JP5879387B2 - Ｍｅｍｓマイクロホン - Google Patents

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（micro electro mechanical system）マイクロホンに係り、さらに詳細には、ＭＥＭＳチップのバックチャンバ空間を十分に確保し、音響特性向上が可能なマイクロホンに関する。

マイクロホンは、移動通信端末機に必須に使用される。伝統的なコンデンサ・マイクロホン（condenser microphone）は、音圧（sound pressure）に対応して変化するコペシト（Ｃ）を形成するダイヤフラム（diaphragm）／バックプレート対、そして出力信号をバッファリングするための電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ：junction gate field effect transistor）からなる。

かような伝統的な方式のコンデンサ・マイクロホンは、１つのケース内に、振動板、スペーサリング、絶縁リング、バックプレート、通電リングを順次に挿入した後、最後に回路部品が実装された印刷回路基板（printed circuit substrate）を入れ、ケースの終端部分を印刷回路基板側に曲げ、１つの組立体として完成させたものである。

一方、最近になって、マイクロホンに、微細装置の集積化のために使用される技術として、マイクロマシニングを利用した半導体加工技術が適用されている。ＭＥＭＳ（micro electro mechanical system）と呼ばれるこのような技術は、半導体工程、特に、集積回路技術を応用したマイクロマシニング技術を利用して、μｍ単位のマイクロセンサー、アクチュエータや電気機械的構造物を製作することができる。

このようなマイクロマシニング技術を利用して製作されたＭＥＭＳマイクロホンは、従来の振動板と、スペーサリング、絶縁リング、バックプレート、通電リングのような伝統的なマイクロホン部品を、超精密微細加工を介して、小型化、高性能化、多機能化、集積化して製作するものであり、安定性及び信頼性を向上させることができるという長所がある。

図１には、ＭＥＭＳチップ１２０を具備した従来のＭＥＭＳマイクロホン１００の一例が、概略的な断面図として図示されている。ＭＥＭＳマイクロホン１００は、印刷回路基板１１０と、印刷回路基板１１０に実装されたＭＥＭＳチップ１２０と、増幅器ともいう特殊目的型半導体（ＡＳＩＣ：application-specific integrated circuit）チップ１３０と、音孔１４０が形成されたケース１５０とから構成されている。

かような構成で、参照番号「１２６」で指示された空間は、ＭＥＭＳチップの内部に形成されたＭＥＭＳ内部空間である。ケースに音孔が形成されたかようなタイプのＭＥＭＳマイクロホンの場合、ＭＥＭＳ内部空間１２６が、バックチャンバ（back chamber）である。バックチャンバとは、ＭＥＭＳチップに具備された振動板の振動時に生じた空気循環のための空間であり、音響抵抗（acoustic resistance）を防止するための空間である。すなわち、バックチャンバとされる空間は、振動膜を基準に、外部音響が流入する側の反対側空間を意味する。バックチャンバの大きさが大きくなることによって、感度（sensitivity）が上がり、ＳＮＲ（single to noise ratio）値が上がり、マイクロホンの性能に望ましい。

一方、図２には、音孔１４０がケース１５０ではなく、印刷回路基板１１０に形成されたタイプのＭＥＭＳマイクロホン１０２が提示されている。ケース１５０には、いかなる貫通孔も形成されていない。外部音は、印刷回路基板１１０に形成された音孔１４０を介して流入する。この場合、バックチャンバは、ＭＥＭＳチップ内部空間ではなく、ケースの内部空間１５１がバックチャンバとして役割を果たす。

図２のＭＥＭＳマイクロホン１０２の場合には、バックチャンバがケースの内部空間１５１であるために、十分な空間が確保されているが、図１のＭＥＭＳマイクロホン１００の場合、バックチャンバがＭＥＭＳ内部空間１２６であるために、十分ではなく、過度に小さいという短所がある。

バックチャンバが図１の場合のように過度に小さい場合、ＳＮＲ値が小さく、感度が良好ではなく、音質が低下するという問題点がある。

なお、関連先行技術としては、特許文献１がある。

韓国特許公開番号２００８−０００５８０１号公報

本発明は、前述のような問題を解決するために提案されたものであり、バックチャンバの空間を十分に確保し、音響特性向上が可能なＭＥＭＳマイクロホンを提供することを目的にする。

また、本発明は、バックチャンバの空間を十分に確保することが可能でありつつ、組立性にすぐれる構造を具備することにより、組立工程が単純であって優秀な量産性を具備したＭＥＭＳマイクロホンを提供することを目的にする。

本発明のＭＥＭＳマイクロホンは、印刷回路基板と、前記印刷回路基板に結合され、ＭＥＭＳ内部空間を具備したＭＥＭＳチップと、前記印刷回路基板に結合され、前記ＭＥＭＳチップを含み、外部空間とは区別される内部空間を形成させるケースと、を含んで構成され、前記ケースは、内側ケースと外側ケースとを含んで構成され、前記内側ケースは、前記印刷回路基板に、その下側端部が結合され、前記内部空間を形成させ、前記外側ケースは、前記内側ケースを外側から覆い包むように具備され、前記印刷回路基板に、その下側端部が結合されるが、前記内側ケースとの間に、中間音響通路空間を形成させるように結合され、前記中間音響通路空間に、外部音が流入するように貫通された音孔が形成され、前記印刷回路基板には、前記中間音響通路空間と、前記ＭＥＭＳチップのＭＥＭＳ内部空間とを連通させる基板音響通路が形成され、前記音孔を介して流入された外部音が、前記中間音響通路空間を経て、前記ＭＥＭＳチップのＭＥＭＳ内部空間に入るように構成されたことを特徴とする。

一方、前記内側ケースと外側ケースは、いずれも金属で設けられることが望ましい。

そして、前記内側ケース及び外側ケースの下側面は、導電性接着剤によって、前記印刷回路基板に結合されることが望ましい。

一方、前記内側ケースは、前記外側ケースの内部に固定されるが、強制嵌め込み方式によって嵌め込まれて固定されることが望ましい。

また、前記内側ケースは、前記外側ケースの内部に嵌め込まれて固定され、前記内側ケースの外側面は、前記外側ケースの内側面と相互面接触されるが、前記内側ケースの外側面の一部分は、前記外側ケースの内側面から離隔されるように構成され、その離隔された部分によって、前記中間音響通路空間が形成されるように構成されることが望ましい。

そして、前記外側ケースは、４個の側壁と１つの上部壁とから構成され、前記内側ケースは、４個の側壁と、１つの上部壁とから構成され、該上部壁の外側面には、前記音孔と連通された溝部が形成されるように具備され、４個の側壁のうち一部分は、除去された後で隔壁を具備するが、その除去された部分によって、上下方向通路が形成されるように具備され、前記溝部と、前記上下方向通路とが連合し、前記中間音響通路空間が形成されることがさらに望ましい。

一方、前記外側ケースは、４個の側壁と、１つの上部壁とから構成され、前記内側ケースは、４個の側壁と、１つの上部壁とから構成され、該上部壁には、上部に突設された離隔突起が複数具備され、前記外側ケースの上部壁と、前記下部ケースの上部壁との間に、上部空間が形成されるように構成され、４個の側壁のうち一部分は、除去された後で隔壁を具備し、その除去された部分によって、上下方向通路が形成されるように具備され、前記上部空間と、前記上下方向通路とが連合し、前記中間音響通路空間が形成されることが望ましい。

本発明のＭＥＭＳマイクロホンによれば、ケースに形成された音孔から、ＭＥＭＳチップの内部空間内部を連通させる音響通路を具備した内部連通部を含んでいるので、バックチャンバが増大し、音響特性が向上する。

また、本発明のＭＥＭＳマイクロホンによれば、バックチャンバ空間確保のための構成のために、別途に追加される組立工程がないので、量産性にすぐれる。これにより、生産コストがかさまないのである。

従来のＭＥＭＳマイクロホンの概略的断面図である。 他の従来のＭＥＭＳマイクロホンの概略的断面図である。 本発明による一実施形態のＭＥＭＳマイクロホンの概略的断面図である。 図３のＭＥＭＳマイクロホンの構造を説明するための図面である。 図３のＭＥＭＳマイクロホンの構造を説明するための図面である。 図３のＭＥＭＳマイクロホンの構造を説明するための図面である。 図３のＭＥＭＳマイクロホンの構造を説明するための図面である。 本発明による他の実施形態のＭＥＭＳマイクロホンの概略的断面図である。 図９は、図８の内部ケースである。

以下、本発明による一実施形態のＭＥＭＳ（micro electro mechanical system）マイクロホンについて、図３ないし図７を参照して詳細に説明する。

本実施形態のＭＥＭＳマイクロホン１は、音声、音響、声のような音波を電気信号に変換する装置であり、主に、携帯電話、スマートフォン、小型音響機器などに使用される装置であり、印刷回路基板１０、ＭＥＭＳチップ２０及びケースを含んで構成される。

特に、本発明のＭＥＭＳマイクロホン１は、外部から音が流入する音孔４６が、ケースに形成されているタイプに係わり、主として、携帯電話、スマートフォンのような移動通信端末機に使用される。しかし、用途がそれらに限定されるものではなく、小型ＭＥＭＳマイクロホンを使用する全ての小型電子機器に適用可能である。

前記印刷回路基板１０は、ケースの開放された下側面に結合される。印刷回路基板１０は、印刷回路基板１０がケースに結合されることにより、外部空間と区別される空間を形成する。かような空間には、内部空間３１と、中間音響通路空間４４とが含まれる。

印刷回路基板１０には、中間音響通路空間４４と、ＭＥＭＳチップ２０のＭＥＭＳ内部空間２２とを連通させる基板音響通路１５が形成されている。基板音響通路１５は、複数の層が積層されて構成される印刷回路基板１０の内部に形成される。印刷回路基板１０は、適切な形状の貫通孔を具備した層が積層されて形成されるが、基板音響通路１５は、一部の層に形成された貫通孔の連合によって形成される。基板音響通路１５を具備した印刷回路基板１０は、一般的な多くの方法によって製作される。

本実施形態の場合、印刷回路基板１０は、両面印刷回路基板１１と、カバーレイ部材（cover-lay）１２と、ＰＳＲ（photo solder resist）インク部材１３とを含んで構成されている。

図３を参照すれば、基板音響通路１５は、両面印刷回路基板１１に形成された浅くて長い形状の溝１５ａと、カバーレイ部材１２に形成された２つの孔１５ｂ，１５ｃと、ＰＳＲインク部材１３に形成された孔１５ｄ，１５ｅ（図６）とが連通することによって形成される。

一方、印刷回路基板１０には、直接、または中間に媒介体を介して、ＭＥＭＳチップ２０及び増幅器２５のような電気部品が実装される。印刷回路基板１０は、各種電気部品が実装されるので、ダイ（die）印刷回路基板とも呼ばれる。

前記ＭＥＭＳチップ２０は、ＭＥＭＳトランスデューサ（transducer）といい、印刷回路基板１０に具備される。ここで、「具備される」という意味は、ＭＥＭＳチップ２０が印刷回路基板に直接実装されたり、あるいは他の部材を介して、間接的に印刷回路基板に実装されたことを含む意味である。ＭＥＭＳチップ２０の内部には、空き空間（empty space）具備されるが、該空間は、ＭＥＭＳ内部空間２２と称する。

一方、参照番号「２５」で指示される部品は、増幅器である。増幅器２５は、ＭＥＭＳチップ２０で生産された電気信号を伝送されて増幅する役割を行う。増幅器２５は、特殊目的型半導体（ＡＳＩＣ）チップとも呼ばれる。詳細には図示されていないが、ＭＥＭＳチップ２０と増幅器２５は、ゴールドボンディング・ワイヤ（gold bonding wire）のような導線によって相互連結されている。

前記ケースは、印刷回路基板１０に結合され、内部空間３１を形成させる構成である。内部空間３１は、その内部にＭＥＭＳチップ２０を含んだ必要な電子素材を含み、外部空間とは区別される空間である。

ケースは、内側ケース３０と、外側ケース４０とを含んで構成される。

前記内側ケース３０は、印刷回路基板１０に、その下側端部が結合され、内部空間３１を形成させる。前記外側ケース４０は、内側ケース３０を外側から覆い包むように具備される。外側ケース４０は、印刷回路基板１０に、その下側端部が結合されるが、内側ケース３０との間に、中間音響通路空間４４を形成させるように結合される。外側ケース４０の一側には、中間音響通路空間４４に、外部音が流入するように貫設された音孔４６が形成されている。

本実施形態の場合、内側ケース３０と外側ケース４０は、いずれも金属材質で設けられる。金属材質であるために、合成樹脂に比べて、かなり薄い厚さに設けることが可能であり、全体体積を縮小させることができるという長所がある。内側ケース３０及び外側ケース４０のそれぞれの下端の下側面は、導電性接着剤５０によって、印刷回路基板１０に結合されている。

ケースが、従来と異なり、別途製作して相互結合された二重ケースからなっている。金属材質の二重ケースになっており、導電性接着剤５０によって、印刷回路基板１０に結合されているので、外部からの電磁波などからの遮蔽、遮断の効果が、従来の１層からなるケースに比べて、はるかに高いという長所がある。

一方、ケースを構成する内側ケース３０と外側ケース４０とのそれぞれの枠下端部は、印刷回路基板１０に結合されるが、導電性接着剤以外にも、一般的な方法、例えば、ソルダリングや溶接のような一般的な方法によっても、結合固定されるのである。

また、本実施形態の場合、内側ケース３０は、外側ケース４０の内部に固定されるが、強制嵌め込み方式によって嵌め込まれて固定されている。ただし、内側ケース３０と外側ケース４０との間には、中間音響通路空間４４が形成されている。

すなわち、内側ケース３０が、外側ケース４０の内部に嵌め込まれて固定されるが、内側ケース３０の外側面は、外側ケース４０の内側面と相互面接触されるように構成される。ただし、全体が面接触されるものではなく、内側ケース３０の外側面の一部分は、外側ケース４０の内側面から離隔されるように構成され、その離隔された部分によって、中間音響通路空間４４が形成されるように構成されている。

さらに具体的に説明すれば、本実施形態の場合、外側ケース４０は、４個の側壁４０２と、１つの上部壁４０４とを含んで構成される。内側ケース３０は、４個の側壁３０２と、１つの上部壁３０４とから構成される。

内側ケース３０の上部壁３０４の外側面には、音孔４６と連結されて通じる溝部３２が形成されている。また、内側ケース３０において、４個の側壁のうち一部分は、除去された後で隔壁３０３を具備する。隔壁３０３によって形成された空間は、上下方向通路が形成されるように具備される。中間音響通路空間４４は、溝部３２と、上下方向通路とを合わせた空間を意味する。

すなわち、内側ケース３０と外側ケース４０は、いずれも下部が開放された六面体の形状であり、内側ケース３０が、外側ケース４０の内部に強制嵌め込み方式によって嵌め込まれて固定されている。従って、両者は、別途の固定手段なしに、単純に内側ケース３０を、外側ケース４０の内部で嵌め込んだ工程によって、相互堅固に結合されることが可能である。ただし、内側ケース３０の１つのコーナー部分が除去され、その除去された部分によって、上下方向通路が形成され、上部壁３０４の一部に、凹状に入り込んだ部分によって、溝部３２が形成される。上下方向通路と、溝部３２とにより、中間音響通路空間４４が形成される。

かような構成により、音孔４６を介して流入された外部音は、溝部３２及び上下方向通路で構成された中間音響通路空間４４を経て、また基板音響通路１５を経て、ＭＥＭＳチップ２０のＭＥＭＳ内部空間２２に入る。かような音響経路を形成することにより、バックチャンバ空間を、ＭＥＭＳ内部空間２２ではない、内側ケース３０の内部空間３１とすることができ、音響性能向上が可能であるという長所がある。

一方、ケースは、内側ケース３０と外側ケース４０とから構成されているので、内部空間２２は、さらに詳細には、ケースのうち、内側ケース３０によって形成され、内側ケース３０と外側ケース４０との間には、中間音響通路空間４４が形成される。「ケースが内部空間を形成させる」という表現があるが、かような表現は、ケースによって形成される中間音響通路空間４４を排除する表現ではなく、ケースによって、内部空間２２と、中間音響通路空間４４とが形成されるのである。

一方、他の実施形態の場合、ケースの全体的な形状が多様に変形可能である。すなわち、ケースは、円筒状にもなり、水平方向の断面が楕円形や多角形である柱状でもある。ただし、ケースは、二重になっており、それらの間に、中間音響通路空間４４が形成されていればよい。

本実施形態のＭＥＭＳマイクロホン１は、前述の構成を具備することにより、次のような作用と効果とを具備する。

本実施形態は、ケースが、内側ケース３０と外側ケース４０とから構成された二重ケースであり、それらの間には、中間音響通路空間４４が形成されており、印刷回路基板１０には、基板音響通路１５が具備されているので、音孔４６を介して流入された外部音が、中間音響通路空間４４と、基板音響通路１５とを経て、ＭＥＭＳチップ２０のＭＥＭＳ内部空間２２に流入する構成を具備している。

これにより、ケースに音孔が形成された従来の場合、十分ではないＭＥＭＳ内部空間が、バックチャンバになることにより、音響が満足すべきものではなかったところとは異なり、バックチャンバの大きさが、ケース内部空間３１全体になるので、音響特性が改善されるという長所がある。

バックチャンバの大きさが、音響特性に直接に影響を与える要素の一つであるために、本実施形態の場合、類似した従来のＭＥＭＳマイクロホンのタイプより、バックチャンバがはるかに拡大され、音響特性が顕著に改善される。

また、従来ＭＥＭＳチップは、音孔が印刷回路基板に形成されたタイプのＭＥＭＳマイクロホンに使用される種類と、音孔がケースに形成されたタイプのＭＥＭＳマイクロホンに使用される種類とが互いに異なっているが、本発明の場合には、音孔が印刷回路基板に形成されたタイプのＭＥＭＳマイクロホンに使用される種類を、同様にそのまま使用することが可能であるという長所がある、すなわち、ＭＥＭＳマイクロホンのタイプによって、２種類のＭＥＭＳチップを区別して具備する必要なしに、一種類のＭＥＭＳチップのみを具備すればよいのである。

また、ケースを金属の二重ケースで形成するので、外部からの電磁波などの影響を遮断、遮蔽する効果にすぐれるという長所がある。また、二重のケースを嵌め込んで事前組み立てを行えば、従来のＭＥＭＳマイクロホン製造工程をそのまま使用することが可能であり、別途の追加コストなしに、全体組み立てが可能であるという長所がある。

すなわち、図６に図示されているように、印刷回路基板１０を準備し、内側ケースと、外側ケース４０とが結合された状態でケースを準備した後、導電性接着剤５０を、図７に表示されたように、各ケースの枠下端部の形状に沿って塗布した後、ケースを載せる工程を遂行すれば、全体組み立てが完成される。量産性と生産性とにすぐれ、製造コスト側面で長所がある。

一方、図８には、本発明による他の実施形態のＭＥＭＳマイクロホン１’が概略的断面図として例示されている。図９は、図８のＭＥＭＳマイクロホンの構成のうち、内側ケース３０’のみを別途に提示した図面である。一方、前述の実施形態と比べ、参照番号の場合、同一の参照番号を使用する構成と、同一であって類似した機能を遂行するので、追加説明は省略する。

本実施形態のＭＥＭＳマイクロホン１’は、前述の実施形態と比べ、内側ケース３０’に、「溝部」の構成がないという差がある。内側ケース３０’の全体高さが低くなり、組み立て性の確保のために、離隔突起３２’が形成されている点で異なる。

音孔４６に流入された外部音は、離隔突起３２’によって確保された上部壁３０４上の空き空間に入り、隔壁３０３’によって確保された上下方向通路を経て、さらに基板音響通路１５を経てＭＥＭＳ内部空間２２に入る。中間音響通路空間４４’は、上部壁３０４’上の空間と、隔壁３０３’によって形成された上下方向通路とを含む。なお、参照番号３０２’は、側壁である。

一方、前述の実施形態の場合、上部壁と側壁とが角度をなすとして例を挙げたが、本発明がそれに限定されるのではない。すなわち、ドーム型のような、上部壁と側壁との境界が緩慢な形状にも、本発明の適用が可能である。

本発明は、図面に図示された実施形態を参照にして説明したが、それらは例示的なものに過ぎず、当該技術分野で当業者であるならば、それらから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解するであろう。従って、本発明の真正な技術的保護範囲は、特許請求の範囲の技術的思想によって決められるものである。

本発明のＭＥＭＳマイクロホンは、例えば、移動通端末機関連の技術分野に効果的に適用可能である。

１ ＭＥＭＳマイクロホン
１０ 印刷回路基板
１１ 両面印刷回路基板
１２ カバーレイ部材
１３ ＰＳＲインク部材
１５ 基板音響通路
１５ａ 溝
１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１５ｅ 孔
２０ ＭＥＭＳチップ
２２ ＭＥＭＳ内部空間
２５ 増幅器
３０，３０’ 内側ケース
３０２，３０２’，４０２ 側壁
３０３，３０３’ 隔壁
３０４，３０４’，４０４ 上部壁
３１ 内部空間
３２ 溝部
３２’ 離隔突起
４０ 外側ケース
４４，４４’ 中間音響通路空間
４６ 音孔
５０ 導電性接着剤

Claims (3)

1. 印刷回路基板と、
   前記印刷回路基板に結合され、ＭＥＭＳ（micro electro mechanical system）内部空間を具備したＭＥＭＳチップと、
   前記印刷回路基板に結合され、前記ＭＥＭＳチップを含み、外部空間とは区別される内部空間を形成させるケースと、を含んで構成され、
   前記ケースは、内側ケースと外側ケースとを含んで構成され、
   前記内側ケースは、前記印刷回路基板に、その下側端部が結合され、前記内部空間を形成させ、
   前記外側ケースは、前記内側ケースを外側から覆い包むように具備され、前記印刷回路基板に、その下側端部が結合されるが、前記内側ケースとの間に、中間音響通路空間を形成させるように結合され、前記中間音響通路空間に、外部音が流入するように貫通された音孔が形成され、
   前記印刷回路基板には、前記中間音響通路空間と、前記ＭＥＭＳチップのＭＥＭＳ内部空間とを連通させる基板音響通路が形成され、
   前記音孔を介して流入された外部音が、前記中間音響通路空間を経て、前記ＭＥＭＳチップのＭＥＭＳ内部空間に入るように構成されたことを特徴とするＭＥＭＳマイクロホン。
2. 前記内側ケースと外側ケースは、いずれも金属で設けられることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳマイクロホン。
3. 前記内側ケースは、前記外側ケースの内部に嵌め込まれて固定され、
   前記内側ケースの外側面は、前記外側ケースの内側面と相互面接触されるが、前記内側ケースの外側面の一部分は、前記外側ケースの内側面から離隔されるように構成され、その離隔された部分によって、前記中間音響通路空間が形成されるように構成されることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳマイクロホン。

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