KR20050054192A - Ｓｍｄ용 콘덴서 마이크로폰 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 표면실장(SMD)을 위해 접속단자를 2단자로 개선한 SMD용 바이어스형 콘덴서 마이크로폰에 관한 것이다. 이러한 본 발명은 외부회로와 연결하기 위한 접지단자; 외부회로와 연결하기 위한 전원 및 출력단자; 일단이 접지단자와 연결되고, 음압에 따라 용량이 가변되어 음성을 전기적인 신호로 변환하기 위한 진동판/백 플레이트 쌍; 진동판/백 플레이트 쌍의 일단에 정전기장을 형성하기 위해 바이어스전압을 제공하는 DC-DC 컨버터; 진동판/백 플레이트 쌍에 의한 음성의 전기적인 신호를 증폭하여 출력하기 위한 버퍼 집적회로소자; 및 DC-DC 컨버터가 출력하는 바이어스 전압이 버퍼 집적회로소자에 직접 인가되는 것을 차단하고, 진동판/백 플레이트 쌍에 의한 음성의 전기적인 신호를 버퍼 집적회로소자에 전달하기 위한 디커플링 커패시터로 구성된다. 따라서 본 발명은 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰(ECM)과의 호환성을 향상시킴과 아울러 SMD 공정에서 원형 콘덴서 마이크로폰의 방향성 문제를 해결할 수 있고, 외부에서 전압을 인가하여 진동판과 백 플레이트 사이에 정전기장을 형성하므로 고온의 리플로우(relow) 작업 후에도 일정 전기장을 유지하여 일정한 감도를 유지할 수 있다.

Description

ＳＭＤ용 콘덴서 마이크로폰{ Biased Condenser Microphone For SMD }
본 발명은 바이어스형 콘덴서 마이크로폰에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 표면실장(SMD)을 위해 접속단자를 2단자로 개선한 SMD용 콘덴서 마이크로폰에 관한 것이다.
전형적인 콘덴서형 마이크로폰은 전압 바이어스 요소와, 음압(sound pressure)에 대응하여 변화하는 커패시터(C)를 형성하는 진동판/백 플레이트 쌍, 그리고 출력신호를 버퍼링하기 위한 전계 효과 트랜지스터(JFET)로 이루어진다.
이러한 콘덴서 마이크로폰은 백 플레이트와 진동판 사이에 정전기장을 형성하는 방식중의 하나로 외부에서 바이어스 전압을 공급해주는 바이어스형 콘덴서 마이크로폰이 있다.
도 1a는 종래의 바이어스형 콘덴서 마이크로폰의 등가 회로도로서, 마이크 유닛에 의한 가변 콘덴서(12)와 버퍼 IC(14)로 구성된 마이크로폰 캡슐(10)이 3개의 단자(16-1~16-3)를 통해 외부 회로와 연결된다. 이때 제1 단자(16-1)는 버퍼 IC(14)의 출력단을 저항(R1)을 통해 Vdd 전원과 연결시킴과 아울러 커패시터(C)를 거쳐 신호 출력(Output)측으로 연결시킨다. 그리고 제2 단자(16-2)는 버퍼 IC(14)를 접지(GND)와 연결하고, 제3 단자(16-3)는 마이크 유닛(12)에 바이어스 전압(Bias Voltage)을 연결한다.
도 1b는 종래의 바이어스형 콘덴서 마이크로폰의 다른 등가 회로도로서, 마이크 유닛에 의한 가변 콘덴서(12)와 버퍼 IC(14)로 구성된 마이크로폰 캡슐(10)이 3개의 단자(16-1~16-3)를 통해 연결된다. 이때 제1 단자(16-1)는 마이크 유닛(12)에 저항(R2)을 거쳐 바이어스 전압(Bias Voltage)을 연결하고, 제2 단자(16-2)는 버퍼 IC(14)의 출력단을 저항(R1)을 통해 Vdd 전원과 연결시킴과 아울러 커패시터(C)를 거쳐 신호 출력(Output)측으로 연결시킨다. 그리고 제3 단자(16-3)는 버퍼 IC(14)를 접지(GND)와 연결한다.
그런데 이러한 종래의 바이어스형 콘덴서 마이크로폰은 외부와 인터페이스하는 단자가 바이어스 단자(Bias), 전원(Vdd) 및 출력(Output) 단자, 접지(GND) 단자로 된 적어도 3개의 단자로 되어 있으므로 SMD 공정 시 원형 콘덴서 마이크로폰의 방향성을 확인해야 하는 문제점이 있고, 마이크로폰 외부에 별도의 바이어스 인가용 전압장치가 구비되어야 하기 때문에 소형화가 어려우며, 외부 회로와의 연결에 있어서 통상 사용되는 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰(ECM)과의 호환성이 떨어져 별도로 PCB를 설계해야 하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 창안된 것으로, 디커플링 커패시터를 사용한 2-단자 형태로 하여 종래의 ECM과의 호환성을 높임과 아울러 SMD 공정에서 원형 콘덴서 마이크로폰의 방향성 문제를 해결하고, 외부에서 전압을 인가하여 정전기장을 형성하므로 고온의 리플로우(reflow) 작업 후에도 일정 전기장을 유지할 수 있어 감도 손실없는 SMD용 콘덴서 마이크로폰을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 디커플링 커패시터가 내장되고 IC화된 전압 펌프(voltage pump) IC를 마이크로폰의 PCB에 실장하여 하나의 전압입력 단자를 통하여 버퍼(buffer) IC와 전압펌프 IC에 인가하여 구동하고 전압펌프 IC 출력단자로부터 일정 수준 증폭되어 전달되는 바이어스 전압의 크기에 따라 진동판과 백 플레이트 쌍의 정전기장의 세기를 변화시킴으로써 감도를 조절할 수 있는 SMD용 콘덴서 마이크로폰을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 외부회로와 연결하기 위한 접지단자; 외부회로와 연결하기 위한 전원 및 출력단자; 일단이 상기 접지단자와 연결되고, 음압에 따라 용량이 가변되어 음성을 전기적인 신호로 변환하기 위한 진동판/백 플레이트 쌍; 상기 진동판/백 플레이트 쌍의 일단에 정전기장을 형성하기 위해 바이어스전압을 제공하는 DC-DC 컨버터; 상기 진동판/백 플레이트 쌍에 의한 음성의 전기적인 신호를 증폭하여 출력하기 위한 버퍼 집적회로소자; 및 상기 DC-DC 컨버터가 출력하는 바이어스 전압이 상기 버퍼 집적회로소자에 직접 인가되는 것을 차단하고, 상기 진동판/백 플레이트 쌍에 의한 음성의 전기적인 신호를 상기 버퍼 집적회로소자에 전달하기 위한 디커플링 커패시터로 구성된 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 작동원리는 종래에 강제 주입한 일렉트렛(electret)을 사용하여 정전기장을 형성하던 방식과 달리 외부에서 일정 전압을 인가하여 백 플레이트와 진동판 사이에 정전기장을 형성하고, 외부 음압에 의한 진동판의 진동에 따른 전기적인 신호를 버퍼(buffer) IC를 통하여 출력하는 것이다.
이를 위하여 종래에는 백 플레이트와 진동판 사이에 외부 전원을 공급하여 주기 위해 마이크로폰의 외부 단자는 외부 전원 공급을 위한 단자와 신호 출력 단자 그리고 접지 단자 이렇게 3개의 단자들이 필요하였으나 본 발명은 2개의 단자로 구동 가능하다.
[제 1 실시예]
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 SMD용 콘덴서 마이크로폰의 등가 회로도이고, 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 SMD용 콘덴서 마이크로폰(200)을 도시한 단면도이다.
본 발명 제1 실시예의 마이크로폰의 등가회로는 도 2에 도시된 바와 같이, 진동판(206)과 백 플레이트(210) 쌍은 하나의 가변 콘덴서(C0)로 등가 표현되어 진동판(206)은 접지(GND)측으로 연결되고, 백 플레이트(210)는 DC-DC 컨버터(232)로 연결되어 있으며, DC-DC 컨버터(232)와 버퍼 IC(240) 사이에는 디커플링 커패시터(C1)가 연결되어 있다. 여기서, DC-DC 컨버터(232)와 디커플링 커패시터(C1)로 이루어진 구성을 전압 펌프 IC(230: Voltage pump IC)라 하고, 버퍼 IC(240)는 FET, 증폭기 혹은 아날로그-디지털 변환기(ADC: Analog-Digital Converter)를 의미한다.
한편, 내부 PCB 회로 설계에 있어서 기본 부품, 즉 전압 펌프(voltage pump) IC(230)와 버퍼(buffer) IC(240)에 EMI 또는 ESD에 대한 특성 향상 등을 위하여 필요에 따라 커패시터들 혹은 커패시터와 저항 등을 직렬 또는 병렬로 연결하는 회로를 첨가하여 변경할 수도 있다.
이러한 본 발명의 제1 실시예에 따른 SMD용 콘덴서 마이크로폰(200)은 도 3에 도시된 바와 같이, 바닥면에 음유입공(202a)이 형성되고 일면이 개방된 원통형 케이스(202)에 극링(204)과 일체형으로 된 진동판(206)이 삽입되어 있고, 진동판(206) 위에는 백 플레이트(210)와의 사이에 공간을 확보하기 위한 스페이서(208)가 놓여 있다. 그리고 스페이서(208) 위에는 케이스(202)와 동일한 원통형으로 된 절연재료의 제1 베이스(212)가 배설되어 있고, 제1 베이스(212)의 내측으로는 금속판으로 된 백 플레이트(210)가 스페이서(208)에 의해 진동판(206)과 간격을 형성하면서 놓여져 있다. 백 플레이트(210) 위에는 백 플레이트(210)를 PCB(216)의 회로와 전기적으로 접속시키기 위한 도전체로 된 제2 베이스(214)가 있고, 이러한 전체 구성 위에 부품(전압펌프IC, 버퍼IC 등)이 실장된 PCB(216)가 배설된 후 케이스(202)의 일단을 커링시켜 하나의 조립체로 완성되어 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 백 플레이트(210)는 일렉트렛(electret)의 형성을 위한 고분자 계열의 필름이 없는 금속판(metal plate)으로 이루어지고, 진동판(206)은 유기 또는 무기 필름(박막)의 단면 또는 양면에 금속을 증착한 막을 사용하거나 금속 필름(박막)을 사용한다.
한편, PCB(216)의 노출면은 도 4에 도시된 바와 같이, 케이스(202)의 커링면보다 돌출되게 접속단자(218,220)가 형성되어 마이크로폰(200)이 메인 PCB( 예컨대, 휴대폰의 PCB)에 SMD방식으로 부착될 수 있도록 되어 있다. 이를 위한 접속단자는 도 4에 도시된 바와 같이, 내측에 전원 및 출력(Vdd/Out) 접속을 위한 원형 단자(220)가 형성되어 있고, 일정 간격을 두고 외측에 원형의 접지단자(218)가 형성되어 있으며, 이 접지단자(218)는 SMD방식에 의한 접착시 발생되는 가스를 배출할 수 있도록 3개의 가스 배출 홈(222)에 의해 3개로 분리되어 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 제1 실시예의 콘덴서 마이크로폰의 동작을 살펴보면 다음과 같다.
본 발명의 제1 실시예에 따르면 마이크로폰 PCB(216)의 전원 및 출력 단자(Vdd/output: 220)를 통하여 버퍼(buffer) IC(240)와 전압 펌프 IC(230)에 구동 전압(Vdd)이 각각 인가되고, 인가된 구동 전압(Vdd)은 버퍼 IC(240) 및 전압펌프 IC(230)를 동작시킨다. 전압펌프 IC(230)의 DC/DC 컨버터(232)는 구동 전압(Vdd)을 일정 수준으로 증폭된 직류 바이어스 전압(VB)으로 변환하고, 이 바이어스 전압(VB)은 제2 베이스(214)를 통해 백 플레이트(210)로 인가된다. 그리고 PCB의 접지단자(218)는 버퍼 IC(240)와 DC-DC 컨버터(240)에 공통 연결됨과 아울러 케이스(202)와 극링(204)을 통해 진동판(206)에 연결되고, 이에 따라 바이어스 전압(VB)이 인가된 백 플레이트(210)와 접지(GND)된 진동판(206) 사이에 바이어스(bias) 전압(VB)에 의한 정전용량(C0) 및 정전기장이 형성된다.
이와 같은 상태에서 외부 음압에 따라 진동판(206)이 진동되면 그에 따른 전기적인 신호가 발생되고, 이 전기적인 신호는 백 플레이트(210)와 제2 베이스(214)를 통하여 PCB의 버퍼 IC(240)로 전달되고, 버퍼 IC(240)에서 증폭되어 마이크로폰 PCB의 전원 및 출력단자(220)를 통해 외부 회로로 출력된다. 이때 본 발명에서는 DC/DC 컨버터(232)의 출력인 직류 바이어스 전압(VB)이 버퍼 IC(240)로 직접 인가되는 것을 방지하기 위하여 디커플링 커패시터(decoupling capacitor: C1)를 전압 펌프 IC(230)의 출력측과 버퍼(buffer) IC(240)의 입력측 사이에 연결한다. 이러한 디커플링 커패시터(C1)는 직류 바이어스 전압(VB)이 버퍼 IC(240)로 직접적으로 유입되는 것을 방지하고 진동판(206)의 진동에 의해 발생된 전기적인 신호만을 버퍼 IC(240)로 통과시킴으로써 직류 바이어스 전압(VB)과 신호를 분리하는 역할을 한다.
[제 2 실시예]
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 SMD용 콘덴서 마이크로폰의 등가회로도이고, 도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 SMD용 콘덴서 마이크로폰(500)을 도시한 단면도이다.
이러한 제2 실시예의 구성은 제1 실시예와 비교할 때 백 플레이트(210)와 진동판(206)의 위치가 서로 바뀐 것을 제외하고는 전체적으로 동일하므로 차이점을 위주로 설명하고, 동일한 부분에 대해서는 반복을 피하기 위하여 설명을 생략한다.
도 5 및 6을 참조하면, 제1 실시예의 등가회로와 비교해 볼 때 제2 실시예의 회로는 백 플레이트/진동판의 등가회로인 가변 콘덴서(C0)에서 백 플레이트(210)가 접지(GND)로 연결되고, 진동판(206)이 DC/DC 컨버터(232)로 연결된 것을 알 수 있다.
즉, 제2 실시예에서는 마이크로폰 PCB(216)의 전원 및 출력 단자(Vdd/output: 220)를 통하여 버퍼 IC(240)와 전압 펌프 IC(230)에 구동 전압(Vdd)이 각각 인가되고, 인가된 구동 전압(Vdd)은 버퍼 IC(240) 및 전압펌프 IC(230)를 동작시킨다. 전압펌프 IC(230)의 DC/DC 컨버터(232)는 구동 전압(Vdd)을 일정 수준으로 증폭된 직류 바이어스 전압(VB)으로 변환하고, 이 바이어스 전압(VB)은 제2 베이스(214)와 극링(204)을 통해 진동판(206)으로 인가된다. 그리고 PCB의 접지단자(218)는 버퍼 IC(240)와 DC-DC 컨버터(240)에 공통 연결됨과 아울러 케이스(202)를 통해 백 플레이트(210)로 연결되고, 이에 따라 바이어스 전압(VB)이 인가된 진동판(206)과 접지(GND)된 백 플레이트(210) 사이에 바이어스(bias) 전압(VB)에 의한 정전용량(C0) 및 정전기장이 형성된다.
이와 같은 상태에서 외부 음압에 따라 진동판(206)이 진동되면 그에 따른 전기적인 신호가 발생되고, 이 전기적인 신호는 극링(204)과 제2 베이스(214)를 통하여 PCB의 버퍼 IC(240)로 전달되고, 버퍼 IC(240)에서 증폭되어 마이크로폰 PCB의 전원 및 출력단자(220)를 통해 외부 회로로 출력된다. 이때 본 발명에서는 DC/DC 컨버터(232)의 출력인 직류 바이어스 전압(VB)이 버퍼 IC(240)로 직접 인가되는 것을 방지하기 위하여 디커플링 커패시터(decoupling capacitor: C1)를 전압 펌프 IC(230)의 출력측과 버퍼(buffer) IC(240)의 입력측 사이에 연결한다. 이러한 디커플링 커패시터(C1)는 직류 바이어스 전압(VB)이 버퍼 IC(240)로 직접적으로 유입되는 것을 방지하고 진동판(206)의 진동에 의해 발생된 전기적인 신호만을 버퍼 IC(240)로 통과시킴으로써 직류 바이어스 전압(VB)과 신호를 분리하는 역할을 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 첫째 디커플링 커패시터를 사용한 2-단자(전원입력/신호출력 단자와 접지 단자)의 형태로 종래의 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰(ECM)과의 호환성을 향상시킴과 아울러 SMD 공정에서 원형 콘덴서 마이크로폰의 방향성 문제를 해결할 수 있고, 둘째 외부에서 전압을 인가하여 정전기장을 형성하므로 고온의 리플로우(reflow) 작업에 의한 전하 손실이 없으며, 셋째 IC화된 전압 펌프 IC를 마이크로폰의 PCB에 실장하여 종래와 같은 구동전압으로 버퍼 IC와 전압 펌프 IC에 각각 구동할 수 있고, 전압 펌프 IC 출력단자로부터 일정 수준 증폭되어 전달되는 바이어스 전압의 크기에 따라 원하는 감도의 마이크로폰을 제작할 수 있다.
도 1a,1b는 종래의 바이어스 콘덴서 마이크로폰을 도시한 회로도,
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 SMD용 콘덴서 마이크로폰을 도시한 회로도,
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 SMD용 콘덴서 마이크로폰을 도시한 단면도,
도 4는 도 3에 도시된 콘덴서 마이크로폰의 접속단자를 도시한 사시도,
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 SMD용 콘덴서 마이크로폰을 도시한 회로도,
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 SMD용 콘덴서 마이크로폰을 도시한 단면도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
202: 케이스 202a: 음유입홀
204: 극링 206: 진동판
208: 스페이서 210: 백 플레이트
212: 제1 베이스 214: 제2 베이스
216: PCB 218,220: 접속단자

Claims (6)

  1. 외부회로와 연결하기 위한 접지단자;
    외부회로와 연결하기 위한 전원 및 출력단자;
    일단이 상기 접지단자와 연결되고, 음압에 따라 용량이 가변되어 음성을 전기적인 신호로 변환하기 위한 진동판/백 플레이트 쌍;
    상기 진동판/백 플레이트 쌍의 일단에 정전기장을 형성하기 위해 바이어스 전압을 제공하는 DC-DC 컨버터;
    상기 진동판/백 플레이트 쌍에 의한 음성의 전기적인 신호를 증폭하여 출력하기 위한 버퍼 집적회로소자; 및
    상기 DC-DC 컨버터가 출력하는 바이어스 전압이 상기 버퍼 집적회로소자에 직접 인가되는 것을 차단하고, 상기 진동판/백 플레이트 쌍에 의한 음성의 전기적인 신호를 상기 버퍼 집적회로소자에 전달하기 위한 디커플링 커패시터로 구성된 것을 특징으로 하는 SMD용 콘덴서 마이크로폰.
  2. 제1항에 있어서, 상기 진동판/백 플레이트 쌍은
    진동판이 접지단자로 연결되고, 백 플레이트에 상기 DC-DC 컨버터가 연결되어 바이어스 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 SMD용 콘덴서 마이크로폰.
  3. 제1항에 있어서, 상기 진동판/백 플레이트 쌍은
    백 플레이트가 접지단자로 연결되고, 진동판에 상기 DC-DC 컨버터가 연결되어 바이어스 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 SMD용 콘덴서 마이크로폰.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 DC-DC 컨버터와 상기 디커플링 커패시터는 하나의 소자로 집적된 전압 펌프 IC인 것을 특징으로 하는 SMD용 콘덴서 마이크로폰.
  5. 제4항에 있어서, 상기 버퍼 집적회로소자는 FET, 증폭기, 또는 아날로그-디지털 변환기(ADC) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 SMD용 콘덴서 마이크로폰.
  6. 제4항에 있어서, 상기 전압 펌프 IC와 버퍼 IC는 하나의 IC에 집적화된 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 SMD용 콘덴서 마이크로폰.
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