JP2011176532A - 音響センサ - Google Patents

Abstract

【課題】外部振動ノイズの除去機能を備えた音響センサにおいて、ノイズ除去後の信号のＳ／Ｎ比を向上させてセンサ感度を高める。
【解決手段】
配線基板２２の一方表面に音響検知素子２３を実装し、当該素子２３に対向させて配線基板２２の他方表面に振動検知素子２５を実装する。音響検知素子２３の空洞部３６ａと振動検知素子２５の空洞部３６ｂとの間で配線基板２２に貫通孔５３を開口することによって、両空洞部３６ａ及び３６ｂを互いに連通させる。音響検知素子２３の空洞部３６ａ、配線基板２２の貫通孔５３及び振動検知素子２５の空洞部３６ｂによって音響検知素子２３のバックチャンバ５４が形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は音響センサに関し、具体的には、外部振動ノイズの除去機能を備えた音響センサに関する。

マイクロフォン等に用いられる音響センサは、空気を伝達媒体とする音響振動を検知するものであるが、通常何らかの機器に設置されているため、外来の機械的振動などによりノイズを検知しやすい。

このような外来の機械的振動によるノイズ（外部振動ノイズ）を低減するため、従来のコンデンサマイクでは、音響振動を検知する音響検知部と機械的振動だけを検知する振動検知部とを組み合わせている。このようなノイズ除去方式のコンデンサマイクとしては、特許文献１に開示されたものがある。

特許文献１に開示されたコンデンサマイクの構造を図１に示す。このコンデンサマイク１１では、ほぼ同一構造のエレクトレットコンデンサマイクユニットからなる音響検知部１２と振動検知部１３を剛体のホルダ１４に納めている。音響検知部１２と振動検知部１３は、いずれも振動検知用の振動膜１５に対向して音響孔１６が開口されており、互いにほぼ同一の構造を有している。音響検知部１２と振動検知部１３は、ホルダ１４に設けられた隣接する納入部１７、１８内にほぼ平行に納められている。納入部１７に納められた音響検知部１２の音響孔１６は、納入部１７の開口１９によって外部に開放されている。一方、納入部１８に納められた振動検知部１３の音響孔１６はホルダ１４により閉塞されている。

したがって、音響振動は、開口１９を通して音響検知部１２でのみ検知される。また、外来の機械的振動は、ホルダ１４を通じて音響検知部１２と振動検知部１３により検知される。図２（ａ）は音響検知部１２から出力された信号波形（外部振動ノイズの乗った音響振動）の一例を表し、図２（ｂ）は振動検知部１３から出力された信号波形（外部振動ノイズ）の一例を表す。なお、図２においては、音響振動の信号波形は正弦波と仮定している。

このような２種の信号波形を用いて外部振動ノイズを除去するには、一般にノイズキャンセリング回路が用いられる。ノイズキャンセリング回路では、図２（ｃ）に示すように、振動検知部１３から出力された信号波形を反転させ、ついで図２（ａ）のような外部振動ノイズの乗った音響振動の信号波形に図２（ｃ）の反転波形を足し合わせる。図２（ｂ）に示す振動検知部１３の出力波形は、音響検知部１２において音響振動に乗っているノイズ成分と同じであるので、図２（ｃ）の反転波形を音響検知部１２から出力される図２（ａ）の信号波形に足し合わせれば、外部振動ノイズが除去される。

実開平４−５３３９４号公報

しかしながら、ノイズキャンセリング回路を用いても、ノイズを完全に除去することは困難であった。ノイズキャンセリング回路を用いて外部振動ノイズを除去した音響振動波形は、実際には図２（ｄ）のような波形となり、振動ノイズが残っている。このようにノイズを除去しきれない原因は、図２（ｃ）のように信号波形を反転させる際に、反転した信号波形に元の信号波形からの位相遅れが生じることにある。さらに、ノイズキャンセリング回路内部で発生するノイズが反転波形に加わって反転波形を歪ませることも、合成波形からノイズを除去できない原因となっている。

そのため、従来のコンデンサマイクでは、音響振動以外に機械的振動が発生した場合には、その機械的振動をノイズとして出力してしまい、出力信号のＳ／Ｎ比が低下していた。

一方、近年においては、小型マイクとしてＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を利用して作製された音響センサが用いられている。この音響センサも、入射した音響振動に感応して薄膜のダイアフラムが膜振動し、振動するダイアフラムと固定電極との間の静電容量の変化を検知信号として出力するものである。このような構造の音響センサでは、ダイアフラムの背後に形成されているバックチャンバ（音響振動の入射側と反対側の空間）の容積が小さい場合には、ダイアフラムの振動によって膨張又は圧縮するバックチャンバ内の空気によってダイアフラムの振動がダンピングされる。そのため、音響振動の検知感度を得るためには、ダイアフラムの背後にできるだけ大きな容積のバックチャンバを設けることが望まれる。

ところが、ＭＥＭＳ技術を利用して作製される音響センサは、コンデンサマイクに比べて非常に小さい。例えば、ＭＥＭＳチップ（音響検知素子）の厚みは１ｍｍ以下、平面視で１辺の長さが数ｍｍ以下である。そのため、バックチャンバの容積を大きくすることができない。その結果、音響振動の検知感度を高めることが難しく、特許文献１に開示されているようなノイズ除去方法を用いたとしても、高いＳ／Ｎ比を得ることが困難であった。

本発明は、このような技術的課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、外部振動ノイズの除去機能を備えた音響センサにおいて、ノイズ除去後の信号のＳ／Ｎ比をより一層向上させてセンサ感度を高めることにある。

このような目的を達成するために、本発明の音響センサは、第１の基板に形成された第１の空洞部の開口端に対向させて前記第１の基板の表面に第１の振動膜を配設され、かつ、外部の空気振動が前記第１の振動膜に伝達されるように構成された音響検知素子と、第２の基板に形成された第２の空洞部に対向させて前記第２の基板の表面に第２の振動膜を配設され、かつ、外部の空気振動が前記第２の振動膜に伝達されないように構成された振動検知素子とを備え、前記第１の空洞部と前記第２の空洞部とを互いに連通させることによって前記音響検知素子のバックチャンバを形成したことを特徴としている。なお、音響検知素子及び振動検知素子の検知方式は、静電容量式のものであってもよく、ピエゾ抵抗式のものであってもよい。

本発明の音響センサは、音響振動（空気振動）を検知する音響検知素子と、外来の機械的振動だけを検知する振動検知素子とを有しているので、音響検知素子の出力に機械的振動が加わってノイズが発生する場合でも、振動検知素子から出力される機械的振動の信号を利用して音響検知素子の出力からノイズを除去又は低減することができる。また、この音響センサでは、第１の空洞部と第２の空洞部とを互いに連通させることによって音響検知素子のバックチャンバを形成しているので、振動検知素子の第２の空洞部を利用して音響検知素子のバックチャンバを音響検知素子の第１の空洞部（音響検知素子単体の場合のバックチャンバ）よりも広くすることができ、音響検知素子のＳ／Ｎ比を高くして音響振動に対する感度を向上させることができる。

本発明の音響センサのある実施態様においては、前記振動検知素子の前記第２の振動膜が、周囲を前記第２の基板の表面に接合され、かつ、孔を有しないバックプレートによって覆われていることを特徴としている。かかる実施態様においては、第２の振動膜が孔のないバックプレートで覆われていて音響振動が第２の振動膜に伝わらないので、振動検知素子が音響振動を検知しないようにできる。しかも、このような構成によれば、振動検知素子を音響振動素子と反対側に配置するか、同じ側に配置するかによらず簡単な構成で振動検知素子に音響振動が伝わらないようにできる。また、静電容量式の音響センサの場合には、第２の振動膜を覆うバックプレートは、固定電極を設けるためのバックプレートを兼ねることができるので、音響センサの構造を簡単にできる。

本発明の音響センサの別な実施態様においては、前記振動検知素子の前記第２の空洞部が、前記第２の基板の表裏に貫通していないことを特徴としている。かかる実施態様によれば、音響検知素子の第１の空洞部と振動検知素子の第２の空洞部とが連通しているにもかかわらず、音響検知素子に入射した音響振動が振動検知素子の第２の振動膜を振動させるのを防ぐことができる。

本発明の音響センサのさらに別な実施態様においては、ベース基板の一方表面に前記音響検知素子を実装し、前記音響検知素子と対向させて前記ベース基板の他方表面に前記振動検知素子を実装し、前記ベース基板に開口した貫通孔を通じて前記第１の空洞部と前記第２の空洞部を互いに連通させたことを特徴としている。かかる実施態様においては、ベース基板の両面に実装された音響検知素子と振動検知素子が逆向きになっているので、ベース基板を通して第１の振動膜と第２の振動膜に機械的振動が加わったとき、音響検知素子から出力される信号と振動検知素子から出力される信号とが互いに反転した信号となる。よって、両信号を足し合わせるだけで機械的振動によるノイズを除去することができ、音響検知素子のＳ／Ｎ比をより向上させることができる。さらに、かかる実施態様によれば、音響センサを小型化して実装面積を小さくできる。

また、かかる実施態様においては、前記ベース基板の他方表面にカバーを接合して前記ベース基板と前記カバーとで形成される空間内に前記振動検知素子を封止することで、振動検知素子が音響振動を検知しないようにすることができる。

本発明の音響センサのさらに別な実施態様においては、ベース基板の一方表面に前記音響検知素子と前記振動検知素子を実装し、前記ベース基板の内部に形成した空気通路を通じて前記第１の空洞部と前記第２の空洞部を互いに連通させたことを特徴としている。かかる実施態様においては、ベース基板の片側に音響検知素子と振動検知素子を実装しているので、音響センサを薄型化することができる。また、ベース基板の片側に音響素子と振動素子を実装しているので、音響センサの製造工程において両素子の実装作業を簡単にすることができる。

本発明の音響センサのさらに別な実施態様においては、ベース基板の表面に支持プレートを載置し、前記音響検知素子と前記振動検知素子を前記支持プレートの表面に実装し、前記支持プレートの内部に形成した空気通路を通じて前記第１の空洞部と前記第２の空洞部を互いに連通させたことを特徴としている。かかる実施態様においては、ベース基板の片側に設けた支持プレートの上に音響検知素子と振動検知素子を実装しているので、音響センサの製造工程において両素子の実装作業を簡単にすることができる。また、ベース基板とは別に支持プレートを設けて支持プレートに空気通路を形成しているので、ベース基板に空気通路を作製するよりも、空気通路の作製を容易にできる。

また、この実施態様においては、前記第１の基板及び前記第２の基板をいずれもシリコン基板とし、前記支持プレートをガラス、シリコン又はセラミックによって形成してもよい。支持プレートの材質であるガラス、シリコン又はセラミックは、音響検知素子及び振動検知素子の主材質であるシリコン基板と線膨張係数差が小さいので、温度変化によって音響検知素子及び振動検知素子に生じる熱応力を小さくでき、音響センサの感度を安定させることができる。

なお、本発明における前記課題を解決するための手段は、以上説明した構成要素を適宜組み合せた特徴を有するものであり、本発明はかかる構成要素の組合せによる多くのバリエーションを可能とするものである。

図１は、特許文献１に開示されたコンデンサマイクの断面図である。 図２（ａ）は図１のコンデンサマイクにおける音響検知部の出力波形を示す図、図２（ｂ）は図１のコンデンサマイクにおける振動検知部の出力波形を示す図、図２（ｃ）は図２（ｂ）の出力波形を反転させた反転波形を示す図、図２（ｄ）は図２（ａ）の出力波形と図２（ｃ）の反転波形を足し合わせた波形を示す図である。 図３は、本発明の実施形態１による音響センサの構造を示す概略断面図である。 図４は、実施形態１の音響センサに用いられている音響検知素子を示す分解斜視図である。 図５は、図４の音響検知素子の断面図である。 図６（ａ）は実施形態１の音響センサの音響検知素子からの出力波形を示す図、図６（ｂ）は実施形態１の音響センサの振動検知素子からの出力波形を示す図、図６（ｃ）は図６（ａ）の出力波形と図６（ｂ）の出力波形を足し合わせた波形を示す図である。 図７は、本発明の実施形態１の変形例による音響センサの構造を示す概略断面図である。 図８は、本発明の実施形態２による音響センサの構造を示す概略断面図である。 図９（ａ）は実施形態２の音響センサの音響検知素子からの出力波形を示す図、図９（ｂ）は実施形態２の音響センサの振動検知素子からの出力波形を示す図、図９（ｃ）は図９（ｂ）の出力波形を反転させた反転波形を示す図、図９（ｄ）は図９（ａ）の出力波形と図９（ｃ）の反転波形を足し合わせた波形を示す図である。 図１０は、本発明の実施形態３による音響センサの構造を示す概略断面図である。 図１１は、本発明の実施形態３の変形例による音響センサの構造を示す概略断面図である。 図１２は、本発明の実施形態３の別な変形例による音響センサの構造を示す概略断面図である。 図１３は、本発明の実施形態４による音響センサの構造を示す概略断面図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。但し、本発明は以下の実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々設計変更することができる。

（第１の実施形態）
以下、図３〜図６を参照して本発明の実施形態１による音響センサ２１を説明する。図３は音響センサ２１の概略断面図である。符号２２で示す部材は、両面に配線パターンを形成された両面配線基板（ベース基板）である。配線基板２２の一方の面には音響検知素子２３と回路素子２４（ＩＣチップ）が表面実装されており、配線基板２２の他方の面には振動検知素子２５と回路素子２６（ＩＣチップ）が表面実装されている。また、配線基板２２の一方の面は電磁シールド用の第１カバー２７によって覆われ、音響検知素子２３と回路素子２４は、配線基板２２と第１カバー２７によって形成された空間２８に納められている。同様に、配線基板２２の他方の面は電磁シールド用の第２カバー２９によって覆われ、振動検知素子２５と回路素子２６は、配線基板２２と第２カバー２９によって形成された空間３０に納められている。第１カバー２７及び第２カバー２９は、それぞれ導電性接着剤によって外周裏面を配線基板２２に接着されており、両カバー２７、２９は配線基板２２の接地パターンに電気的に接続されている。また、両カバー２７、２９と配線基板２２との間の隙間は、導電性接着剤によって封止されている。

図４及び図５は音響検知素子２３の構造を説明する図であって、図４は音響検知素子２３の分解斜視図、図５はその断面図である。この音響検知素子２３はＭＥＭＳ技術を利用して作製された微小な静電容量型素子であり、シリコン基板３２ａ（第１の基板）の上面に絶縁被膜３３ａを介して振動電極板３４ａを設け、その上に微小ギャップ（空隙）を介して固定電極板３５ａを設けたものである。

図４及び図５に示すように、シリコン基板３２ａは表面から裏面に貫通した空洞部３６ａ（第１の空洞部）を有している。空洞部３６ａは内周面が垂直面となっていてもよく、テーパー状に傾斜していてもよい。シリコン基板３２ａのサイズは、平面視で１〜１.５ｍｍ角程度（これよりも小さくすることも可能である。）であり、シリコン基板３２ａの厚みが４００〜５００μｍ程度である。シリコン基板３２ａの上面には酸化膜（ＳｉＯ_２膜）等からなる絶縁被膜３３ａが形成されている。

振動電極板３４ａは、膜厚が１μｍ程度のポリシリコン薄膜によって形成されている。振動電極板３４ａはほぼ矩形状の薄膜であって、その四隅部分には対角方向外側に向けて支持脚３７ａが延出している。さらに、支持脚３７ａの一つからは延出部４４ａが延びている。振動電極板３４ａは、空洞部３６ａの上面を覆うようにしてシリコン基板３２ａの上面に配置され、四隅の各支持脚３７ａと延出部４４ａを絶縁被膜３３ａの上に固定されている。振動電極板３４ａのうち空洞部３６ａの上方で宙空に支持された部分（この実施形態では、支持脚３７ａ及び延出部４４ａ以外の部分）はダイアフラム３８ａ（第１の振動膜）となっており、音響振動（空気振動）に感応して振動する。

固定電極板３５ａは、窒化膜からなるバックプレート３９ａの上面に金属薄膜からなる固定電極４０ａを設けたものである。図５に示すように、固定電極板３５ａは、ダイアフラム３８ａと対向する領域においては３μｍ程度の微小ギャップをあけてダイアフラム３８ａを覆っており、固定電極４０ａはダイアフラム３８ａと対向してキャパシタを構成している。固定電極板３５ａの外周部、すなわちダイアフラム３８ａと対向する領域の外側の部分は、酸化膜等からなる絶縁被膜３３ａを介してシリコン基板３２ａの上面に固定されている。

固定電極４０ａからは引出し部４２ａが延出されており、引出し部４２ａの先端には固定電極４０ａと導通した電極パッド４３ａ（Ａｕ膜）が設けられている。さらに、固定電極板３５ａには、振動電極板３４ａの延出部４４ａに接合して振動電極板３４ａと導通させる電極パッド４５ａ（Ａｕ膜）が設けられている。電極パッド４３ａはバックプレート３９ａの上面に配置しており、電極パッド４５ａはバックプレート３９ａの開口内に位置している。

固定電極４０ａ及びバックプレート３９ａには、上面から下面に貫通するようにして、音響振動を通過させるための音響孔４１（アコースティックホール）が多数穿孔されている。なお、振動電極板３４ａは、音響振動や機械的振動に共鳴して振動するものであるから、１μｍ程度の薄膜となっているが、固定電極板３５ａは音響振動や機械的振動によって励振されない電極であるので、その厚みは例えば２μｍ以上というように厚くなっている。

この音響検知素子２３にあっては、音響孔４１を通って音響振動が伝わると、ダイアフラム３８ａが音響振動によって振動する。ダイアフラム３８ａが振動すると、ダイアフラム３８ａと固定電極板３５ａとの間のギャップ距離が変化するので、それによってダイアフラム３８ａと固定電極４０ａの間の静電容量が変化する。よって、電極パッド４３ａ、４５ａ間に直流電圧を印加しておき、この静電容量の変化を電気的な信号として取り出すようにすれば、音響振動を電気的な信号に変換して検出することができる。

振動検知素子２５は、音響検知素子２３とほぼ同じ構造を有しているので、振動検知素子２５の詳細な構造は図示を省略する。ただし、振動検知素子２５のうち、音響検知素子２３の各構成部分に対応する構成部分には、音響検知素子２３の各構成部分の添字"ａ"に代えて添字"ｂ"を付して表す。例えば、振動検知素子２５のシリコン基板は、音響検知素子２３のシリコン基板３２ａに対応させて、シリコン基板３２ｂ（第２の基板）と表す。

振動検知素子２５が音響検知素子２３と異なっている点は、固定電極板３５ｂに音響孔が形成されていない点である。振動検知素子２５では、固定電極板３５ｂが音響孔を有していないので、振動電極板３４ｂの表面側は固定電極板３５ｂによって塞がれている。よって、音響振動は固定電極板３５ｂで遮断されてダイアフラム３８ｂ（第２の振動膜）に伝わらないので、振動検知素子２５は音響振動を検知しない構造となっている。これに対し、機械的振動は、音響検知素子２３と同様、シリコン基板３２ｂを通して振動電極板３４ｂに伝達するので、振動検知素子２５は機械的振動を検知することができる。しかも、振動検知素子２５は、音響検知素子２３と同じ感度で機械的振動を検知できるように構成されている。

音響検知素子２３は、熱硬化性樹脂からなる接着剤５１によって裏面全体を配線基板２２の上面に接合されている。振動検知素子２５は、熱硬化性樹脂からなる接着剤５２によって裏面全体を配線基板２２の下面に接合され、配線基板２２を挟んで音響検知素子２３と対向する位置に配置されている。配線基板２２には、音響検知素子２３の空洞部３６ａと振動検知素子２５の空洞部３６ｂ（第２の空洞部）を互いに連通させるように貫通孔５３が開口されており、空洞部３６ａ、３６ｂ及び貫通孔５３からなる空間によって音響検知素子２３のバックチャンバ５４が形成されている。空洞部３６ａの周囲と貫通孔５３の周囲との間は接着剤５１によって封止され、空洞部３６ｂと貫通孔５３の周囲との間も接着剤５２によって封止されている。このバックチャンバ５４は、音響検知素子２３のダイアフラム３８ａの振動をダンピングさせないだけの容積を有している。また、音響検知素子２３の振動電極板３４ａと振動検知素子２５の振動電極板３４ｂとの間は、音響検知素子２３の音響孔４１から入った音響振動がバックチャンバ５４内で減衰して振動検知素子２５の振動電極板３４ｂを振動させないだけの距離を有している。

なお、振動検知素子２５においては、空洞部３６ａ、３６ｂ及び貫通孔５３からなる空間はフロントチャンバとなり、振動電極板３４ｂと固定電極板３５ｂとの間の空間がバックチャンバとなる。

配線基板２２の上面には、音響検知素子２３の出力信号を処理するための回路素子２４が熱硬化性樹脂によって接着されており、音響検知素子２３と回路素子２４はボンディングワイヤにより、あるいは配線基板２２の配線パターンを通じて接続される。同様に、配線基板２２の下面には、振動検知素子２５の出力信号を処理するための回路素子２６が熱硬化性樹脂によって接着されており、振動検知素子２５と回路素子２６はボンディングワイヤにより、あるいは配線基板２２の配線パターンを通じて接続される。

配線基板２２の一部は、第１カバー２７と第２カバー２９の間から飛び出ており、この飛び出た部分は端子部５５となっている。配線基板２２の上面及び下面には、それぞれ回路素子２４、２６に電力を供給し、また出力信号を取り出すための配線パターンが形成されており、これらの配線パターンは端子部５５へ引き出されている。

第１カバー２７及び第２カバー２９は、外部からの電磁ノイズを遮断するために電磁シールド機能を備えている。このためには、第１カバー２７及び第２カバー２９自体を導電性金属によって形成してもよく、樹脂製のカバーの内面をメッキ等の金属被膜で覆ってもよい。また、第１カバー２７には開口５６が形成されており、開口５６と音響孔４１の間の空間２８は音響振動を伝搬させるための経路となっていて、音響振動を開口５６及び音響孔４１を通してダイアフラム３８ａに導くことができる。これに対し、第２カバー２９は開口を有しておらず、固定電極板３５ｂも音響孔を有していないので、振動検知素子２５のダイアフラム３８ｂは音響振動から二重に遮断されている。

このような構造の音響センサ２１によれば、音響検知素子２３のバックチャンバ５４の容積を、空洞部３６ａの容積の２倍以上に大きくすることができる。音響検知素子２３は、バックチャンバ５４の容積が大きいほど音響振動に対する感度が向上し、その信号強度が大きくなる。例えば、音響検知素子２３を単独で使用した場合（つまり、空洞部３６ａがバックチャンバとなる場合）の音響振動波形が図６（ａ）に破線で示すようなものであったとすれば、音響センサ２１における音響検知素子２３から出力される音響振動波形は図６（ａ）に実線で示すように信号強度が大きくなる。一方、外来の機械的振動は、シリコン基板３２ａ等を通じて振動電極板３４ａに伝わり、ダイアフラム３８ａを振動させるので、外部振動ノイズの大きさはバックチャンバの容積にはほとんど関係しない。従って、音響センサ２１によれば、音響検知素子２３のバックチャンバ５４を広くすることによって、音響検知素子２３から出力される信号のＳ／Ｎ比を向上させることができる。

また、外来の機械的振動によって音響検知素子２３のダイアフラム３８ａと振動検知素子２５のダイアフラム３８ｂが振動するとき、ダイアフラム３８ａとダイアフラム３８ｂは同じ方向へ変位する。しかし、音響検知素子２３と振動検知素子２５は逆向きに実装されているので、ダイアフラム３８ａが振動電極板３４ａに近づく（あるいは、離れる）ときには、ダイアフラム３８ｂは振動電極板３４ｂから離れる（あるいは、近づく）。よって、音響検知素子２３における静電容量の増減と振動検知素子２５における静電容量の増減は逆向きになる。その結果、音響検知素子２３からの出力に含まれているノイズ成分（外部振動ノイズ）と振動検知素子２５から出力される機械的振動の出力波形（図６（ｂ）に示す。）とは正負が反対向きになっている。よって、音響検知素子２３の出力波形と振動検知素子２５の出力波形とを足し合わせれば、外部振動ノイズが除去され、音響振動だけを出力させることができる。

したがって、この音響センサ２１によれば、(1)音響検知素子２３から出力される信号のＳ／Ｎ比が向上する、(2)音響検知素子２３の出力と振動検知素子２５の出力を足し合わせることによってノイズを除去又は低減できる、(3)音響検知素子２３の出力と足し合わせる前に振動検知素子２５の出力を反転させる必要がないので、前記課題で説明したような反転波形における位相遅れの問題や波形を反転させる回路からのノイズの問題などが発生しない。その結果、音響センサ２１の出力信号のＳ／Ｎ比が向上し、音響振動に対する感度を大幅に向上させることが可能になる。

また、実施形態１の音響センサ２１では、音響検知素子２３と振動検知素子２５を配線基板２２の両面に重ねるように配置し、回路素子２４と回路素子２６も配線基板２２の両面に重ねるように配置しているので、音響センサ２１を小型化でき、回路基板などへの実装面積を小さくすることができる。

また、配線基板２２の両面で対向させて音響検知素子２３と振動検知素子２５を配置しているので、音響検知素子２３に伝わる機械的振動と振動検知素子２５に伝わる機械的振動の間の位相差（時間遅れ）を小さくでき、外部振動ノイズをより効果的に除去できる。

なお、この実施形態では、振動検知素子２５の納められた空間３０は第２カバー２９によって封止されているので、振動検知素子２５としては音響検知素子２３と同じように固定電極板３５ｂに音響孔４１が設けられているものを用いても差し支えない。

（第１の実施形態の変形例）

図３に示した音響センサ２１では、振動検知素子２５を納めた空間３０は第２カバー２９によって封止されている。そのため、端子部５５をリフローハンダやフローハンダで回路基板等に実装する場合、その熱で空間３０内の空気が膨張し、第２カバー２９が配線基板２２から剥がれたり、浮き上がったりしてシールド不良が発生する恐れがある。

図７に示す音響センサ６１は本発明の実施形態１の変形例であって、このような問題を防止し、リフローハンダやフローハンダによる実装にも対応できるようにしている。音響センサ６１では、第２カバー２９に空気孔６２を開口してあり、空気孔６２を通して空間３０内に空気が出入りする。従って、音響センサ６１をリフロハンダやフローハンダで実装する場合でも、膨張した空気を空気孔６２から外部に逃がすことができ、空気圧で第２カバー２９が剥がれたり、浮き上がったりするのを防止することができる。一方、この変形例では、固定電極板３５ｂは音響孔４１を有しておらず無孔となっているので、振動電極板３４ｂに音響振動が達することがなく、振動検知素子２５は外来の機械的振動だけを検知することができる。

（第２の実施形態）
図８は本発明の実施形態２による音響センサ７１を示す概略断面図である。音響センサ７１では、音響孔４１を有する音響検知素子２３、回路素子２４、音響孔を有しない振動検知素子２５及び回路素子２６が配線基板２２の上面に実装されている。配線基板２２の内部には、ほぼ水平に伸びた空洞状の空気通路７４が形成されており、空気通路７４の両端は配線基板２２の上面で開口している。配線基板２２の上面で開口している空気通路７４の一端開口は空洞部３６ａの下面と対向し、他端開口も空洞部３６ｂの下面と対向しており、空洞部３６ａと空洞部３６ｂは空気通路７４によってつながっている。この結果、空洞部３６ａ、空気通路７４及び空洞部３６ｂによって音響検知素子２３のバックチャンバ５４が構成されている。

配線基板２２の配線パターンの一部は電磁シールド用となっており、配線基板２２の上面には電磁シールド用のカバー７２が接合されており、配線基板２２とカバー７２の間に形成された空間７３に音響検知素子２３、振動検知素子２５及び回路素子２４、２６が納められている。カバー７２には、音響振動を空間７３内に入射させるための開口５６が設けられている。

この音響センサ７１でも、音響検知素子２３のバックチャンバ５４が広くなるので、図９（ａ）に示すように音響振動の信号強度が向上し、音響検知素子２３から出力される信号のＳ／Ｎ比が高くなる。しかし、振動検知素子２５から出力される機械的振動の出力波形は、図９（ｂ）に示すように、図９（ａ）の出力波形に含まれるノイズ成分と同相になっている。従って、ノイズキャンセリング回路を用いてノイズ除去する場合には、図９（ｂ）の出力波形を反転させて図９（ｃ）のような反転波形を得た後、この反転波形を図９（ａ）の出力波形に足し合わせて図９（ｄ）のようにノイズ除去された信号を得る。

実施形態２でノイズキャンセリング回路を用いる場合には、振動検知素子２５の出力信号を反転させなければならないので、図９（ｄ）の出力信号には若干ノイズが残るかも知れないが、音響検知素子２３から出力される信号のＳ／Ｎ比が向上しているので、図９（ｄ）の出力信号も従来に比べればＳ／Ｎ比が向上し、音響振動に対する感度が高くなる。

また、この実施形態では、各素子２３〜２６が同一平面上に配置されているので、音響センサ７１を薄型化することができる。さらに、この音響センサ７１では、開口５６を有するカバー７２だけを用いているので、空間７３内の空気の膨張によってカバー７２が配線基板２２から剥がれたり、浮き上がったりする心配がない。

なお、図９（ａ）の出力信号からノイズを除去する方法としては、ノイズキャンセリング回路を用いず、音響検知素子２３の出力信号と振動検知素子２５の出力信号を差動アンプに入力するようにしてもよい。また、振動検知素子２５において接地端子と信号端子を音響検知素子２３と逆にしておけば、図９（ｃ）のような反転した信号を振動検知素子２５から出力させることもできる。

（第３の実施形態）
図１０は本発明の実施形態３による音響センサ８１を示す断面図である。この音響センサ８１では、配線基板２２の上面に支持プレート８２を接着してあり、支持プレート８２の上面に音響検知素子２３と振動検知素子２５を接着剤５１、５２で接着して両素子２３、２５を支持プレート８２上に実装している。

支持プレート８２の内部には、ほぼ水平に伸びた空洞状の空気通路８３が形成されており、空気通路８３の両端は支持プレート８２の上面で開口している。支持プレート８２の上面で開口している空気通路８３の一端開口は空洞部３６ａの下面と対向し、他端開口も空洞部３６ｂの下面と対向しており、空洞部３６ａと空洞部３６ｂは空気通路８３によってつながっている。この結果、空洞部３６ａ、空気通路８３及び空洞部３６ｂによって音響検知素子２３のバックチャンバ５４が構成されている。その他の構造は、実施形態２の場合と同様であるので、説明を省略する。

この音響センサ８１も実施形態２の音響センサ７１と同じ作用効果を奏し、音響センサ８１のＳ／Ｎ比を向上させて音響振動に対する感度を向上させることができる。さらに、音響センサ８１にあっては、配線基板２２とは別に支持プレート８２を設けて支持プレート８２に空気通路８３を形成する構造となっているので、配線基板２２に空気通路を形成するよりも容易に空気通路８３を作製することができる。

また、支持プレート８２は、音響検知素子２３（シリコン基板３２ａ）及び振動検知素子２５（シリコン基板３２ｂ）と線膨張係数差が小さな材料、例えばガラス板、シリコン基板、セラミック板などによって形成している。支持プレート８２を音響検知素子２３や振動検知素子２５と線膨張係数差が小さな材料で作製すれば、音響検知素子２３及び振動検知素子２５に温度変化に伴う熱応力が発生しにくくなり、音響検知素子２３及び振動検知素子２５の感度を安定させることができる。また、配線基板２２として、セラミック基板などの高価な配線基板に代えて、樹脂基板などの安価な配線基板を用いることが可能になる。

（第３の実施形態の変形例）
図１１に示すものは実施形態３の変形例による音響センサ９１を示す概略断面図である。この音響センサ９１では、支持プレート８２の下面に溝状の空気通路８３を形成し、空気通路８３の両端を支持プレート８２の上面へ導いて支持プレート８２の上面で開口させている。そして、支持プレート８２の下面を配線基板２２の上面に接着することで空気通路８３の下面を塞ぎ、空洞部３６ａ、空気通路８３及び空洞部３６ｂによって音響検知素子２３のバックチャンバ５４を形成している。

図１２に示すものは実施形態３の別な変形例による音響センサ１０１を示す概略断面図である。この音響センサ１０１では、支持プレート８２の内部に直線状の空気通路８３を水平に形成し、空気通路８３の両端に連通するようにして支持プレート８２に表裏貫通した通孔１０２、１０３を形成している。そして、支持プレート８２の下面を配線基板２２の上面に接着することで通孔１０２、１０３の下面を塞ぎ、空洞部３６ａ、通孔１０２、空気通路８３、通孔１０３及び空洞部３６ｂによって音響検知素子２３のバックチャンバ５４を形成している。

（第４の実施形態）
本発明の実施形態４による音響センサ１１１では、シリコン基板３２ｂを裏面側からエッチングして空洞部３６ｂを形成する際、シリコン基板３２ｂを表面までエッチングするのでなく、図１３に示すように空洞部３６ｂの上部に蓋部１１２を残して空洞部３６ｂを袋状に形成している。このような音響センサ１１１では、音響検知素子２３側から入った音響振動がバックチャンバ５４を通って振動電極板３４ｂを振動させるのを防ぐことができる。

なお、ここでは実施形態１の構造を例にとって説明したが、実施形態２や実施形態３のような構造において空洞部３６ｂを袋状に形成してもよい。

２１、６１、７１、８１、９１、１０１、１１１ 音響センサ
２２ 配線基板
２３ 音響検知素子
２５ 振動検知素子
２４、２６ 回路素子
２７、２９、７２ 第１カバー
３２ａ、３２ｂ シリコン基板
３４ａ、３４ｂ 振動電極板
３５ａ、３５ｂ 固定電極板
３６ａ、３６ｂ 空洞部
４１ 音響孔
５１ 接着剤
５２ 接着剤
５３ 貫通孔
５４ バックチャンバ
５６ 開口
６２ 空気孔
７４、８３ 空気通路
８２ 支持プレート

Claims (8)

1. 第１の基板に形成された第１の空洞部の開口端に対向させて前記第１の基板の表面に第１の振動膜を配設され、かつ、外部の空気振動が前記第１の振動膜に伝達されるように構成された音響検知素子と、第２の基板に形成された第２の空洞部に対向させて前記第２の基板の表面に第２の振動膜を配設され、かつ、外部の空気振動が前記第２の振動膜に伝達されないように構成された振動検知素子とを備え、
   前記第１の空洞部と前記第２の空洞部とを互いに連通させることによって前記音響検知素子のバックチャンバを形成したことを特徴とする音響センサ。
2. 前記振動検知素子において、前記第２の振動膜は、周囲を前記第２の基板の表面に接合され、かつ、孔を有しないバックプレートによって覆われていることを特徴とする、請求項１に記載の音響センサ。
3. 前記振動検知素子において、前記第２の空洞部は、前記第２の基板の表裏に貫通していないことを特徴とする、請求項１に記載の音響センサ。
4. ベース基板の一方表面に前記音響検知素子を実装し、前記音響検知素子と対向させて前記ベース基板の他方表面に前記振動検知素子を実装し、前記ベース基板に開口した貫通孔を通じて前記第１の空洞部と前記第２の空洞部を互いに連通させたことを特徴とする、請求項１に記載の音響センサ。
5. 前記ベース基板の他方表面にカバーを接合して前記ベース基板と前記カバーとで形成される空間内に前記振動検知素子を封止したことを特徴とする、請求項４に記載の音響センサ。
6. ベース基板の一方表面に前記音響検知素子と前記振動検知素子を実装し、前記ベース基板の内部に形成した空気通路を通じて前記第１の空洞部と前記第２の空洞部を互いに連通させたことを特徴とする、請求項１に記載の音響センサ。
7. ベース基板の表面に支持プレートを載置し、前記音響検知素子と前記振動検知素子を前記支持プレートの表面に実装し、前記支持プレートの内部に形成した空気通路を通じて前記第１の空洞部と前記第２の空洞部を互いに連通させたことを特徴とする、請求項１に記載の音響センサ。
8. 前記第１の基板及び前記第２の基板がいずれもシリコン基板であり、前記支持プレートがガラス、シリコン又はセラミックによって形成されていることを特徴とする、請求項７に記載の音響センサ。

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