JP6293938B1 - フィルム面受音型音センサモジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】耐熱性のないフィルムでも使用可能で、多様な変形を伴う繰り返し使用に対する耐性に優れ、高精度かつ安定した検出性能を有するフィルム面受音型音センサモジュールを提供する。【解決手段】可撓性を有するフィルム３１の一面３１ａ上に弾性変形する絶縁性粘着剤層３２が設けられ、絶縁性粘着剤層３２上に導体パターン３３が形成されてなる配線付き基材３０と、配線付き基材３０上に実装されたマイクロホン４０とを備える。マイクロホン４０の端子４２は導体パターン３３に対接され、マイクロホン４０の端子４２が形成されていない表面の一部と絶縁性粘着剤層３２の導体パターン３３が形成されていない表面の一部とは相互に貼り付けられて機械的に結合されている。【選択図】図１
Description
この発明は音センサモジュールに関し、特に音を検出する対象の固体の表面にフィルムを設置してフィルムの面で受音するフィルム面受音型音センサモジュールに関する。
図５Ａは特許文献１に記載されている回路基板上にマイクロホンが実装された構成を示したものであり、図５Ｂ，Ｃはそれぞれマイクロホンの背面及び回路基板を部分拡大して示したものである。
回路基板１１上に実装されたマイクロホン１２は、回路基板１１側にマイクロホン音孔１２ａを有する。回路基板１１にはマイクロホン音孔１２ａと位置が合うように基板音孔１１ａが空けられている。マイクロホン１２の背面にはマイクロホン側ランド１３として、グランドランド１３ａ、出力信号ライン用ランド１３ｂ及びＤＣバイアス用ランド１３ｃが形成されており、回路基板１１上にはマイクロホン側ランド１３と対応する位置に、マイクロホン側ランド１３と半田により接続される基板側ランド１４が形成されている。基板側ランド１４はグランドランド１４ａ、出力信号ライン用ランド１４ｂ及びＤＣバイアス用ランド１４ｃよりなる。
マイクロホン１２は基板音孔１１ａ及びマイクロホン音孔１２ａを通じて外部の音を取り込む。マイクロホン１２はこの例では半田を用いてプリント配線板（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ：ＰＣＢ）やフレキシブル回路基板に表面実装可能なＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）マイクロホンとされている。
一方、図６Ａ，Ｂは特許文献２に記載されているアレイ状採音センサ装置を示したものである。
アレイ状採音センサ装置２０はシート状軟質支持体２１を有し、このシート状軟質支持体２１の一面に形成された複数の空洞２２の内底面に小さなマイクロホン２３が固定されている。内底面は軟質樹脂（例えば粘着性が高い軟質ウレタン造形用樹脂）２１ａに空洞２２となる穴をその厚さ方向に貫通して形成し、軟質樹脂２１ａの一面にゴムシート２１ｂを接着して空洞２２の一方の開口を塞ぐことによって形成されている。ゴムシート２１ｂの、空洞２２とは反対側の面には各マイクロホン２３に対応する位置に増幅回路ＩＣ２４が固定され、対応するマイクロホン２３と電気的に接続されている。
このアレイ状採音センサ装置２０はシャント狭窄診断支援システムに用いられるもので、図６Ｃはその使用状態を示す。シート状軟質支持体２１は空洞２２の開口が被験者の前腕の皮膚と対向するように向けて配置される。図６Ｃ中、２５はアレイ状採音センサ装置２０を固定する押えバンド２５を示す。押えバンド２５には面ファスナ２６ａ，２６ｂが設けられている。
ところで、音の情報は、音源の位置だけではなく、伝播経路や伝播する媒体によって、干渉、共鳴、ドップラー効果等により複雑化するため、これを網羅的に検出するためには点ではなく、面で受音することが必要となる。
固体から発せられる音を面で感度良く受音するためには、例えば固体表面に密着するような基材上にマイクロホンを実装し、基材を固体表面に密着させるといった方式が考えられる。このような方式の音センサモジュールにおいて、各種固体への繰り返し使用を考えた場合、基材は各種固体の多様な形状に対応して変形可能であって、音センサモジュール全体として多様な変形を伴う繰り返し使用に対する耐性が強く、高精度かつ安定した検出性能を維持できることが必要となる。また、多様な用途に対応できるように、用途に応じて基材を選定できることも重要となる。
従来例として図５に示した回路基板１１上にマイクロホン１２が実装された構成及び図６に示したシート状軟質支持体２１にマイクロホン２３が固定された構成は、図５の回路基板１１がフレキシブル回路基板とすれば、いずれも変形可能な基材上にマイクロホンが実装された構成と言えるが、図５の構成では回路基板１１とマイクロホン１２の接続に半田を用いており、また例えば回路基板１１を音を検出する対象の固体表面に設置すれば、固体表面からマイクロホン１２（マイクロホン音孔１２ａ）に至る経路に空洞が存在する構成となっている。
一方、図６の構成においてもマイクロホン２３は検出対象によって閉鎖される空洞２２の内底面に固定されているため、検出対象の固体表面からマイクロホン２３に至る経路に空洞が存在する構成となっている。
基材上へのマイクロホンの実装構造において、上記のように半田接続を用いることは、基材に耐熱性が要求されることから使用可能な基材は制限され、耐熱性のない基材は使用できないことになる。
また、半田による接続固定は、多様な変形を伴う繰り返し使用により多様に変化する応力負荷や音入力の振動に対し、耐性が強いとは言えず、接続不良が発生する要因となる。
さらに、検出対象の固体表面からマイクロホンに至る経路に空洞が存在し、その空洞が基材の変形に伴って変形するような場合には音の伝播特性の変化やノイズの発生原因となり、高精度な検出が阻害されることになる。
この発明の目的はこのような状況に鑑み、基材として用いるフィルムが例えば耐熱性のないものでも使用することができるようにし、多様な変形を伴う繰り返し使用に対する耐性に優れ、また形状変化に依存せず、高精度かつ安定した検出性能を得られるようにしたフィルム面受音型音センサモジュールを提供することにある。
請求項１の発明によれば、フィルム面受音型音センサモジュールは、可撓性を有するフィルムの一面上に弾性変形する絶縁性粘着剤層が設けられ、絶縁性粘着剤層上に導体パターンが形成されてなる配線付き基材と、配線付き基材上に実装されたマイクロホンとを備え、マイクロホンの端子は導体パターンに対接され、マイクロホンの端子が形成されていない表面の一部と絶縁性粘着剤層の導体パターンが形成されていない表面の一部とは相互に貼り付けられて機械的に結合されているものとされる。
請求項２の発明では請求項１の発明において、絶縁性粘着剤層を構成する絶縁性粘着剤は紫外線硬化性を有し、絶縁性粘着剤層の、マイクロホンの端子が形成されていない表面の一部と機械的に結合される部位は紫外線硬化されているものとされる。
請求項３の発明では請求項２の発明において、絶縁性粘着剤層の全体が紫外線硬化されているものとされる。
請求項４の発明では請求項１乃至３の何れかの発明において、配線付き基材の導体パターンが形成されている側の面は、マイクロホンが位置する部位及び導体パターンの外部との接続部位を除いて可撓性を有するカバーフィルムによって覆われているものとされる。
この発明によれば、半田を用いることなく、熱レスでマイクロホンを実装することができるため、面受音のためのフィルムに耐熱性は不要であり、その点でフィルム材料の制限は少なく、用途に応じて各種材料のフィルムを用いることができる。
また、マイクロホンは配線付き基材の絶縁性粘着剤層に貼り付けられて機械的に結合され、マイクロホンの端子と配線付き基材の導体パターンとは絶縁性粘着剤層の弾性復元力により圧接されて接続される構造となっているため、配線付き基材の多様な変形を伴う繰り返し使用により多様に変化する応力負荷や音入力の振動に対し、半田接続と比べ、耐性が強く、安定した接続状態を得ることができる。
さらに、音を検出する対象の固体の表面に設置するフィルムからマイクロホンに至る経路に、形状変化に伴い、音の伝播特性の変化やノイズの発生原因となるような空洞が存在しないため、高精度かつ安定した検出性能を得ることができる。
この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。
図１はこの発明によるフィルム面受音型音センサモジュールの一実施例を示したものであり、フィルム面受音型音センサモジュール１００はこの例では配線付き基材３０と、配線付き基材３０上に実装されたマイクロホン４０と、カバーフィルム５０とによって構成されている。図２及び図３はそれぞれ配線付き基材３０及びマイクロホン４０の詳細を示したものである。
配線付き基材３０は図２に示したようにフィルム３１の一面３１ａ上に絶縁性粘着剤層３２が設けられ、さらに絶縁性粘着剤層３２上に導体パターン３３が形成された構成とされる。フィルム３１は可撓性を有し、この例ではマイクロホン４０と比較して大きな（大面積の）方形形状をなすものとされている。絶縁性粘着剤層３２は押圧により弾性変形するもので、フィルム３１の一面３１ａに全面に渡って設けられている。
導体パターン３３はこの例では４本配列されて形成されており、４本の導体パターン３３の各一端にはマイクロホン４０用のランド３３ａが形成され、各他端には外部（外部回路）との接続用のランド３３ｂが形成されている。マイクロホン４０用の４つのランド３３ａは配線付き基材３０の中央に位置し、外部接続用のランド３３ｂは配線付き基材３０の一方の短辺の中央部分に、短辺に沿って配列されて位置している。
上記のような構成において、フィルム３１の材料には例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等を用いることができる。
絶縁性粘着剤層３２を構成する絶縁性粘着剤としては、例えばポリエステル系、ポリウレタン系、アクリル系、エポキシ系、フェノール系、シリコーン系、ポリオレフィン系、ポリイミド系、ビニル系、天然高分子系のポリマーなどが挙げられる。上記ポリマーは単独で用いられても、併用して用いられてもよい。
また、粘着性や機械的特性を向上させるために、上記ポリマーに、例えばポリエステル系、ポリウレタン系、アクリル系、エポキシ系、フェノール系、シリコーン系、ポリオレフィン系、ポリイミド系、ビニル系のモノマー、オリゴマーを混合して用いてもよい。
導体パターン３３は例えば銀ペースト（銀インク）を用い、印刷によって形成される。
マイクロホン４０はこの例ではＭＥＭＳ技術を用いて製造されるＭＥＭＳマイクロホンとされ、図３に示したように底面４０ａには音孔４１を備え、さらにこの例では４つの端子４２を備えるものとなっている。４つの端子４２は出力用、グランド用、電源用及びゲイン調整用の各端子をなす。
図４は配線付き基材３０上にマイクロホン４０が実装される様子を示したものであり、マイクロホン４０は４つの端子４２が絶縁性粘着剤層３２上に形成されている４つの導体パターン３３のランド３３ａにそれぞれ位置合わせされて押圧され、絶縁性粘着剤層３２に押し付けられることによって実装される。
マイクロホン４０の端子４２は図１Ｃに示したようにランド３３ａに直接、対接されて電気的に接続され、マイクロホン４０の底面４０ａの、端子４２が形成されていない部分は絶縁性粘着剤層３２に粘着されて機械的に結合される。即ち、この例では導体パターン３３が形成された絶縁性粘着剤層３２とマイクロホン４０との機械的結合は、マイクロホン４０の端子４２が形成されていない表面の一部と、絶縁性粘着剤層３２の導体パターン３３が形成されていない表面の一部とが相互に貼り付けられることによって行われるものとなっている。
なお、絶縁性粘着剤層３２は押圧により弾性変形して粘着し、その弾性復元力がマイクロホン４０の端子４２と導体パターン３３のランド３３ａとを圧接させる方向の荷重として寄与するため、端子４２とランド３３ａとの良好な接続状態を得ることができる。
カバーフィルム５０は配線付き基材３０の導体パターン３３が形成されている側の面に配される。カバーフィルム５０にはマイクロホン４０が位置する部位及び導体パターン３３の外部接続用のランド３３ｂが位置する部位にそれぞれ対応して窓５１及び切欠き５２が図１Ａに示したように設けられており、配線付き基材３０の導体パターン３３が形成されている側の面は、マイクロホン４０が位置する部位及び４つのランド３３ｂが位置する部位を除いて図１に示したようにカバーフィルム５０によって覆われる。
カバーフィルム５０は配線付き基材３０のベースをなすフィルム３１と同様、可撓性を有するものとされ、フィルム３１と同様の材料によって形成される。
上記のような構成を有するフィルム面受音型音センサモジュール１００は、配線付き基材３０のマイクロホン４０が実装されていない側の面、即ちフィルム３１の絶縁性粘着剤層３２が設けられている一面３１ａと反対側の面３１ｂが音を検出する対象の固体の表面に設置されて使用される。フィルム３１は固体の表面に倣って密着する場合には単に置くだけでもよい。一方、固体表面が単調な形状ではなく、密着しない、あるいは密着させにくい場合には粘着剤等を使用して固体表面に密着させるようにする。
以上説明したフィルム面受音型音センサモジュール１００によれば、配線付き基材３０に対するマイクロホン４０の実装は半田を用いることなく行われ、つまり熱レスで行われるため、耐熱性のない材料でもフィルム３１の材料として用いることができ、用途に応じて各種材料のフィルムを用いることができる。フィルム３１の形状、大きさは用途に応じて適宜、選定される。
また、配線付き基材３０とマイクロホン４０との貼付けによる接続固定（機械的結合）は、半田による接続固定に比べ、配線付き基材３０の多様な変形を伴う繰り返し使用により多様に変化する応力負荷や音入力の振動に対し、耐性が強く、よって接続不良は発生せず、安定した接続状態を得ることができる。
さらに、フィルム３１を音を検出する対象の固体の表面に密着させることにより、検出対象の固体表面からマイクロホン４０に至る経路に空洞が存在せず、つまり配線付き基材３０の変形に伴って変形することで音の伝播特性の変化やノイズの発生原因となるような空洞が存在しないため、形状変化に依存せず、高精度かつ安定した音の検出を行うことができる。
なお、絶縁性粘着剤層３２を構成する絶縁性粘着剤は紫外線硬化性を有するものとしてもよい。この場合は図１Ｃ中に矢印ａで示した方向から紫外線を照射し、破線ｂで囲んだ部分の絶縁性粘着剤を紫外線硬化させる。このように、絶縁性粘着剤を紫外線硬化性を有するものとし、マイクロホン４０の端子４２が形成されていない表面の一部（底面４０ａの一部）と機械的に結合される絶縁性粘着剤層３２の部位を局所的に紫外線硬化させる構成を採用することもできる。
あるいは、さらに他の採用し得る構成として、同じく絶縁性粘着剤層３２の絶縁性粘着剤に紫外線硬化性を有するものを用いながら、その絶縁性粘着剤層３２の全体に紫外線を照射してこれを紫外線硬化させてもよい。ここで、紫外線硬化された絶縁性粘着剤層３２の全体は、可撓性を維持して弾性変形可能であると共に表面の粘着性も失われるわけではない。この構成は、面照射型の紫外線照射装置を利用して簡便に紫外線硬化の工程を完了することができるので、上述の局所的に紫外線硬化させる構成よりも作製が容易となる。また、カバーフィルム５０を配した状態で紫外線硬化を行えば、カバーフィルム５０は絶縁性粘着剤層３２と接触する面の全体において配線付き基材３０に接着された状態となる。
紫外線硬化性を有する絶縁性粘着剤は、前述した絶縁性粘着剤として用いるポリマーに重合性化合物を含有させたものとなる。重合性化合物としては、例えば単官能、多官能アクリレート、マレイミド、チオール、ビニルエーテルなどのラジカル重合性の官能基を有するラジカル重合性化合物が挙げられる。
ラジカル重合開始剤は、例えば１分子で開始ラジカルを生成するラジカル重合開始剤、２分子間の反応でラジカルを生成するラジカル重合開始剤などが挙げられる。１分子で開始ラジカルを生成する重合開始剤としては、例えばアセトフェノン、アシルフォスフィン、チタノセン、チロアジン、ビスイミダゾール等の化合物が挙げられる。また、２分子間の反応でラジカルを生成する重合開始剤としては、例えばベンゾフェノン、アミン、チオキサントン等の化合物が挙げられる。
一方、フィルム３１は可撓性に加え、伸縮性を有するものとしてもよい。フィルム３１が伸縮性を有すれば、音を検出する対象の固体の表面に、その形状にかかわらず、フィルム３１を良好に密着させることが可能となる。この場合、カバーフィルム５０及び導体パターン３３も伸縮性を有するものとする。
伸縮性のあるフィルム３１及びカバーフィルム５０の材料としては、ポリウレタン系、スチレン系、オレフィン系、ポリエステル系、ポリアミド系、シリコーン系などのエラストマ、またはエチレンプロピレン系、ニトリルブタジエン系、シリコーン系、アクリル系、フッ素系、ウレタン系などの合成ゴムを用いることができる。
また、伸縮性のある導体パターン３３の材料としては、上記伸縮性のあるエラストマ中に、銀や銅などの金属材料やカーボンなどの導電性材料を分散させたものを用いることができる。
この発明によるフィルム面受音型音センサモジュールは、人体や装置、構造物等、各種固体の音による状態把握に用いることができる。具体例を挙げれば、打音による非破壊検査や聴診による診断などに用いることができ、人による感知、診断に替えて用いることができる。
また、フィルムの特性を変更することで、多様な音信号を取得することができ、フィルム特性と音データの相関を解析することで、より有益な音による固体の状態把握が可能となる。
１１ 回路基板 １１ａ 基板音孔
１２ マイクロホン １２ａ マイクロホン音孔
１３ マイクロホン側ランド １３ａ グランドランド
１３ｂ 出力信号ライン用ランド １３ｃ ＤＣバイアス用ランド
１４ 基板側ランド １４ａ グランドランド
１４ｂ 出力信号ライン用ランド １４ｃ ＤＣバイアス用ランド
２０ アレイ状採音センサ装置 ２１ シート状軟質支持体
２１ａ 軟質樹脂 ２１ｂ ゴムシート
２２ 空洞 ２３ マイクロホン
２４ 増幅回路ＩＣ ２５ 押えバンド
２６ａ，２６ｂ 面ファスナ ３０ 配線付き基材
３１ フィルム ３１ａ 一面
３１ｂ 面 ３２ 絶縁性粘着剤層
３３ 導体パターン ３３ａ，３３ｂ ランド
４０ マイクロホン ４０ａ 底面
４１ 音孔 ４２ 端子
５０ カバーフィルム ５１ 窓
５２ 切欠き
１００ フィルム面受音型音センサモジュール
１２ マイクロホン １２ａ マイクロホン音孔
１３ マイクロホン側ランド １３ａ グランドランド
１３ｂ 出力信号ライン用ランド １３ｃ ＤＣバイアス用ランド
１４ 基板側ランド １４ａ グランドランド
１４ｂ 出力信号ライン用ランド １４ｃ ＤＣバイアス用ランド
２０ アレイ状採音センサ装置 ２１ シート状軟質支持体
２１ａ 軟質樹脂 ２１ｂ ゴムシート
２２ 空洞 ２３ マイクロホン
２４ 増幅回路ＩＣ ２５ 押えバンド
２６ａ，２６ｂ 面ファスナ ３０ 配線付き基材
３１ フィルム ３１ａ 一面
３１ｂ 面 ３２ 絶縁性粘着剤層
３３ 導体パターン ３３ａ，３３ｂ ランド
４０ マイクロホン ４０ａ 底面
４１ 音孔 ４２ 端子
５０ カバーフィルム ５１ 窓
５２ 切欠き
１００ フィルム面受音型音センサモジュール
Claims (4)
- 可撓性を有するフィルムの一面上に弾性変形する絶縁性粘着剤層が設けられ、前記絶縁性粘着剤層上に導体パターンが形成されてなる配線付き基材と、
前記配線付き基材上に実装されたマイクロホンとを備え、
前記マイクロホンの端子は前記導体パターンに対接され、
前記マイクロホンの前記端子が形成されていない表面の一部と前記絶縁性粘着剤層の前記導体パターンが形成されていない表面の一部とは相互に貼り付けられて機械的に結合されていることを特徴とするフィルム面受音型音センサモジュール。 - 請求項１に記載のフィルム面受音型音センサモジュールにおいて、
前記絶縁性粘着剤層を構成する絶縁性粘着剤は紫外線硬化性を有し、
前記絶縁性粘着剤層の、前記マイクロホンの前記端子が形成されていない表面の一部と機械的に結合される部位は紫外線硬化されていることを特徴とするフィルム面受音型音センサモジュール。 - 請求項２に記載のフィルム面受音型音センサモジュールにおいて、
前記絶縁性粘着剤層の全体が紫外線硬化されていることを特徴とするフィルム面受音型音センサモジュール。 - 請求項１乃至３の何れかに記載のフィルム面受音型音センサモジュールにおいて、
前記配線付き基材の前記導体パターンが形成されている側の面は、前記マイクロホンが位置する部位及び前記導体パターンの外部との接続部位を除いて可撓性を有するカバーフィルムによって覆われていることを特徴とするフィルム面受音型音センサモジュール。
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