WO2010064704A1 - マイクロホンユニット - Google Patents

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WO2010064704A1
WO2010064704A1 PCT/JP2009/070388 JP2009070388W WO2010064704A1 WO 2010064704 A1 WO2010064704 A1 WO 2010064704A1 JP 2009070388 W JP2009070388 W JP 2009070388W WO 2010064704 A1 WO2010064704 A1 WO 2010064704A1
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WO
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sound
diaphragm
microphone unit
resonance frequency
introduction space
Prior art date
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PCT/JP2009/070388
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English (en)
French (fr)
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史記 田中
堀邊　隆介
岳司 猪田
雅敏 小野
陸男 高野
敏美 福岡
Original Assignee
船井電機株式会社
船井電機新応用技術研究所
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Publication date
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/20—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics
    • H04R1/32—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only
    • H04R1/34—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only by using a single transducer with sound reflecting, diffracting, directing or guiding means
    • H04R1/38—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only by using a single transducer with sound reflecting, diffracting, directing or guiding means in which sound waves act upon both sides of a diaphragm and incorporating acoustic phase-shifting means, e.g. pressure-gradient microphone
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00—Electrostatic transducers
    • H04R19/04—Microphones
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2499/00—Aspects covered by H04R or H04S not otherwise provided for in their subgroups
    • H04R2499/10—General applications
    • H04R2499/11—Transducers incorporated or for use in hand-held devices, e.g. mobile phones, PDA's, camera's

Definitions

  • the present invention relates to a microphone unit that converts an input sound into an electric signal.
  • the microphone unit is formed so that sound pressure is applied to both surfaces (front and rear surfaces) of the diaphragm, and uses vibration of the diaphragm based on the sound pressure difference.
  • the present invention relates to a configuration of a microphone unit that converts input sound into an electric signal.
  • a microphone unit is provided in a voice communication device such as a mobile phone or a transceiver, an information processing system using a technique for analyzing input voice such as a voice authentication system, or a recording device.
  • a voice communication device such as a mobile phone or a transceiver
  • an information processing system using a technique for analyzing input voice such as a voice authentication system, or a recording device.
  • a microphone unit directivity As a technique for removing only noise and collecting only the target voice in a usage environment where noise exists, giving a microphone unit directivity can be mentioned.
  • a microphone unit having directivity a microphone unit that is formed so that sound pressure is applied to both surfaces of a diaphragm (diaphragm) and that converts input sound into an electrical signal using vibration of the diaphragm based on the sound pressure difference is provided. Conventionally known (see, for example, Patent Document 1).
  • the microphone unit which is formed so that sound pressure is applied to both surfaces of the diaphragm and converts the input sound into an electrical signal using the vibration of the diaphragm based on the sound pressure difference, applies sound pressure only to one surface of the diaphragm. Therefore, the displacement due to vibration of the diaphragm is smaller than that of the microphone unit that vibrates the diaphragm. For this reason, the microphone unit formed so that sound pressure is applied to both surfaces of the diaphragm described above may not be able to obtain a desired SNR (Signal to Noise Ratio), and can be improved to ensure a high SNR. It was sought after.
  • SNR Synignal to Noise Ratio
  • an object of the present invention is a microphone unit which is formed so that sound pressure is applied to both surfaces of a diaphragm and converts input sound into an electric signal using vibration of the diaphragm based on the sound pressure difference, and has a high SNR. It is to provide a high-performance microphone unit that can ensure the above.
  • a microphone unit of the present invention includes a housing, a diaphragm disposed inside the housing, and an electric circuit unit that processes an electric signal generated based on vibration of the diaphragm.
  • a second sound introduction space that guides sound outside the housing to a second surface that is the back surface of the first surface of the diaphragm through a hole, and a resonance frequency of the diaphragm is It is set within a range of ⁇ 4 kHz with respect to at least one resonance frequency of the first sound guide space and the second sound guide space.
  • the microphone unit of this configuration is formed so that sound pressure is applied to both surfaces of the diaphragm, and is configured to convert the input sound into an electrical signal using the vibration of the diaphragm based on the sound pressure difference.
  • the sound pressure exerted by the sound wave from the first sound hole on the diaphragm and the sound pressure exerted by the sound wave from the second sound hole on the diaphragm are: It is necessary to increase the sound pressure difference. In this case, the space between the first sound hole and the second sound hole must be increased to increase the volume of the first sound introduction space and the second sound introduction space. The resonance frequency cannot be sufficiently high.
  • the resonance frequency of the diaphragm is lowered by the idea of reversing the conventional method. It is configured to be close to the resonance frequency. For this reason, according to this configuration, it is possible to provide a high-performance microphone unit that can increase the sensitivity by lowering the stiffness of the diaphragm and ensure a high SNR.
  • the first sound hole and the second sound hole are formed in the same plane, and the distance between the centers of the first sound hole and the second sound hole is 4 mm or more and 6 mm or less. Is preferred.
  • the resonance frequencies of the first sound introduction space and the second sound introduction space are substantially the same. With this configuration, it is easy to obtain a microphone unit with a high SNR.
  • the resonance frequency of at least one of the first sound guide space and the second sound guide space is 10 kHz or more and 12 kHz or less. This configuration is preferable because the adverse effect on the frequency characteristics of the microphone unit due to resonance of the sound guide space can be suppressed as much as possible.
  • the resonance frequency of the diaphragm may be set to be substantially the same as the resonance frequency of at least one of the first sound introduction space and the second sound introduction space.
  • a high SNR is ensured for a microphone unit that is formed so that sound pressure is applied to both surfaces of a diaphragm and that converts input sound into an electrical signal using vibration of the diaphragm based on the sound pressure difference.
  • a high-performance microphone unit can be provided.
  • the schematic perspective view which shows the structure of the microphone unit of this embodiment.
  • Schematic cross-sectional view at the AA position in FIG. Schematic sectional view showing the configuration of a MEMS chip provided in the microphone unit of the present embodiment
  • Diagram for explaining the attenuation characteristics of sound waves The figure for demonstrating the design method of the diaphragm in the conventional microphone unit Diagram for explaining frequency characteristics of sound guide space
  • the figure for explaining the frequency characteristic of the microphone unit The figure which shows the frequency characteristic at the time of setting the resonance frequency fd of a diaphragm to about 4 kHz higher than the resonance frequency f1 of 1st sound introduction space in the microphone unit of this embodiment.
  • the figure which shows the frequency characteristic at the time of setting the resonance frequency fd of a diaphragm to the resonance frequency f1 of 1st sound introduction space in the microphone unit of this embodiment substantially the same.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view showing the configuration of the microphone unit of the present embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view at the position AA in FIG.
  • the microphone unit 1 of the present embodiment includes a housing 11, a MEMS (Micro Electro Mechanical System) chip 12, an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) 13, a circuit board 14, Is provided.
  • MEMS Micro Electro Mechanical System
  • ASIC Application Specific Integrated Circuit
  • the housing 11 is formed in a substantially rectangular parallelepiped shape, and accommodates the MEMS chip 12 including the diaphragm (diaphragm) 122, the ASIC 13, and the circuit board 14 therein.
  • the outer shape of the housing 11 is not limited to the shape of the present embodiment, and may be, for example, a cube, and is not limited to a hexahedron such as a rectangular parallelepiped or a cube, but a polyhedral structure other than a hexahedron or other than a polyhedron. (For example, a spherical structure, a hemispherical structure, etc.).
  • the housing 11 has a first sound introduction space 113 and a second sound introduction space 114 formed therein.
  • the first sound guide space 113 and the second sound guide space 114 are divided by a diaphragm 122 included in the MEMS chip 12 described later in detail. That is, the first sound introduction space 113 is in contact with the upper surface (first surface) 122a side of the vibration membrane 122, and the second sound introduction space 114 is in contact with the lower surface (second surface) 122b side of the vibration membrane 122. It has become.
  • a first sound hole 111 and a second sound hole 112 having a substantially circular shape in plan view are formed on the upper surface 11a of the housing 11.
  • the first sound hole 111 is connected to the first sound guide space 113, so that the first sound guide space 113 and the external space of the housing 11 are connected. That is, sound outside the housing 11 is guided to the upper surface 122 a of the vibrating membrane 122 by the first sound introduction space 113 through the first sound hole 111.
  • the second sound hole 112 is connected to the second sound guide space 114, whereby the second sound guide space 114 and the external space of the housing 11 are connected. That is, sound outside the housing 11 is guided to the lower surface 122 b of the diaphragm 122 by the second sound introduction space 114 through the second sound hole 112.
  • the distance from the first sound hole 111 to the diaphragm 122 through the first sound guide space 113 is equal to the distance from the second sound hole 112 to the diaphragm 122 through the second sound guide space 114. Yes.
  • the center-to-center distance between the first sound hole 111 and the second sound hole 112 is preferably about 4 to 6 mm, and more preferably about 5 mm.
  • the first sound hole 111 and the second sound hole 112 have a substantially circular shape in plan view.
  • the shape is not limited to this, and the shape may be other than a circular shape, for example, a rectangular shape. Etc.
  • the first sound hole 111 and the second sound hole 112 are each one, but the present invention is not limited to this configuration, and the number of each may be plural.
  • the first sound hole 111 and the second sound hole 112 are formed on the same surface of the housing 11, but the present invention is not limited to this configuration, and the first sound hole 111 and the second sound hole 112 may be formed on different surfaces. For example, it is good also as a structure formed in an adjacent surface and the surface which opposes.
  • the sound path in the voice input device for example, a mobile phone or the like
  • the microphone unit 1 of the present embodiment is such that the two sound holes 111 and 112 are formed on the same surface of the housing 11 as in the present embodiment. Is preferable in that it is not complicated.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the MEMS chip 12 included in the microphone unit 1 of the present embodiment.
  • the MEMS chip 12 includes an insulating base substrate 121, a vibration film 122, an insulating film 123, and a fixed electrode 124, and forms a capacitor type microphone.
  • the MEMS chip 12 is manufactured using a semiconductor manufacturing technique.
  • an opening 121 a having a substantially circular shape in plan view is formed in the base substrate 121, so that sound waves coming from the lower side of the vibration film 122 reach the vibration film 122.
  • the vibration film 122 formed on the base substrate 121 is a thin film that vibrates (vibrates in the vertical direction) in response to sound waves, has conductivity, and forms one end of the electrode.
  • the fixed electrode 124 is disposed so as to face the vibration film 122 with the insulating film 123 interposed therebetween. Thereby, the vibrating membrane 122 and the fixed electrode 124 form a capacitance. Note that a plurality of sound holes 124 a are formed in the fixed electrode 124 so that sound waves can pass, and sound waves coming from the upper side of the vibration film 122 reach the vibration film 122.
  • the vibrating membrane 122 is below the fixed electrode 124, but is configured to have an opposite relationship (relationship in which the vibrating membrane is above and the fixed electrode is below). It doesn't matter.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a circuit configuration of the ASIC 13 provided in the microphone unit 1 of the present embodiment.
  • the ASIC 13 is an embodiment of the electric circuit unit of the present invention, and is an integrated circuit that amplifies the electric signal generated based on the change in capacitance in the MEMS chip 12 by the signal amplifying circuit 133.
  • the charge pump circuit 131 and the operational amplifier 132 are included so that a change in capacitance in the MEMS chip 12 can be accurately obtained.
  • the gain adjustment circuit 134 is included so that the gain (gain) of the signal amplification circuit 133 can be adjusted.
  • the electrical signal amplified by the ASIC 13 is output to a sound processing unit on a mounting board (not shown) on which the microphone unit 1 is mounted, for example, and processed.
  • the circuit board 14 is a board on which the MEMS chip 12 and the ASIC 13 are mounted.
  • the MEMS chip 12 and the ASIC 13 are both flip-chip mounted, and both are electrically connected by a wiring pattern formed on the circuit board 14.
  • the MEMS chip 12 and the ASIC 13 are flip-chip mounted.
  • the present invention is not limited to this configuration, and may be mounted using, for example, wire bonding.
  • the sound pressure of sound waves (the amplitude of sound waves) is inversely proportional to the distance from the sound source.
  • the sound pressure attenuates rapidly at a position close to the sound source, and gradually decreases as the distance from the sound source increases.
  • the microphone unit 1 when the microphone unit 1 is applied to a close-talking voice input device, the user's voice is generated in the vicinity of the microphone unit 1. Therefore, the user's voice is greatly attenuated between the first sound hole 111 and the second sound hole 112, and the sound pressure incident on the upper surface 122 a of the vibration film 122 and the sound pressure incident on the lower surface 122 b of the vibration film 122. A big difference appears between and.
  • noise components such as background noise exist at a position where the sound source is farther from the microphone unit 1 than the user's voice. Therefore, the sound pressure of noise is hardly attenuated between the first sound hole 111 and the second sound hole 112, and is incident on the lower surface 122b of the vibration film 122 and the sound pressure incident on the upper surface 122a of the vibration film 122. There is almost no difference between sound pressure.
  • the vibrating membrane 122 of the microphone unit 1 vibrates due to a difference in sound pressure between sound waves that are simultaneously incident on the first sound hole 111 and the second sound hole 112.
  • the difference in sound pressure of noise incident on the upper surface 122a and the lower surface 122b of the vibration film 122 from a distance is very small, it is canceled out by the vibration film 122.
  • the difference in sound pressure between user sounds incident on the upper surface 122 a and the lower surface 122 b of the vibration film 122 from a close position is large, the user sound does not cancel the vibration film 122 and vibrates the vibration film 122.
  • the microphone unit 1 it can be considered that the vibrating membrane 122 is vibrating only by the user's voice. Therefore, the electrical signal output from the ASIC 13 of the microphone unit 1 can be regarded as a signal indicating only the user voice from which noise (background noise or the like) has been removed. That is, according to the microphone unit 1 of the present embodiment, it is possible to acquire an electrical signal indicating only the user voice from which noise has been removed with a simple configuration.
  • the microphone unit 1 when the microphone unit 1 is configured as in the present embodiment, the sound pressure applied to the diaphragm 122 is the difference between the sound pressures input from the two sound holes 111 and 112. For this reason, the sound pressure that vibrates the vibrating membrane 122 becomes small, and the SNR of the extracted electrical signal tends to deteriorate.
  • the microphone unit 1 of the present embodiment is devised to improve the SNR. This will be described below.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining a method for designing a diaphragm in a conventional microphone unit.
  • the resonance frequency of the diaphragm provided in the microphone unit varies depending on the stiffness of the diaphragm, and the resonance frequency of the diaphragm is lowered when designed so as to reduce the stiffness.
  • the stiffness is designed to be large, the resonance frequency of the diaphragm is increased.
  • the diaphragm has been designed so that the resonance of the diaphragm does not affect the frequency band in which the microphone unit is used (the frequency band used).
  • the stiffness of the diaphragm is set so that there is almost no gain change (flat band) with respect to the frequency change in the use frequency band of the microphone unit as shown in FIG. It was.
  • the stiffness of the diaphragm is set large so that the resonance frequency of the diaphragm is about 20 kHz.
  • the microphone unit 1 configured to vibrate the vibrating membrane 122 by the sound pressure difference between the upper surface 122a and the lower surface 122b of the vibrating membrane 122 as in the present embodiment has a problem that the SNR tends to deteriorate.
  • the differential pressure in the vibration membrane 122 becomes small (see ⁇ p 1 and ⁇ p 2 in FIG. 5), so that the SNR of the microphone is improved.
  • the interval between the two sound holes 111 and 112 needs to be increased to some extent.
  • the present inventors desirably set the center-to-center distance between the first sound hole 111 and the second sound hole 112 to 4 mm or more and 6 mm or less, and more preferably to about 5 mm. The conclusion is more desirable. With such a configuration, a microphone unit that can ensure a high SNR (for example, 50 dB or more) can be obtained.
  • a cross-sectional area of the sound path it is necessary to secure a cross-sectional area of the sound path to be equal to or larger than a certain value (for example, an area equivalent to a circle of about ⁇ 0.5 mm) in order to suppress deterioration of acoustic characteristics.
  • a certain value for example, an area equivalent to a circle of about ⁇ 0.5 mm
  • the volume of the first sound introduction space 113 and the second sound introduction space 114 is set. Will be big.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the frequency characteristics of the sound guide space.
  • the resonance frequency of the sound guide space decreases as the volume increases, and increases as the volume decreases.
  • the microphone unit of the present embodiment tends to increase the volume of the sound guide spaces 113 and 114, and the resonance frequency of the sound guide spaces 113 and 114 tends to be lower than that of the conventional microphone unit.
  • the resonance frequency of the sound guide spaces 113 and 114 appears at about 10 kHz.
  • the frequency characteristics of the first sound introduction space 113 and the second sound introduction space 114 are designed to be substantially the same (that is, the resonance frequencies of both are also substantially the same).
  • the frequency characteristics of the first sound introduction space 113 and the second sound introduction space 114 do not necessarily have to be substantially the same. However, if the frequency characteristics of both are substantially the same as in the present embodiment, for example, an acoustic resistance member or the like It is easy to obtain a microphone unit having a high SNR without using the.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining the frequency characteristics of the microphone unit.
  • 8A is a graph showing the frequency characteristics of the diaphragm
  • FIG. 8B is the frequency characteristics of the sound guide space
  • FIG. 8C is a graph showing the frequency characteristics of the microphone unit.
  • the frequency characteristic of the microphone unit shows a frequency characteristic equivalent to a frequency characteristic obtained by combining the frequency characteristic of the diaphragm and the frequency characteristic of the sound guide space.
  • the volume of the sound guide spaces 113 and 114 must be increased to some extent as described above. For this reason, it is difficult to set the resonance frequency of the sound guide spaces 113 and 114 to be high so that the resonance of the sound guide spaces 113 and 114 does not affect the above-described use frequency band. Considering this point, it is less meaningful to set the resonance frequency of the vibration film 122 to a high frequency (for example, 20 kHz) so that the resonance of the vibration film does not affect the above-described use frequency band. Rather, it is advantageous to improve the SNR of the microphone unit 1 by improving the sensitivity of the diaphragm 122 by bringing the resonance frequency of the diaphragm 122 close to the resonance frequency of the sound guide spaces 113 and 114.
  • the resonance frequency fd of the diaphragm 122 is set within a range of ⁇ 4 kHz from the resonance frequency f1 of the first sound guide space 113 or the resonance frequency f2 of the second sound guide space 114.
  • the SNR was good.
  • the microphone unit 1 is configured such that the resonance frequency f1 of the first sound guide space 113 and the resonance frequency f2 of the second sound guide space 114 are substantially the same. For this reason, in the following description, the resonance frequency f1 of the first sound guide space 113 will be representatively described unless particularly necessary.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating frequency characteristics when the resonance frequency fd of the vibration film 122 is set to be approximately 4 kHz higher than the resonance frequency f1 of the first sound guide space 113 in the microphone unit 1 of the present embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram showing frequency characteristics when the resonance frequency fd of the vibrating membrane 122 is set to be approximately the same as the resonance frequency f1 of the first sound guide space 113 in the microphone unit 1 of the present embodiment.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating frequency characteristics when the resonance frequency fd of the vibrating membrane 122 is set to be approximately 4 kHz lower than the resonance frequency f1 of the first sound guide space 113 in the microphone unit 1 of the present embodiment. 9 to 11, (a) shows the frequency characteristic of the diaphragm 122, (b) shows the frequency characteristic of the first sound guide space 113, and (c) shows the frequency characteristic of the microphone unit 1.
  • the resonance frequency f1 of the first sound guide space 113 is desirably as high as possible in order to increase the SNR of the microphone unit 1.
  • the resonance frequency of the sound guide spaces 113 and 114 of the microphone unit 1 is set to be close to 11 kHz (10 Hz to 12 Hz).
  • the peak derived from the resonance frequency fd of the diaphragm 122 is sharp, and the peak derived from the resonance frequency f1 of the first sound guide space 113 is broad. For this reason, even if the resonance frequency fd of the vibrating membrane 122 is brought close to a frequency approximately 4 kHz higher than the resonance frequency f1 of the first sound guide space 113, the frequency characteristics of the microphone unit 1 on the low frequency side are hardly affected.
  • the frequency characteristic of the microphone unit 1 hardly fluctuates in the vicinity of 10 kHz, although the sensitivity is improved by lowering the resonance frequency fd of the diaphragm 122. That is, for example, when the upper limit on the high frequency side of the use frequency band in the microphone unit 1 is 10 kHz, the sensitivity of the diaphragm 122 is improved compared to the conventional one while maintaining the characteristics of the microphone unit 1 in the use frequency band. it can.
  • the resonance frequency fd of the diaphragm 122 has never been low. However, if the resonance frequency fd of the diaphragm 122 is lowered too much, the above-described flat band (see, for example, FIG. 6) becomes narrow, and the SNR may be lowered. That is, there is a lower limit even if the resonance frequency fd of the vibration film 122 is lowered.
  • the frequency characteristic of the microphone unit 1 is the resonance of the vibration film 122 from around 7 kHz.
  • the effect of lowering the frequency fd begins to appear.
  • the upper limit of the use frequency band of the microphone unit 1 is 10 kHz, there is some influence in the vicinity of 10 kHz, but such a design is possible in balance with the effect of improving the SNR by increasing the sensitivity of the diaphragm 122. is there.
  • the upper limit of the voice band of the current mobile phone is 3.4 kHz.
  • the resonance frequency fd of the vibration film 122 and the resonance frequency f1 of the first sound guide space 113 are substantially the same, the characteristics of the microphone unit 1 in the use frequency band are maintained and the vibration film 122 is compared with the conventional one. It can be said that the sensitivity of can be improved.
  • FIG. 11 shows the result of further examination on how far the resonance frequency fd of the diaphragm 122 is lowered in consideration of the voice band of the current mobile phone.
  • the frequency characteristic of 3.4 kHz that is the upper limit of the used voice band is required to be within ⁇ 3 dB with respect to the output of 1 kHz.
  • the resonance frequency fd of the vibration film 122 is lowered to about 4 kHz from the resonance frequency f1 of the first sound guide space 113.
  • the resonance frequency fd of the diaphragm 122 can be lowered to about 7 kHz, and an improvement in SNR due to an improvement in sensitivity of the diaphragm 122 can be expected.
  • the resonance frequency fd of the vibration film 122 is ⁇ 4 kHz from the resonance frequency f1 of the first sound guide space 113 (or the resonance frequency f2 of the second sound guide space 114). If it is within the range, it can be said that an improvement in SNR can be expected when the microphone unit 1 is applied to an audio input device.
  • the vibrating membrane 122 of the microphone unit 1 of the present embodiment can be formed of silicon, for example.
  • the material for forming the vibration film 122 is not limited to silicon. A desirable design condition when the vibration film 122 is formed of silicon will be described. Note that the diaphragm 122 is modeled as shown in FIG.
  • the resonance frequency fd (Hz) of the vibrating membrane 122 is expressed by the following formula (1) when the stiffness of the vibrating membrane 122 is Sm (N / m) and the mass of the vibrating membrane 122 is Mm (kg). .
  • the stiffness Sm of the vibration film 122 and the mass Mm of the vibration film 122 are expressed by the following equations (2) and (3), respectively (see Non-Patent Document 1).
  • E Young's modulus (Pa) of the vibrating membrane 122
  • ⁇ density (kg / m 3 ) of the vibrating membrane 122
  • ⁇ Poisson's ratio of the vibrating membrane 122
  • a radius (m) of the vibrating membrane
  • t This is the thickness (m) of the vibrating membrane 122.
  • the resonance frequency fd of the vibration film 122 is expressed as the following equation (4).
  • the resonance frequency fd of the vibrating membrane 122 is preferably ⁇ 4 kHz from the resonance frequency f1 of the first sound guide space 113. If the desired resonance frequency f1 of the first sound guide space 113 is 11 kHz, it is desirable that the resonance frequency fd of the diaphragm 122 satisfies the following formula (5).
  • a high SNR can be obtained by setting the radius a and the thickness t of the diaphragm 122 so as to satisfy Equation (6).
  • a high-performance microphone unit 1 that can be secured can be obtained.
  • the embodiment described above is an example, and the microphone unit of the present invention is not limited to the configuration of the embodiment described above. Various modifications may be made to the configuration of the embodiment described above without departing from the object of the present invention.
  • the diaphragm 122 (diaphragm) is arranged in parallel to the surface 11a of the housing 11 where the sound holes 111 and 112 are formed.
  • the present invention is not limited to this configuration, and the diaphragm may not be parallel to the surface on which the sound hole of the housing is formed.
  • a so-called condenser microphone is adopted as a configuration of a microphone having a diaphragm (corresponding to the MEMS chip 12).
  • the present invention can also be applied to a microphone unit that employs a configuration other than a condenser microphone as a configuration of a microphone having a diaphragm.
  • Examples of configurations other than the condenser microphone having the diaphragm include electrodynamic (dynamic), electromagnetic (magnetic), and piezoelectric microphones.
  • the microphone unit of the present invention is suitable for an information processing system, a sound recording device, and the like using a technology for analyzing an input sound such as a voice communication device such as a mobile phone or a transceiver, a voice authentication system, and the like.

Abstract

　マイクロホンユニット１は、筐体１１と、筐体１１の内部に配置される振動板１２２と、振動板１２２の振動に基づいて発生する電気信号を処理する電気回路部１３と、を備える。筐体１１には、第１音孔１１１を介して筐体外部の音を振動板１２２の第１の面１２２ａへと導く第１導音空間１１３と、第２音孔１１２を介して筐体外部の音を振動板１２２の第１の面１２２ａの裏面である第２の面１２２ｂへと導く第２導音空間１１４と、が設けられる。振動板１２２の共振周波数が、第１導音空間１１３及び第２導音空間１１４のうち少なくとも一方の共振周波数を基準に±４ｋＨｚの範囲内に設定されている。

Description

マイクロホンユニット
　本発明は、入力音を電気信号に変換するマイクロホンユニットに関し、詳細には、振動板の両面（前後面）に音圧が加わるように形成され、音圧差に基づく振動板の振動を利用して入力音を電気信号に変換するマイクロホンユニットの構成に関する。
　従来、例えば、携帯電話やトランシーバ等の音声通信機器、又は音声認証システム等の入力された音声を解析する技術を利用した情報処理システム、或いは録音機器、などにマイクロホンユニットが備えられている。電話などによる通話、音声認識、音声録音に際しては、目的の音声（ユーザの音声）のみを収音するのが好ましい。このため、目的の音声を正確に抽出し、目的の音声以外の雑音（背景雑音等）を除去するマイクロホンユニットの開発が進められている。
　雑音が存在する使用環境で雑音を除去して目的の音声のみを収音する技術として、マイクロホンユニットに指向性を持たせることが挙げられる。指向性を有するマイクロホンユニットの一例として、振動板（ダイアフラム）の両面に音圧が加わるように形成され、音圧差に基づく振動板の振動を利用して入力音を電気信号に変換するマイクロホンユニットが従来知られている（例えば特許文献１参照）。
特開平４－２１７１９９号公報
　ところで、振動板の両面に音圧が加わるように形成され、音圧差に基づく振動板の振動を利用して入力音を電気信号に変換するマイクロホンユニットは、振動板の片面にのみ音圧を加えて振動板を振動させるマイクロホンユニットに比べて振動板の振動による変位が小さくなる。このため、前述の振動板の両面に音圧が加わるように形成されたマイクロホンユニットは所望のＳＮＲ（Signal　to　Noise　Ratio）が得られ難い場合があり、高いＳＮＲを確保できるように改善することが求められていた。
　そこで、本発明の目的は、振動板の両面に音圧が加わるように形成され、音圧差に基づく振動板の振動を利用して入力音を電気信号に変換するマイクロホンユニットであって、高いＳＮＲを確保できる高性能のマイクロホンユニットを提供することである。
　上記目的を達成するために本発明のマイクロホンユニットは、筐体と、前記筐体の内部に配置される振動板と、前記振動板の振動に基づいて発生する電気信号を処理する電気回路部と、を備えるマイクロホンユニットであって、前記筐体には、第１音孔を介して前記筐体外部の音を前記振動板の第１の面へと導く第１導音空間と、第２音孔を介して前記筐体外部の音を前記振動板の前記第１の面の裏面である第２の面へと導く第２導音空間と、が設けられ、前記振動板の共振周波数が、前記第１導音空間及び前記第２導音空間のうち少なくとも一方の共振周波数を基準に±４ｋＨｚの範囲内に設定されている。
　本構成のマイクロホンユニットは、振動板の両面に音圧が加わるように形成され、音圧差に基づく振動板の振動を利用して入力音を電気信号に変換する構成となっている。このような構成のマイクロホンユニットは、ＳＮＲの向上を考慮して、第１音孔からの音波が振動板に及ぼす音圧と、第２音孔からの音波が振動板に及ぼす音圧と、の音圧差を大きくする必要がある。この場合、第１音孔と第２音孔の間隔を大きくして第１導音空間及び第２導音空間の容積を大きくせざるを得ず、第１導音空間と第２導音空間の共振周波数は十分に高い周波数とできない。すなわち、マイクロホンユニットの使用周波数帯域において、導音空間の共振がマイクロホンユニットの周波数特性に影響を及ぼすことは避けられない。本構成では、導音空間の共振がマイクロホンユニットの周波数特性に影響を及ぼすことを避けられない点を利用して、従来とは逆転の発想で振動板の共振周波数を下げて、導音空間の共振周波数に近づける構成としている。このために、本構成によれば振動板のスティフネスを下げて感度を上げることができ、高いＳＮＲを確保できる高性能のマイクロホンユニットを提供可能である。
　上記構成のマイクロホンユニットにおいて、前記第１音孔と前記第２音孔とは同一面内に形成され、前記第１音孔と前記第２音孔の中心間距離が４ｍｍ以上６ｍｍ以下であるのが好ましい。このように構成することにより、上述の音圧差を十分確保できると共に、位相歪みによる影響も抑制して高いＳＮＲを確保できるマイクロホンユニットを提供可能である。
　上記構成のマイクロホンユニットにおいて、前記第１導音空間と前記第２導音空間との共振周波数は略同一であるのが好ましい。このように構成することにより、高ＳＮＲのマイクロホンユニットを得やすい。
　また、上記構成のマイクロホンユニットにおいて、前記第１導音空間及び前記第２導音空間のうち少なくと一方の共振周波数は、１０ｋＨｚ以上１２ｋＨｚ以下であるのが好ましい。本構成によれば、導音空間の共振によるマイクロホンユニットの周波数特性への悪影響をなるべく抑えられるので好ましい。
　また、上記構成のマイクロホンユニットにおいて、前記振動板の共振周波数が、前記第１導音空間及び前記第２導音空間のうち少なくとも一方の共振周波数と略同一に設定されていることとしても良い。
　本発明によれば、振動板の両面に音圧が加わるように形成され、音圧差に基づく振動板の振動を利用して入力音を電気信号に変換するマイクロホンユニットについて、高いＳＮＲを確保して、高性能のマイクロホンユニットを提供できる。
本実施形態のマイクロホンユニットの構成を示す概略斜視図 図１のＡ－Ａ位置における概略断面図 本実施形態のマイクロホンユニットが備えるＭＥＭＳチップの構成を示す概略断面図 本実施形態のマイクロホンユニットが備えるＡＳＩＣの回路構成を説明するための図 音波の減衰特性について説明するための図 従来のマイクロホンユニットにおける振動膜の設計方法について説明するための図 導音空間の周波数特性について説明するための図 マイクロホンユニットの周波数特性について説明するための図 本実施形態のマイクロホンユニットにおいて、振動膜の共振周波数ｆｄを第１導音空間の共振周波数ｆ１よりもほぼ４ｋＨｚ高く設定した場合の周波数特性を示す図 本実施形態のマイクロホンユニットにおいて、振動膜の共振周波数ｆｄを第１導音空間の共振周波数ｆ１と略同一に設定した場合の周波数特性を示す図 本実施形態のマイクロホンユニットにおいて、振動膜の共振周波数ｆｄを第１導音空間の共振周波数ｆ１よりもほぼ４ｋＨｚ低く設定した場合の周波数特性を示す図 本実施形態のマイクロホンユニットにおいて、振動膜をシリコンで形成する場合の条件を導出するために用いたモデルを説明するための図
　以下、本発明を適用したマイクロホンユニットの実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
　図１は、本実施形態のマイクロホンユニットの構成を示す概略斜視図である。図２は、図１のＡ－Ａ位置における概略断面図である。図１及び図２に示すように、本実施形態のマイクロホンユニット１は、筐体１１と、ＭＥＭＳ（Micro　Electro　Mechanical　System）チップ１２と、ＡＳＩＣ（Application　Specific　Integrated　Circuit）１３と、回路基板１４と、を備える。
　筐体１１は、略直方体形状に形成され、振動膜（振動板）１２２を含むＭＥＭＳチップ１２と、ＡＳＩＣ１３と、回路基板１４とをその内部に収容する。なお、筐体１１の外形は本実施形態の形状に限定される趣旨ではなく、例えば、立方体であっても良いし、また、直方体や立方体といった六面体に限らず、六面体以外の多面体構造や多面体以外の構造（例えば球状構造、半球状構造等）であっても良い。
　筐体１１には、図１及び図２に示すように、その内部に第１導音空間１１３と第２導音空間１１４とが形成されている。第１導音空間１１３と第２導音空間１１４とは、その詳細は後述するＭＥＭＳチップ１２が有する振動膜１２２によって分割されている。すなわち、第１導音空間１１３は振動膜１２２の上面（第１の面）１２２ａ側と接し、第２導音空間１１４は振動膜１２２の下面（第２の面）１２２ｂ側と接した状態となっている。
　また、筐体１１の上面１１ａには、平面視略円形状の第１音孔１１１と第２音孔１１２とが形成されている。第１音孔１１１は第１導音空間１１３とつながっており、これにより、第１導音空間１１３と筐体１１の外部空間とはつながった状態となっている。すなわち、筐体１１の外部の音は、第１音孔１１１を介して第１導音空間１１３によって振動膜１２２の上面１２２ａへと導かれるようになっている。
　また、第２音孔１１２は第２導音空間１１４とつながっており、これにより、第２導音空間１１４と筐体１１の外部空間とはつながった状態となっている。すなわち、筐体１１の外部の音は、第２音孔１１２を介して第２導音空間１１４によって振動膜１２２の下面１２２ｂへと導かれるようになっている。第１音孔１１１から第１導音空間１１３を通って振動板１２２に至る距離と、第２音孔１１２から第２導音空間１１４を通って振動板１２２に至る距離とは等しく形成されている。
なお、第１音孔１１１と第２音孔１１２との中心間距離は４～６ｍｍ程度が好ましく、更には５ｍｍ程度が好ましい。このように構成することにより、第１導音空間１１３を通って振動板１２２の上面１２２ａに至る音波と、第２導音空間１１４を通って振動板１２２の下面１２２ｂに至る音波と、の音圧差を十分確保できると共に、位相歪みによる影響も抑制可能となる。
　また、本実施形態では、第１音孔１１１と第２音孔１１２とは平面視略円形状としているが、これに限定される趣旨ではなく、その形状は円形状以外でも良く、例えば矩形状等であっても良い。また、本実施形態では、第１音孔１１１と第２音孔１１２とを各々１つずつとしているが、この構成に限定されず、それぞれの数を複数としても良い。
　また、本実施形態では、第１音孔１１１と第２音孔１１２とを筐体１１の同一面に形成しているが、この構成に限定されず、これらを互いに異なる面に形成しても良く、例えば、隣り合う面や対向する面に形成する構成としても良い。ただし、本実施形態のように２つの音孔１１１、１１２を筐体１１の同一面に形成した方が、本実施形態のマイクロホンユニット１を搭載する音声入力装置（例えば携帯電話等）における音道が複雑とならない点で好ましい。
　図３は、本実施形態のマイクロホンユニット１が備えるＭＥＭＳチップ１２の構成を示す概略断面図である。図３に示すように、ＭＥＭＳチップ１２は、絶縁性のベース基板１２１と、振動膜１２２と、絶縁膜１２３と、固定電極１２４と、を有し、コンデンサ型のマイクロホンを形成している。なお、このＭＥＭＳチップ１２は半導体製造技術を用いて製造される。
　ベース基板１２１には例えば平面視略円形状の開口１２１ａが形成され、これにより振動膜１２２の下部側から来る音波は振動膜１２２に到達するようになっている。ベース基板１２１の上に形成される振動膜１２２は、音波を受けて振動（上下方向に振動）する薄膜で、導電性を有し、電極の一端を形成している。
　固定電極１２４は、絶縁膜１２３を挟んで振動膜１２２と対向するように配置されている。これにより、振動膜１２２と固定電極１２４とは容量を形成する。なお、固定電極１２４には音波が通過できるように複数の音孔１２４ａが形成されており、振動膜１２２の上部側から来る音波が振動膜１２２に到達するようになっている。
　このようなＭＥＭＳチップ１２においては、ＭＥＭＳチップ１２に音波が入射すると、振動膜１２２の上面１２２ａに音圧ｐｆ、下面１２２ｂに音圧ｐｂが各々加わる。その結果、音圧ｐｆと音圧ｐｂとの差に応じて振動膜１２２が振動して振動膜１２２と固定電極１２４との間隔Ｇｐが変化し、振動膜１２２と固定電極１２４との間の静電容量が変化する。すなわち、コンデンサ型のマイクロホンとして機能するＭＥＭＳチップ１２によって、入射した音波を電気信号として取り出せるようになっている。
　なお、本実施形態では振動膜１２２の方が固定電極１２４よりも下となっているが、これとは逆の関係（振動膜が上で、固定電極が下となる関係）となるように構成しても構わない。
　図２に示すように、マイクロホンユニット１においては、ＡＳＩＣ１３は第１導音空間１１３に配置される。図４は、本実施形態のマイクロホンユニット１が備えるＡＳＩＣ１３の回路構成を説明するための図である。ＡＳＩＣ１３は、本発明の電気回路部の実施形態で、ＭＥＭＳチップ１２における静電容量の変化に基づいて発生する電気信号を信号増幅回路１３３で増幅処理する集積回路である。本実施形態においては、ＭＥＭＳチップ１２における静電容量の変化を精密に取得できるように、チャージポンプ回路１３１とオペアンプ１３２とを含む構成としている。また、信号増幅回路１３３の増幅率（ゲイン）を調整できるようにゲイン調整回路１３４を含む構成としている。ＡＳＩＣ１３で増幅処理された電気信号は、例えばマイクロホンユニット１が実装される図示しない実装基板の音声処理部に出力されて処理される。
　図２を参照して、回路基板１４はＭＥＭＳチップ１２及びＡＳＩＣ１３を実装する基板である。本実施形態においては、ＭＥＭＳチップ１２及びＡＳＩＣ１３は、いずれもフリップチップ実装され、回路基板１４に形成される配線パターンによって両者は電気的に接続されている。なお、本実施形態においては、ＭＥＭＳチップ１２及びＡＳＩＣ１３をフリップチップ実装する構成としているがこの構成に限られる趣旨ではなく、例えばワイヤボンディングを用いて実装する構成等としても構わない。
　次に、マイクロホンユニット１の動作について説明する。
　動作の説明に先立って、図５を参照して音波の性質について述べておく。図５に示すように、音波の音圧（音波の振幅）は、音源からの距離に反比例する。そして、音圧は、音源に近い位置では急激に減衰し、音源から離れる程、なだらかに減衰する。
　例えば、マイクロホンユニット１を接話型の音声入力装置に適用する場合、ユーザの音声はマイクロホンユニット１の近傍で発生する。そのため、ユーザの音声は、第１音孔１１１と第２音孔１１２との間で大きく減衰し、振動膜１２２の上面１２２ａに入射する音圧と、振動膜１２２の下面１２２ｂに入射する音圧との間には、大きな差が現れる。
　一方、背景雑音等の雑音成分は、ユーザの音声に比べて音源がマイクロホンユニット１から遠い位置に存在する。そのため、雑音の音圧は、第１音孔１１１と第２音孔１１２との間でほとんど減衰せず、振動膜１２２の上面１２２ａに入射する音圧と、振動膜１２２の下面１２２ｂに入射する音圧との間には、ほとんど差が現れない。
　マイクロホンユニット１の振動膜１２２は、第１音孔１１１と第２音孔１１２に同時に入射する音波の音圧差によって振動する。上述のように、振動膜１２２の上面１２２ａと下面１２２ｂに遠方から入射する雑音の音圧の差は非常に小さいために、振動膜１２２で打ち消される。これに対して、振動膜１２２の上面１２２ａと下面１２２ｂに近接位置から入射するユーザ音声の音圧の差は大きいために、ユーザ音声は振動膜１２２で打ち消されずに振動膜１２２を振動させる。
　このことから、マイクロホンユニット１によると、振動膜１２２はユーザの音声のみによって振動しているとみなすことができる。そのため、マイクロホンユニット１のＡＳＩＣ１３から出力される電気信号は、雑音（背景雑音等）が除去された、ユーザ音声のみを示す信号とみなすことができる。すなわち、本実施形態のマイクロホンユニット１によると、簡易な構成で、雑音が除去されたユーザ音声のみを示す電気信号を取得することが可能である。
　ところで、本実施形態のようにマイクロホンユニット１を構成すると、振動膜１２２に加わる音圧は２つの音孔１１１、１１２から入力される音圧の差となる。このため、振動膜１２２を振動させる音圧は小さいものとなり、取り出される電気信号のＳＮＲが悪く成り易い。この点、本実施形態のマイクロホンユニット１はＳＮＲを向上する工夫がなされている。以下、これについて説明する。
　図６は、従来のマイクロホンユニットにおける振動膜の設計方法について説明するための図である。図６に示すように、マイクロホンユニットが備える振動膜の共振周波数は振動膜のスティフネスによって変化し、スティフネスが小さくなるように設計すると振動膜の共振周波数は低くなる。逆にスティフネスが大きくなるように設計すると振動膜の共振周波数は高くなる。
　従来、マイクロホンユニットを設計するにあたっては、振動膜の共振がマイクロホンユニットを使用する周波数帯域（使用周波数帯域）に影響を及ぼさないように振動膜を設計していた。具体的には、振動膜の周波数特性について、図６に示すようにマイクロホンユニットの使用周波数帯域では周波数変化に対するゲインの変化がほとんど起こらない（フラット帯域となる）ように振動膜のスティフネスを設定していた。例えば、使用周波数帯域が１００Ｈｚ～１０ｋＨｚである場合、振動膜の共振周波数が２０ｋＨｚ程度となるように振動膜のスティフネスを大きく設定していた。
　なお、このように振動膜の共振周波数が高くなるように振動膜のスティフネスを大きく設定するとマイクロホンの感度は低下する。このために、本実施形態のように振動膜１２２の上面１２２ａと下面１２２ｂとの音圧差によって振動膜１２２を振動させる構成のマイクロホンユニット１にとっては、ＳＮＲが悪く成り易いという問題があった。
　ところで、マイクロホンユニット１において、第１音孔１１１と第２音孔１１２との間隔が狭いと振動膜１２２における差圧が小さくなる（図５のΔｐ１とΔｐ２参照）ので、マイクロホンのＳＮＲを向上するためには、２つの音孔１１１、１１２の間隔をある程度大きくする必要がある。
　一方で、本発明者らのこれまでの研究により、第１音孔１１１と第２音孔１１２との間隔を大きくしすぎると音波の位相差による影響によって、マイクロホンのＳＮＲが低下することがわかっている（例えば、特願2007-98486参照）。このようなことから、本発明者らは、第１音孔１１１と第２音孔１１２との中心間距離は、４ｍｍ以上６ｍｍ以下に設定するのが望ましく、更には５ｍｍ程度に設定するのがより望ましいとの結論を得ている。このような構成とすることで、高いＳＮＲ（例えば５０ｄＢ以上）を確保可能なマイクロホンユニットが得られる。
　マイクロホンユニット１において、音響特性の劣化を抑制するために音道の断面積を一定以上（例えばφ０．５ｍｍ程度の円の面積相当）確保する必要がある。そして、上述のように、第１音孔１１１と第２音孔１１２との間隔は４ｍｍ～６ｍｍ程度に設定することを考慮すると、第１導音空間１１３と第２導音空間１１４との容積は大きなものとなる。
　図７は、導音空間の周波数特性について説明するための図である。図７に示すように、導音空間の共振周波数は、その容積が大きくなると低くなり、その容積が小さくなると高くなる。上述のように、本実施形態のマイクロホンユニットは導音空間１１３、１１４の容積が大きくなる傾向にあり、導音空間１１３、１１４の共振周波数が従来のマイクロホンユニットに比べて低くなる傾向にある。具体的には、例えば１０ｋＨｚ程度に導音空間１１３、１１４の共振周波数が出現する。なお、第１導音空間１１３と第２導音空間１１４との周波数特性は略同一（すなわち両者の共振周波数も略同一）となるように設計されている。第１導音空間１１３と第２導音空間１１４との周波数特性は必ずしも略同一でなくてもよいが、本実施形態のように両者の周波数特性を略同一としておくと、例えば音響抵抗部材等を用いることなくＳＮＲの高いマイクロホンユニットを得やすく便利である。
　図８は、マイクロホンユニットの周波数特性について説明するための図である。図８において、（ａ）は振動膜の周波数特性、（ｂ）は導音空間の周波数特性、（ｃ）はマイクロホンユニットの周波数特性を示すグラフである。図８に示すように、マイクロホンユニットの周波数特性は、振動膜の周波数特性と導音空間の周波数特性を合わせた周波数特性と同等の周波数特性を示す。
　本実施形態のマイクロホンユニット１においては、上述のように導音空間１１３、１１４の容積をある程度大きくせざるを得ない。このため、導音空間１１３、１１４の共振周波数を高くなるように設定して、導音空間１１３、１１４の共振が上述の使用周波数帯域に対して影響を及ぼさないようにするのは難しい。この点を考慮すると、振動膜１２２の共振周波数を高域（例えば２０ｋＨｚ）に設定して、振動膜の共振が上述の使用周波数帯域に対して影響を及ぼさないようにする意味が乏しくなる。むしろ、振動膜１２２の共振周波数を導音空間１１３、１１４の共振周波数に近づけて振動膜１２２の感度を向上した方が、マイクロホンユニット１のＳＮＲの向上に有利と成り得る。
　本実施形態のマイクロホンユニット１においては、振動膜１２２の共振周波数ｆｄが、第１導音空間１１３の共振周波数ｆ１又は第２導音空間１１４の共振周波数ｆ２から±４ｋＨｚの範囲内に設定されると、ＳＮＲが良好となることが検討の結果わかった。以下、これについて、図９、図１０及び図１１を参照して説明する。なお、上述のように、マイクロホンユニット１において、第１導音空間１１３の共振周波数ｆ１と第２導音空間１１４の共振周波数ｆ２は略同一となるように構成される。このため、以下では特に必要がない場合には、第１導音空間１１３の共振周波数ｆ１を代表させて説明する。
　図９は、本実施形態のマイクロホンユニット１において、振動膜１２２の共振周波数ｆｄを第１導音空間１１３の共振周波数ｆ１よりもほぼ４ｋＨｚ高く設定した場合の周波数特性を示す図である。　図１０は、本実施形態のマイクロホンユニット１において、振動膜１２２の共振周波数ｆｄを第１導音空間１１３の共振周波数ｆ１と略同一に設定した場合の周波数特性を示す図である。図１１は、本実施形態のマイクロホンユニット１において、振動膜１２２の共振周波数ｆｄを第１導音空間１１３の共振周波数ｆ１よりもほぼ４ｋＨｚ低く設定した場合の周波数特性を示す図である。図９～１１において、（ａ）は振動膜１２２の周波数特性、（ｂ）は第１導音空間１１３の周波数特性、（ｃ）はマイクロホンユニット１の周波数特性を示す。
　なお、第１導音空間１１３の共振周波数ｆ１は、マイクロホンユニット１のＳＮＲを高くするためには、できるだけ高いことが望まれる。この点を考慮して、図９～１１においては、マイクロホンユニット１の導音空間１１３、１１４の共振周波数が１１ｋＨｚ近傍（１０Ｈｚ以上１２Ｈｚ以下）となるようにしている。
　図９に示すように、振動膜１２２の共振周波数ｆｄに由来するピークはシャープで、第１導音空間１１３の共振周波数ｆ１に由来するピークはブロードである。このため、振動膜１２２の共振周波数ｆｄを第１導音空間１１３の共振周波数ｆ１からほぼ４ｋＨｚ高い周波数まで近づけても低周波数側のマイクロホンユニット１の周波数特性はほとんど影響を受けない。
　具体的には、図９において、振動膜１２２の共振周波数ｆｄを下げて感度を向上したにもかかわらず、１０ｋＨｚ近傍でマイクロホンユニット１の周波数特性がほとんど変動していないことがわかる。すなわち、例えば、マイクロホンユニット１における使用周波数帯域の高域側の上限が１０ｋＨｚである場合においては、使用周波数帯域におけるマイクロホンユニット１の特性を維持しつつ、従来に比べて振動膜１２２の感度を向上できる。
　上述のように、マイクロホンユニット１においては、導音空間１１３、１１４の共振周波数を高くすることができないために、振動膜１２２の共振周波数を高く設定する必要がない。そこで、スティフネスを下げ（共振周波数を下げることを意味する）、振動膜１２２の感度を上げてＳＮＲを向上することとしている。振動膜１２２の感度を上げてＳＮＲを向上するという意味では、振動膜１２２の共振周波数ｆｄは低いに越したことがない。しかし、振動膜１２２の共振周波数ｆｄを下げすぎると、上述のフラット帯域（例えば図６参照）が狭くなり、ＳＮＲが低下する場合がある。すなわち、振動膜１２２の共振周波数ｆｄを下げるとしても下限がある。
　図１０を参照して、振動膜１２２の共振周波数ｆｄと第１導音空間１１３の共振周波数ｆ１とを略同一とすると、マイクロホンユニット１の周波数特性は７ｋＨｚを超えた辺りから振動膜１２２の共振周波数ｆｄを下げたことによる影響が出始める。マイクロホンユニット１の使用周波数帯域の上限が１０ｋＨｚである場合、１０ｋＨｚ近傍での影響は多少あるが、振動膜１２２の感度を上げたことによるＳＮＲの向上効果とのバランスでこのような設計も可能である。
　また、現状の携帯電話機の音声帯域の上限は３．４ｋＨｚである。この場合、振動膜１２２の共振周波数ｆｄと第１導音空間１１３の共振周波数ｆ１とを略同一とした場合、使用周波数帯域におけるマイクロホンユニット１の特性を維持しつつ、従来に比べて振動膜１２２の感度を向上できると言える。
　そして、現状の携帯電話機の音声帯域を考慮して振動膜１２２の共振周波数ｆｄをどこまで下げるかを更に検討した結果が図１１に示す結果である。現状の携帯電話機を考慮した場合、使用音声帯域の上限である３．４ｋＨｚの周波数特性として、１ｋＨｚの出力に対して±３ｄＢ以内であることが要求される。この点、振動膜１２２の共振周波数ｆｄを第１導音空間１１３の共振周波数ｆ１よりも４ｋＨｚ程度まで下げても、前述の要求を満たすことがわかった。そして、この場合、振動膜１２２の共振周波数ｆｄを７ｋＨｚ程度まで下げられ、振動膜１２２の感度向上によるＳＮＲの向上が期待できる。
　以上のように、本実施形態のマイクロホンユニット１においては、振動膜１２２の共振周波数ｆｄが第１導音空間１１３の共振周波数ｆ１（或いは第２導音空間１１４の共振周波数ｆ２）から±４ｋＨｚの範囲内にあれば、マイクロホンユニット１を音声入力装置に適用した場合にＳＮＲの向上が望めると言える。
　本実施形態のマイクロホンユニット１の振動膜１２２は例えばシリコンによって形成できる。ただし、振動膜１２２を形成する材料をシリコンに限定する趣旨ではない。振動膜１２２をシリコンによって形成する場合における望ましい設計条件について説明しておく。なお、設定条件の導出にあたっては図１２のように振動膜１２２をモデル化している。
　振動膜１２２の共振周波数ｆｄ（Ｈｚ）は、振動膜１２２のスティフネスをＳｍ（Ｎ／ｍ）、振動膜１２２の質量をＭｍ（ｋｇ）とした場合に、以下の式（１）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　また、振動膜１２２のスティフネスＳｍと、振動膜１２２の質量Ｍｍとは、それぞれ以下の式（２）、（３）のように表される（非特許文献１参照）。ここで、Ｅ：振動膜１２２のヤング率（Ｐａ）、ρ：振動膜１２２の密度（ｋｇ／ｍ3）、ν：振動膜１２２のポアソン比、ａ：振動膜の半径（ｍ）、ｔ：振動膜１２２の厚み（ｍ）である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
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.
　式（１）に式（２）、（３）を代入して、振動膜１２２の共振周波数ｆｄは次の式（４）のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　上述のように、振動膜１２２の共振周波数ｆｄは、第１導音空間１１３の共振周波数ｆ１から±４ｋＨｚであることが望ましい。そして、第１導音空間１１３の望ましい共振周波数ｆ１を１１ｋＨｚとすると、振動膜１２２の共振周波数ｆｄは以下の式（５）を満たすことが望まれる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　式（５）にシリコンの材料特性として、Ｅ＝１９０（Ｇｐａ）、ν＝０．２７、ρ＝２３３０（ｋｇ／ｍ3）を代入すると、以下の式（６）が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　すなわち、本実施形態のマイクロホンユニット１において、振動膜１２２の材質としてシリコンを選択する場合には、式（６）を満たすように振動膜１２２の半径ａと厚みｔを設定すれば、高いＳＮＲを確保できる高性能のマイクロホンユニット１を得られる。
　以上に示した実施形態は一例であり、本発明のマイクロホンユニットは以上に示した実施形態の構成に限定されるものではない。本発明の目的を逸脱しない範囲で、以上に示した実施形態の構成について種々の変更を行っても構わない。
　例えば、以上に示した実施形態では、振動膜１２２（振動板）が筐体１１の音孔１１１、１１２が形成される面１１ａと平行に配置される構成とした。しかし、この構成に限定されず、振動板が筐体の音孔が形成される面に対して平行でない構成としても構わない。
　また、以上に示したマイクロホンユニット１においては振動板を有するマイクロホン（ＭＥＭＳチップ１２が該当）の構成として、いわゆるコンデンサ型マイクロホンを採用した。しかし、本発明は、振動板を有するマイクロホンの構成として、コンデンサ型マイクロホン以外の構成を採用したマイクロホンユニットにも適用できる。振動板を有するコンデンサ型マイクロホン以外の構成として、例えば、動電型（ダイナミック型）、電磁型（マグネティック型）、圧電型等のマイクロホン等が挙げられる。
　本発明のマイクロホンユニットは、例えば携帯電話やトランシーバ等の音声通信機器、音声認証システム等の入力された音声を解析する技術を利用した情報処理システム、録音機器等に好適である。
　　　１　マイクロホンユニット
　　　１１　筐体
　　　１２　ＭＥＭＳチップ
　　　１３　ＡＳＩＣ（電気回路部）
　　　１１１　第１音孔
　　　１１２　第２音孔
　　　１１３　第１導音空間
　　　１１４　第２導音空間
　　　１２２　振動膜（振動板）
　　　１２２ａ　振動膜の上面（振動板の第１の面）
　　　１２２ｂ　振動膜の下面（振動板の第２の面）

Claims (5)

  1. 　筐体と、
    　前記筐体の内部に配置される振動板と、
    　前記振動板の振動に基づいて発生する電気信号を処理する電気回路部と、を備えるマイクロホンユニットであって、
    　前記筐体には、第１音孔を介して前記筐体外部の音を前記振動板の第１の面へと導く第１導音空間と、第２音孔を介して前記筐体外部の音を前記振動板の前記第１の面の裏面である第２の面へと導く第２導音空間と、が設けられ、
    　前記振動板の共振周波数が、前記第１導音空間及び前記第２導音空間のうち少なくとも一方の共振周波数を基準に±４ｋＨｚの範囲内に設定されているマイクロホンユニット。
  2. 　請求項１に記載のマイクロホンユニットであって、
    　前記第１音孔と前記第２音孔とは同一面内に形成され、前記第１音孔と前記第２音孔との中心間距離が４ｍｍ以上６ｍｍ以下である。
  3. 　請求項１又は２に記載のマイクロホンユニットであって、
    　前記第１導音空間と前記第２導音空間との共振周波数は略同一である。
  4. 　請求項１又は２に記載のマイクロホンユニットであって、
    　前記第１導音空間及び前記第２導音空間のうち少なくと一方の共振周波数は、１０ｋＨｚ以上１２ｋＨｚ以下である。
  5. 　請求項１又は２に記載のマイクロホンユニットであって、
    　前記振動板の共振周波数が、前記第１導音空間及び前記第２導音空間のうち少なくとも一方の共振周波数と略同一に設定されている。
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