JP2010166286A - シリコンマイクロホンの実装構造および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】不織布、メッシュ等を使用せずに周波数特性の平坦化と光、ゴミ、話者の唾液等に対する耐環境性を実現したシリコンマイクロホンの実装構造を提供する。
【解決手段】シリコンマイクロホン１０の内部空間１３にマイクチップ４とＬＳＩチップ１６が収容配置されている。シリコンマイクロホン１０の前面に複数の音響穴２４を形成する。この複数の音響穴２４はマイクパッケージ１２の蓋２２のマイクチップ１４の直上位置を外した位置に、マイクチップ１４の直上位置を取り囲んで全周に形成されている。シリコンマイクロホン１０は携帯電話機２６の外装２８の下面に配置される。外装２８には送話口３０が形成されている。シリコンマイクロホン１０はその前面の、音響穴２４が形成されていない領域２２ａを送話口３０に対面させた状態に配置されている。
【選択図】図２

Description

この発明はシリコンマイクロホン（「ＭＥＭＳマイクロホン」とも称される）を電子機器等の外装に実装する構造および該実装構造を具えた電子機器に関し、不織布、メッシュ（金属、合成樹脂等の網）等の音響抵抗材を使用しなくても周波数特性の平坦化と光、ゴミ、話者の唾液等に対する耐環境性を実現できるようにしたものである。

従来のシリコンマイクロホンは下記特許文献１に記載されているようなマイクパッケージの前面に単一の音響穴を形成したものが一般的であった。

特表２００４−５３７１８２号公報（図１）

マイクパッケージの蓋に単一の音響穴を形成した従来のシリコンマイクロホンによれば、マイクパッケージ内部空間に横方向（マイクパッケージ内壁面の対向方向）の共振が生じやすい。このため高域側の比較的低い周波数で共振が生じ、マイク出力の周波数特性が平坦な範囲が狭い問題があった。またこのシリコンマイクロホンを機器に実装すると、機器の外装の影響により共振周波数が低下し、マイク出力の周波数特性が平坦な範囲がさらに狭くなっていた。

従来、マイク出力の周波数特性を平坦化する方法としてマイク表面に不織布やメッシュ等を装着する方法があった。この方法によれば、不織布やメッシュ等の多孔質の材料はローパスフィルタの特性を示すので、共振のＱ値が下がり、周波数特性を平坦化することができる。またマイク表面に不織布やメッシュを装着すると耐環境性が向上する。すなわちマイクチップに光が当たるとマイク出力に光電効果によるノイズが発生するが、不織布やメッシュは外部からマイク内に進入する光を遮断するので、マイク出力に光電効果によるノイズが発生するのを抑制することができる。また不織布やメッシュはゴミ、話者の唾液等がマイク内に入り込むのを抑制することができる。

シリコンマイクロホンについてもマイクパッケージの前面に不織布やメッシュを装着して音響穴を塞ぐことにより、周波数特性の平坦化および耐環境性の向上を図ることができると考えられる。しかしマイクパッケージの前面に不織布やメッシュを装着すると余計なコストや手間がかかる問題がある。また熱に強い特殊な不織布やメッシュでないと、シリコンマイクロホンの大きな特徴であるリフローはんだ付けへの適応性が損なわれる問題がある。

この発明は上述の点に鑑みてなされたもので、不織布、メッシュ等の音響抵抗材を使用しなくても周波数特性の平坦化と耐環境性を実現できるようにしたシリコンマイクロホンの実装構造および該実装構造を具えた電子機器を提供しようとするものである。

この発明のシリコンマイクロホンの実装構造は、前面に第１の音響穴が形成されたマイクパッケージの内部空間にマイクチップを収容配置し、前記マイクパッケージの外部空間の音を前記第１の音響穴から取り込み該マイクパッケージの内部空間を経て前記マイクチップで受音するものであって、前記第１の音響穴が複数個あり、該複数個の第１の音響穴が前記マイクパッケージの前面の概ね前記マイクチップの直上位置を外した位置に、該マイクチップの直上位置を取り囲んで全周に形成されているシリコンマイクロホンと、内部に前記シリコンマイクロホンを配置し、前面に第２の音響穴が形成され、外部空間の音を前記第２の音響穴から取り込み前記第１の音響穴に入射する外装とを具備してなり、前記第２の音響穴を前記シリコンマイクロホンの前面よりも小さく形成し、前記シリコンマイクロホンの前面の前記第１の音響穴が形成されていない中央部の領域を前記第２の音響穴に対面させて配置してなるものである。

この発明によれば複数個の音響穴をマイクパッケージの前面の概ねマイクチップの直上位置を外した位置に、該マイクチップの直上位置を取り囲んで全周に形成することにより、蓋に単一の音響穴を形成する場合に比べて周波数特性を平坦化することができる。これは蓋に単一の音響穴を形成したものでは前述のようにマイクパッケージ内部空間に横方向（マイクパッケージ内壁面の対向方向）の共振が生じやすいのに対し、この発明のように複数個の音響穴をマイクパッケージの前面の概ねマイクチップの直上位置を外した位置に、該マイクチップの直上位置を取り囲んで全周に形成することにより、横方向の共振が生じにくくなったためと考えられる。またこの発明によれば外装の音響穴をシリコンマイクロホンの前面よりも小さく形成し、シリコンマイクロホンの前面の、音響穴が形成されていない中央部の領域を外装の音響穴に対面させるようにしたので、シリコンマイクロホンの音響穴は外装の音響穴の周縁部で隠される。したがって外部からの光はマイクパッケージ内に入射されにくくなり、マイク出力に光電効果によるノイズが発生するのを抑制することができる。またゴミ、話者の唾液等がマイクパッケージ内に入り込むのを抑制することができる。これにより耐環境性が得られる。したがってマイクパッケージの前面に不織布やメッシュを装着する必要がなくなり、余計なコストや手間を省くことができる。また不織布やメッシュを使わなくて済むので、リフローはんだ付けへの適応性を維持することができる。

この発明において、前記複数個の第１の音響穴は例えば前記マイクパッケージの内部空間の内壁面に近接する位置に沿って形成することができる。またこの発明は前記シリコンマイクロホンと前記外装との間に、前記第１の音響穴および前記２の音響穴をそれぞれ包囲しかつ該両音響穴を相互に連通させるガスケットを挟み込むことができる。

この発明の電子機器はこの発明のシリコンマイクロホンの実装構造を具えているものである。

この発明の実装構造で使用されるシリコンマイクロホンの実施の形態を示す平面図および断面図である。 この発明の実装構造の実施の形態を示す図で、図１のシリコンマイクロホンを携帯電話機に実装した構造を示す平面図および断面図である。 シリコンマイクロホンの比較例を示す平面図である。 （ａ）はこの発明の実施の形態である図１のシリコンマイクロホン１０単体およびその実装構造の設計例（モデルＡ）を示す平面図、（ｂ）は比較例である図３のシリコンマイクロホン４４単体およびその実装構造の設計例（モデルＢ）を示す平面図である。 図４（ａ）のモデルＡの設計におけるシリコンマイクロホン１０単体およびその実装構造での各周波数特性を示す図である。 図４（ｂ）のモデルＢの設計におけるシリコンマイクロホン４４単体およびその実装構造の設計の設計での各周波数特性を示す図である。

この発明の実施の形態１を図１に示す。シリコンマイクロホン１０はマイクパッケージ１２の内部空間１３に、マイクロホン本体を構成するＭＥＭＳチップ１４と、ＭＥＭＳチップ１４の出力音響信号にインピーダンス変換等の信号処理をするＬＳＩチップ１６を収容配置して構成される。ＬＳＩチップ１６は必要に応じてポッティング材で密封される。マイクパッケージ１２は、底板を構成する回路基板１８と、回路基板１８の上面に固定される枠状の側壁２０と、側壁２０の上面に固定される蓋２２（前面板）とで構成され、長四角形の前面形状を有する直方体で構成されている。マイクパッケージ１２の外寸は例えば、前面側から見て長手方向が４ｍｍ、短手方向が３ｍｍ、厚みが１ｍｍ等に形成される。ＭＥＭＳチップ１４とＬＳＩチップ１６は回路基板１８上に固定されている。ＭＥＭＳチップ１４の表面１４ａには蓋２２の裏面に対面してダイヤフラム（メンブレン）による受音面１５が配置されている。ＬＳＩチップ１６の出力信号は回路基板１８の下面に配置された端子（図示せず）から外部に出力される。蓋２２には同一径の複数個の音響穴（第１の音響穴）２４が連続的に並べて形成されている。音響穴２４は例えば、蓋２２が金属製であればエッチング等により形成することができる。回路基板１８および側壁２０には穴は形成されていない。外部空間の音は音響穴２４から取り込まれ、マイクパッケージ１２の内部空間１３を経てＭＥＭＳチップ１４の受音面１５で受音される。

蓋２２における複数個の音響穴２４の構成と配置について説明する。各音響穴２４は蓋２２の面に直角に開設された真っ直ぐな穴として構成されている。各音響穴２４は軸直角方向の断面形状が同一直径の円形（あるいは四角形等も可）に構成されている。音響穴２４の直径は例えば０．２５ｍｍである。音響穴２４をより微細な穴（例えば直径が０．１ｍｍ）で構成することもできる。各音響穴２４はＭＥＭＳチップ１４の直上位置を外した位置に、ＭＥＭＳチップ１４の直上位置を取り囲んで、マイクパッケージ１２の内部空間１３の内壁面１３ａに近接する位置に沿って全周に形成されている。この実施の形態ではマイクパッケージ１２の内部空間１３が前面側から見て四角形状に形成されており、音響穴２４は内部空間１３の四辺の内壁面１３ａに近接する位置に沿って各辺に複数個ずつ連続的に並べて形成されている。

図１のシリコンマイクロホン１０を携帯電話機に実装した構造を図２に示す。携帯電話機２６の外装２８（筐体）には送話口（第２の音響穴）３０が構成されている。外装２８の内部３２には図１のシリコンマイクロホン１０を搭載した基板３４が収容配置されている。送話口３０はシリコンマイクロホン１０の前面よりも小さい長四角形に形成されている。シリコンマイクロホン１０はその前面の、音響穴２４が形成されていない中央の領域２２ａを送話口３０に対面させた状態で外装２８の下面に配置されている。シリコンマイクロホン１０の前面外縁部と外装２８の裏面との間には長四角環状のガスケット３６が挟み込まれている。ガスケット３６は複数個の音響穴２４の全部と送話口３０をそれぞれ気密に包囲して外装２８の内部３２と外部空間３８とを気密に遮断した状態で、シリコンマイクロホン１０の前面と外装２８の裏面との間に形成される隙間４０を介して全音響穴２４と送話口３０とを相互に連通させる。これにより外部空間３８で発せられた話者の音声は送話口３０から取り込まれ、隙間４０を通ってシリコンマイクロホン１０の音響穴２４に入射され、シリコンマイクロホン１０の内部に配置されたＭＥＭＳチップ１４で受音される。送話口３０から隙間４０を通って音響穴２４に至る音響路には、音声の通過を妨げる不織布やメッシュ等の音響抵抗材は配置されていない。

図２の実装構造による耐環境性について説明する。図２（ｂ）において外部から送話口３０に入射される太陽光、蛍光灯等の電灯光などの光４２のうち、送話口３０に真っ直ぐに（直角に）入射される光４２ａはシリコンマイクロホン１０の蓋２２の音響穴２４が形成されていない中央の領域２２ａに当たって遮られるので、マイクパッケージ１２の内部空間１３には入射されない。また送話口３０に斜めから入射される光４２ｂはたとえシリコンマイクロホン１０の音響穴２４からマイクパッケージ１２の内部空間１３に入射されても、ＭＥＭＳチップ１４から遠ざかる方向に入射されるので、ＭＥＭＳチップ１４には直接照射されない。したがってマイク出力に光電効果によるノイズが発生するのが抑制される。また外装２８の真正面から見てシリコンマイクロホン１０の音響穴２４は外装２８の送話口３０の周縁部３０ａで隠されるので、ゴミ、話者の唾液等は音響穴２４からマイクパッケージ１２の内部空間１３に入り込むのが抑制される。このようにして耐環境性が確保される。

次にマイク出力の周波数特性について説明する。ここでは比較例として図３に示すシリコンマイクロホン４４を想定する。このシリコンマイクロホン４４は音響穴２４の配置のみ図１のシリコンマイクロホン１０と異ならせたものである。すなわち図１のシリコンマイクロホン１０の音響穴２４はＭＥＭＳチップ１４の直上位置を外した位置に、ＭＥＭＳチップ１４の直上位置を取り囲んで全周に形成されているのに対し、図３のシリコンマイクロホン４４の音響穴２４はＭＥＭＳチップ１４の直上位置を外した位置ではあるがＬＳＩチップ１６の直上位置側に偏った位置（つまりＭＥＭＳチップ１４の直上位置を取り囲まない位置）に形成されている。

図１のシリコンマイクロホン１０と図３のシリコンマイクロホン４４についてマイク単体と実装状態でのマイク出力の周波数特性を説明する。ここでは両シリコンマイクロホン１０，４４単体およびその実装構造を図４のように設計する。図４において、（ａ）は図１、図２のこの発明の実施の形態におけるシリコンマイクロホン１０単体およびその実装構造の設計（以下「モデルＡ」）を示し、（ｂ）は図３の比較例におけるシリコンマイクロホン４４単体およびその実装構造の設計（以下「モデルＢ」）を示す。各部の寸法は次のとおりである。

《外装２８の送話口３０》
〈モデルＡ〉
・Ｌａ（送話口３０の一辺の長さ）＝１．５ｍｍ
・Ｌｂ（送話口３０の他の一辺の長さ）＝２．５ｍｍ
〈モデルＢ〉
・Ｌａ（送話口３０の一辺の長さ）＝２．３５ｍｍ
・Ｌｂ（送話口３０の他の一辺の長さ）＝１．６５ｍｍ

・外装２８の厚さ＝０．５ｍｍ（モデルＡ，Ｂ共通）

《マイクパッケージの内部空間１３：モデルＡ，Ｂ共通》
・Ｌｃ（内部空間１３の短軸方向の長さ）＝２．３５ｍｍ
・Ｌｄ（内部空間１３の長軸方向の長さ）＝３．１６ｍｍ
・内部空間１３の容積＝１．８５×１０³ｍｍ

《ガスケット３６：モデルＡ，Ｂ共通》
・Ｌｅ（ガスケット３６の短軸方向の内寸）＝２．５５ｍｍ
・Ｌｆ（ガスケット３６の長軸方向の内寸）＝３．３６ｍｍ
・ガスケットの厚み＝０．２ｍｍ

《音響穴２４：モデルＡ，Ｂ共通》
・半径＝０．１ｍｍ
・音響穴２４による蓋２２の開口率＝１３％（蓋２２を外した状態を１００％とする）

図５（ａ）はモデルＡのシリコンマイクロホン１０単体の周波数特性を示す。これによれば、
・共振周波数：約５５ｋＨｚ
・２０ｋＨｚにおける低域との感度差：約１ｄＢ
である。

図５（ｂ）はモデルＡの実装状態での周波数特性を示す。これによれば、
・共振周波数：約３５ｋＨｚ
・２０ｋＨｚにおける低域との感度差：約５ｄＢ
である。

図６（ａ）はモデルＢのシリコンマイクロホン４４単体の周波数特性を示す。これによれば、
・共振周波数：約３２．５ｋＨｚ
・２０ｋＨｚにおける低域との感度差：約５ｄＢ
である。

図６（ｂ）はモデルＢの実装状態での周波数特性を示す。これによれば、
・共振周波数：約２２．５ｋＨｚ
・２０ｋＨｚにおける低域との感度差：約１６ｄＢ
である。

図５、図６によれば次が言える。
〔Ａ〕図５（ａ）、図６（ａ）を比較すると、モデルＡのシリコンマイクロホン１０はモデルＢのシリコンマイクロホン４４に比べて共振周波数を高域側にシフトすることができる。これは音響穴２４が偏った位置に形成されているモデルＢのシリコンマイクロホン４４ではマイクパッケージ内部空間１３に横方向（マイクパッケージ内壁面の対向方向）の共振が生じやすいのに対し、音響穴２４が全周に形成されているモデルＡのシリコンマイクロホン１０では横方向の共振が生じにくくなったためと考えられる。
〔Ｂ〕図５、図６それぞれについて（ａ），（ｂ）を比較すると、シリコンマイクロホン１０，４４単体に比べて、シリコンマイクロホン１０，４４を外装２８に実装すると、共振周波数が低域側にシフトする。
〔Ｃ〕したがって外装２８に実装した状態では、モデルＢでは共振周波数が２０ｋＨｚ付近に生じるのに対し、モデルＡでは２０ｋＨｚあたりまで十分に平坦な周波数特性を実現できる。したがってモデルＡによれば外装２８に実装した状態でモデルＢに比べて広帯域にわたり平坦な周波数特性が得られる。

前記実施の形態では音響穴２４をマイクパッケージ１２の蓋２２の、マイクパッケージ１２の内部空間１３の内壁面１３ａに近接する位置に沿って一列に形成したがこれに限らない。例えば音響穴２４直径をより小さく形成して、この音響穴２４をマイクパッケージ１２の内部空間１３の内壁面１３ａに近接する位置に沿って複数列（例えば２列）に形成することもできる。また音響穴２４をマイクパッケージ１２の内部空間１３の内壁面１３ａに近接する位置に沿って形成するのに加えて、ＬＳＩチップ１６の直上位置にも音響穴２４を追加形成することができる。このようにすれば蓋２２の開口率を上げることができる。この場合外装２８の送話口３０はこのＬＳＩチップ１６の直上位置に形成した音響穴２４も隠すように形成する。またマイクパッケージ１２の平面形状、音響穴２４の平面配置形状、送話口３０の平面形状は四角形に限定されず、円形あるいは四角形以外の多角形とすることもできる。

また前記実施の形態ではこの発明の実装構造を携帯電話機に適用した場合について説明したが、この発明の実装構造は携帯電話機に限らず、カメラ、パソコンその他の電子機器にも適用することができる。

１０…シリコンマイクロホン、１２…マイクパッケージ、１３…内部空間、１３ａ…マイクパッケージの内部空間の内壁面、２２…マイクパッケージの蓋、２２ａ…マイクパッケージの蓋の音響穴が形成されていない中央部の領域、２４…音響穴（第１の音響穴）、２６…携帯電話機（電子機器）、２８…外装、３０…送話口（第２の音響穴）、３２…外装の内部、３８…外部空間、３６…ガスケット。

Claims (5)

1. 前面に第１の音響穴が形成されたマイクパッケージの内部空間にマイクチップを収容配置し、前記マイクパッケージの外部空間の音を前記第１の音響穴から取り込み該マイクパッケージの内部空間を経て前記マイクチップで受音するものであって、前記第１の音響穴が複数個あり、該複数個の第１の音響穴が前記マイクパッケージの前面の概ね前記マイクチップの直上位置を外した位置に、該マイクチップの直上位置を取り囲んで全周に形成されているシリコンマイクロホンと、
   内部に前記シリコンマイクロホンを配置し、前面に第２の音響穴が形成され、外部空間の音を前記第２の音響穴から取り込み前記第１の音響穴に入射する外装とを具備してなり、
   前記第２の音響穴を前記シリコンマイクロホンの前面よりも小さく形成し、
   前記シリコンマイクロホンの前面の前記第１の音響穴が形成されていない中央部の領域を前記第２の音響穴に対面させて配置してなるシリコンマイクロホンの実装構造。
2. 前記複数個の第１の音響穴が前記マイクパッケージの内部空間の内壁面に近接する位置に沿って形成されている請求項１記載のシリコンマイクロホンの実装構造。
3. 前記シリコンマイクロホンと前記外装との間に、前記第１の音響穴および前記２の音響穴をそれぞれ包囲しかつ該両音響穴を相互に連通させるガスケットを挟み込んでなる請求項１または２記載のシリコンマイクロホンの実装構造。
4. 前記第１の音響穴から前記第２の音響穴に至る音響路中に不織布やメッシュ等の音響抵抗材を配置していない請求項１から３のいずれか１つに記載のシリコンマイクロホンの実装構造。
5. 請求項１から４のいずれか１つに記載のシリコンマイクロホンの実装構造を具えた電子機器。

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