JP4531543B2 - 音響センサ - Google Patents

Description

本発明は、圧力感知ならびに集音のために使用される容量型音響センサに関し、特に、過酷な条件下での使用が想定される、小型かつ耐環境性を有する音響センサに関する。

圧力感知や集音を目的として使用される音響センサは、マグネット型と容量型に大別することができる。

マグネット型音響センサは、その動作原理上ボイスコイルと磁石を必要とする。しかし、容量型音響センサは、マグネット型音響センサと比較すると構造が極めて簡単であり、車や屋内外電化製品、携帯電話や情報端末等の、小型化かつ軽量化が要求される機器への搭載に適している。

また、容量型音響センサは構造的にシンプルであり、安価に製造が可能であり、携帯電話やパソコン等の情報端末用に広く用いられている。

図５は、従来の容量型音響センサの構成の一例を示す断面図である。

図５において、参照符号３０４は樹脂をフィルム化し金属薄膜を蒸着した振動板である。３１０は電気的導通を確保した電極であり、３０８は電気的絶縁性を確保した絶縁体スペーサである。

振動板３０４と電極３１０は、空隙３０６を挟んで所定間隔で対向され、これにより、音響電気変換素子（容量センサ部）が形成されている。音響電気変換素子のコンデンサに電圧を印加することにより外部の圧力や音による振動板３０４のたわみによる容量変化を電気信号に変換して出力することができる。

なお、例えば、固定電極３１０または振動板３０４の表面に、帯電したエレクトレット膜（永久的電気分極を有する誘電体等からなる膜）を形成することにより、容量センサ部に外部からバイアス電圧を与える必要がなくなる。

参照符号３１２は電気的絶縁性を有した絶縁体である。ＦＥＴ３１４は、回路基板３１８上に配されたトランジスタである。基板３１８上には、電気的回路３２０が形成され、各実装部品と電気的な導通を確保している。

ケース３００には、音孔（Ｐ）が設けられている。音孔（Ｐ）から入った圧力や音により振動する振動板３０４と、圧力や音により振動しない固定された電極３１０と、を絶縁体スペーサ３０８を介して対向配置して構成される容量型センサ部のコンデンサの容量変化を電圧に変換し、ＦＥＴ３１４により増幅して外部に出力することができる。

また、参照符号３１６は、ノイズ除去用の回路を構成するコンデンサ、抵抗、ダイオードなどの回路部品である。容量センサの容量変化は、外部高周波ノイズに影響を受けやすいことから音響センサ内に、回路部品を内蔵したものである。

図５に記載される構造の容量型音響センサは、例えば、特許文献１に記載されている。また、音響センサ内に回路部品を搭載した例は、例えば、特許文献２に記載されている。

ただし、図５のような構成による容量型センサは、振動板や絶縁体が樹脂材料を使用し、更に振動板３０４と振動板リング３０２とが接着剤で張り合わされているために、高い信頼性が要求される車や高い耐環境性が要望される屋内外電化製品等の音響センサには不向きとされてきた。

図６は、車や屋内外で使用される音響センサ用の加速劣化試験（温度環境を周期的に変化させる試験）のプロファイルを示す図である。

図示されるように、１サイクル中に、周囲温度は、低温（−５５℃）、常温（２０℃）、高温（１２５℃）に変化する。

時刻ｔ０から時刻ｔ１まで、１００サイクルを実施し、その後、時刻ｔ２まで２時間、常温で放置し、時刻ｔ２の後において電気的特性の測定を行って、良品／不良品を判定する。

このプロファイルを満足することが、車や高い耐環境性を要望せれる屋内外電化製品等の音響センサには要求されるが、図５に示す従来の音響センサにおいては、その要求に応えることは困難である。

図７は、図６の加速劣化試験に耐えられる耐環境性をもつ音響センサの構造の一例を示す図である。

図７の音響センサでは、シリコン基板の微細加工技術を利用して形成されるＬＳＩを構成する、導電性のシリコン振動板を使用する。

図７において、Ｐ１，Ｐ２は、筐体４００の一部に設けられた音孔である。参照符号４０４は、導電性を有するシリコンを材料とする振動板であり、４０４と４０２は同一シリコン材料で構成されている。４０６は絶縁体からなるスペーサであり、４０８は、導電性を有するシリコンを材料とする背面電極である。

背面電極４０８には、部分的に圧力逃がし用の空孔４１０が設けられている。これは、シリコン振動板４０４の振動によってシリコン振動板４０４と背面電極４０８との間に生じる圧力を効果的に逃がすためである。

シリコン振動板４０４と電極４０８は、絶縁体スペーサ４０６を介して所定間隔をおいて対向配置され、これによって容量型センサが形成されている。

シリコン振動板４０４は、シリコン基板からなる周辺支持部４０２によって支持されている。この周辺支持部４０２ならびにシリコン振動板４０４は、所定肉厚のシリコン基板の主面の一部をエッチングして窪み（Ｓ）を設けることによって、形成される。

コンデンサに外部からバイアス電圧を印加する（あるいは、エレクトレットを用いてシリコン振動板４０４または背面電極４０８にバイアスを与える）ことによって、外部の圧力や音によるシリコン振動板４０４のたわみによるコンデンサの容量変化が、電気信号に変換されて出力される。

また、参照符号４２０は、回路基板であり、４５０は電気信号の増幅用ＦＥＴであり、参照符号４６０は、ノイズ除去回路を構成する電子部品である。

音響電気変換素子（４０４，４０６，４０８）と回路基板４２０とは、金（Ａｕ）等からなるボンディングワイヤ（Ｗ１，Ｗ２）によって接続される。

また、図７の音響センサは、音響抵抗材等により構成される音響回路を設けることにより音響センサの最大感度方向を任意に制御することは、その構造上難しく、その感度は無指向性となる。

図８は、図７の音響センサの、方向毎の感度特性を示す図である。図示されるように、図７の音響センサは、どの方向に対しても一様な感度特性を有している。

シリコン振動板を使用した音響センサの例は、例えば、特許文献３に記載されている。

特開平５−１４５９９６号公報（図５）

特開２００２−８４５９８号公報

本発明は、集音または圧力検知に使用される音響センサであって、その一部に音孔を設けた筐体と、音孔を介して到来する音波をシリコン振動板によって受信する容量型の音響電気変換素子と、立体形状の構造体上に、音響電気変換素子との電気的接続用の電極ならびに配線が形成される。そしてこの構造体の一部に音響電気変換素子を支持するとともに音響電気変換素子との電気的接続機能をもつ段差構造が形成された立体回路基板と、立体回路基板と音響電気変換素子との間の空間に配置された電子部品と、を具備している。そしてさらに音響電気変換素子は、振動板支持部によって支持される前記シリコン振動板と、背面電極とを所定間隔をおいて対向配置することによって構成されるコンデンサの静電容量の変化を電気信号に変換して得られる電気信号を、前記振動板支持部の表面に設けられたシリコン振動板用の電極ならびに前記背面電極から取り出すことができる構造となっている。またこの段差構造は、最も外側に位置する第１の平坦部と、前記第１の平坦部の内側に位置する第２の平坦部と、前記第２の平坦部よりも内側に位置する第３の平坦部と、前記第３の平坦部よりも内側に位置する第４の平坦部とを具備してなり、前記第１の平坦部は、前記構造体を支持し、前記第２の平坦部には、前記音響電気変換素子の前記シリコン振動板用の電極に接触する第１の電極端子が形成され、前記第３の平坦部には、前記音響電気変換素子の背面電極の一部と接触する第２の電極端子が形成され、前記第４の平坦部は、前記電子部品の搭載領域を提供する。
また、集音または圧力検知に使用される音響センサであって、その一部に音孔が設けられている筐体と、前記音孔を介して到来する音波をシリコン振動板によって受信し、そのシリコン振動板の振動によるコンデンサの容量変化を電気信号に変換して出力する容量型の音響電気変換素子と、立体形状の構造体上に、前記音響電気変換素子との間の電気的な接続の確保に必要な電極ならびに配線が形成されると共に、前記構造体の一部に、前記音響電気変換素子を支持するとともに前記音響電気変換素子との間の電気的接続機能をもつ段差構造が形成された立体回路基板と、前記段差構造を利用して前記立体回路基板上に前記音響電気変換素子を積み重ねることによって生じる、前記立体回路基板と前記音響電気変換素子との間の空間に配置された、前記電気信号について所定の信号処理を行う電子部品と、を有する。

上記のとおり、図５の構造の容量型センサは、特に、熱耐性が乏しく、過酷な環境下で使用される機器への搭載に向かない。

図７の構造の容量型センサは、高信頼性が要求される車や、高い耐環境性が求められる屋内外電化製品等の音響圧力センサとして使用可能であるものの、構造的に音響センサモジュール全体の表面積が大きくなり、この点が、小型軽量の機器（携帯通信端末等）への搭載のネックとなる。

また、図７の音響センサでは、音響管や音響抵抗材等によって構成される音響回路を、指向性軸をずらすことなく設けることにより音響センサの最大感度方向を任意方向に制御することは、その構造上難しいとされている。

すなわち、図７の音響センサは、樹脂や金属の各構成部材を積み上げた構造になっているため、指向性を実現するための安定した音響端子間距離を小型音響センサ上で確保することは難しく、小型音響センサでの指向性化の実現は困難とされている。

このため、最大感度方向を制御する場合には、音響センサを2個以上使い電気回路にて信号合成を行い、最大感度方向を任意に設定することが必要となる。したがって、この場合には、音響センサとしての全体のコストが高価になると同時に、実装面積が増大するという問題が生じる。

本発明は、以上の考察に基づいてなされたものであり、過酷な使用環境にも耐える耐環境性をもち、小型で省スペース性に優れ、また、音響センサの最大感度方向を精度良く調整することも可能な容量型音響センサを提供することを目的とする。

本発明の音響センサは、集音または圧力検知に使用される音響センサであって、その一部に音孔が設けられた筐体と、前記音孔を介して到来する音波をシリコン振動板によって受信し、そのシリコン振動板の振動によるコンデンサの容量変化を電気信号に変換して出力する容量型の音響電気変換素子と、立体形状の構造体上に、前記音響電気変換素子との間の電気的な接続の確保に必要な電極ならびに配線が形成されると共に、前記構造体の一部に、前記音響電気変換素子を支持するとともに前記音響電気変換素子との間の電気的接続機能をもつ段差構造が形成された立体回路基板と、前記段差構造を利用して前記立体回路基板上に前記音響電気変換素子を積み重ねることによって生じる、前記立体回路基板と前記音響電気変換素子との間の空間に配置された、前記電気信号について所定の信号処理を行う電子部品と、を有する。

３次元形状をもつ立体的回路基板上に、シリコン振動板を備える音響電気変換素子を積み重ね、かつ、両者の間隙にトランジスタ等の電子部品を配置することによって構成される、立体的な構造をもつ音響センサである。立体回路基板には段差構造が設けられ、この段差構造は、その上に積み重ねられる音響電気変換素子を支持する働きと（組み立て時に音響電気変換素子の位置決めを行う働きを含む）と、音響電気変換素子と立体回路基板の各電極とを接続して、音響電気変換素子と立体回路基板上に形成される回路との電気的な導通を確保する働きを併有する（さらに、筐体を支持する働きをさせることもできる）。これにより、脆弱性を排した頑強な構造を備えて耐環境性に優れ、従来にない省スペース性も備え、さらには製造時の組み立ても容易な、新規な容量型音響センサが提供される。

また、本発明の音響センサの一態様は、前記音響電気変換素子と前記立体回路基板の各電極同士の接続に、導電性接着剤を使用する。

立体回路基板と音響電気変換素子との電気的な接続に、異方性導電接着剤のような導電性接着剤を使用するものである（すなわち、ＬＳＩのフリップチップ技術を利用するものである）。これにより、双方の電極同士の安定した電気的導通の確保と、両者の機械的な固定とを一挙に、簡単に行うことができ、小型化、部品点数の削減、組み立て工数の削減の各効果を同時に得ることができる。

また、本発明の音響センサの他の態様では、前記立体回路基板を構成する前記構造体は、樹脂材料よりも熱膨張係数が小さい材料で構成される。

樹脂材料は、熱サイクルによって圧縮、伸張して変形したり、大きなストレスを生じさせることがあるため、立体回路基板の構造体の材料として、より熱膨張係数の小さな材料を使用し、耐環境性を向上させるものである。

また、本発明の音響センサでは、前記構造体は、セラミックまたはガラスエポキシからなる。

立体回路基板の構造体の材料として、樹脂材料よりも熱膨張係数が小さく、非常に安定した特性をもつ硬質材料であるセラミックやガラスエポキシを使用するものである。これにより、耐環境性を向上させることができる。

また、本発明の音響センサの他の態様では、前記筐体の内側には、空気の漏れ溝が形成されている。

内部圧力の上昇を抑えるように空気の漏れを意図的に生じさせるものである。外気温度の変化に伴う内部圧力の軽減を図ることができ、過酷な温度環境下での使用にも耐える音響センサが実現される。

また、本発明の音響センサの他の態様では、立体回路基板には、音響センサの最大感度方向を調整するための音響回路をもつ音響回路部品が搭載されている。

本発明の音響センサに搭載される立体回路基板は、熱膨張係数の低い材質から構成され、変形やストレス少なく、安定した形状を維持することができる。また、構造体の３次元の形状も自由に設計することができる。これらの特徴を生かし、立体回路基板を構成する構造体に音響回路部品（音響管や音響抵抗材等）を搭載する貫通部等を設けたり、また、段差等を利用して配線長（や回路部品の搭載位置やその寸法等）を高精度に決めたりすることによって、立体回路基板上に、音響端子間の距離が正確に制御された音響回路を容易に実現することができる。これにより、最大感度方向の調整（センサ感度の指向性特性の実現）が可能となる。

また、本発明の音響センサの他の態様では、音響回路部品は、前記立体回路基板の前記構造体の一部に埋め込まれている。

立体回路基板の構造体には、段差や凹部を形成するのが容易であるため、これを利用して、音響回路部品を埋め込むものである。これにより、正確な位置に、コンパクトに音響回路部品を搭載することができる。

また、本発明の音響センサの他の態様では、前記音響回路部品は、音響管または音響抵抗材を含んで構成される。

音響回路の要素部品である音響管や音響抵抗材を、適宜配置することによって、所望の特性をもつ音響回路を、高精度に構築することができる。

また、本発明の音響センサの他の態様では、前記音響電気変換素子は、振動板支持部によって支持される前記シリコン振動板と、背面電極と、を所定間隔をおいて対向配置することによって構成されるコンデンサの静電容量の変化を電気信号に変換して得られる電気信号を、前記振動板支持部の表面に設けられたシリコン振動板用の電極ならびに前記背面電極から取り出すことができる構造となっており、また、前記立体回路基板の前記構造体に前記段差構造を設けた結果として、前記筐体を支持する、最も外側に位置する第１の平坦部と、前記音響電気変換素子の前記シリコン振動板用の電極に接触する第１の電極端子が形成されている、前記第１の平坦部の内側に位置する第２の平坦部と、前記音響電気変換素子の前記背面電極の一部と接触する第２の電極端子が形成されている、前記第２の平坦部よりも内側に位置する第３の平坦部と、この第３の平坦部よりも内側に位置する前記電子部品の搭載領域を提供する第４の平坦部と、が形成される。

音響電気変換素子を支持する立体回路基板の構造体の段差構造は、筐体を支持する平坦部（第１の平坦部）と、音響電気変換素子のシリコン振動板用の電極との電気的接続をとるための平坦部（第２の平坦部）と、背面電極の外部接続用電極との電気的接続をとるための平坦部（第３の平坦部）と、トランジスタ等の電子部品を搭載するための平坦部（第４の平坦部）と、を備える。

すなわち、段差構造を利用することによって、筐体の支持と位置決め、音響電気変換素子の支持と位置決め、ならびに振動板用の電極と背面電極の各々との電気的接続の確保、電子部品の配置用空間を形成する、という効果を一挙に得ることができる。これによって、音響電気変換素子と立体的回路基板とを積み重ねた３次元構造をもつコンパクトな音響センサを、精度よく、効率的に組み立てることができる。また、金属等からなる筐体は、電磁波のシールド効果をもつため、本発明の音響センサはノイズも少ない。筐体とシールド作用をもつ金属配線等との接続も容易に行うことができる。

また、本発明の音響センサの他の態様では、低温、常温、高温の周期的な温度サイクルに対する耐性を有する。

本発明は、特に、温度サイクルに対する優れた特性を有している。

また、本発明の音響電気変換装置は、本発明の音響センサを備える。

これにより、小型で過酷な使用環境にも耐える高性能な音響電気変換装置が得られる。

また、本発明の携帯通信端末は、本発明の音響センサを備えるものである。

本発明の音響センサは小型であるため、携帯通信端末の小型化の妨げとならず、また、種々の環境下で、高性能な集音機能を発揮するため、携帯通信端末の高性能化にも寄与する。

また、本発明の車載用音響入力装置は、本発明の音響センサを備えるものである。

本発明の音響センサは、過酷な環境条件に対する耐性をもち、圧力検知感度や集音感度の指向性も付与できることから、例えば、ナビゲーションシステム、携帯電話用ハンズフリーマイク、あるいは車の後方から近づいてくる救急車両などを自動検知し運転者に知らせる等の制御を行う自動車制御装置等における車載用音響入力装置に使用することができる。

本発明によれば、３次元形状をもつ立体的回路基板上に、シリコン振動板を備える音響電気変換素子を積み重ね、かつ、両者の間隙にトランジスタ等の電子部品を配置することによって、省スペース化された小型の音響センサを実現することができる。

また、３次元形状をもつ立体回路基板に段差構造を設け、この段差構造によって、筐体の支持、音響電気変換素子の支持、音響電気変換素子の位置決め、音響電気変換素子と立体回路基板の各電極との間の電気的接続の確保、さらに、電子部品を搭載する空間の確保を一挙に実現することができる。

したがって、脆弱性を排した頑強な構造を備えて耐環境性に優れ、従来にない省スペース性も備え、さらには製造時の組み立ても容易な、新規な容量型音響センサを実現することができる。

また、立体回路基板の構造体上に、音響抵抗材や音響管等を位置精度、寸法精度良く配置することができ、音響端子間距離の制御が容易になるため、従来困難とされていた、小型音響センサの最大感度方向の制御（指向性制御）も可能となる。

次に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）

図１は、本発明の容量型音響センサの構造を示す平面図および断面図である。図中、上側に平面図が示され、下側に断面図が示される。

平面図からわかるように、導電体の金属からなる筐体１００の上面には、到来する音波を筐体内に導くための音孔（Ｐ１，Ｐ２等）が設けられている。

また、筐体１００の内側には、環境の変化によって、筐体内の圧力が必要以上に高まるのを防止するための、リーク溝９０が設けられている。

すなわち、内部圧力の上昇を抑えるように幅０．５ｍｍ以下で深さ０．１ｍｍ以下のリーク溝９０を設けて（断面図参照）、空気の漏れを意図的に設けることにより、図６に示したような過酷な加速劣化試験を実施しても、音響センサ内の内部圧力の上昇を抑制することができ、したがって、高い信頼性を有する音響センサが得られる。

断面図に示されるように、音響センサは、筐体１００と、シリコンＬＳＩの微細加工技術を用いて製造される容量型の音響電気変換素子（以下、単に音響電気変換素子という）１０１と、この音響電気変換素子を支持する立体回路基板２００と、音響電気変換素子１０１と立体回路基板２００との間の空間（空隙）に配置されたＦＥＴ（電界効果トランジスタ）１５０ならびに回路部品１６０と、音響センサの最大感度方向を調整して指向性を持たせるための音響回路１７０と、を有している。

すなわち、３次元形状をもつ立体的回路基板上２００に、シリコン振動板１０４を備える音響電気変換素子を積み重ね、かつ、両者の間隙にトランジスタ等の電子部品（１５０，１６０）を配置することによって構成される、立体的な構造をもつ音響センサである。この音響センサは、脆弱性を排した頑強な構造を備えて耐環境性に優れ、従来にない省スペース性も備え、さらには製造時の組み立ても容易な音響センサである。

図１の本発明の音響センサを、図７の音響センサと比較した場合、本発明の音響センサの方がその表面積が小さく、コンパクト化が達成されていることがわかる。

音響電気変換素子１０１は、シリコン振動板１０４と、電気的な絶縁材料からなるスペーサ１０６ａ，１０６ｂと、網の目構造をもつ、シリコンからなる背面電極１０８と、を有する。

背面電極１０８は、導電性をもつシリコン（例えば、イオン打ち込み等によって抵抗を低下する処理がなされたシリコン）からなっており、その表面には、シリコン酸化膜を電気的に帯電させて形成されるシリコンエレクトレット膜が設けられている。

シリコン振動板１０４は、例えば、所定の厚みを有するシリコン基板１０２の底部の一部をエッチングして窪み（Ｓ）を設けることによって形成される。

ただし、この製法に限定されるものではなく、例えば、窪み（Ｓ）を設けたシリコン基板１０２の裏面に、新たに薄いシリコン膜を成長させて振動板とすることもできる。
また、シリコン振動板１０４の裏面にシリコン酸化膜を電気的に帯電させて形成されるシリコンエレクトレット膜を設けるようにしてもよい。この場合は背面電極１０８はエレクトレット膜を持たなくてもよい。

背面電極１０８は、シリコン振動板１０４の振動によって生じる圧力を逃がすために、意図的に圧力逃がし用孔１１０が設けられ、網の目状の構造を有している。

シリコン振動板１０４と背面電極１０８は、スペーサ１０６ａ，１０６ｂによって所定距離だけ隔てられて対向配置され、シリコン振動板１０４と背面電極１０８との間は空隙部１１２となっており、これにより、圧力波や音波による機械的な振動を電気信号に変換するためのコンデンサ（平行平板コンデンサ）が形成される。

立体回路基板２００は、セラミックやガラスエポキシ等の、樹脂材料よりも熱膨張係数が小さい材料からなる３次元構造をもつ構造体（成形基体）の表裏面や側面に、金属層や少なくとも一層の配線層を形成して構成される。

セラミックやガラスエポキシ等は、周囲温度が変化しても、その伸張や圧縮が少なく、安定した形状を精度よく維持でき、寸法精度に優れるという特徴をもつ。

また、立体回路基板２００の周囲には、段差構造２０２が形成されている。この段差構造２は、その上に積み重ねられる音響電気変換素子１０１を支持する働き（組み立て時に音響電気変換素子の位置決めを行う働きを含む）と、音響電気変換素子１０１と立体回路基板２００の各電極（つまり、シリコン振動板用の電極ならびに背面電極１０８と、立体回路基板２００の段差構造の所定箇所に設けられたバンプ電極ＢＰ）とを接続して、音響電気変換素子と立体回路基板上に形成される回路との電気的な導通を確保する働きと、さらに、筐体１００を支持する働きと、を併有する。

シリコン振動板１０４ならびに背面電極１０８用の電極（図１では不図示。図２におけるＥＮ１〜ＥＮ４である）と、立体回路基板２００の段差構造の所定箇所に設けられたバンプ電極ＢＰと、の接続には導電性接着剤（例えば、異方性導電接着剤）が使用される。接続部の直列抵抗値は、例えば、１Ω以下である。

導電性接着剤と、フリップチップ実装技術を利用することにより、過酷な加速劣化試験を実施しても安定的電気的導通を確保することができ、また、部品点数ならびに工数の削減が達成され、コンパクトで高品質の音響センサが実現される。

また、段差構造２０２を設けることによって、結果的に４つの平坦部（第１の平坦部ないし第４の平坦部）が形成される（この点は、図２を用いて後述する）。

なお、図１中、点線で囲まれて示される（Ｃ１，Ｃ２）は、シリコン振動板１０４との電気的接続の確保に寄与する第２の平坦部であり、同じく（Ｋ１，Ｋ２）は、背面電極１０８との電気的接続に寄与する第３の平坦部である。

また、立体回路基板２００の底面の周辺部には、所定の回路が形成された回路部１４０ａ，１４０ｂが設けられている。

音響回路１７０は、立体回路基板２００の主面中央の貫通部に埋め込まれており、省スペース化が達成されている。この音響回路１７０は、樹脂繊維などの音響抵抗材や音響管を含んで構成される。

次に、図１の音響センサの組み立て工程について説明する。

図２は、図１の音響センサの組み立て工程（ならびに、立体回路基板の具体的な構造）を説明するための断面図である。図２において、図１と共通する部分には同じ参照符号を付してある。

図２において、上段に筐体１００が示され、中段に音響電気変換素子１０１が示され、下段に立体回路基板２００が示されている。

音響電気変換素子１０１における、シリコン基板１０２の表面には、シリコン振動板１０４用の電極（ＥＮ１，ＥＮ２）が設けられている。同様に、背面電極１０８には、外部接続電極（ＥＮ３，ＥＮ４）が設けられている。

立体回路基板２００に段差が設けられ段差構造２０２をとることによって、結果的に、筐体を支持する第１の平坦部（Ｒ１，Ｒ２）と、シリコン振動板用の電極（ＥＮ１，ＥＮ２）との電気的接続をとるための第２の平坦部（Ｃ１，Ｃ２）と、音響電気変換素子１０１の背面電極の外部接続電極（ＥＮ３，ＥＮ４）との電気的接続をとるための第３の平坦部（Ｋ１，Ｋ２）と、トランジスタ等の電子部品を搭載するための第４の平坦部（Ｑ１，Ｑ２）と、が形成されることになる。

第１の平坦部（Ｒ１，Ｒ２）は、筐体１００の厚みに対応した幅をもつ。また、その平坦部（Ｒ１，Ｒ２）の、立体回路基板２００の底面からの高さは、音響センサ全体のサイズ（縦方向のサイズ）を考慮して、予め、最適値に調整されている。

また、第２の平坦部（Ｃ１，Ｃ２）と第３の平坦部（Ｋ１，Ｋ２）との段差の距離（ｈ）は、音響電気変換素子１０１におけるシリコン振動板１０４の表面と背面電極１０８の表面との間の距離（ｈ）と同じである。

また、第２の平坦部（Ｃ１，Ｃ２）の横幅は、音響電気変換素子１０１の、シリコン振動板用の電極（ＥＮ１，ＥＮ２）が設けられている部分の横幅と一致している。

また、第２および第３の平坦部（Ｃ１，Ｃ２，Ｋ１，Ｋ２）上には、音響電気変換素子１０１との電気的接続をとるためのバンプ電極（ＢＰ）が形成されている。

また、図２の下段の右側に一点鎖線で囲んで示されるように、立体回路基板２００の表面（上面、底面、側壁を含む）には、電極（ＢＰ）や少なくとも１層の配線層（ＥＬ）が設けられている。なお、ＩＲは、表面保護用の絶縁膜である。

また、最も内側に位置する第４の平坦部（Ｑ１，Ｑ２）は、電子部品（１５０，１６０）が配置される領域を提供する。

このように、段差構造２０２の段差は、筐体１００の支持と位置決め、音響電気変換素子１０１の支持と位置決め、ならびに、振動板用の電極（ＥＮ１，ＥＮ２）ならびに背面電極（１０８）の外部接続用電極（ＥＮ３，ＥＮ４）の各々と、立体回路基板２００上のバンプ電極（ＢＰ）との間の電気的接続の確保、ならびに、電子部品（１５０，１６０）の配置用の空間を形成する、という効果を併有する。

これによって、音響電気変換素子１０１と立体的回路基板２００とを積み重ねた３次元構造をもつコンパクトな音響センサを、精度よく、効率的に組み立てることができる。

また、金属等からなる筐体１００は、電磁波のシールド効果をもつため、本発明の音響センサはノイズも少ない。筐体１００とシールド作用をもつ金属配線等との接続も容易に行うことができる。

よって、携帯電話端末等の電波の送受信を行う機器で問題となる、高周波ノイズがコンデンサに重畳することによる、音響センサの検出感度の低下の問題を、軽減することができる。

次に、音響センサの最大感度方向を調整して指向性をもたせる点について説明する。

本発明の音響センサに使用される立体回路基板は、寸法精度が高く、変形等も少なく、かつ３次元形状を利用して、音響回路をコンパクトに配置したり、配線の引き回しの長さを高精度に調整することもできる。

この利点を利用して、音響センサ内に構築される音響回路にて、音響信号の伝播位相を精度良く制御することにより、従来の小型音響センサでは実現が難しかった音響センサの最大感度方向の調整（任意設定）を容易に行うことができる。

図３は、本発明の音響センサ（音響抵抗材や音響管などにより構成される音響回路１７０をもつ）の等価回路図である。

図３において、参照符号４１は音源であり、４２は前面音響インピーダンスであり、４３は前面音響マスであり、４４は音響電気変換素子（振動板を備える）としてのコンデンサ（振動板コンプライアンス）であり、４５は背面音響マスであり、４６は背面音響インピーダンスである。

音源４１から発せられた音が、振動板４４の前段に存在する前面音響インピ−ダンスや前面音響マス４３を伝わり、振動板コンプライアンス４４に伝搬される。

一方、音源４１から発せられた音は、立体回路基板２００の周りを通って背面の音響回路を音響回路１７０（図１）を通ることにより、背面音響インピ−ダンス４６や背面音響マス４５を伝わり振動板コンプライアンス４４に伝播する。

そして、両者の伝播位相を寸法精度の高い立体回路基板２００の背面に設けられた音響回路１７０で制度良く制御することにより、図４に示すような、音響センサの指向性特性を実現することができる。

つまり、筐体１００の音孔Ｐ１，Ｐ２（図１）には、種々の方向から音波が到来するが、到来方向によって経路長が異なるため、各方向から到来する音波には位相差（位相遅れ）が生じる。上記のとおり、前面の音響回路を経由する経路と、背面の音響回路を経由する経路の各特性を調整することによって、例えば、特定の位相遅れをもつ伝播信号については、各経路を経由した信号同士が打ち消し合うようにし、これによって、センス感度を抑えるというようなことができる。

このように、小型で、耐環境性に優れ、かつ、効率的な実装組み立てが可能なであり、かつ、指向性制御も可能な、音響センサが実現される。

本発明の音響センサおよび音響センサを有する圧力や集音をつかさどる音響電気変換装置を、自動車制御装置や携帯電話端末等に搭載することにより、高信頼性の自動車制御装置および携帯電話端末等を得ることができる。

以上説明したように、本発明によれば、３次元形状をもつ立体的回路基板上に、シリコン振動板を備える音響電気変換素子を積み重ね、かつ、両者の間隙にトランジスタ等の電子部品を配置することによって、省スペース化された小型の音響センサを実現することができる。

また、３次元形状をもつ立体回路基板に段差構造を設け、この段差構造によって、筐体の支持、音響電気変換素子の支持、音響電気変換素子の位置決め、音響電気変換素子と立体回路基板の各電極との間の電気的接続の確保、さらには、電子部品を搭載する空間の確保を一挙に実現することができる。

したがって、脆弱性を排した頑強な構造を備えて耐環境性に優れ、従来にない省スペース性も備え、さらには製造時の組み立ても容易な、新規な容量型音響センサを実現することができる。

また、立体回路基板の構造体上に、音響抵抗材や音響管等を位置精度、寸法精度良く配置することができ、音響端子間距離の制御が容易になるため、従来困難とされていた、小型音響センサの最大感度方向の制御（指向性制御）も可能となる。

本発明は、小型で、耐環境性に優れ、かつ、効率的な実装組み立てが可能な音響センサを実現するという効果を奏し、したがって、圧力検知や集音等に用いられる容量型音響センサ（例えば、携帯電話端末や自動車に搭載されるコンデンサマイクロホン）に適用して有用である。

本発明の容量型音響センサの構造を示す平面図および断面図 図１の音響センサの組み立て工程、ならびに、立体回路基板の具体的な構造を説明するための断面図 本発明の音響センサ（音響抵抗材や音響管などにより構成される音響回路をもつ）の等価回路図 本発明の音響センサの、音響指向性特性の一例を示す図 従来の容量型音響センサの構成の一例を示す断面図 車や屋内外で使用される音響センサ用の加速劣化試験（温度環境を周期的に変化させる試験）のプロファイルを示す図 図６の加速劣化試験に耐えられる耐環境性をもつ音響センサの構造の一例を示す図 図７の音響センサの、方向毎の感度特性を示す図

符号の説明

９０ リーク溝
１００ 筐体
１０２ シリコン基板
１０４ シリコン振動板
１０６ａ，１０６ｂ スペーサ
１０８ 背面電極
１１０ 圧力逃がし用孔
１１２ 空隙部
１４０ａ，１４０ｂ 回路部
１５０ ＦＥＴ
１６０ 回路部品
１７０ 音響回路
２００ 立体回路基板
Ｐ１，Ｐ２ 音孔
Ｓ シリコン基板に設けられた窪み（エッチング除去部）
Ｒ１，Ｒ２ 第１の平坦部
Ｃ１，Ｃ２ 第２の平坦部
Ｋ１，Ｋ２ 第３の平坦部
Ｑ１，Ｑ２ 第４の平坦部
ＥＮ１，ＥＮ２ シリコン振動板用の電極
ＥＮ３，ＥＮ４ 背面電極の外部接続用電極
ＢＰ バンプ電極
ＥＬ 立体回路基板上の配線
ＩＲ 表面保護用絶縁膜

Claims (12)

1. 集音または圧力検知に使用される音響センサであって、
   その一部に音孔を設けた筐体と、
   前記音孔を介して到来する音波をシリコン振動板によって受信する容量型の音響電気変換素子と、
   立体形状の構造体上に、前記音響電気変換素子との電気的接続用の電極ならびに配線が形成され、前記構造体の一部に、前記音響電気変換素子を支持するとともに前記音響電気変換素子との電気的接続機能をもつ段差構造が形成された立体回路基板と、
   前記立体回路基板と前記音響電気変換素子との間の空間に配置された電子部品と、を具備し、
   前記音響電気変換素子は、
   振動板支持部によって支持される前記シリコン振動板と、背面電極とを所定間隔をおいて対向配置することによって構成されるコンデンサの静電容量の変化を電気信号に変換して得られる電気信号を、前記振動板支持部の表面に設けられたシリコン振動板用の電極ならびに前記背面電極から取り出すことができる構造となっており
   前記段差構造が、
   最も外側に位置する第１の平坦部と、
   前記第１の平坦部の内側に位置する第２の平坦部と、
   前記第２の平坦部よりも内側に位置する第３の平坦部と、
   前記第３の平坦部よりも内側に位置する第４の平坦部とを具備してなり、
   前記第１の平坦部は、前記構造体を支持し、
   前記第２の平坦部には、前記音響電気変換素子の前記シリコン振動板用の電極に接触する第１の電極端子が形成され、
   前記第３の平坦部には、前記音響電気変換素子の背面電極の一部と接触する第２の電極端子が形成され、
   前記第４の平坦部は、前記電子部品の搭載領域を提供する
   音響センサ。
2. 請求項１記載の音響センサであって、
   前記音響電気変換素子と前記立体回路基板の各電極同士の接続に、導電性接着剤を使用する音響センサ。
3. 請求項１記載の音響センサであって、
   前記立体回路基板を構成する前記構造体は、樹脂材料よりも熱膨張係数が小さい材料で構成される音響センサ。
4. 請求項１記載の音響センサであって、
   前記構造体は、セラミックまたはガラスエポキシからなる音響センサ。
5. 請求項１記載の音響センサであって、
   前記筐体の内側には、空気の漏れ溝が形成されている音響センサ。
6. 請求項１記載の音響センサであって、
   前記立体回路基板には、音響センサの最大感度方向を調整するための音響回路をもつ音響回路部品が搭載されている音響センサ。
7. 請求項６記載の音響回路部品は、前記立体回路基板の前記構造体の一部に埋め込まれている音響センサ。
8. 請求項６または請求項７記載の音響センサであって、
   前記音響回路部品は、音響管または音響抵抗材を含む音響センサ。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の音響センサであって、
   前記音響センサは、低温、常温、高温の周期的な温度サイクルに対する耐性を有する音響センサ。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載の音響センサを有する音響電気変換装置。
11. 請求項１乃至９のいずれかに記載の音響センサを備える携帯通信端末装置。
12. 請求項１乃至９のいずれかに記載の音響センサを備える車載用音響入力装置。

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