KR20110091868A - 마이크로폰 유닛 - Google Patents

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KR20110091868A
KR20110091868A KR20117013332A KR20117013332A KR20110091868A KR 20110091868 A KR20110091868 A KR 20110091868A KR 20117013332 A KR20117013332 A KR 20117013332A KR 20117013332 A KR20117013332 A KR 20117013332A KR 20110091868 A KR20110091868 A KR 20110091868A
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sound
microphone unit
diaphragm
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space
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후미노리 다나카
류스케 호리베
다케시 이노다
마사토시 오노
리쿠오 다카노
도시미 후쿠오카
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후나이 덴키 가부시기가이샤
후나이 일렉트릭 어드밴스드 어플라이드 테크놀로지 리서치 인스티튜트 인코포레이티드
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Abstract

마이크로폰 유닛(1)은, 케이싱(11)과, 케이싱(11)의 내부에 배치되는 진동판(122)과, 진동판(122)의 진동에 의거하여 발생하는 전기신호를 처리하는 전기 회로부(13)를 구비한다. 케이싱(11)에는, 제1음공(111)을 통하여 케이싱 외부의 음을 진동판(122)의 제1면(122a)에 인도하는 제1음유도공간(113)과, 제2음공(112)을 통하여 케이싱 외부의 음을 진동판(122)의 제1면(122a)의 이면인 제2면(122b)에 인도하는 제2음유도공간(114)이 형성된다. 진동판(122)의 공진 주파수는, 제1음유도공간(113) 및 제2음유도공간(114) 중 적어도 일방의 공진 주파수를 기준으로 하여 ±4kHz의 범위 내로 설정된다.

Description

마이크로폰 유닛{MICROPHONE UNIT}
본 발명은, 입력음(入力音; input sound)을 전기신호로 변환하는 마이크로폰 유닛에 관한 것으로서, 상세하게는 진동판(振動板; diaphragm)의 양면(전면과 후면)에 음압(音壓)이 가해지도록 형성되고, 음압차(音壓差)에 의거한 진동판의 진동을 이용해서 입력음을 전기신호로 변환하는 마이크로폰 유닛의 구성에 관한 것이다.
종래에, 예컨대 휴대전화나 트랜시버 등의 음성통신 기기 또는 음성인증 시스템 등과 같이 입력된 음성을 해석하는 기술을 이용한 정보처리시스템, 또는 녹음기기 등에는 마이크로폰 유닛이 구비되어 있다. 전화 등에 의한 통화, 음성인식, 음성녹음에 있어서는, 원하는 음성(사용자의 음성)만을 받아들이는 것이 바람직하다. 이 때문에 원하는 음성을 정확하게 추출하고, 원하는 음성 이외의 잡음(배경잡음 등)을 제거하는 마이크로폰 유닛의 개발이 진척되고 있다.
잡음이 존재하는 사용환경에서 잡음을 제거하여 원하는 음성만을 받아들이는 기술로서, 마이크로폰 유닛에 지향성(指向性)을 갖게 하는 것을 들 수 있다. 지향성을 구비하는 마이크로폰 유닛의 일례로서, 진동판(다이아프램(diaphragm))의 양면에 음압이 가해지도록 형성되고, 음압차에 의거하는 진동판의 진동을 이용해서 입력음을 전기신호로 변환하는 마이크로폰 유닛이 종래 알려져 있다(예컨대 특허문헌1 참조).
특허문헌1: 일본국 공개특허공보 특개평4-217199호 공보
그런데, 진동판의 양면에 음압이 가해지도록 형성되고, 음압차에 의거하는 진동판의 진동을 이용해서 입력음을 전기신호로 변환하는 마이크로폰 유닛은, 진동판의 한 면에만 음압을 가하여 진동판을 진동시키는 마이크로폰 유닛에 비하여 진동판의 진동에 의한 변위가 작아진다. 이 때문에 상기의 진동판 양면에 음압이 가해지도록 형성된 마이크로폰 유닛은 원하는 신호대 잡음비(SNR: Signal to Noise Ratio)를 얻기 어려운 경우가 있어서, 높은 SNR을 확보할 수 있도록 개선할 것이 요구되고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 진동판의 양면에 음압이 가해지도록 형성되고, 음압차에 의거하는 진동판의 진동을 이용해서 입력음을 전기신호로 변환하는 마이크로폰 유닛에 있어서, 높은 SNR을 확보할 수 있는 고성능의 마이크로폰 유닛을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 마이크로폰 유닛은, 케이싱(casing)과, 상기 케이싱의 내부에 배치되는 진동판(振動板)과, 상기 진동판의 진동에 의거하여 발생하는 전기신호를 처리하는 전기 회로부(電氣回路部)를 구비하는 마이크로폰 유닛으로서, 상기 케이싱에는, 제1음공(音孔)을 통하여 상기 케이싱 외부의 음을 상기 진동판의 제1면으로 인도하는 제1음유도공간(音誘導空間; sound introducing space)과, 제2음공을 통하여 상기 케이싱 외부의 음을 상기 진동판의 상기 제1면의 이면(裏面)인 제2면으로 인도하는 제2음유도공간이 형성되고, 상기 진동판의 공진 주파수는, 상기 제1음유도공간 및 상기 제2음유도공간 중 적어도 일방의 공진 주파수를 기준으로 ±4kHz의 범위 내에 설정된다.
본 구성의 마이크로폰 유닛은, 진동판의 양면(兩面)에 음압이 가해지도록 형성되고, 음압차(音壓差)에 의거하는 진동판의 진동을 이용해서 입력음을 전기신호로 변환하는 구성으로 되어 있다. 이러한 구성의 마이크로폰 유닛은, SNR의 향상을 고려하여 제1음공으로부터의 음파가 진동판에 미치는 음압과 제2음공으로부터의 음파가 진동판에 미치는 음압과의 음압차를 크게 할 필요가 있다. 이 경우, 제1음공과 제2음공의 간격을 크게 하므로, 제1음유도공간 및 제2음유도공간의 용적(容積)을 크게 해야만 하기에, 제1음유도공간과 제2음유도공간의 공진 주파수는 충분히 높은 주파수로 할 수 없다. 즉 마이크로폰 유닛의 사용 주파수대역에 있어서, 음유도공간의 공진이 마이크로폰 유닛의 주파수특성에 영향을 끼치는 것은 피할 수 없다. 본 구성에서는, 음유도공간의 공진이 마이크로폰 유닛의 주파수특성에 영향을 끼치는 것을 피할 수 없는 점을 이용하여, 종래와는 역발상으로 진동판의 공진 주파수를 낮춰서 음유도공간의 공진 주파수에 가깝게 하는 구성을 하고 있다. 이를 위해, 본 구성에 의하면 진동판의 견고성(stiffness)을 낮춰서 감도를 높이는 것이 가능하고, 높은 SNR을 확보할 수 있는 고성능의 마이크로폰 유닛을 제공할 수 있다.
상기 구성의 마이크로폰 유닛에 있어서, 상기 제1음공과 상기 제2음공은 동일면 내에 형성되고, 상기 제1음공과 상기 제2음공의 중심간 거리는 4mm이상 6mm이하인 것이 바람직하다. 이렇게 구성함으로써 상기의 음압차를 충분히 확보할 수 있음과 아울러, 위상왜곡에 의한 영향도 억제해서 높은 SNR을 확보할 수 있는 마이크로폰 유닛을 제공할 수 있다.
상기 구성의 마이크로폰 유닛에 있어서, 상기 제1음유도공간과 상기 제2음유도공간의 공진 주파수는 대략 동일한 것이 바람직하다. 이렇게 구성함으로써 높은 SNR의 마이크로폰 유닛을 얻기가 용이하다.
또한 상기 구성의 마이크로폰 유닛에 있어서, 상기 제1음유도공간 및 상기 제2음유도공간 중 적어도 일방의 공진 주파수는, 10kHz이상 12kHz이하인 것이 바람직하다. 본 구성에 의하면, 음유도공간의 공진이 마이크로폰 유닛의 주파수특성에 나쁜 영향을 미치는 것을 가능한한 억제할 수 있으므로 바람직하다.
또한 상기 구성의 마이크로폰 유닛에 있어서, 상기 진동판의 공진 주파수는, 상기 제1음유도공간 및 상기 제2음유도공간 중 적어도 일방의 공진 주파수와 대략 동일하게 설정되더라도 무방하다.
본 발명에 의하면, 진동판의 양면에 음압이 가해지도록 형성되고 음압차에 의거하는 진동판의 진동을 이용해서 입력음을 전기신호로 변환하는 마이크로폰 유닛에 있어서, 높은 SNR을 확보함으로써 고성능의 마이크로폰 유닛을 제공할 수 있다.
도1은, 본 실시형태의 마이크로폰 유닛의 구성을 나타내는 개략적인 사시도이다.
도2는, 도1의 A-A위치에 있어서의 개략적인 단면도이다.
도3은, 본 실시형태의 마이크로폰 유닛이 구비하는 MEMS칩의 구성을 나타내는 개략적인 단면도이다.
도4는, 본 실시형태의 마이크로폰 유닛이 구비하는 ASIC의 회로구성을 설명하기 위한 도면이다.
도5는, 음파의 감쇠 특성에 대해서 설명하기 위한 도면이다.
도6은, 종래의 마이크로폰 유닛에 있어서의 진동막의 설계 방법에 대해서 설명하기 위한 도면이다.
도7은, 음유도공간의 주파수특성에 대해서 설명하기 위한 도면이다.
도8은, 마이크로폰 유닛의 주파수특성에 대해서 설명하기 위한 도면이다.
도9는, 본 실시형태의 마이크로폰 유닛에 있어서, 진동막의 공진 주파수(fd)를 제1음유도공간의 공진 주파수(f1)보다 대략 4kHz 높게 설정한 경우의 주파수특성을 나타내는 도면이다.
도10은, 본 실시형태의 마이크로폰 유닛에 있어서, 진동막의 공진 주파수(fd)를 제1음유도공간의 공진 주파수(f1)와 대략 동일하게 설정한 경우의 주파수특성을 나타내는 도면이다.
도11은, 본 실시형태의 마이크로폰 유닛에 있어서, 진동막의 공진 주파수(fd)를 제1음유도공간의 공진 주파수(f1)보다 대략 4kHz 낮게 설정한 경우의 주파수특성을 나타내는 도면이다.
도12는, 본 실시형태의 마이크로폰 유닛에 있어서, 진동막을 실리콘으로 형성하는 경우의 조건을 도출하기 위해 사용한 모델을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명을 적용한 마이크로폰 유닛의 실시형태에 대해서, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.
도1은, 본 실시형태의 마이크로폰 유닛의 구성을 나타내는 개략적인 사시도이다. 도2는, 도1의 A-A위치에 있어서의 개략적인 단면도이다. 도1 및 도2에 나타난 바와 같이 본 실시형태의 마이크로폰 유닛(1)은, 케이싱(11)과, MEMS칩(Micro Electro Mechanical System Chip)(12)과, ASIC(Application Specific Integrated Circuit)(13)과, 회로기판(14)을 구비한다.
케이싱(11)은 대략 직육면체 형상으로 형성되어, 진동막(진동판)(122)을 포함하는 MEMS칩(12)과, ASIC(13)과, 회로기판(14)을 그 내부에 수용한다. 또, 케이싱(11)의 외형은 본 실시형태의 형상에 한정되지 않고, 예컨대 입방체라도 무방하고, 또한 직육면체나 입방체와 같은 육면체에 한정되지 않고, 육면체 이외의 다면체 구조나 다면체 이외의 구조(예컨대 구상구조, 반구모양 구조 등)이라도 무방하다.
케이싱(11)에는, 도1 및 도2에 나타난 바와 같이, 그 내부에 제1음유도공간(113)과 제2음유도공간(114)가 형성되어 있다. 제1음유도공간(113)과 제2음유도공간(114)은, 뒤에 자세히 설명하게 될 MEMS칩(12)에 구비된 진동막(122)에 의하여 분할되어 있다. 즉 제1음유도공간(113)은 진동막(122)의 상면(제1면)(122a)측과 접촉하고, 제2음유도공간(114)은 진동막(122)의 하면(제2면)(122b)측과 접촉한 상태로 되어 있다.
또한, 케이싱(11)의 상면(11a)에는 평면에서 볼 때 대략 원형모양의 제1음공(111)과 제2음공(112)이 형성되어 있다. 제1음공(111)은 제1음유도공간(113)과 이어지고 있어, 이에 따라 제1음유도공간(113)과 케이싱(11)의 외부공간은 이어진 상태로 되어 있다. 즉 케이싱(11)의 외부의 음(音)은, 제1음공(111)을 통하여 제1음유도공간(113)에 의해 진동막(122)의 상면(122a)으로 인도되도록 되어 있다.
또한 제2음공(112)은 제2음유도공간(114)과 이어지고 있어, 이에 따라 제2음유도공간(114)과 케이싱(11)의 외부공간은 이어진 상태로 되어 있다. 즉 케이싱(11)의 외부의 음은, 제2음공(112)을 통하여 제2음유도공간(114)에 의해 진동막(122)의 하면(122b)으로 인도되도록 되어 있다. 제1음공(111)으로부터 제1음유도공간(113)를 통하여 진동판(122)에 이르는 거리와, 제2음공(112)로부터 제2음유도공간(114)을 통하여 진동판(122)에 이르는 거리는 같도록 형성되어 있다.
또, 제1음공(111)과 제2음공(112)의 중심간 거리는 4∼6mm정도가 바람직하고, 더 구체적으로는 5mm정도가 바람직하다. 이렇게 구성함으로써, 제1음유도공간(113)를 통하여 진동판(122)의 상면(122a)에 이르는 음파와 제2음유도공간(114)을 통하여 진동판(122)의 하면(122b)에 이르는 음파의 음압차를 충분히 확보할 수 있음과 아울러, 위상왜곡(位相歪曲; phase distortion)에 의한 영향도 억제할 수 있게 된다.
또한, 본 실시형태에서는, 제1음공(111)과 제2음공(112)은 평면에서 볼 때 대략 원형모양을 하고 있지만, 이에 한정되지 않고 그 형상은 원형모양 이외라도 무방한데, 예컨대 사각형 모양 등이라도 무방하다. 또한, 본 실시형태에서는 제1음공(111)과 제2음공(112)이 각각 하나씩으로 구성되어 있지만, 이 구성에 한정되지 않고 각각의 수를 복수로 하더라도 무방하다.
또한, 본 실시형태에서는 제1음공(111)과 제2음공(112)을 케이싱(11)의 동일면(同一面)에 형성하고 있지만, 이 구성에 한정되지 않고 이들을 서로 다른 면에 형성해도 무방한데, 예컨대 이웃하는 면이나 대향(對向)하는 면에 형성하는 구성으로 하여도 무방하다. 다만 본 실시형태와 같이, 2개의 음공(111, 112)을 케이싱(11)의 동일면에 형성하는 편이, 본 실시형태의 마이크로폰 유닛(1)을 탑재하는 음성입력장치(예컨대 휴대전화 등)에 있어서의 사운드 패스(sound path; 音道)가 복잡하게 되지 않는 점에서 바람직하다.
도3은, 본 실시형태의 마이크로폰 유닛(1)이 구비하는 MEMS칩(12)의 구성을 나타내는 개략적인 단면도이다. 도3에 나타난 바와 같이 MEMS칩(12)은, 절연성의 베이스 기판(121)과, 진동막(122)과, 절연막(123)과, 고정전극(124)을 구비하여 콘덴서형의 마이크로폰을 형성하고 있다. 또, 이 MEMS칩(12)은 반도체제조 기술을 사용해서 제조된다.
베이스 기판(121)에는, 예컨대 평면에서 볼 때 대략 원형모양의 개구(121a)가 형성되고, 이에 따라 진동막(122)의 하부측에서 오는 음파가 진동막(122)에 도달하도록 되어 있다. 베이스 기판(121) 상에 형성되는 진동막(122)은 음파를 받아서 진동(상하방향으로 진동)하는 박막으로서, 도전성을 갖추고 전극의 일단을 형성하고 있다.
고정전극(124)은, 절연막(123)을 사이에 두고 진동막(122)과 대향하도록 배치되어 있다. 이에 따라 진동막(122)과 고정전극(124)은 용량(容量)을 형성한다. 또, 고정전극(124)에는 음파가 통과할 수 있도록 복수의 음공(124a)이 형성되어 있고, 진동막(122)의 상부측에서 오는 음파가 진동막(122)에 도달하도록 되어 있다.
이러한 MEMS칩(12)에 있어서는, MEMS칩(12)에 음파가 입사하면, 진동막(122)의 상면(122a)에 음압(pf), 하면(122b)에 음압(pb)가 각각 가해진다. 그 결과, 음압(pf)와 음압(pb)의 차이에 따라 진동막(122)이 진동해서 진동막(122)과 고정전극(124)과의 간격(Gp)이 변화되어, 진동막(122)과 고정전극(124) 사이의 정전용량이 변화된다. 즉 콘덴서형의 마이크로폰으로서 기능하는 MEMS칩(12)에 의하여, 입사한 음파를 전기신호로서 출력할 수 있게 되어 있다.
또, 본 실시형태에서는 진동막(122)쪽이 고정전극(124)보다 아래쪽으로 되어 있지만, 이와는 역의 관계(진동막이 위로, 고정 전극이 아래로 되는 관계)로 구성하더라도 상관없다.
도2에 나타난 바와 같이, 마이크로폰 유닛(1)에 있어서는 ASIC(13)은 제1음유도공간(113)에 배치된다. 도4는, 본 실시형태의 마이크로폰 유닛(1)이 구비하는 ASIC(13)의 회로구성을 설명하기 위한 도면이다. ASIC(13)은, 본 발명의 전기 회로부의 실시형태에서, MEMS칩(12)의 정전용량 변화에 의거하여 발생하는 전기신호를 신호증폭회로(133)에 의하여 증폭처리 하는 집적회로이다. 본 실시형태에 있어서는, MEMS칩(12)에 있어서의 정전용량의 변화를 정밀하게 취득할 수 있도록, 충전 펌프 회로(131)와 연산 증폭기(132)를 포함하는 구성을 하고 있다. 또한 신호증폭회로(133)의 증폭율(이득(gain))을 조정할 수 있도록 이득 조정 회로(134)를 포함하는 구성을 하고 있다. ASIC(13)에서 증폭처리된 전기신호는, 예컨대 마이크로폰 유닛(1)이 실장(탑재)된, 도시되지 않은 실장 기판의 음성처리부로 출력되어서 처리된다.
도2를 참조하면, 회로기판(14)은 MEMS칩(12) 및 ASIC(13)을 실장한 기판이다. 본 실시형태에 있어서는, MEMS칩(12) 및 ASIC(13)은 모두 플립칩(flip-chip) 실장되고, 회로기판(14)에 형성되는 배선 패턴에 의하여 양자는 전기적으로 접속되어 있다. 또, 본 실시형태에 있어서는, MEMS칩(12) 및 ASIC(13)을 플립칩 실장하는 구성으로 하고 있지만, 이 구성에 한정되지 않고, 예컨대 와이어 본딩(wire bonding)을 사용해서 실장하는 구성 등으로 하더라도 상관없다.
다음에 마이크로폰 유닛(1)의 동작에 대해서 설명한다.
동작 설명에 앞서, 도5를 참조해서 음파의 성질에 대해서 서술해 둔다. 도5에 나타난 바와 같이, 음파의 음압(음파의 진폭)은 음원으로부터의 거리에 반비례한다. 그리고 음압은 음원에 가까운 위치에서는 급격하게 감쇠하고, 음원으로부터 거리가 멀어질수록 완만하게 감쇠한다.
예컨대 마이크로폰 유닛(1)을 접화형 음성입력장치(接話型 音聲入力裝置; cross-talking voice input device)에 적용하는 경우에, 사용자의 음성은 마이크로폰 유닛(1)의 근방에서 발생한다. 그 때문에 사용자의 음성은 제1음공(111)과 제2음공(112)의 사이에서 크게 감쇠하고, 진동막(122)의 상면(122a)에 입사하는 음압과 진동막(122)의 하면(122b)에 입사하는 음압과의 사이에는 큰 차이가 나타난다.
한편 배경잡음 등의 잡음성분은, 사용자의 음성에 비하여 그 음원이 마이크로폰 유닛(1)으로부터 먼 위치에 존재한다. 그 때문에 잡음의 음압은 제1음공(111)과 제2음공(112)과의 사이에서 거의 감쇠하지 않고, 진동막(122)의 상면(122a)에 입사하는 음압과 진동막(122)의 하면(122b)에 입사하는 음압과의 사이에는 거의 차이가 나타나지 않는다.
마이크로폰 유닛(1)의 진동막(122)은, 제1음공(111)과 제2음공(112)에 동시에 입사하는 음파의 음압차에 의하여 진동한다. 상기한 바와 같이, 진동막(122)의 상면(122a)과 하면(122b)에 먼 곳으로부터 입사하는 잡음의 음압의 차이는 매우 작기 때문에, 진동막(122)에 의하여 소거된다. 이와 달리 진동막(122)의 상면(122a)과 하면(122b)에 근접 위치로부터 입사하는 사용자 음성의 음압의 차이는 크기 때문에, 사용자 음성은 진동막(122)에 의하여 소거되지 않고 진동막(122)을 진동시킨다.
따라서, 마이크로폰 유닛(1)에 의하면 진동막(122)은 사용자의 음성에 의해서만 진동하는 것으로 간주할 수 있다. 그 때문에 마이크로폰 유닛(1)의 ASIC(13)로부터 출력되는 전기신호는, 잡음(배경잡음 등)이 제거된 사용자 음성만을 나타내는 신호라고 간주할 수 있다. 즉, 본 실시형태의 마이크로폰 유닛(1)에 의하면 간단한 구성에 의하여 잡음이 제거된 사용자 음성만을 나타내는 전기신호를 취득할 수 있다.
그런데, 본 실시형태와 같이 마이크로폰 유닛(1)을 구성하면, 진동막(122)에 가해지는 음압은 2개의 음공(111, 112)으로부터 입력되는 음압의 차이가 된다. 이 때문에, 진동막(122)을 진동시키는 음압은 작아지게 되어, 추출되는 전기신호의 신호대 잡음비(SNR)가 열악해지기 쉽다. 이 점에서 본 실시형태의 마이크로폰 유닛(1)은 SNR을 향상시키도록 고안되어 있다. 이하 이에 대해서 설명한다.
도6은, 종래의 마이크로폰 유닛에 있어서의 진동막의 설계 방법에 대해 설명하기 위한 도면이다. 도6에 나타난 바와 같이, 마이크로폰 유닛이 구비하는 진동막의 공진 주파수는 진동막의 견고성(stiffness)에 의하여 변화되어, 견고성이 작아지도록 설계하면 진동막의 공진 주파수는 낮아진다. 반대로 견고성이 커지도록 설계하면 진동막의 공진 주파수는 높아진다.
종래에, 마이크로폰 유닛을 설계함에 있어서는, 진동막의 공진이 마이크로폰 유닛을 사용하는 주파수대역(사용 주파수대역)에 영향을 끼치지 않도록 진동막을 설계하였다. 구체적으로는, 진동막의 주파수특성에 대해서, 도6에 나타난 바와 같이 마이크로폰 유닛의 사용 주파수대역에서는 주파수변화에 대한 이득(gain)의 변화가 거의 일어나지 않도록, 즉 플랫 대역(flat band)이 되도록 진동막의 견고성을 설정하였다. 예컨대 사용 주파수대역이 100Hz∼10kHz일 경우, 진동막의 공진 주파수가 20kHz정도가 되도록 진동막의 견고성을 크게 설정하고 있었다.
또, 이렇게 진동막의 공진 주파수가 높아지도록 진동막의 견고성을 크게 설정하면 마이크로폰의 감도는 저하한다. 이 때문에, 본 실시형태와 같이 진동막(122)의 상면(122a)과 하면(122b)과의 음압차에 의하여 진동막(122)을 진동시키는 구성의 마이크로폰 유닛(1)에 있어서는, SNR이 열악해지기 쉬운 문제가 있었다.
그런데 마이크로폰 유닛(1)에 있어서, 제1음공(111)과 제2음공(112)과의 간격이 좁으면, 진동막(122)에 있어서의 차압(差壓; differential pressure)이 작아지므로 (도5의 Δp1과 Δp2 참조), 마이크로폰의 SNR을 향상시키기 위해서는 2개의 음공(111, 112)의 간격을 어느 정도 크게 할 필요가 있다.
한편 본 발명자들의 지금까지의 연구에 의하면 제1음공(111)과 제2음공(112)과의 간격을 지나치게 크게 할 경우에, 음파의 위상차에 의한 영향에 의하여 마이크로폰의 SNR이 저하됨을 알 수 있었다(예컨대 일본국 특허출원2007-98486참조). 이로부터, 본 발명자들은 제1음공(111)과 제2음공(112)과의 중심간 거리는 4mm이상 6mm이하로 설정하는 것이 바람직하고, 나아가 5mm정도로 설정하는 것이 더 바람직하다는 결론을 얻었다. 이렇게 구성함으로써 높은 SNR(예컨대 50dB이상)을 확보할 수 있는 마이크로폰 유닛이 얻어진다.
마이크로폰 유닛(1)에 있어서, 음향특성이 열악하게 되는 것을 억제하기 위해서 사운드 패스(sound path)의 단면적을 일정이상(예컨대 φ0.5mm정도의 원의 면적 상당) 확보할 필요가 있다. 그리고 상기한 바와 같이, 제1음공(111)과 제2음공(112)과의 간격을 4mm∼6mm정도로 설정하는 것을 고려하면, 제1음유도공간(113)과 제2음유도공간(114) 간의 용적(容積)은 큰 용적이 된다.
도7은, 음유도공간의 주파수특성에 대해서 설명하기 위한 도면이다. 도7에 나타난 바와 같이, 음유도공간의 공진 주파수는, 그 용적이 커지게 되면 낮아지고, 그 용적이 작아지게 되면 높아진다. 상기한 바와 같이, 본 실시형태의 마이크로폰 유닛은 음유도공간(113, 114)의 용적이 커지게 되는 경향이 있고, 음유도공간(113, 114)의 공진 주파수가 종래의 마이크로폰 유닛에 비해서 낮아지는 경향이 있다. 구체적으로는, 예컨대 10kHz 정도마다 음유도공간(113, 114)의 공진 주파수가 출현한다. 또, 제1음유도공간(113)과 제2음유도공간(114)의 주파수특성은 대략 동일하게(즉 양자의 공진 주파수도 대략 동일하게) 되도록 설계되어 있다. 제1음유도공간(113)과 제2음유도공간(114)과의 주파수특성은 반드시 대략 동일하지 않아도 되지만, 본 실시형태와 같이 양자의 주파수특성을 대략 동일하게 하면, 예컨대 음향저항 부재(音響抵抗部材) 등을 사용하지 않고도 높은 SNR을 갖는 마이크로폰 유닛을 쉽게 얻을 수 있어 편리하다.
도8은, 마이크로폰 유닛의 주파수특성에 대해서 설명하기 위한 도면이다. 도8에 있어서, (a)는 진동막의 주파수특성, (b)는 음유도공간의 주파수특성, (c)는 마이크로폰 유닛의 주파수특성을 나타내는 그래프다. 도8에 나타난 바와 같이 마이크로폰 유닛의 주파수특성은, 진동막의 주파수특성과 음유도공간의 주파수특성을 합친 것과 동등한 주파수특성을 나타낸다.
본 실시형태의 마이크로폰 유닛(1)에 있어서는, 상기한 바와 같이 음유도공간(113, 114)의 용적을 어느 정도 크게 해야한다. 이 때문에, 음유도공간(113, 114)의 공진 주파수가 높아지도록 설정하는 것에 의해 음유도공간(113, 114)의 공진이 상기 사용 주파수대역에 대하여 영향을 미치지 않게 하는 것은 쉽지 않다. 이 점을 고려하면, 진동막(122)의 공진 주파수를 높은 대역(예컨대 20kHz)으로 설정해서, 진동막의 공진이 상기의 사용 주파수대역에 대하여 영향을 미치지 않도록 하는 의미가 퇴색된다. 오히려, 진동막(122)의 공진 주파수를 음유도공간(113, 114)의 공진 주파수에 가깝게 하여 진동막(122)의 감도를 향상하는 편이, 마이크로폰 유닛(1)의 SNR의 향상에 유리할 수 있다.
본 실시형태의 마이크로폰 유닛(1)에 있어서는, 진동막(122)의 공진 주파수(fd)가, 제1음유도공간(113)의 공진 주파수(f1) 또는 제2음유도공간(114)의 공진 주파수(f2)로부터 ±4kHz의 범위 내로 설정되면, SNR이 양호하게 되는 것을 검토 결과 알았다. 이하, 이것에 대해서, 도9, 도10 및 도11을 참조하여 설명한다. 또, 상기한 바와 같이, 마이크로폰 유닛(1)에 있어서, 제1음유도공간(113)의 공진 주파수(f1)과 제2음유도공간(114)의 공진 주파수(f2)는 대략 동일하게 되도록 구성된다. 이 때문에, 이하에서는 특별히 필요치 않은 경우에는, 제1음유도공간(113)의 공진 주파수(f1)을 대표로 해서 설명한다.
도9는, 본 실시형태의 마이크로폰 유닛(1)에 있어서, 진동막(122)의 공진 주파수(fd)를 제1음유도공간(113)의 공진 주파수(f1)보다 대략 4kHz 높게 설정하였을 경우의 주파수특성을 나타내는 도면이다. 도10은, 본 실시형태의 마이크로폰 유닛(1)에 있어서, 진동막(122)의 공진 주파수(fd)를 제1음유도공간(113)의 공진 주파수(f1)과 대략 동일하게 설정하였을 경우의 주파수특성을 나타내는 도면이다. 도11은, 본 실시형태의 마이크로폰 유닛(1)에 있어서, 진동막(122)의 공진 주파수(fd)를 제1음유도공간(113)의 공진 주파수(f1)보다 대략 4kHz 낮게 설정하였을 경우의 주파수특성을 나타내는 도면이다. 도9∼11에 있어서, (a)는 진동막(122)의 주파수특성, (b)는 제1음유도공간(113)의 주파수특성, (c)는 마이크로폰 유닛(1)의 주파수특성을 나타낸다.
또, 제1음유도공간(113)의 공진 주파수(f1)은, 마이크로폰 유닛(1)의 SNR을 높게 하기 위해서는, 가능하면 높은 것이 바람직하다. 이 점을 고려하여, 도9∼11에 있어서는, 마이크로폰 유닛(1)의 음유도공간(113, 114)의 공진 주파수가 11kHz 근방(10Hz이상 12Hz이하)이 되도록 하고 있다.
도9에 나타난 바와 같이, 진동막(122)의 공진 주파수(fd)에 연유한 피크는 폭이 좁고(sharp), 제1음유도공간(113)의 공진 주파수(f1)에 연유한 피크는 폭이 넓다(broad). 이 때문에, 진동막(122)의 공진 주파수(fd)를 제1음유도공간(113)의 공진 주파수(f1)로부터 대략 4kHz 높은 주파수까지 근접시켜도 저주파수측의 마이크로폰 유닛(1)의 주파수특성은 거의 영향을 받지 않는다.
구체적으로는, 도9에 있어서, 진동막(122)의 공진 주파수(fd)를 낮춰서 감도를 향상했는데도 불구하고 10kHz근방에서 마이크로폰 유닛(1)의 주파수특성이 거의 변동하지 않고 있는 것을 알 수 있다. 즉, 예컨대 마이크로폰 유닛(1)에 있어서 사용 주파수대역의 높은 대역측의 상한이 10kHz인 경우에는, 사용 주파수대역에 있어서의 마이크로폰 유닛(1)의 특성을 유지하면서 종래에 비하여 진동막(122)의 감도를 향상시킬 수 있다.
상기한 바와 같이, 마이크로폰 유닛(1)에 있어서는 음유도공간(113, 114)의 공진 주파수를 높게 할 수 없기 때문에, 진동막(122)의 공진 주파수를 높게 설정할 필요가 없다. 여기서 견고성을 낮춤으로써(공진 주파수를 낮추는 것을 의미함), 진동막(122)의 감도를 높여서 SNR을 향상하게끔 하고 있다. 진동막(122)의 감도를 높여서 SNR을 향상시키는 측면에서는 진동막(122)의 공진 주파수(fd)는 낮을수록 더 좋다. 그러나 진동막(122)의 공진 주파수(fd)를 지나치게 낮추면 상기의 플랫 대역(예컨대 도6참조)이 좁아져 SNR이 저하되는 경우가 있다. 즉 진동막(122)의 공진 주파수(fd)를 내린다 하더라도 그 하한(下限)이 있다.
도10을 참조하여, 진동막(122)의 공진 주파수(fd)와 제1음유도공간(113)의 공진 주파수(f1)를 대략 동일하게 하면, 마이크로폰 유닛(1)의 주파수특성은 7kHz를 넘는 부근부터 진동막(122)의 공진 주파수(fd)를 내린 것에 의한 영향이 나타나기 시작한다. 마이크로폰 유닛(1)의 사용 주파수대역의 상한이 10kHz일 경우 10kHz근방에서의 영향은 다소 있지만, 진동막(122)의 감도를 높인 것에 의한 SNR의 향상효과와의 균형에 의해, 이러한 설계 역시 가능하다.
또한 현재의 휴대전화기의 음성대역의 상한은 3.4kHz이다. 이 경우, 진동막(122)의 공진 주파수(fd)와 제1음유도공간(113)의 공진 주파수(f1)를 대략 동일하게 할 경우, 사용 주파수대역에 있어서의 마이크로폰 유닛(1)의 특성을 유지하면서 종래에 비하여 진동막(122)의 감도를 향상시킬 수 있다.
그리고, 현재의 휴대전화기의 음성대역을 고려해서 진동막(122)의 공진 주파수(fd)를 어디까지 낮출 것인지를 추가로 검토한 결과가 도11에 나타난 결과이다. 현재의 휴대전화기를 고려하였을 경우, 사용 음성대역의 상한인 3.4kHz의 주파수특성으로서, 1kHz의 출력에 대하여 ±3dB 이내일 것이 요구된다. 이런 점에서, 진동막(122)의 공진 주파수(fd)를 제1음유도공간(113)의 공진 주파수(f1)보다 4kHz정도까지 내려도 상기의 요구를 만족시키는 것을 알았다. 그리고 이 경우, 진동막(122)의 공진 주파수(fd)를 7kHz정도까지 낮출 수 있어, 진동막(122)의 감도향상에 의한 SNR의 향상을 기대할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시형태의 마이크로폰 유닛(1)에 있어서는, 진동막(122)의 공진 주파수(fd)가 제1음유도공간(113)의 공진 주파수(f1)(또는 제2음유도공간(114)의 공진 주파수(f2))로부터 ±4kHz의 범위 내에 있으면, 마이크로폰 유닛(1)을 음성입력장치에 적용하였을 경우에 SNR의 향상을 기대할 수 있다.
본 실시형태의 마이크로폰 유닛(1)의 진동막(122)은, 예컨대 실리콘에 의하여 형성할 수 있다. 다만 진동막(122)을 형성하는 재료를 실리콘에 한정하지는 않는다. 진동막(122)을 실리콘에 의하여 형성하는 경우에 있어서의 바람직한 설계 조건에 대해서 설명해 둔다. 또, 설정조건의 도출에 있어서는, 도12와 같이 진동막(122)을 모델화한다.
진동막(122)의 공진 주파수(fd)(Hz)는, 진동막(122)의 견고성을 Sm(N/m), 진동막(122)의 질량을 Mm(kg)이라고 할 경우, 이하의 수학식(1)로 나타내진다.
[수학식(1)]
Figure pct00001
또한 진동막(122)의 견고성Sm과, 진동막(122)의 질량Mm은, 각각 이하의 수학식(2), (3)과 같이 나타낸다(비특허문헌1참조). 여기서 E:진동막(122)의 영률(Young's modulus)(Pa), ρ:진동막(122)의 밀도(kg/m3), ν:진동막(122)의 포아송(poisson)비, a:진동막의 반경(m), t:진동막(122)의 두께(m)이다.
[수학식(2)]
Figure pct00002
[수학식(3)]
Figure pct00003
[비특허문헌1] Jen-Yi Chen, Yu-Chun Hsu1, Tamal Mukherjee, Gray K.Fedder,"MODELING AND SIMULATION OF A CONDENSER MICROPHONE", Proc.Transducers'07, LYON,FRANCE, vol.1, pp.1299-1302, 2007.
수학식(1)에 수학식(2), (3)을 대입하여 진동막(122)의 공진 주파수(fd)를 다음의 수학식(4)와 같이 나타낸다.
[수학식(4)]
Figure pct00004
상기한 바와 같이, 진동막(122)의 공진 주파수(fd)는, 제1음유도공간(113)의 공진 주파수(f1)로부터 ±4kHz 범위인 것이 바람직하다. 그리고 제1음유도공간(113)의 바람직한 공진 주파수(f1)을 11kHz로 하면, 진동막(122)의 공진 주파수(fd)는 이하의 수학식(5)을 만족시키는 것이 바람직하다.
[수학식(5)]
Figure pct00005
수학식(5)에 실리콘의 재료특성으로서, E=190(Gpa), ν=0.27, ρ=2330(kg/m3)을 대입하면, 이하의 수학식(6)이 얻어진다.
[수학식(6)]
Figure pct00006
즉, 본 실시형태의 마이크로폰 유닛(1)에 있어서 진동막(122)의 재질로서 실리콘을 선택하는 경우에는, 수학식(6)을 만족시키도록 진동막(122)의 반경a와 두께t를 설정하면, 높은 SNR을 확보할 수 있는 고성능의 마이크로폰 유닛(1)을 얻을 수 있다.
이상으로 나타낸 실시형태는 일례이며, 본 발명의 마이크로폰 유닛은 이상으로 나타낸 실시형태의 구성에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 목적을 일탈하지 않는 범위에서 이상 나타낸 실시형태의 구성에 대해 여러 가지 변경을 하여도 상관없다.
예컨대 이상에 나타난 실시형태에서는, 진동막(122)(진동판)이 케이싱(11)의 음공(111, 112)이 형성되는 면(11a)과 평행하게 배치되는 구성으로 했다. 그러나 이 구성에 한정되지 않고, 진동판을 케이싱의 음공이 형성되는 면에 대하여 평행하지 않은 구성으로 하더라도 상관없다.
또한 이상으로 나타낸 마이크로폰 유닛(1)에 있어서는 진동판을 구비하는 마이크로폰(MEMS칩(12)이 해당)의 구성으로서, 소위 콘덴서형 마이크로폰을 채용했다. 그러나 본 발명은, 진동판을 구비하는 마이크로폰의 구성으로서, 콘덴서형 마이크로폰 이외의 구성을 채용한 마이크로폰 유닛에도 적용할 수 있다. 진동판을 구비하는 콘덴서형 마이크로폰 이외의 구성으로서, 예컨대 다이나믹형(動電型), 마그네틱형(電磁型), 압전형(壓電型) 등의 마이크로폰 등을 예로 들 수 있다.
본 발명의 마이크로폰 유닛은, 예컨대 휴대전화나 트랜시버 등의 음성통신 기기, 음성인증 시스템 등의 입력된 음성을 해석하는 기술을 이용한 정보처리시스템, 녹음기기 등에 적용될 수 있다.
1 : 마이크로폰 유닛
11 : 케이싱
12 : MEMS칩
13 : ASIC(전기 회로부)
111 : 제1음공
112 : 제2음공
113 : 제1음유도공간
114 : 제2음유도공간
122 : 진동막(진동판)
(122a) : 진동막의 상면(진동판의 제1면)
(122b) : 진동막의 하면(진동판의 제2면)

Claims (5)

  1. 케이싱(casing)과,
    상기 케이싱의 내부에 배치되는 진동판(振動板)과,
    상기 진동판의 진동에 의거하여 발생하는 전기신호를 처리하는 전기 회로부(電氣回路部)를
    구비하는 마이크로폰 유닛에 있어서,
    상기 케이싱에는, 제1음공(音孔)을 통하여 상기 케이싱 외부의 음을 상기 진동판의 제1면으로 인도하는 제1음유도공간과, 제2음공을 통하여 상기 케이싱 외부의 음을 상기 진동판의 상기 제1면의 이면(裏面)인 제2면으로 인도하는 제2음유도공간이 형성되고,
    상기 진동판의 공진 주파수가, 상기 제1음유도공간 및 상기 제2음유도공간 중 적어도 일방의 공진 주파수를 기준으로 하여 ±4kHz의 범위 내에 설정된 마이크로폰 유닛.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1음공과 상기 제2음공은 동일면 내에 형성되고, 상기 제1음공과 상기 제2음공의 중심간 거리가 4mm이상 6mm이하인 마이크로폰 유닛.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1음유도공간의 공진 주파수와 상기 제2음유도공간의 공진 주파수는 동일한 마이크로폰 유닛.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1음유도공간 및 상기 제2음유도공간 중 적어도 일방의 공진 주파수는 10kHz이상 12kHz이하인 마이크로폰 유닛.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 진동판의 공진 주파수가, 상기 제1음유도공간 및 상기 제2음유도공간 중 적어도 일방의 공진 주파수와 동일하게 설정된 마이크로폰 유닛.
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