JP2003102097A

JP2003102097A - 音処理装置

Info

Publication number: JP2003102097A
Application number: JP2001291824A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Saito; 信雄斎藤; Toshiyuki Nishiguchi; 敏行西口; Toshifumi Tajima; 利文田島
Original assignee: Nippon Hoso Kyokai NHK; Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 2001-09-25
Filing date: 2001-09-25
Publication date: 2003-04-04

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、音処理装置に関し、音入力部にお
ける小型化・軽量化や量産性の向上などを図るととも
に、音処理装置の低廉化や特性の均一化と同時に信頼性
の向上を図ることを目的とする。【解決手段】取得した音声などの音情報を記録部２５
に録音する記録処理を行う音声記録装置に、音圧により
振動する振動板１２と、該振動板１２に対面する背面板
１４と、振動板１２と背面板１４を接着して振動板１２
の振動空間Ｓを確保する粉体酸化ケイ素が主成分の接着
支持部１３とを半導体製造技術により積層構造に作製さ
れたチップマイクロホン１０を搭載する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、音処理装置に関
し、詳しくは、音情報の入力部を小型化などすることが
できるものに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、携帯録音機や携帯電話機など
の音処理装置も他の電子機器と同様に小型化・軽量化が
進められている。このような小型の音処理装置に用いら
れているマイクロホンは、コンデンサ型が主流であり、
振動板と背面板の２枚の極板で形成されている。

【０００３】この種のマイクロホンは、感度、ノイズな
どの性能に優れて、小型化に適しており、例えば、振動
板と背面板との間にスペーサー（支持部）を介装すると
ともに、ケースに内装することによりモジュール化する
などして回路基板に実装し音処理装置に搭載されてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来のマイクロホンにあっては、複数種の部品を組
み立てて作製するため、次のような問題があった。

【０００５】部品の組立工程の精度の制約により、小型
化するのにも限界があることから、携帯電話機等の小型
の電子機器に搭載されている半導体部品などの他のモジ
ュールに比べて、厚さや占有面積も大きくなってしま
い、回路基板の実装密度を高めることの妨げになってい
る。

【０００６】また、振動板やスペーサー絶縁部などに樹
脂材料からなる部品を採用した場合には、実装工程にお
ける半田付けなどの複数回の熱処理（２００℃以上）に
よる熱衝撃で変形が生じてしまう恐れがあり、バンプ／
リフローなどのように高温処理を伴う実装工程により一
括処理することができず、効率化を図ることができな
い。さらに、無鉛半田を用いた実装工程ではさらに高温
の２４０〜２６０℃の熱処理に対する耐性が必要にな
る。

【０００７】そこで、本発明は、上記の課題を解決する
ために、音入力部における小型化・軽量化や量産性の向
上などを図るとともに、音処理装置の低廉化や特性の均
一化と同時に信頼性の向上を図ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
には、半導体製造技術などのマイクロマシン加工技術を
利用して作製可能な構造のマイクロホンを採用すること
により、音入力部の小型・軽量化を図るとともに、半導
体製造プロセスによるＬＳＩなどのように、組立工程が
不要で、量産が可能な音入力部を実現して、音処理装置
の小型化と併せて、組み立ての効率化や特性の均一化を
実現し、信頼性を向上させる。

【０００９】ここで、前記音処理装置は、人の音声を含
む音波の音情報（可聴領域および該領域外の音情報）な
どを処理するものを意味し、例えば、携帯電話機などの
ように音情報の伝送処理をする装置、カセットテープや
メモリチップなどの媒体に音情報の記録処理をする装
置、パーソナルコンピュータなどのように音声などの認
識処理をする装置、補聴器や拡声器などのように音声な
どの音情報の増幅処理をする装置、マイクロホンなどを
備えて自身で生成する音響効果や音場効果にフィードバ
ックを掛けるための処理をする装置、あるいは、マイク
ロホンなどを備えて特定範囲内での音響効果や音場効果
の測定処理をする装置などが挙げられる。

【００１０】そして、上記課題を解決する第１の発明
は、マイクロホンにより音情報を取得して、該音情報を
処理する音処理装置であって、前記マイクロホンは、音
圧により振動する振動板と、該振動板に対面する背面板
と、振動板と背面板を接着して間隙を確保する接着層と
を備えるチップマイクロホンにより構成し、前記接着層
は、粉体酸化ケイ素を主成分として、振動板と背面板を
積層構造に接着することを特徴とするものである。

【００１１】この発明では、マイクロホンが、振動板お
よび背面板を接着層で接着する積層構造に形成されてチ
ップ化されるので、マイクロマシン加工技術を利用して
小型のマイクロホンを高精度に作製することができる。
また、このチップマイクロホンは、接着層を粉体酸化ケ
イ素を主成分として形成しているので、振動板とする基
板または背面板とする基板の接着面にこの接着層を堆積
するなどして、２枚の基板を合わせて熱処理することに
より、基板を面内一様に容易に接着させることができ、
また、これら基板間には所望の厚さの絶縁層の形成を同
時に実現することができる。このとき、接着層は粉体で
あるため、酸化物の充填を完全にして酸化膜の欠陥を
なくすことができ、接着面の平坦性、清浄度の高度な
工程管理を必要とせずに接着させることが可能となり、
さらに、基板の厚さ、絶縁層の厚さ等の設計の自由度
を直接接合または従来のＳＯＩ（シリコンオンインシ
ュレータ）技術に比べてはるかに大きくすることができ
る、という利点を持つ。

【００１２】さらに、振動板および背面板を接着層で接
着する積層構造に形成するだけであるので、振動板や背
面板として直接機能する部位以外で対向する電極間に
は、互いの間隔を離隔させる段差を持つ構造とすること
ができ、このような構造を採用することにより、その電
極間により生じる寄生容量を低減して感度を向上させる
ことができる。

【００１３】上記課題を解決する第２の発明は、上記第
１の発明の特定事項に加え、前記チップマイクロホンを
半導体製造技術で作製したことを特徴とするものであ
る。

【００１４】この発明では、チップマイクロホンをマイ
クロマシン加工技術の半導体製造技術を利用して作製す
るので、チップマイクロホンをより小型に、かつ高精度
に作製することができ、例えば、振動板や背面板とする
基板にシリコン系材料を用いる場合には、このチップマ
イクロホンにはシリコン系材料による高耐熱性を利用し
て高温熱処理を施すことができ、後述するマイクロホン
モジュール作製時や回路基板実装時のリフロー等の複数
回に及ぶ熱衝撃に対する耐性を向上させることができ
る。したがって、複数の部品を組み立てる工程によらず
に、ＬＳＩチップのように厚さ１ｍｍ以下に薄く、か
つ、実装面積も小さなチップマイクロホンを作製するこ
とができるとともに、バンプ／リフローなどを使って回
路基板に−括実装するなど高温処理を伴う実装工程を採
用して効率化を図ることができる。また、音情報の入力
部により使用可能な温度範囲が狭められてしまうことを
なくすことができる。なお、チップマイクロホンの耐熱
性は、一般に使われているアルミニウムを電極に用いた
場合でも３００℃以上であり、この程度の耐熱性を有す
ることにより無鉛半田を用いた高温の実装工程も適用す
ることができる。また、この電極材料はシリコンなどの
基板材料と良好なオーミック接触を持つ材料であればよ
いことはいうまでもない。

【００１５】上記課題を解決する第３の発明は、上記第
１または２の発明の特定事項に加え、前記接着層を１μ
ｍ〜２０μｍの厚さに形成したことを特徴とするもので
ある。

【００１６】この発明では、振動板と背面板とを薄い接
着層により接着することができ、小型のチップマイクロ
ホンにすることができる。この接着層の厚さは、２μｍ
〜５μｍにするのがより好ましく、この厚さにすること
により、例えば、シリコン系材料を用いた半導体製造技
術により小型のチップマイクロホンを高精度に作製して
均一な特性にすることができる。

【００１７】上記課題を解決する第４の発明は、上記第
１から３のいずれかの発明の特定事項に加え、前記接着
層は、ホウ素、インジウムなどの元素の周期表における
ＩＩＩＢ族の元素、または、リン、ヒ素、アンチモンな
どの元素の周期表におけるＶＢ族の元素のいずれか一つ
あるいは二つ以上を高濃度に含むことを特徴とするもの
である。

【００１８】この発明では、粉体酸化ケイ素を主成分と
する接着層にホウ素などのＩＩＩＢ族の元素やリンなど
のＶＢ族の元素を含ませることにより、接着時の絶縁層
の流動性を増すことができ、振動板とする基板と、背面
板とする基板との接着の一様性を向上させることができ
る。

【００１９】上記課題を解決する第５の発明は、上記第
１から４のいずれかの発明の特定事項に加え、前記チッ
プマイクロホンをそのまま、あるいは該チップマイクロ
ホンをパッケージングしたモジュールとして、回路基板
に実装したことを特徴とするものである。

【００２０】この発明では、チップマイクロホンをその
まま、あるいはモジュール化して、回路基板に実装する
ので、高密度な回路構成とすることができる。

【００２１】上記課題を解決する第６の発明は、上記第
１から５のいずれかの発明の特定事項に加え、前記チッ
プマイクロホンをコンデンサとするＬＣ回路と、該チッ
プマイクロホンのコンデンサ容量の変化をＬＣ回路の発
信周波数の変化として読み出す出力手段とを備えたこと
を特徴とするものである。

【００２２】この発明では、チップマイクロホンの振動
板の振動を、通常のマイクロホンのようにバイアス電圧
を印加することなく、ＬＣ回路における微弱電圧を印加
するだけでコンデンサの容量変化として読み取ることが
でき、また、このチップマイクロホンを含むＬＣ回路は
同一基板に形成することができる。したがって、接着層
を１μｍ〜２０μｍの厚さなどに薄く形成しても印加電
圧により振動板と背面板が貼り付いてしまうことをなく
すことができ、チップマイクロホンや装置全体をも、よ
り小型にすることができる。

【００２３】さらに、チップマイクロホンのコンデンサ
容量の変化に応答する搬送波をＦＭ変調して送信する機
能を備えることにより、音入力部との接続をワイヤレス
化することができる。

【００２４】上記課題を解決する第７の発明は、上記第
１から６のいずれかの発明の特定事項に加え、前記チッ
プマイクロホンをアレイ配置したアレイマイクと、該ア
レイマイク内の複数のチップマイクロホンの出力を同期
加算する同期加算回路とを備えたことを特徴とするもの
である。また、上記課題を解決する第８の発明として、
前記アレイマイクは、チップマイクロホンを一方向にア
レイ配置するとともに、該アレイ配置が並列するように
さらにアレイ配列してもよい。

【００２５】この発明では、アレイマイク内のチップマ
イクロホンの出力を同相とみなして同期加算回路により
雑音を低減することができる。したがって、小型で雑音
の少ない音入力部を構成することができ、また、半導体
製造技術により一体形成することにより、チップマイク
ロホン毎や装置毎の特性が均一な音声入力部を高精度か
つ小型に作製することができる。

【００２６】上記課題を解決する第９の発明は、上記第
７または８の発明の特定事項に加え、前記アレイマイク
および同期加算回路を複数備えるとともに、該アレイマ
イク毎の該同期加算回路からの出力を処理して当該複数
のアレイマイクに指向性を持たせる指向性制御回路を設
けたことを特徴とするものである。

【００２７】この発明では、複数のアレイマイクにより
指向性を持たせて音情報を取得することができる。した
がって、例えば、撮像機能を有する携帯電話機などで
は、離隔する位置からの音声入力を実現することができ
る。また、半導体製造技術により一体形成することによ
り、チップマイクロホン毎や装置毎の特性が均一な音声
入力部を高精度かつ小型に作成することができる。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に基づいて説
明する。図１〜図３は本発明に係る音処理装置の第１実
施形態を適用した音声記録装置の一例を示す図である。

【００２９】図１において、音声記録装置（音処理装
置）は、チップマイクロホン１０で取得した人の音声な
どの音情報を増幅器２１により増幅した後に、その音情
報を録音する記録処理を記録部２５により行うようにな
っており、このチップマイクロホン１０および増幅器２
１がＩＣチップ２０として後述する半導体製造技術（マ
イクロマシン加工技術）で一体形成（製作）されること
により小型化されているとともに、そのＩＣチップ２０
を記録部２５に直接接続して装置全体としてもコンパク
トになるように構築されている。

【００３０】チップマイクロホン１０は、図２に示すよ
うに、基台１１の中央部に音圧により振動する振動板１
２を形成するとともに、その振動空間（空隙層）Ｓを確
保するように振動板１２の周囲で接着支持部（接着絶縁
層）１３が背面板１４を支持して振動板１２に対面さ
せ、これら振動板１２と背面板１４とに対向電極を形成
することにより、コンデンサ型マイクロホンとして機能
するように構築されており、このチップマイクロホン１
０は、振動板１２と背面板１４との間に接着支持部１３
を介装した積層構造に構成することにより、増幅器２１
と共に半導体製造技術によって作製することができるよ
うに設計されている。なお、図中の１４ａは、振動板１
２の振動を妨げないようにするために背面板１４の表裏
を連通させるように形成された複数の貫通孔である。

【００３１】そして、ＩＣチップ２０としては、チップ
マイクロホン１０に入力された音情報に応じて振動板１
２が振動することにより背面板１４との間の対向電極間
に生じる容量の変化をアナログ信号のまま電極端子１
５、１６で取り出して増幅器２１により増幅した後に出
力するようになっている。

【００３２】なお、チップマイクロホン１０は、背面板
１４を覆うようにキャップを取り付けて、そのキャップ
中央に気体の流通孔を形成することにより、キャップの
容積にマイクロホンの音響特性を調整する役割を持たせ
ることができ、そのキャップは、電磁波のシールドに用
いることもでき、また、キャップ中央の気体流通孔によ
りマイクロホンの指向特性を制御するようにすることも
できる。

【００３３】次に、チップマイクロホン１０の半導体製
造技術による作製手順（方法）を図３を用いて説明す
る。なお、増幅器２１は、一般的な半導体プロセスによ
り作製すればよいので、ここでの説明は割愛する。

【００３４】まず、図３（ａ）に示すように、例えば、
一般的な半導体用基板であるシリコン基板を振動板基板
１１２および背面板基板１１４として準備して、その振
動板基板１１２の背面板基板１１４に接合（接着）する
面にはＣＶＤ技術等により粉体酸化ケイ素を主成分とし
てホウ素またはリンなどを高濃度に含む接着層１１３を
所望の厚さ、例えば、１０μｍに堆積する。なお、マイ
クロホンの小型化のために、接着層１１３は製作面とバ
イアス電圧の点で１μｍ〜２０μｍが適している。さら
に、感度と周波数特性の点から接着層１１３は２μｍ〜
５μｍがより好適であり、振動板１２と背面板１４が貼
り付かないように印加電圧に応じて設定できる。また、
この接着層１１３は、背面板基板１１４側に形成するよ
うにしてもよいことは言うまでもない。

【００３５】次いで、図３（ｂ）に示すように、振動板
基板１１２と背面板基板１１４を合わせて熱処理を行う
ことにより、堆積させた接着層１１３を介して基板１１
２、１１４間の接着を行った後に、背面板基板１１４を
研磨して背面板としたときの所望の厚さに形成し、この
後には、これら基板１１２、１１４の両面に酸化膜を熱
処理等で成長させて、その酸化膜をホトリソグラフィー
技術で加工することによりエッチングマスク１１７を形
成する。

【００３６】次いで、図３（ｃ）に示すように、このエ
ッチングマスク１１７を用いて基板１１２、１１４をア
ルカリエッチング液を用いたウェットエッチング、また
は、例えば、ＸｅＦ₂ガスを用いたドライエッチングな
どで処理することにより、振動板１２を形成された基台
１１と背面板１４を形成する。このとき、背面板１４
は、振動板１２の振動によって振動空間Ｓに生じる空気
の圧力を逃がすための貫通孔１４ａを接着支持部１３に
対応する部位以外に複数形成して網目構造にしている。

【００３７】次いで、図３（ｄ）に示すように、背面板
１４をエッチングマスクにして、この背面板１４の網目
構造から接着層１１３をフッ化水素酸でエッチングする
ことにより、振動板１２および背面板１４の周辺部の接
着支持部１３に相当する部分を残して接着層１１３を除
去して振動空間Ｓを形成し、この後に背面板１４側から
例えば、アルミニウムの金属膜を蒸着して電極端子１
５、１６を形成し、一体構造のチップマイクロホン１０
を作製する。

【００３８】このとき、接着層１１３は、粉体酸化ケイ
素を主成分としているので、酸化物の充填を完全にして
酸化膜に欠陥が生じることをなくすことができ、このた
め、この基板１１２、１１４の平坦性を厳密に管理しな
くても面内一様の接着を短時間で行うことができ、さら
に接着面の極端に高度な清浄度の管理も必要とせずに厚
い基板１１２、１１４間の接着を同時に、かつ容易に行
うことができる。したがって、基板１１２、１１４を直
接接合する場合よりも、基板１１２、１１４の厚さ、不
純物の濃度分布、接着層１１３自体の層厚さ等を自由に
設定することができる。また、この接着層１１３は、ホ
ウ素またはリンなどを高濃度に含むので、接着時の流動
性を増すことができ、基板１１２、１１４の接着時の一
様性を向上させることができる。

【００３９】そして、ＩＣチップ２０は、チップマイク
ロホン１０の電極端子１５、１６と増幅器２１の入力端
子とをワイヤボンディングなどの方法により接続して、
その増幅器２１の出力端子と記録部２５とを接続するこ
とにより、音声記録装置の音声入力部として機能する。

【００４０】このように本実施形態においては、チップ
マイクロホン１０は、振動板１２および背面板１４との
間に介装して積層構造にする接着支持部１３を、粉体酸
化ケイ素を主成分にするとともにホウ素またはリンなど
を高濃度に含ませて１μｍ〜２０μｍという薄さにする
ように、組立工程を必要としない半導体製造技術により
作製することによって、安価かつ容易に高精度なチップ
部品とすることができ、均一な特性を有する小型のマイ
クロホンを安価に量産することができる。

【００４１】さらに、このチップマイクロホン１０は、
増幅器２１と共にＩＣチップ２０として一体形成するの
で、品質の安定性が高く、小型・軽量化をより効果的に
実現することができる。

【００４２】また、このチップマイクロホン１０は、シ
リコン系材料を用いて作製していることから高耐熱性を
有して、使用温度により利用範囲を限定されてしまうこ
とを少なくすることができる。

【００４３】なお、本実施形態では、振動板１２、接着
支持部１３、背面板１４などを同じシリコン系材料を用
いて作製しているが、シリコン系材料に限るものではな
いことは言うまでもない。

【００４４】また、本実施形態の第１の他の態様として
は、例えば、図４に示すようにチップマイクロホンを構
築してもよい。本実施形態のチップマイクロホン１０
は、平坦な基板１１２、１１４同士を接着して作製して
いるので、振動板１２と背面板１４として機能する部位
の周囲にも形成される対向電極により生じる寄生容量
が、有効容量と同程度となってしまい、音圧による容量
変化を検出する際の感度低下の原因となる。このことか
ら、単に該当する部位の面積を小さくして感度を低下さ
せてしまう（マイクロホンの感度は、該当する部位の面
積に比例するため）のではなく、図４に示すように、振
動板１２として直接機能する部位を上昇させる段差１１
ａを基台１１に形成して、接着支持部１３の周囲にも厚
めの接着支持部１７を形成することにより、対向する電
極間の間隔を離隔させて寄生容量を低減し感度を向上さ
せることができる。

【００４５】さらに、本実施形態の第２の他の態様とし
ては、図５に示すように、基台１１側の段差１１ａに加
えて、背面板１４側にも振動板１２に対面する部位の周
囲を上昇させる段差１４ｂを形成するとともに、接着支
持部１３の周囲にも厚めの接着支持部１９を形成するこ
とにより、対向する電極間の間隔をより離隔させて寄生
容量をさらに低減し感度を向上させることができる。

【００４６】次に、図６は本発明に係る音処理装置の第
２実施形態を適用した音声記録再生装置の一例を示す図
である。なお、本実施形態では、上述実施形態と略同様
に構成されているので、同様な構成には同一の符号を付
して特徴部分を説明する（以下で説明する他の実施形態
においても同様）。

【００４７】図６において、音声記録再生装置（音処理
装置）は、ＩＣチップ２０のチップマイクロホン１０で
取得して増幅器２１により増幅した音情報をデジタル録
音して再生する記録再生処理を行うようになっており、
このＩＣチップ２０は、増幅器２１から出力されるアナ
ログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器３１
と、Ａ／Ｄ変換器３１でＡ／Ｄ変換されたデジタル信号
を符号化することにより音情報を圧縮する符号器３２
と、例えば、メモリスティックやＭＯなどの光磁気ディ
スク等の記録媒体に符号器３２で符号化された音情報を
記録（録音）する記録部３３と、記録部３３に記録され
た圧縮音情報を読み出して復号化する復号器３４と、復
号器３４で復号化されたデジタル信号の音情報をアナロ
グ信号に変換するＤ／Ａ変換器３５と、Ｄ／Ａ変換器３
５でＤ／Ａ変換されたアナログ信号を増幅する増幅器３
６と、増幅器３６を介して送られてきた音情報を音声出
力して再生するスピーカー３７と共に、一枚の回路基板
３０上に実装（オンチップ）されている。なお、このＩ
Ｃチップ２０は、上記キャップを取り付けるなどしてパ
ッケージングしたモジュールとして回路基板３０上に実
装してもよいことは言うまでもない。

【００４８】したがって、マイクロホンを別個に搭載す
るのではなく、一枚の回路基板３０上に実装することが
でき、ケースに収めるだけで音声記録再生装置を組み立
てることができる。この回路基板３０への実装工程で
は、ＩＣチップ２０は、シリコン系材料により作製され
ているので、高耐熱性を利用して高温熱処理を施すこと
ができ、高温処理を伴うバンプ／リフローなどを採用し
て回路基板３０に−括実装することができる。なお、Ｉ
Ｃチップ２０は、チップマイクロホン１０にアルミニウ
ムの電極を形成しているので、無鉛半田を用いた高温の
実装工程にも適用することができる。

【００４９】このように本実施形態においては、上述実
施形態による作用効果に加えて、ＩＣチップ２０を他の
部品３１〜３７と共に回路基板３０に実装するので、例
えば、ＣＳＰ（チップサイズパッケージング）等として
高密度実装を行うことができ、バンプ／リフローなどを
使って−括実装するなど回路基板３０の組立工程の効率
化を実現することができる。したがって、音声記録再生
装置の小型化、低コスト化、高信頼性化に貢献すること
ができる。

【００５０】また、本実施形態の他の態様としては、図
７に示すように、上述第１実施形態のように、部品３１
〜３７を実装する回路基板３０ａにＩＣチップ２０を信
号線により個別に接続するようにしてもよいことは言う
までもなく、図８に示すように、ＩＣチップ２０とＡ／
Ｄ変換器３１を回路基板３０ｂに実装して音情報の出力
のＳ／Ｎ比が低下しないようにしたり、図９に示すよう
に、ＩＣチップ２０、Ａ／Ｄ変換器３１および符号器３
２を回路基板３０ｃに実装して記録部３３の前段をユニ
ット化して組み立てを容易化するようにすることもでき
る。これらの形態は、装置の外形・機能や各種工程など
の事情に応じて設計すればよい。

【００５１】次に、図１０および図１１は本発明に係る
音処理装置の第３実施形態を適用した音声取得装置の一
例を示す図である。

【００５２】図１０および図１１において、音声取得装
置（音処理装置）は、基台１１に形成された振動板１２
と、貫通孔１４ａを複数形成された背面板１４との間に
接着支持部１３を介装することにより、コンデンサ型マ
イクロホンとして機能するように構築されたチップマイ
クロホン４０を備えている。

【００５３】ここで、チップマイクロホン４０は、薄く
平坦な振動板１２と背面板１４により構成されるコンデ
ンサであることから、音波による音圧変化で生じる振動
板１２の変位をコンデンサの容量変化として感度よく検
出するには、バイアス電圧を大きくする、振動板１
２と背面板１４との間の間隔を小さくする、振動板１
２と背面板１４の電極面積を大きくする、振動板１２
の材質を柔らかいものにする（振動板１２のスチフネス
を小さくする）などの方策があるが、このチップマイク
ロホン４０においては、振動板１２と背面板１４とが静
電引力で貼り付かないようにする必要がある。この振動
板１２と背面板１４の両極を貼り付かずに機能させるた
めの指標としては、「指向性コンデンサ・マイクロホン
の小型化の設計」（溝口章夫日本音響学会誌３１巻
１０号、ｐ５９３〜６０１（１９７５））に、次式
（１）により求められる安定度μが定義されており、通
常μ＝７程度になるように設計される。

【００５４】

【数１】上記の式（１）からすると、チップマイクロホン４０の
感度を向上させるための方策〜は安定度の向上と相
反するものであり、このチップマイクロホン４０におい
ては、振動板１２と背面板１４との間隔が数μｍと極め
て小さいために高感度化には限界がある。

【００５５】このことから、この音声取得装置は、ＬＣ
発信回路の発信／変調回路４１のコンデンサ容量の一部
または全部として、直接信号線を介して（上述第１実施
形態のように増幅器を介することなく）、チップマイク
ロホン４０を接続することにより、振動板１２と背面板
１４との間の対向電極間によるコンデンサ容量が音声な
どの音情報に応じて変化するのを、ＬＣ回路の発信周波
数の変化として取得し、その発信／変調回路４１の出力
端子に接続した外部装置に出力することができるように
なっている。

【００５６】ここで、ＬＣ発振回路は、コイルおよびコ
ンデンサによって発振周波数が決定される発振回路であ
り、コンデンサ容量の変化を発振周波数の変化として検
出することができ、この方式によれば、チップマイクロ
ホン４０のコンデンサ部にバイアス電圧を印加する必要
がないため、高感度化の方策を選ぶ自由度を増すことが
できる。この場合、チップマイクロホン４０のコンデン
サ部には、発信／変調回路４１の発信回路が動作するの
に必要な微弱な電圧だけが印加されることになり、通常
のマイクロホンのバイアス電圧に比べて非常に低い電圧
で済むため、上記の式（１）の安定度μを大きく取るこ
とが可能になり、振動板１２と背面板１４とが貼り付く
という問題を生じ難くすることできる。

【００５７】具体的には、一般的なＬＣ発振回路の発振
周波数ｆは、次式（２）で定まる。

【００５８】

【数２】そして、音圧によって生じるfの変化をΔfとすると、次
式（３）のように示されることから、感度を向上させる
ために周波数変位Δｆを大きくする方法としては、前述
の方策〜が有効であることが判る。

【００５９】

【数３】したがって、従来のコンデンサ型マイクロホンでは、実
用的な感度を得るために数Ｖのバイアス電圧Ｖｂを必要
とするのに対して、チップマイクロホン４０では、１〜
２Ｖで動作する発振回路にすることができ、上記の式
（１）から、従来のマイクロホンと比べて安定度μを数
倍から数百倍にすることができ、これにより、高感度化
の方策を選ぶ自由度も大きく増すことができる。

【００６０】そして、発信／変調回路４１は、チップマ
イクロホン４０の振動板１２が音圧の変化に応答して背
面板１４に対して振動しそのコンデンサ容量が変化する
ことによって、ＬＣ発振回路としての発振周波数ｆが変
化する。この発振周波数ｆは上記の式（２）によって決
定される。

【００６１】なお、チップマイクロホン４０および発信
／変調回路（ＬＣ回路）４１は、別個の部品として接続
組み立てしてもよく、また、同一の回路基板に搭載して
もよく、さらに、半導体製造技術により同一の半導体基
板上に作製してもよい。

【００６２】このように本実施形態においては、上述実
施形態による作用効果に加えて、チップマイクロホン４
０の振動板１２の振動を、通常のマイクロホンのように
バイアス電圧Ｖｂを印加するのではなく、発信／変調回
路４１がＬＣ回路における微弱電圧を印加するだけで、
チップマイクロホン４０のコンデンサ容量の変化によ
り、音圧変化である音情報を読み取ることができる。

【００６３】したがって、チップマイクロホン４０の接
着支持部１３を、例えば、２μｍ〜５μｍなどと薄く形
成しても、印加する電圧により振動板１２と背面板１４
が貼り付いてしまう恐れをなくすことができ、チップマ
イクロホン４０を備える音声入力部や装置全体をより小
型化することができる。

【００６４】次に、図１２は本発明に係る音処理装置の
第４実施形態を適用した音声伝送装置の一例を示す図で
ある。

【００６５】図１２において、音声伝送装置（音処理装
置）は、チップマイクロホン４０が発信／変調回路４１
に接続されていると共に、その発信／変調回路（ＬＣ回
路）４１には、外部装置が無線受信可能に電波を空中に
送出するアンテナ５２が出力端子に代えて取り付けられ
ている。

【００６６】この発信／変調回路４１は、チップマイク
ロホン４０のコンデンサ容量の変化を発振周波数の変化
として検出するので、その発信周波数の変化を搬送周波
数のＦＭ変調とみなして、アンテナ５２を介して電波と
して送出することにより無線送信することができ、それ
を受信する外部装置側で復調して音情報とすることがで
きる。したがって、この音声伝送装置は、ワイヤレスマ
イクとして使用することができる。

【００６７】ここで、アンテナ５２は、チップマイクロ
ホン４０および発信／変調回路４１と別個の部品として
接続組み立てしたり、同一の回路基板に搭載してもよい
が、コイルアンテナとして、チップマイクロホン４０お
よび発信／変調回路４１と共に半導体製造技術により同
一の半導体基板上に作製するのがコンパクトに構成する
ことができて好適である。

【００６８】このように本実施形態においては、上述実
施形態による作用効果に加えて、チップマイクロホン４
０から入力された音情報を外部装置で無線受信可能に空
中に送信することができ、コンパクトなワイヤレスマイ
クとして使用することができる。

【００６９】次に、図１３〜図１８は本発明に係る音処
理装置の第５実施形態を適用した音声伝送装置の一例を
示す図である。

【００７０】図１３〜図１５において、音声伝送装置
（音処理装置）は、複数のＩＣチップ２０をマトリック
ス状にアレイ配置したアレイマイク６１を、さらに並列
したアレイマイクユニット６０を備えており、個々のＩ
Ｃチップ２０のチップマイクロホン１０で取得して増幅
器２１により増幅した音情報を処理して外部装置に無線
送信するように、例えば、携帯電話機１００に搭載され
ている。

【００７１】アレイマイクユニット６０は、通話者など
の映像を撮影するカメラ７１と、このアレイマイクユニ
ット６０により取得した音情報と共にカメラ７１により
取得した画情報を不図示のアンテナを介して相手先携帯
電話機に無線送信する送信部７２と、相手先携帯電話機
から送られてきた音情報や画情報を受信する受信部７３
と、受信した音情報を再生して音声出力するスピーカ７
４と、受信した画情報を再生して表示出力する液晶表示
器７５と共に、携帯電話機１００のケース内に収められ
ている。なお、図１３の各部品のレイアウトは、説明す
るために便宜的に図示するだけのものであり、装置の形
態に応じて設計されるものであることはいうまでもな
い。

【００７２】このアレイマイクユニット６０は、アレイ
マイク６１毎に、ｎ個のＩＣチップ２０のチップマイク
ロホン１０で取得して増幅器２１から出力する個々の音
情報を、同期加算することにより低雑音のマイクロホン
を構成するように、同期加算回路６２を接続されてい
る。

【００７３】このアレイマイク６１は、それぞれで雑音
が独立に取得（入力）されてしまうが、それぞれの雑音
の振幅特性が均一であるとすると、「２次元ディジタル
フィルタを用いた超指向性マイクロホン」（金森他
日本音響学会電気音響研究会資料ＥＡ９１−８４
（１９９１））で説明されているように、ｎ個のチップ
マイクロホン１０について同一の重み付けで同期加算す
ることにより、次式（４）で算出される雑音低減効果Ｎ
ｒを得ることができる。Ｎｒ＝１０・ｌｏｇ（ｎ）［ｄＢ］・・・（４）

【００７４】例えば、アレイマイク６１が１６個のチッ
プマイクロホン１０を備えている場合に、その１６個の
チップマイクロホン１０の音情報を同期加算することに
より、図１６に示す上記式（４）の数値Ｎｒの計算結果
からすると、約１２ｄＢという大きな雑音低減効果を得
られることが判る。

【００７５】ただし、アレイマイク６１で音情報の同期
加算を行うには、それぞれのチップマイクロホン１０か
らの出力が同相と見なせることが必要であり、そのため
には、収音する波長と比べて、アレイマイク６１の大き
さが十分小さくなければならない。すなわち、このアレ
イマイク６１は、一辺のサイズＬが概ね波長の１／１０
以下の場合に、それぞれのチップマイクロホン１０が音
波により同相で駆動されていると見なすことができるこ
とから、同期加算により雑音を低減可能な帯域の上限周
波数ｆ_hと音速ｃを用いて、アレイマイク６１のサイズ
Ｌには次式（５）の制約が課せられることになる。

【００７６】

【数４】このアレイマイク６１は、１６個のチップマイクロホン
１０をマトリックス状にアレイ配置するには、上記の式
（５）において、音速cを３４０ｍ／ｓｅｃとすると、
図１７に示すように、サイズＬとして許容される範囲
は、図中に斜線で示す曲線の下側の領域であり、雑音を
低減可能な帯域の上限周波数ｆ_hを８ｋＨｚとすると、
サイズＬの上限は４ｍｍ角程度となり、チップマイクロ
ホン１０の個々のサイズは大きくとも１ｍｍ程度とな
る。なお、このチップマイクロホン１０は半導体製造技
術により作製するので、作製可能なサイズである。

【００７７】そして、このアレイマイクユニット６０
は、複数のアレイマイク６１を並列してさらにアレイ化
しているので、そのアレイマイク６１を指向性制御回路
６３に接続して、同期加算することにより雑音を低減し
た個々のアレイマイク６１からの各出力（音情報）を入
力し、公知技術である指向性処理を行うことによって、
超指向性マイクロホンを構成するようになっている。な
お、この指向性処理（公知技術）は、上記でも引用する
「２次元ディジタルフィルタを用いた超指向性マイクロ
ホン」に詳しい。

【００７８】ここで、アレイマイクユニット６０は、マ
トリックス状にチップマイクロホン１０を配置したアレ
イマイク６１の６組をさらにアレイ配置するとともに、
そのアレイマイク６１のそれぞれには同期加算回路６２
を隣接配置して接続し、その同期加算回路６２からの出
力を指向性制御回路６３に集約する接続回路構成を、半
導体制御技術を駆使したマイクロマシン加工技術を利用
して、一枚の基板６４上に高精度に製作することがで
き、チップマイクロホン１０などの特性を均一にして処
理することができる。なお、図１４中の６４はアレイマ
イクユニット６０のカバーケースである。

【００７９】したがって、小型のアレイマイクユニット
６０を搭載することにより、携帯電話機１００は、図１
８に示すように、例えば、相手先携帯電話機のカメラ７
１で撮影する相手の顔を表示器７５に画面表示して確認
しながら、アレイマイクユニット６０から離隔する口よ
り発声される音声を、そのアレイマイクユニット６０の
超指向性により取得入力して、相手先の携帯電話機に送
信することができ、特別なマイクロホンを装着する必要
のない、快適な会話を実現することができる。

【００８０】もちろん、表示器７５に表示するものは相
手の顔でなくてもよく、放送やインターネットなどの手
段を通して取得した文字、図形、映像でもよく、また、
何も表示しない状態で用いることもできるので、カメラ
を備えていない相手との会話も行うことができることは
言うまでもない。

【００８１】このように本実施形態においては、上述実
施形態による作用効果に加えて、アレイマイクユニット
６０は、複数のチップマイクロホン１０や増幅器２１と
共に同期加算回路６２および指向性制御回路６３を、半
導体製造技術により高精度かつ小型に一体形成すること
ができ、個々の特性が均一なチップマイクロホン１０に
より、また、同期加算回路６２および指向性制御回路６
３を備えることにより優れた指向性マイクロホンを構成
することができる。また、このアレイマイクユニット６
０は、半導体製造技術により低コストに量産することも
できる。

【００８２】なお、本実施形態では、超指向性マイクロ
ホンについて説明したが、このマイクロホンは指向性制
御回路６３の処理特性を変えることで、超指向性から全
指向性まで指向性を自由自在に変えることができること
は言うまでもない。

【００８３】

【発明の効果】本発明によれば、搭載するマイクロホン
を、振動板および背面板を接着層で接着する積層構造に
形成してチップ化するので、小型・軽量の音声入力部と
することができ、接着層は粉体酸化ケイ素を主成分とし
ているので、振動板と背面板とを欠陥のない所望の厚さ
の接着層により面内一様に接着させることができる。ま
た、半導体製造技術等のマイクロマシン加工技術を利用
することにより、使用温度範囲が広く、高精度で特性が
均一な、より小型・軽量のマイクロホンを効率よく作製
することができ、さらに、粉体酸化ケイ素を主成分とす
る接着層にＩＩＩ族のホウ素やＶ族のリンなどの元素を
含ませることにより、振動板と背面板とをさらに一様に
接着することができる。そして、このようなチップマイ
クロホンをそのまま、あるいはモジュール化して回路基
板に実装することにより、マイクロホンを高密度に実装
した回路基板を音処理装置に搭載することができる。し
たがって、特性が優れて信頼性の高い小型の音処理装置
を安価に提供することができる。

【００８４】さらに、チップマイクロホンをコンデンサ
とするＬＣ回路を搭載することにより、微弱な電圧を印
加するだけで、チップマイクロホンの振動板の振動をそ
のコンデンサ容量の変化によるＬＣ回路の発信周波数の
変化として出力することができ、薄い接着層とした小型
のチップマイクロホンとしたために、バイアス電圧の印
加により振動板と背面板が貼り付いてしまうことなく、
音情報を取得することができる。

【００８５】また、アレイ配置したチップマイクロホン
の出力を同期加算して雑音を低減する、または、複数の
アレイマイク毎にアレイ配置したチップマイクロホンの
出力を同期加算して雑音を低減した後に、音情報の入力
に指向性を持たせる処理を行うようにすることにより、
小型で指向性を有する音入力部を構成することができ、
マイクロホンを口元近くまで持っていく必要のない音処
理装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る音処理装置の第１実施形態を示す
図であり、その概略構成を示す概念ブロック図である。

【図２】その要部部品の構成を示す図であり、（ａ）は
その平面図、（ｂ）はその一部断面側面図である。

【図３】その要部部品の作製を説明する工程図である。

【図４】その他の態様を示す一部断面側面図である。

【図５】その他の態様を示す一部断面側面図である。

【図６】本発明に係る音処理装置の第２実施形態を示す
図であり、その概略構成を示すブロック図である。

【図７】その他の態様を示すブロック図である。

【図８】その他の態様を示すブロック図である。

【図９】その他の態様を示すブロック図である。

【図１０】本発明に係る音処理装置の第３実施形態を示
す図であり、その概略構成を示すブロック図である。

【図１１】その要部部品の構成を示す一部断面側面図で
ある。

【図１２】本発明に係る音処理装置の第４実施形態を示
す図であり、その概略構成を示すブロック図である。

【図１３】本発明に係る音処理装置の第５実施形態を示
す図であり、その概略構成を示すブロック図である。

【図１４】その要部部品を示す斜視図である。

【図１５】その要部部品の構成を示すブロック図であ
る。

【図１６】その要部部品の特性を説明するグラフであ
る。

【図１７】その要部部品の構成を説明するグラフであ
る。

【図１８】その使用を説明する説明図である。

【符号の説明】

１０、４０チップマイクロホン１２振動板１３接着支持部１４背面板２０ＩＣチップ２１増幅器２５、３３記録部３０、３０ａ〜３０ｃ回路基板３１Ａ／Ｄ変換器３２符号器３４復号器３５Ｄ／Ａ変換器３６増幅器３７スピーカー４１発信／変調回路５２アンテナ６０アレイマイクユニット６１アレイマイク６２同期加算回路６３指向性制御回路６４基板７１カメラ７２送信部７３受信部７４スピーカ７５液晶表示器７５表示器１００携帯電話機

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０４Ｒ 1/40 ３２０Ｈ０４Ｒ 1/40 ３２０Ｂ 31/00 31/00 Ｃ (72)発明者田島利文東京都世田谷区砧一丁目10番11号日本放送協会放送技術研究所内Ｆターム(参考） 4J040 DN071 EL051 HA016 HA136 HA266 HA306 HA326 KA42 5D017 BD04 BD07 5D018 BB22 BB25 5D021 CC15 CC19 CC20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マイクロホンにより音情報を取得して、該
音情報を処理する音処理装置であって、前記マイクロホンは、音圧により振動する振動板と、該
振動板に対面する背面板と、振動板と背面板を接着して
間隙を確保する接着層とを備えるチップマイクロホンに
より構成し、前記接着層は、粉体酸化ケイ素を主成分として、振動板
と背面板を積層構造に接着することを特徴とする音処理
装置。
【請求項２】前記チップマイクロホンを半導体製造技術
で作製したことを特徴とする請求項１に記載の音処理装
置。
【請求項３】前記接着層を１μｍ〜２０μｍの厚さに形
成したことを特徴とする請求項１または２に記載の音処
理装置。
【請求項４】前記接着層は、ホウ素、インジウム、リ
ン、ヒ素、またはアンチモンのいずれか一つあるいは二
つ以上の元素を高濃度に含むことを特徴とする請求項１
から３のいずれかに記載の音処理装置。
【請求項５】前記チップマイクロホンをそのまま、ある
いは該チップマイクロホンをパッケージングしたモジュ
ールとして、回路基板に実装したことを特徴とする請求
項１から４のいずれかに記載の音処理装置。
【請求項６】前記チップマイクロホンをコンデンサとす
るＬＣ回路と、該チップマイクロホンのコンデンサ容量
の変化をＬＣ回路の発信周波数の変化として読み出す出
力手段とを備えたことを特徴とする請求項１から５のい
ずれかに記載の音処理装置。
【請求項７】前記チップマイクロホンをアレイ配置した
アレイマイクと、該アレイマイク内の複数のチップマイ
クロホンの出力を同期加算する同期加算回路とを備えた
ことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の音
処理装置。
【請求項８】前記アレイマイクは、チップマイクロホン
を一方向にアレイ配置するとともに、該アレイ配置が並
列するようにさらにアレイ配列したことを特徴とする請
求項７に記載の音処理装置。
【請求項９】前記アレイマイクおよび同期加算回路を複
数備えるとともに、該アレイマイク毎の該同期加算回路
からの出力を処理して当該複数のアレイマイクに指向性
を持たせる指向性制御回路を設けたことを特徴とする請
求項７または８に記載の音処理装置。