部から前記振動部までの音響インピーダンスと、前記第2の開口部から前記振動部までの音響インピーダンスとが等しくなるように、前記音響補正部材の形状は形成されている、請求項2または請求項3に記載のマイクロホンユニット。
  5. 前記振動部は、前記第1の開口部の中心軸からオフセットして配置されている、請求項1から請求項4のいずれかに記載のマイクロホンユニット。
  6. 前記音響補正部材は、前記第1の開口部の下部に配置されている、請求項1から請求項5のいずれかに記載のマイクロホンユニット。
  7. 前記音響補正部材は、絶縁体である、請求項1から請求項6のいずれかに記載のマイクロホンユニット。
  8. 前記音響補正部材は、導電性材料で形成されており、かつ、グランド電位に固定されている、請求項1から請求項6のいずれかに記載のマイクロホンユニット。
  9. 前記音響補正部材は、前記筐体にはめ込まれている、請求項1から請求項8のいずれかに記載のマイクロホンユニット。
  10. 基板をさらに備え、
    前記音響補正部材は、前記基板に半田接合されている、請求項1から請求項8のいずれかに記載のマイクロホンユニット。
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