JP3921210B2 - Ｓｍｄ用コンデンサマイクロホン - Google Patents

Description

本発明はバイアス型コンデンサマイクロホンに関し、更に詳しくは表面実装（ＳＭＤ）のために接続端子を二端子により改善したＳＭＤ用コンデンサマイクロホンに関するものである。

典型的なコンデンサ型マイクロホンは、電圧バイアス要素と音圧（ｓｏｕｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）に対応して変化するキャパシタ（ｃａｐａｃｉｔｏｒ）（Ｃ）を形成する振動板／バックプレートのペア（ｂａｃｋ ｐｌａｔｅ ｐａｉｒ）、及び出力信号をバッファーリングするための電界効果トランジスター（ＪＦＥＴ）によりなる。
かかるコンデンサマイクロホンの例としてバックプレートと振動板の間に静電界を形成するために外部からバイアス電圧を印加するバイアス型マイクロコンデンサマイクロホンがある。

図１ａは従来のバイアス型コンデンサマイクロホンの等価回路図であり、マイクロホンユニット内に可変コンデンサ（１２）とバッファＩＣ（１４）を組み込んだマイクロホンカプセル（１０）が三つの端子（１６−１〜１６−３）を通し外部回路と連結される。この時、第１端子（１６−１）はバッファＩＣ（１４）の出力端を抵抗（Ｒ１）を通しＶｄｄ電源と連結させると共にキャパシタ（ｃａｐａｃｉｔｏｒ）（Ｃ）を経て信号出力（Ｏｕｔｐｕｔ）側に連結させる。そして、第２端子（１６−２）はバッファＩＣ（１４）を接地（ＧＮＤ）と連結し、第３端子（１６−３）はマイクロホンユニット（１２）にバイアス電圧（Ｂｉａｓ Ｖｏｌｔａｇｅ）を連結する。

図１ｂは従来のバイアス型コンデンサマイクロホンの他の等価回路図であり、マイクロホンユニット内に可変コンデンサ（１２）とバッファＩＣ（１４）を含むマイクロホンカプセル（１０）が三つの端子（１６−１〜１６−３）を通し連結される。この時、第１端子（１６−１）はマイクロホンユニット（１２）に抵抗（Ｒ２）を経てバイアス電圧（Ｂｉａｓ Ｖｏｌｔａｇｅ）を供給し、第２端子（１６−２）はバッファＩＣ（１４）の出力端を抵抗（Ｒｌ）を通してＶｄｄ電源と連結させると共に、コンデンサ（ｃａｐａｃｉｔｏｒ）（Ｃ）を経て信号出力（Ｏｕｔｐｕｔ）側に連結させる。そして、第３端子（１６−３）はバッファＩＣ（１４）を接地（ＧＮＤ）と連結する。

ところが、かかる従来のバイアス型コンデンサマイクロホンは外部とインタ
フェースするために端子がバイアス端子（Ｂｉａｓ）、電源（Ｖｄｄ）及び出力（Ｏｕｔｐｕｔ）端子、接地（ＧＮＤ）端子の、少なくとも三つの端子を備えているため、ＳＭＤ工程時、円形コンデンサマイクロホンの方向性を確認しなければならない問題点がある。さらに、マイクロホン外部に別途のバイアス供給用の電圧装置を具備しなければならないので小型化が難しい。さらに、外部の回路との連結において、通常使われるエレクトレットコンデンサマイクロホン（ＥＣＭ）との互換性が良好でないため別途のＰＣＢを設計しなければならない問題点がある。

本発明は上記のような問題点を解決するために発明されたもので、デカップリングキャパシタを使用し、２−端子の形態とすることにより従来のＥＣＭとの互換性を高めると同時に、ＳＭＤ工程で円形コンデンサマイクロホンの方向性の問題を解決し、外部から電圧を供給して静電界を形成して、高温のリフロー（ｒｅｆｌｏｗ）作業後も一定の電場を維持し、感度の損失がないＳＭＤ用コンデンサマイクロホンを提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、デカップリングキャパシタが内装されたＩＣ化された電圧ポンプ（ｖｏｌｔａｇｅ ｐｕｍｐ）ＩＣをマイクロホンのＰＣＢに実装して、一つの電圧入力端子を通してバッファ（ｂｕｆｆｅｒ）ＩＣと電圧ポンプＩＣに供給して駆動し、電圧ポンプＩＣ出力端子から一定の水準増幅になって伝えられるバイアス電圧の大きさによって、振動板とバックプレートのペア（ｂａｃｋ ｐｌａｔｅ ｐａｉｒ）間の静電気の強さを変化させることによって感度を調節することができるＳＭＤ用バイアスコンデンサマイクロホンを提供することにある。

上記のような目的を達成するために、本発明は外部回路と連結するための接地端子と、外部回路と連結するための電源及び出力端子と、一端が上記接地端子と連結されて音圧によって容量が可変されて音声を電気的な信号に変換するための振動板／バックプレートのペア（ｂａｃｋ ｐｌａｔｅ ｐａｉｒ）と、上記振動板／バックプレートのペア（ｂａｃｋ ｐｌａｔｅ ｐａｉｒ）の一端に静電界を形成するためにバイアス電圧を提供するＤＣ−ＤＣコンバータと、上記振動板／バックプレートのペア（ｂａｃｋ ｐｌａｔｅ ｐａｉｒ）による音声の電気的な信号を増幅して出力するためのバッファ集積回路素子と、及び上記ＤＣ−ＤＣコンバータが出力するバイアス電圧が上記バッファ集積回路素子に直接に供給されるのを遮断し、上記振動板／バックプレートのペア（ｂａｃｋ ｐｌａｔｅ ｐａｉｒ）による音声の電気的な信号を上記のバッファ集積回路素子に伝達するためのデカップリングキャパシタより構成され、かつ上記ＤＣ−ＤＣコンバータとデカップリングキャパシタとを一つの素子に集積した電圧ポンプＩＣと上記バッファ集積回路素子とをマイクロホン内のＰＣＢに実装し、上記電源及び出力端子を通して供給される電力によって上記電圧ポンプＩＣ及びバッファ集積回路素子を駆動するようにしてなることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば第１に、デカップリングキャパシタを使用した２−端子（電源入力／信号出力端子と接地端子）の形態であり、従来のエレクレットコンデンサマイクロホン（ＥＣＭ）との互換性を向上させると共に、ＳＭＤ工程で円形コンデンサマイクロホンの方向性の問題を解決することができる。

第２に、外部から電圧を供給して静電界を形成するので高温のリフロー（ｒｅｆｌｏｗ）作業による電荷損失がない。

第３に、ＩＣ化された電圧ポンプＩＣをマイクロホン内のＰＣＢに実装し、電源及び出力端子に供給される従来と同様な駆動電圧よりバッファＩＣと電圧ポンプＩＣを駆動することができるので、電圧ポンプＩＣの出力端子から一定の水準に増幅されて振動板／バックプレートのペアに伝えられるバイアス電圧の大きさによって望みの感度のマイクロホンを製作することができる。

以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳述する。
まず、本発明の作動原理は、強制的に注入したエレクトレット（ｅｌｅｃｔｒｅｔ）を使用して、静電界を形成した従来の方式と違い、外部で一定の電圧を供給してバックプレートと振動板の間に静電界を形成し、外部の音圧による振動板の振動による電気的な信号をバッファ（ｂｕｆｆｅｒ）ＩＣを通して出力する。
バックプレートと振動板の間に外部電源を供給するために、従来のマイクロホンの外部端子は、外部電源を供給する端子、信号出力端子、及び接地端子の三つの端子を必要としているが、本発明は二つの端子により可能である。

図２は本発明の実施例１によるＳＭＤ用コンデンサマイクロホンの等価回路図であり、図３は本発明の実施例１によるＳＭＤ用コンデンサマイクロホン（２００）を図示した断面図である。

本発明の実施例１のマイクロホンの等価回路は図２に図示されたように、振動板（２０６）とバックプレート（２１０）のペア（ｂａｃｋ ｐｌａｔｅ ｐａｉｒ）は一つの可変コンデンサ（ＣＯ）により等価表現することができる。振動板（２０６）は接地（ＧＮＤ）側に連結され、バックプレート（２１０）はＤＣ−ＤＣコンバータ（２３２）に連結され、ＤＣ−ＤＣコンバータ（２３２）とバッファＩＣ（２４０）の間にはデカップリングキャパシタが連結されている。ここで、ＤＣ−ＤＣコンバータ（２３２）とデカップリングキャパシタによりなされた構成を電圧ポンプＩＣ（２３０：Ｖｏｌｔａｇｅ ｐｕｍｐ ＩＣ）と称し、バッファＩＣ（２４０）はＦＥＴ、増幅器、或いは、アナログ−デジタル変換機（ＡＤＣ：Ａｎａｌｏｇ−Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）を意味する。

一方、内部のＰＣＢ回路の設計において、基本部品すなわち電圧ポンプ（ｖｏｌｔａｇｅ ｐｕｍｐ）ＩＣ（２３０）とバッファ（ｂｕｆｆｅｒ）ＩＣ（２４０）にＥＭＩまたはＥＳＤに対する特性向上などのために、必要によってコンデンサら或いは抵抗などを直列または並列により連結する回路を添加して変更することもできる。

かかる本発明の実施例１によるＳＭＤ用コンデンサマイクロホン（２００）は、図３に図示されるように、底面に音流入孔（２０２ａ）が形成されるし一面が開放された円筒形ケース（２０２）に極リング（ｐｏｌｅ ｒｉｎｇ）（２０４）と一体型として成る振動板（２０６）が挿入され、振動板（２０６）の上にはバックプレート（２１０）との間に空間を確保するためのスペーサ（２０８）が置かれている。そしてスペーサ（２０８）の上にはケース（２０２）と同一な円筒形を成す絶縁材料の第１ベース（２１２）が具備され、第１ベース（２１２）の内側には金属板より成るバックプレート（２１０）がスペーサ（２０８）によって振動板（２０６）と間隔を形成しながら置かれている。バックプレート（２１０）上には、バックプレート（２１０）をＰＣＢ（２１６）の回路と電気的に接続させるための導電体より成る第２ベース（２１４）があり、かかる全体の構成の上に部品（電圧ポンプＩＣ，バッファＩＣなど）が実装されたＰＣＢ（２１６）が具備された後、ケース（２０２）の一端をカールさせて一つの組立体により完成されている。

図３を参照すれば、本発明のバックプレート（２１０）はエレクトレット（ｅｌｅｃｔｒｅｔ）の形成のための高分子系列のフィルムを持たない金属板（ｍｅｔａｌ ｐｌａｔｅ）によりなる。振動板（２０６）は有機または無機フィルム（薄膜）の単面または両面に金属を蒸着した膜を使用したり金属フィルム（薄膜）を使用する。

一方、ＰＣＢ（２１６）の露出面は、図４に示したように、ケース（２０２）のカール面より突出されるように接地端子（２１８），出力端子（２２０）が形成され、マイクロホン（２００）がメーンＰＣＢ（例えば携帯電話のＰＣＢ）にＳＭＤ方式により付着され得るようになっている。このための接続の端子は図４に示したように、内側に電源及び出力（Ｖｄｄ／Ｏｕｔ）接続のための円形の電源及び出力端子（２２０）が形成され、一定の間隔を置いて外側に円形の接地端子（２１８）が形成され、この接地端子（２１８）はＳＭＤ方式による接着時に、発生するガスが排出されるように三つのガス排出ホーム（２２２）によって三つに分離されている。

このような本発明による実施例１のコンデンサマイクロホンの動作を注意して見れば、次の通りである。
本発明の実施例１によれば、マイクロホンＰＣＢ（２１６）の電源及び出力端子（Ｖｄｄ／ｏｕｔｐｕｔ：２２０）を通してバッファ（ｂｕｆｆｅｒ）ＩＣ（２４０）と電圧ボンブＩＣ（２３０）に駆動電圧（Ｖｄｄ）が各々供給され、供給された駆動電圧（Ｖｄｄ）はバッファＩＣ（２４０）及び電圧ポンプＩＣ（２３０）を動作させる。電圧ポンプＩＣ（２３０）のＤＣ／ＤＣコンバータ（２３２）は，駆動電圧（Ｖｄｄ）を一定の水準に増幅された直流バイアス電圧（ＶＢ）に変換し、このバイアス電圧（ＶＢ）は第２ベース（２１４）を通しバックプレート（２１０）より供給される。そしてＰＣＢの接地端子（２１８）はバッファＩＣ（２４０）とＤＣ−ＤＣコンバータ（２３２）に共通に連結されると共に、ケース（２０２）と極リング（ｐｏｌｅ ｒｉｎｇ）（２０４）を通し振動板（２０６）に連結され、これによってバイアス電圧（ＶＢ）が供給されたバックプレート（２１０）と接地（ＧＮＤ）された振動板（２０６）の間にバイアス（ｂｉａｓ）電圧（ＶＢ）による静電容量及び静電界が形成される。

このような状態で、外部音圧によって振動板（２０６）が振動すれば、それによる電気的な信号が発生され、この電気的な信号はバックプレート（２１０）と第２ベース（２１４）を通してＰＣＢのバッファＩＣ（２４０）に伝えられ、バッファＩＣ（２４０）で増幅されてマイクロホンＰＣＢの電源及び出力端子（２２０）を通して外部の回路に出力される。この時、本発明ではＤＣ／ＤＣコンバータ（２３２）の直流バイアス電圧（ＶＢ）出力がバッファＩＣ（２４０）に供給されないように、デカップリングキャパシタ（ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｏｒ：Ｃ１）を電圧ポンプＩＣ（２３０）の出力側とバッファ１（Ｂｕｆｆｅｒ）ＩＣ（２４０）の入力側の間に連結する。かかるデカップリングキャパシタ（Ｃ１）は、直流バイアス電圧（ＶＢ）がバッファＩＣ（２４０）に直接的に流入されるのを防止し、振動板（２０６）の振動により発生された電気的な信号だけをバッファＩＣ（２４０）へ通過させることによって、直流バイアス電圧（ＶＢ）と信号を分離する役割をする。

図５は本発明の実施例２によるＳＭＤ用コンデンサマイクロホンの等価回路図であり、図６は本発明の実施例２によるＳＭＤ用コンデンサマイクロホン（５００）を図示した断面図である。
かかる実施例２の構成は実施例１と比べて、バックプレート（２１０）と振動板（２０６）の位置がお互いに変わったことを除いては全体的に同一であるので、相異点を中心に説明し、同じ部分に対しては反復を避けるために説明を省略する。

図５及び６を参照すれば、実施例１の等価回路と比べて策２実施例の回路は、バックプレート／振動板の等価回路である可変コンデンサ（Ｃ０）において、バックプレート（２１０）が接地（ＧＮＤ）に連結されて、振動板（２０６）がＤＣ／ＤＣコンバータ（２３２）に連結されていることが分かる。

すなわち、実施例２においてはマイクロホンＰＣＢ（２１６）の電源及び出力端子（Ｖｄｄ／Ｏｕｔｐｕｔ：２２０）を通してバッファＩＣ（２４０）と電圧ポンプＩＣ（２３０）に駆動電圧（Ｖｄｄ）が各々供給されて供給された駆動電圧（Ｖｄｄ）はバッファＩＣ（２４０）及び電圧ポンプＩＣ（２３０）を動作させる。電圧ポンプＩＣ（２３０）のＤＣ／ＤＣコンバータ（２３２）は駆動電圧（Ｖｄｄ）を一定の水準に増幅された直流バイアス電圧（ＶＢ）に変換し、このバイアス電圧（ＶＢ）は第２ベース（２１４）と極リング（ｐｏｌｅ ｒｉｎｇ）（２０４）を通して振動板（２０６）に供給される。そして、ＰＣＢの接地端子（２１８）はバッファＩＣ（２４０）とＤＣ−ＤＣコンバータ（２３２）に共通に連結されると共に、ケース（２０２）を通しバックプレート（２１０）に連結され、これによってバイアス電圧（ＶＢ）が供給された振動板（２０６）と接地（ＧＮＤ）されたバックプレート（２１０）の間にバイアス（ｂｉａｓ）電圧（ＶＢ）による静電容量及び静電界が形成される。

このような状態で外部の音圧によって振動板（２０６）が振動すれば、それによる電気的な信号が発生され、この電気的な信号は極リング（２０４）と第２ベース（２１４）を通してＰＣＢのバッファＩＣ（２４０）に伝えられ、バッファＩＣ（２４０）で増幅されてマイクロホンＰＣＢの電源及び出力端子（２２０）を通し外部の回路へ出力される。この時、本発明ではＤＣ／ＤＣコンバータ（２３２）の出力である直流バイアス電圧（ＶＢ）がバッファＩＣ（２４０）で直接に供給されるのを防止するために、デカップリングキャパシタ（ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｏｒ：Ｃ１）を電圧ポンプＩＣ（２３０）の出力側とバッファ（ｂｕｆｆｅｒ）ＩＣ（２４０）の入力側の間に連結する。かかるデカップリングキャパシタ（Ｃ１）は直流バイアス電圧（ＶＢ）がバッファＩＣ（２４０）に直接的に流入されることを防止し、振動板（２０６）の振動により発生された電気的な信号だけをバッファＩＣ（２４０）に通過させることによって直流バイアス電圧（ＶＢ）と信号を分離する役割をする。

以上の実施例はほんの一例にすぎず、本発明がこのような場合にのみ限定されるものではないことはいうまでもない。本発明の技術思想の範囲内で種々の変形を実施することができる。

従来のバイアス型コンデンサマイクロホンを図示した等価回路図である。 従来のバイアス型コンデンサマイクロホンを図示した他の等価回路図である。 本発明の実施例１によるＳＭＤ用コンデンサマイクロホンの等価回路図である。 本発明の実施例１によるＳＭＤ用コンデンサマイクロホンを図示した断面図である。 本発明の実施例１によるコンデンサマイクロホンの接続の端子を図示した外観図である。 本発明の実施例２によるＳＭＤ用コンデンサマイクロホンの等価回路図である。 本発明の実施例２によるＳＭＤ用コンデンサマイクロホンを図示した断面図である。

符号の説明

２０２：ケース、２０２ａ：音流入ホール
２０４：極リング（ｐｏｌｅ ｒｉｎｇ）、２０６：振動板
２０８：スペーサ（ｓｐａｃｅ）
２１０：バックプレート（ｂａｃｋ ｐｌａｔｅ）
２１２：第１ベース（ｂａｓｅ）、２１４：第２ベース（ｂａｓｅ）
２１６：ＰＣＢ、２１８：接地端子、２２０：電源及び出力端子

Claims (4)

1. 外部回路と連結するための接地端子と、
   外部回路と連結するための電源及び出力端子と、
   一端が上記接地端子と連結され、音圧によって容量が可変されて音声を電気的信号に変換するための振動板／バックプレートのペアと、
   上記振動板／バックプレートのペアの一端に静電界を形成するためにバイアス電圧を提供するＤＣ−ＤＣコンバータと、
   上記振動板／バックプレートのペアによる音声の電気的な信号を増幅して出力するためのバッファ集積回路素子と、及び
   上記ＤＣ−ＤＣコンバータが出力するバイアス電圧が上記バッファ集積回路素子に直接に供給されることを遮断し、上記振動板／バックプレートのペアによる音声の電気的な信号を上記バッファ集積回路素子に伝達するためのデカップリングキャパシタにより構成されたＳＭＤ用コンデンサマイクロホンにおいて、上記ＤＣ−ＤＣコンバータとデカップリングキャパシタとを一つの素子に集積した電圧ポンプＩＣと上記バッファ集積回路素子とをマイクロホン内のＰＣＢに実装し、上記電源及び出力端子を通して供給される電力によって電圧ポンプＩＣ及びバッファ集積回路素子を駆動するよう構成してなることを特徴とするＳＭＤ用コンデンサマイクロホン。
2. 上記振動板／バックプレートのペアは振動板が接地端子により連結され、バックプレートに上記ＤＣ−ＤＣコンバータが連結されてバイアス電圧が供給されることを特徴とする請求項１記載のコンデンサマイクロホン。
3. 上記振動板／バックプレートのペアはバッグプレートが接地端子により連結され、振動板に上記ＤＣ−ＤＣコンバータが連結されてバイアス電圧が供給されることを特徴とする請求項１記載のコンデンサマイクロホン。
4. 上記バッファ集積回路素子はＦＥＴ、増幅器またはアナログ−デジタル変換機（ＡＤＣ）の中、何れか一つであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のコンデンサマイクロホン。

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