JP4657974B2

JP4657974B2 - カード型ｍｅｍｓマイクロホン

Info

Publication number: JP4657974B2
Application number: JP2006130299A
Authority: JP
Inventors: 教夫木村
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-05-09
Filing date: 2006-05-09
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2026-05-09
Also published as: US8041064B2; JP2007306125A; US20090161894A1; WO2007129507A1; CN101444111A

Description

本発明は、半導体技術を活用するマイクロマシニング技術を用いた小型マイクロホンに関する。

従来から携帯電話等の情報通信端末に用いられているマイクロホンの一つとして、有機フィルムを用いたエレクトレットコンデンサマイクロホン（ＥＣＭ：Electret Condenser Microphone）がある。ＥＣＭとは、コンデンサの一方の電極にエレクトレットを配置し、エレクトレットに電荷を与え、音圧によって変動する静電容量の変化を電圧変化に変換するマイクロホンである。

マイクロホンの特性の一つとして指向性がある。例えば、指向性を持たない「無指向性」（全指向性）、特定の方向の音を捉えやすい「単一指向性」、指向性をさらに狭角にした「超指向性」、前後ふたつの方向の音源を強く捉える「双指向性」などがある。マイクロホンは、用途に応じて、特定の指向性を有するように設計されている。

図１２（ａ）に、単一指向性のＥＣＭの断面構造図を示す。図１２（ａ）に示すようにマイクロホン１００は、第１の音孔１５Ａを有するケース１７内に、金属導体等の振動板１１と、エレクトレット膜１３が形成された固定電極１２と、回路素子が搭載されたプリント基板１８とが配置されており、振動板１１と固定電極１２との間隔がスペーサ１４で保持され、また、固定電極１２とプリント基板１８との間に背気室１６が形成されている。また、ケース１７は、第１の音孔１５と反対側に第２の音孔１５Ｂが形成されている。振動板１１は、例えば、フィルムにアルミ蒸着された振動板である。

エレクトレット膜１３は、一般に、外部電界によらず永久的に帯電（電荷保持）している物質であり、フッ素樹脂であるＦＥＰ（Fluorinated Ethylene Propylene：フッ化エチレンプロピレン樹脂）が用いられる。

このマイクロホン１００では、振動板１１が音圧によって振動すると、振動板１１と固定電極１２とで構成される平板コンデンサの静電容量が変化し、電圧変化に変換されてマイクロホン１００から出力される。

具体的には、第２の音孔１５Ｂ側で鳴った音は、まずこの音孔１５から入って振動板１１の裏側に届く(間接音)。同じ音は回り込み、少し遅れて振動板１１の表側にも届く(直接音)。第２の音孔１５から振動板１１の裏側までに障害物（音響抵抗材）などにより間接音を遅らせて直接音と同時に到達するようにされており、この音は振動板１１の表と裏で同時に生じた同量のエネルギーとして相殺され、電気出力にならない。

一方、第１の音孔１５Ａ側で鳴った音は、まず先に振動板１１の表側に伝わる。その後の裏側への回り込みは、上述の障害物によって到達が更に遅くなる。この時間差によってエネルギーは相殺されずに電気出力される。よって、このマイクロホン１００は前方への単一な指向性を有することになる。

このように、ＥＣＭは、音圧によって変動する静電容量の変化を電圧変化に変換するものであり、ケースに孔を設けることで指向性を設計できるものであるが、近年、ＥＣＭは更なる小型・薄型化とともに、実装コストの削減が求められている。従来のＥＣＭは、上述のように熱に弱い有機材料のエレクトレット材料を使用するため、はんだリフロー表面実装に対応することができず、ＥＣＭに設けられたコネクタ等により基板に取り付けるものでありコネクタ部品等にコストがかかってしまうものであった。

そこで、半導体技術を活用するマイクロマシニング技術を用いた小型マイクロホン（ＭＥＭＳマイクロホン）が提案されている。図１２（ｂ）に、ＭＥＭＳマイクロホンの断面構造を示す。

図１２（ｂ）に示すように、ＭＥＭＳマイクロホン２００は、シリコン基板２１上に、第１の絶縁層２２を介して、振動膜電極２３とエレクトレット膜２４とを有しており、また、その上に、第２の絶縁層２５を介して、音孔２７が形成された固定電極２６を有している。また、振動膜電極２３の背面には、シリコン基板２１をエッチングして、背気室２８が形成されている。

振動膜電極２３は、導電性のポリシリコンで形成され、エレクトレット膜２４は、窒化シリコン膜やシリコン酸化膜で形成され、また、固定電極２６は、導電性のポリシリコンとシリコン酸化膜やシリコン窒化膜とを積層して形成されている。

ＭＥＭＳマイクロホン２００では、振動膜電極２３が音圧によって振動すると、振動膜電極２３と固定電極２６とで構成される平板コンデンサの静電容量が変化し、電圧変化として取り出される。

このように、ＭＥＭＳマイクロホン２００は、無機材料のエレクトレット材料を用いているため、従来のＥＣＭでは不可能であったリフロー実装が可能とともに、部品数の削減が可能となるとともに、小型・薄型化が可能となるものである（特許文献１参照）。
特開２００１−２４５１８６号公報

しかしながら、上述のＭＥＭＳマイクロホンは、通常、基板に実装するものであることから、振動膜電極２３に対して音孔２７側からしか音信号が伝播しないものであった。このため、従来のＭＥＭＳマイクロホンは、指向性を持たせることが困難であった。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、指向性を有するＭＥＭＳマイクロホンを提供することである

本発明のカード型ＭＥＭＳマイクロホンは、第１の貫通孔と第２の貫通孔とを有する基板と、振動膜電極と背気室とで形成される空間が第１の貫通孔の出口を包囲する位置に実装され、前記振動膜電極に伝播した音信号を電気信号に変換するＭＥＭＳチップと、ＭＥＭＳチップが実装される側と反対側の基板面であって、第１の貫通孔を覆う位置に実装される音響抵抗材とを備え、基板は、ＭＥＭＳチップが出力する電気信号を電子機器に伝達する端子を有し、前記電子機器に着脱可能なカード形状であり、第２の貫通孔は、音信号が回折して振動膜電極に伝播する通過孔である。

この構成により、ＭＥＭＳチップの振動膜電極に対して、ＭＥＭＳチップが実装された基板面側（表側）からだけでなく、ＭＥＭＳチップが実装された基板面とは反対側（裏側）からも音信号が伝播し、両側から音信号を伝播させることができるので、指向性の設計自由度が向上する。
また、様々な指向性を有するカード型ＭＥＭＳマイクロホンを準備することで、ユーザは用途・環境に応じて、カード型ＭＥＭＳマイクロホンを電子機器に抜き差して変更することで、電子機器のマイク特性を簡便に変更することができる。

また、本発明のカード型ＭＥＭＳマイクロホンは、第２の貫通孔は、ＭＥＭＳチップを略中心とする円弧形状である。

また、本発明のカード型ＭＥＭＳマイクロホンは、音源がＭＥＭＳチップが実装された基板面と反対側にあるとき、前記音源から音響抵抗材および第１の貫通孔を通過して振動膜電極に裏側から伝播する音信号と、前記音源から第２の貫通孔を通過して前記振動膜電極に表側から伝播する音信号とが略同時に前記振動膜電極に到達するものである。

この構成により、音源がＭＥＭＳチップが実装された基板面と反対側にあるとき、振動膜電極には表側からと裏側から同時に音信号が到達するので、振動膜電極の表と裏で同時に生じた同量のエネルギーとして相殺され、電気出力にならない。
一方、音源がＭＥＭＳチップが実装された基板面側にあるとき、振動膜電極に表側から到達する音信号と裏側から到達する音信号とでは、時間差を有するので、エネルギーは相殺されずに電気出力される。よって、本発明のカード型ＭＥＭＳマイクロホンは単一指向性を有するものとなる。

本発明によれば、指向性を有するＭＥＭＳマイクロホンを提供することができる。

以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１のカード型ＭＥＭＳマイクロホンの外観斜視図である。図２は、本実施の形態のカード型ＭＥＭＳマイクロホンの平面図である。図３は、本実施の形態のカード型ＭＥＭＳマイクロホンの底面図である。図４は、本実施の形態のカード型ＭＥＭＳマイクロホンの右側側面図である。図５は、本実施の形態のカード型ＭＥＭＳマイクロホンの正面図である。

図１、図２に示すように、本実施のカード型ＭＥＭＳマイクロホン１は、四隅が斜めに切断された矩形状のカード型基板３４と、カード型基板３４の略中央部に実装されたＭＥＭＳチップを覆うシールドケース３０と、カード型基板３４の一辺に設けられた端子部３２と、を有している。なお、以降の説明では、シールドケースが実装された側を基板３４の表側とし、その反対側を基板３４の裏側として説明する。

カード型基板３４は、シールドケース３０内部のＭＥＭＳチップを略中心として、連続して連なる円弧状の貫通孔（スリット）３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄが形成されている。

シールドケース３０は、内部に実装されたＭＥＭＳチップを外部ノイズから保護するものであり、音孔３０Ａを有するものである。

ＭＥＭＳチップは、振動膜電極が捉えた音信号を電気信号に変換するものであり、端子部３２は、その電気信号をカード型ＭＥＭＳマイクロホン１が接続される電子機器に伝達する接続部の役割を果たすものである。

カード型ＭＥＭＳマイクロホン１の裏側には、図３に示すように、内部に音響抵抗材を有するケース３３が実装されている。ケース３３は、中心から対象の位置にそれぞれ音孔３３Ａ、３３Ｂを有している。音響抵抗材は、音信号の時間遅れ（位相）を調整する要素である。

図４は、図１中のＹ方向から本実施の形態１のカード型マイクロホン１を見たときの側面図である。図５は、図１中のＸ方向から本実施の形態１のカード型マイクロホンを見たときの正面図である。

図６は、図１中のＡ−Ａ断面の要部拡大図である。図６に示すように、基板３４は貫通孔３５を有し、その貫通孔３５の表側の出口を覆う位置にＭＥＭＳチップ４０が実装されている。また、ＭＥＭＳチップ４０の電気信号を増幅する増幅回路４８が、ワイヤ４９により電気的に接続されている。ＭＥＭＳチップ４０と増幅回路４８とはシールドケース３０により覆われている。

具体的には、ＭＥＭＳチップ４０は、シリコン基板４１上に、第１の絶縁層４２を介して、振動膜電極４３とエレクトレット膜４４とを有しており、また、その上に、第２の絶縁層４５を介して、音孔４７が形成された固定電極４６を有している。また、振動膜電極４３の背面には、シリコン基板４１をエッチングして、背気室５５が形成されており、基板３４の貫通孔３５の出口は、その背気室５５に包囲されている。

振動膜電極４３は、導電性のポリシリコンで形成され、エレクトレット膜４４は、窒化シリコン膜やシリコン酸化膜で形成され、また、固定電極４６は、導電性のポリシリコンとシリコン酸化膜やシリコン窒化膜とを積層して形成されている。

シールドケース３０の音孔３０Ａを音信号が通過して、ＭＥＭＳチップ４０で振動膜電極４３が音圧によって振動すると、振動膜電極４３と固定電極４６とで構成される平板コンデンサの静電容量が変化し、電圧変化として取り出される。その電気信号は、増幅回路４８で増幅された後、基板３４上の端子３２に伝達する。

一方、基盤３４の裏側では、基板３４の貫通孔３５の裏側を覆うようにケース３３が実装されており、内部に音響抵抗材５０が備えられている。ケース３３は、音孔３３Ａと３３Ｂを有し、音信号の一部は、その音孔３３Ａ、３３Ｂから進入してケース３３の内部の音響抵抗材５０を通過し、基板３４の貫通孔３５に到達して、さらにＭＥＭＳチップ４０の振動膜電極４３に対して裏側から伝播するものである。

以上で説明した、貫通孔３１Ａ−Ｄの寸法・位置、音響抵抗材５０の特性については、カード型ＭＥＭＳマイクロホンの指向性を考慮して決定すれば良い。本実施の形態１のカード型ＭＥＭＳマイクロホン１では、単一指向性を持たせるべく、基板３４の裏側に音源があるときに、音信号が振動膜電極４３に表側と裏側から同時に到達するように、貫通孔３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄの形状およびＭＥＭＳチップ４０からの距離、音響抵抗材の特性を決定している。

具体的には、例えば、カードの寸法を、縦（ｘ方向）１５[ｍｍ]×横（ｙ方向）１３[ｍｍ]×厚さ（ｚ方向）３[ｍｍ]程度とし、円弧状の貫通孔の直径を１０[ｍｍ]、スリット幅を１[ｍｍ]のように設計し、適切な音響抵抗材を備えると単一指向性が得られる。

次に、以上のように構成されたカード型ＭＥＭＳマイクロホン１の動作について説明する。図７Ａは、図１中のＡ−Ａ断面図である。図７Ｂは、本実施の形態１のカード型マイクロホンの裏側に音源があるときの音信号の伝播の様子を説明する図である。図７Ｃは、本実施の形態１のカード型マイクロホンの表側に音源があるときの音信号の伝播の様子を説明する図である。なお、図７Ｂ、図７Ｃも図７Ａと同位置についての断面図であるが、符号を省略して音信号の伝播の様子を図示している。

図７Ｂに示すように、音源５１がカード型ＭＥＭＳマイクロホン１の裏側遠方に位置しているとき、音源５１で鳴った音信号は、まず、ケース３３の音孔３３Ａ、３３Ｂから入って音響抵抗材５０を通過して、さらに基板３４の貫通孔１５を通過して振動膜電極４３の裏側に届く。ここで、振動膜電極４３に対して裏側から伝播する音信号を間接音とする。

一方、同じ音は、基板３４の貫通孔３１Ａ、３１Ｃ等の円弧状の貫通孔を通過して基板３４の表側に回り込み、さらにシールドケース３０の音孔３０Ａを通過して、ＭＥＭＳチップ４０の振動膜電極４３の表側に届く。ここで、振動膜電極４３に対して表側から伝播する音信号を直接音とする。

このとき、基板３４の裏側から振動膜電極４３に届く音信号（間接音）は、音響抵抗材５０（障害物）を通過するとき時間遅れ（位相変化）が生じており、直接音と同時に到達する。よって、この音は振動膜電極４３の表と裏で同時に生じた同量のエネルギーとして相殺され、電気出力にならない。

次に、音源５２がカード型ＭＥＭＳマイクロホン１の表側遠方に位置するときについて説明する。図７Ｃに示すように、音源５１がカード型ＭＥＭＳマイクロホン１の表側遠方に位置しているとき、音源５２で発生した音信号は、まず先に振動膜電極４３の表側に伝わる。

また、同じ音信号は、基板３４の貫通孔３１Ａ、３１Ｃ等の円弧状の貫通孔を通過して基板３４の裏側に回り込み、ケース３３の音孔３３Ａ、３３Ｂから入って音響抵抗材５０を通過して、さらに基板３４の貫通孔１５を通過して振動膜電極４３の裏側に届く。裏側に回り込んだ音信号は移動距離が長い他に、音響抵抗材５０によって時間遅れが発生するため、振動膜電極４３への到達が表側から振動膜電極に到達した音信号に比べて、振動膜電極への到達が遅くなる。よって、この時間差によってエネルギーは相殺されずに電気出力される。

以上より、本実施の形態１のカード型ＭＥＭＳマイクロホン１は表側への単一な指向性を有することになる。このように、本実施の形態１のカード型ＭＥＭＳマイクロホン１は、ＭＥＭＳチップが実装されるカード型の基板上に、ＭＥＭＳチップを囲う貫通孔（第２の貫通孔）と、ＭＥＭＳチップの振動膜の裏側の背気室に連続している貫通孔（第１の貫通孔）とを設け、ＭＥＭＳチップが実装される側と反対側に音響抵抗材を用いることで、単一指向性を持たせることができる。

（実施の形態２）
図８は、本実施の形態２のカード型ＭＥＭＳマイクロホンの外観斜視図である。図９は、本実施の形態のカード型ＭＥＭＳマイクロホンの平面図である。図１０は、本実施の形態のカード型ＭＥＭＳマイクロホンの底面図である。なお、以下の説明では、上述した構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施の形態２のカード型ＭＥＭＳマイクロホン６０が実施の形態１と異なる点は、図８に示すように、カード型基板６１が、シールドケース３０内部のＭＥＭＳチップを略中心として、各辺を囲う位置に長方形状の貫通孔６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃ、６２Ｄが形成されている点にある。

貫通孔６２Ａ−Ｄの寸法・位置、音響抵抗材５０の特性については、カード型ＭＥＭＳマイクロホンの指向性を考慮して決定すれば良い。本実施の形態２のカード型ＭＥＭＳマイクロホン６０では、単一指向性を持たせるべく、基板６１の裏側に音源があるときに、音信号が振動膜電極４３に表側と裏側から同時に到達するように、貫通孔６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃ、３６２Ｄの形状およびＭＥＭＳチップ４０からの距離、音響抵抗材の特性を決定している。

この構成により、本実施の形態１のカード型ＭＥＭＳマイクロホン６０は、ＭＥＭＳチップが実装されるカード型の基板上に、ＭＥＭＳチップを囲う貫通孔（第２の貫通孔）と、ＭＥＭＳチップの振動膜の裏側の背気室に連続している貫通孔（第１の貫通孔）とを設け、ＭＥＭＳチップが実装される側と反対側に音響抵抗材を用いることで、単一指向性を有している。

（実施の形態３）
図１１（ａ）は、カード型ＭＥＭＳマイクロホンの応用例を説明する図である。図１１（ｂ）は、携帯電話の側面図である。
図１１（ａ）、（ｂ）に示すように携帯電話７１は、カード型ＭＥＭＳマイクロホン７２が挿入される接続部７３を有している。接続部７３にカード型ＭＥＭＳマイクロホン７２が挿入されると、カード型ＭＥＭＳマイクロホン７２の端子と接続部７３内の接続端子とが接触して電気的に接続し、カード型ＭＥＭＳマイクロホンが携帯電話７２のマイクとして機能を果たすものである。

カード型ＭＥＭＳマイクロホン７２は、上述の実施の形態１または２説明した単一指向性の特性を有するものや、また、カード基板に貫通孔を有さない無指向性のもの、さらに、指向性をさらに狭角にした超指向性、前後ふたつの方向の音源を強く捉える双指向性のものを準備するとよい。

この構成により、ユーザは、携帯電話の用途、周囲環境に応じてマイク性能を変更することができる。例えば、携帯電話をハンズフリーモード（机上に携帯電話を置いて通話する使用形態）で使うときは、無指向性のカード型ＭＥＭＳマイクロホンを携帯電話に差込めばよく、これにより、話者の移動によっても集音性能が変化しない。また、通常モード（携帯電話を手に持って通話する使用形態）で使用するときは、単一指向性のカード型ＭＥＭＳマイクロホンを差し込めば良い。これにより、話者の口元に指向性が集中させることができ、周辺の騒音の影響を低減させることができる。

このように、カード型ＭＥＭＳマイクロホンによれば、携帯電話等の電子機器のマイク特性を簡便に変更することができる。

なお、本実施の形態では、電子機器の一例として携帯電話を挙げたが、これに限られるものではなく、例えばＩＣレコーダ、ＰＨＳ等にも適用することできる。

また、カード型ＭＥＭＳマイクロホンは、電子機器に外部機器とて接続するだけでなく、電子機器内のメイン基板に実装して用いてもよい。この場合、メイン基板は実装後もカード型ＭＥＭＳマイクロホンの貫通孔を防がないように、実装予定位置に空洞部等を設けて置くことで、カード型ＭＥＭＳマイクホンの特性を損なうことなくメイン基板に実装することができる。

本発明は、ＭＥＭＳマイクロホンに指向性を持たせることができ、また、カード型とすることで様々な機器のマイクの指向性を簡便に変更することができ有用である。

本実施の形態１のカード型ＭＥＭＳマイクロホンの外観斜視図本実施の形態１のカード型ＭＥＭＳマイクロホンの平面図本実施の形態１のカード型ＭＥＭＳマイクロホンの底面図本実施の形態１のカード型ＭＥＭＳイクロホンの右側側面図本実施の形態１のカード型ＭＥＭＳマイクロホンの正面図図１中のＡ−Ａ断面の要部断面図図１中のＡ−Ａ断面図本実施の形態１のカード型マイクロホンの裏側に音源があるときの音信号の伝播の様子を説明する説明図本実施の形態１のカード型マイクロホンの裏側に音源があるときの音信号の伝播の様子を説明する説明図本実施の形態２のカード型ＭＥＭＳマイクロホンの外観斜視図本実施の形態２のカード型ＭＥＭＳマイクロホンの平面図実施の形態２のカード型ＭＥＭＳマイクロホンの底面図（ａ）カード型ＭＥＭＳマイクロホンの応用例を説明する図（ｂ）携帯電話の側面図（ａ）従来の単一指向性のＥＣＭの断面構造図（ｂ）従来のＭＥＭＳマイクロホンの断面構造図

符号の説明

１カード型ＭＥＭＳマイクロホン
３０シールドケース
３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄ貫通孔（第２の貫通孔）
３２端子
３３ケース
３４基板
３５貫通孔（第１の貫通孔）
４０ＭＥＭＳチップ
５０音響抵抗材

Claims

第１の貫通孔と第２の貫通孔とを有する基板と、
振動膜電極と背気室とで形成される空間が第１の貫通孔の出口を包囲する位置に実装され、前記振動膜電極に伝播した音信号を電気信号に変換するＭＥＭＳチップと、
ＭＥＭＳチップが実装される側と反対側の基板面であって、第１の貫通孔を覆う位置に実装される音響抵抗材と、を備え
基板は、ＭＥＭＳチップが出力する電気信号を電子機器に伝達する端子を有し、前記電子機器に着脱可能なカード形状であり、
第２の貫通孔は、音信号が回折して振動膜電極に伝播する通過孔であるカード型ＭＥＭＳマイクロホン。
第２の貫通孔は、ＭＥＭＳチップを略中心とする円弧形状である請求項１に記載のカード型ＭＥＭＳマイクロホン。
音源がＭＥＭＳチップの実装された基板面と反対側にあるとき、前記音源から音響抵抗材および第１の貫通孔を通過して振動膜電極に裏側から伝播する音信号と、前記音源から第２の貫通孔を通過して前記振動膜電極に表側から伝播する音信号とが略同時に前記振動膜電極に到達する請求項１又は２に記載のカード型ＭＥＭＳマイクロホン。