JP2008199226A - コンデンサマイク装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】マイク装置を物にぶつけるなどして該マイク装置に衝撃を与えたときに衝撃音の発生を抑制する。
【解決手段】装置基板12上にコンデンサマイク素子14と加速度センサ素子16を同一面を同一方向に向けて搭載する。両素子14,16をともにコンデンサマイク素子型の素子で構成する。両素子14,16の各部の寸法はバックキャビティ20,120の口径が相違する以外は同じである。コンデンサマイク素子14の背面側にバックキャビティ20の口径を絞って音響抵抗を構成する段差40を形成する。加速度センサ素子16にのバックキャビティ120には段差を形成しない。両素子14,16の端子電圧を減算してマイク出力として取り出す。
【選択図】図1
【解決手段】装置基板12上にコンデンサマイク素子14と加速度センサ素子16を同一面を同一方向に向けて搭載する。両素子14,16をともにコンデンサマイク素子型の素子で構成する。両素子14,16の各部の寸法はバックキャビティ20,120の口径が相違する以外は同じである。コンデンサマイク素子14の背面側にバックキャビティ20の口径を絞って音響抵抗を構成する段差40を形成する。加速度センサ素子16にのバックキャビティ120には段差を形成しない。両素子14,16の端子電圧を減算してマイク出力として取り出す。
【選択図】図1
Description
この発明はコンデンサマイク装置(エレクトレットコンデンサマイク装置を含む)の改良に関し、コンデンサマイク装置を物にぶつけるなどして該コンデンサマイク装置に衝撃を与えたときの衝撃音の発生を抑制したものである。
マイク装置を使用中に誤って物などにぶつけるとその衝撃で該マイク装置のダイアフラムが振動して無用な衝撃音を発する(拾う)ことがある。このような衝撃音の発生を抑制する従来技術として下記特許文献1記載の手法があった。これは電話機や無線機の送受話器に2個のマイク素子を搭載し、一方のマイク素子の集音部に樹脂シートによるマスキングを施して音声に対する感度を他方のマイク素子よりも低くし、衝撃に対しては両マイク素子の感度を等しくし、両マイク素子の出力信号を互いに打ち消し合うように演算処理したものである。これによれば音声は両マイク素子で拾う量が大きく異なるので演算処理であまり打ち消されず、衝撃による振動音は両マイク素子で拾う量が等しいので演算処理で大きく打ち消される。その結果音声に対しては良好な感度が得られ、衝撃に対しては感度が低くなって衝撃音の発生を抑制することができる。
特開2001−36607号公報
特許文献1記載の手法によれば一方のマイク素子の集音部に樹脂シートによるマスキングを施す必要があった。この発明は上述の点に鑑みてなされたもので、マスキングを不要にしたコンデンサマイク装置を提供しようとするものである。
この発明のコンデンサマイク装置はダイアフラムとバックプレートを適宜の空隙を隔ててそれぞれ対向配置した第1、第2のコンデンサ型素子と、前記第1のコンデンサ型素子の端子電圧と第2のコンデンサ型素子の端子電圧とを減算する減算器とを具備し、前記第1、第2のコンデンサ型素子は同一面を同一方向に向けて配置され、前記ダイアフラムの表面で受ける音波の量に対する該ダイアフラムの裏面に回り込んで該裏面で受ける音波の量の比率が、前記第2のコンデンサ型素子は前記第1のコンデンサ型素子に比べて大きく設定され、前記減算器の出力をマイク出力として取り出すものである。
この発明によれば、ダイアフラムの表面で受ける音波の量に対する該ダイアフラムの裏面に回り込んで該裏面で受ける音波の量の比率が、第1のコンデンサ型素子は小さく、第2のコンデンサ型素子は大きく設定されているので、第1のコンデンサ型素子はダイアフラムの表裏両面で打ち消し合う音波の量が少なく、第2のコンデンサ型素子はダイアフラムの表裏両面で打ち消し合う音波の量が多い。したがって音波に対して第1のコンデンサ型素子は感度が高く、第2のコンデンサ型素子は感度が低いので、両コンデンサ型素子の端子電圧を減算しても音波に応じた十分な出力が得られ、マイクとして機能することができる。一方衝撃に対しては両コンデンサ型素子は同一面を同一方向に向けて配置されているため、両コンデンサ型素子のダイアフラムは同等に振動するので、感度が同等になる。したがって両コンデンサ型素子の端子電圧を減算すると互いに打ち消しあうので、衝撃に対する出力は小さくなる。これによりマスキングを使用することなく衝撃音の発生を抑制することができる。
この発明のコンデンサマイク装置は前記第2のコンデンサ型素子の端子電圧をローパスフィルタに通してから前記減算を行うようにすることができる。すなわち第2のコンデンサ型素子が音波に対して高音域の感度が高い場合は減算によってマイク出力の高音域が減衰してしまう。そこで減算前に第2のコンデンサ型素子の端子電圧をローパスフィルタに通して高音域をカットしておくことにより、マイク出力の高音域の減衰を抑制することができる。
この発明のコンデンサマイク装置は、前記第1、第2のコンデンサ型素子はバックキャビティが形成された基材をそれぞれ有し、該第1、第2のコンデンサ型素子の前記各ダイアフラムは該各バックキャビティを塞ぐように該各基材の一面側にそれぞれ支持され、該第1、第2のコンデンサ型素子の前記各バックプレートは該各ダイアフラムの上に適宜の空隙を隔てて配置されるように該各基材の該一面側にそれぞれ支持され、該各基材の他面側はそれぞれ塞がれ、前記各バックプレートの面内には音波を通す透孔がそれぞれ形成され、前記各ダイアフラムの周縁部には前記各バックキャビティを外気に連通させる透孔がそれぞれ形成され、前記第1のコンデンサ型素子のバックキャビティはその内径が前記ダイアフラムに近い側で大きく遠い側で小さくなるように軸方向の途中位置に音響抵抗を構成する段差が形成され、前記第2のコンデンサ型素子のバックキャビティには該段差が形成されてなくまたは前記第1のコンデンサ型素子の段差よりも小さな音響抵抗を構成する段差が形成されているものとすることができる。
これによれば第1のコンデンサ型素子のバックキャビティはその内径が前記ダイアフラムに近い側で大きく遠い側で小さくなるように軸方向の途中位置に音響抵抗を構成する段差が形成されているので、ダイアフラムの周縁部の透孔からダイアフラムの裏面に回り込んで該裏面で受ける音波の量を少なくすることができる。これに対し第2のコンデンサ型素子のバックキャビティには段差が形成されてなくまたは形成されているとしても第1のコンデンサ型素子の段差よりも小さな音響抵抗を構成する段差であるので、ダイアフラムの周縁部の透孔からダイアフラムの裏面に回り込んで該裏面で受ける音波の量を多くすることができる。これにより音波に対して第1のコンデンサ型素子の感度を高くし、第2のコンデンサ型素子の感度を低くすることができる。
この発明のコンデンサマイク装置は前記第2のコンデンサ型素子のダイアフラムの面内に、該ダイアフラムの表面側から入射される音波の一部をその裏面側に回り込ませる単一または複数の透孔が形成され、前記第1のコンデンサ型素子のダイアフラムの面内には該透孔が形成されていないものとすることができる。これによれば第2のコンデンサ型素子はダイアフラムの裏面に回り込む音波の量が増えるので、ダイアフラムの面内に透孔がない場合に比べて音声に対する感度が低下する。したがって第2のコンデンサ型素子のダイアフラムの面内に透孔がない場合に比べて減算による音声の減衰量が減少し、コンデンサマイク装置全体として音声に対する感度が高くなる。
この発明のコンデンサマイク装置は、前記第1、第2のコンデンサ型素子は、該第1のコンデンサ型素子のバックキャビティの主要部の口径が該第2のコンデンサ型素子のバックキャビティの主要部の口径よりも小さく設定され、他の各部の寸法は相互に同一に設定されているものとすることができる。これによれば第1、第2のコンデンサ型素子はバックキャビティの口径が異なる以外は同一寸法に構成されているので、衝撃に対する感度が似通ったものとなり、減算により両コンデンサ型素子の端子電圧を高精度に打ち消すことができる。したがって衝撃音の発生を効果的に抑制することができる。
前記第1、第2のコンデンサ型素子のダイアフラムの衝撃に対する感度は同一であることが望ましいが、両ダイアフラムの衝撃に対する感度の違いが3dB以内であればこの発明による良好な効果が期待でき、1dB以内であれば特に良好な効果が期待できる。
この発明のコンデンサマイク装置は前記2組のコンデンサ型素子がそれぞれMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)素子で構成されているものとすることができる。
《実施の形態1》
この発明のコンデンサマイク装置の実施の形態1を、図1にコンデンサマイク装置全体を長手方向に沿って半割にした断面図で示す。またその分解斜視図を図2に示す。図1においてコンデンサマイク装置10は装置基板12上にコンデンサマイク素子14(第1のコンデンサ型素子)、加速度センサ素子16(第2のコンデンサ型素子)、インピーダンス変換用LSI18を相互に絶縁状態に載置し接着剤で固定して構成される。両素子14,16はともにコンデンサ型素子で構成され、同一面を同一方向に向けて装置基板12上に配置されている。両素子14,16のバックキャビティ20,120の開放端は装置基板12で封止されている。両素子14,16はバックキャビティ20,120の主要部を構成する開口部36,136(後述)の口径が異なる(開口部36の口径<開口部136の口径)以外は同一寸法で構成されている。また両素子14,16の相互に対応する各部は同一材料で作られている。したがって後述するダイアフラム26,126の慣性モーメントは相互に等しい。なおダイアフラム26,126の慣性モーメントの違い(衝撃に対する感度の違い)が3dB以内であればこの発明による良好な効果が期待でき、1dB以内であれば特に良好な効果が期待できる。両素子14,16はそれぞれMEMSプロセスを利用して構成されている。あるいは比較的大型の場合は個別の部品を組み立てて両素子14,16を構成することもできる。
この発明のコンデンサマイク装置の実施の形態1を、図1にコンデンサマイク装置全体を長手方向に沿って半割にした断面図で示す。またその分解斜視図を図2に示す。図1においてコンデンサマイク装置10は装置基板12上にコンデンサマイク素子14(第1のコンデンサ型素子)、加速度センサ素子16(第2のコンデンサ型素子)、インピーダンス変換用LSI18を相互に絶縁状態に載置し接着剤で固定して構成される。両素子14,16はともにコンデンサ型素子で構成され、同一面を同一方向に向けて装置基板12上に配置されている。両素子14,16のバックキャビティ20,120の開放端は装置基板12で封止されている。両素子14,16はバックキャビティ20,120の主要部を構成する開口部36,136(後述)の口径が異なる(開口部36の口径<開口部136の口径)以外は同一寸法で構成されている。また両素子14,16の相互に対応する各部は同一材料で作られている。したがって後述するダイアフラム26,126の慣性モーメントは相互に等しい。なおダイアフラム26,126の慣性モーメントの違い(衝撃に対する感度の違い)が3dB以内であればこの発明による良好な効果が期待でき、1dB以内であれば特に良好な効果が期待できる。両素子14,16はそれぞれMEMSプロセスを利用して構成されている。あるいは比較的大型の場合は個別の部品を組み立てて両素子14,16を構成することもできる。
はじめにコンデンサマイク素子14について説明する。コンデンサマイク素子14はシリコン等の基板22の表面にシリカ膜等による絶縁層24を成膜し、その上にダイアフラム(振動板)26を構成する導電膜28、シリカ膜等による絶縁層30、バックプレート(背極板、固定電極)32を構成する導電膜34を半導体製造プロセスにより順次積層成膜して構成されている。基板22の中央部には断面円形の開口部(貫通孔)36が形成されている。絶縁層24,30の中央部には基板22の開口部36と同軸に形成され該開口部36に連通する断面円形の開口部(貫通孔)38が形成されている。基板22の開口部36は絶縁層24,30の開口部38よりも小径に形成され、その境界部分に段差40が形成されている。
基板22の開口部36はバックキャビティ(背面空気室)20を構成する。バックプレート32とダイアフラム26との間には所定長の空隙42が形成されている。バックプレート32には複数の透孔44が形成されている。外部で発生した音声による音波はこの透孔44から空隙42内に入り、ダイアフラム26の表面に当たって該ダイアフラム26を駆動する。ダイアフラム26の周縁部には気圧調整用の狭幅の透孔46が形成され、バックキャビティ20を外気に連通させている。基板22の開口部36は絶縁層24,30の開口部38よりも小径に形成されているので、両開口部36,38の境界部分の段差40で音響抵抗が大きくなっており、音波は気圧調整用透孔46を通してダイアフラム26の裏面側に回り込みにくくなっている。したがって音声に対してはダイアフラム26の表裏両面で打ち消し合う音波の量が少ないので高い感度が得られる。
コンデンサマイク素子14をバックプレート32側から見た平面図を図3に示す。図1に示したコンデンサマイク素子14の断面構造は図3のA−A矢視位置の断面に相当する。図3においてダイアフラム26は平面形状が開口部38よりも僅かに小径の円形に形成され、その外周縁部には外方に突出した支持部26aが等角度間隔で形成配置されている。ダイアフラム26は開口部38に対し同心状に配置され、支持部26aで絶縁層24の上に固定支持される。これにより開口部38とダイアフラム26の外周縁部との間には狭幅の気圧調整用透孔46が形成される。支持部26aの1つ(26a’)は延長されてリード線26bを構成している。リード線26bの端部は絶縁層30を貫通して該絶縁層30の表面に達し端子下地26cを構成している。
図3においてバックプレート32はダイアフラム26よりも小径の円形に形成され、その外周縁部には外方に突出した支持部32aが等角度間隔で形成配置されている。バックプレート32は開口部38に対し同心状に配置され、支持部32aで絶縁層30の上に固定支持される。これにより開口部38とバックプレート32の外周縁部との間には広幅の透孔45が形成される。音波はこの透孔45とバックプレート32の面内に形成された透孔44を通して空隙42内に入りダイアフラム26を駆動する。支持部32aの1つ(32a’)は延長されてリード線32bを構成している。リード線32bの端部は絶縁層30の表面で端子下地32cを構成している。
MEMSプロセス(半導体製造プロセス)によるコンデンサマイク素子14の製造工程の一例を説明する。
(1)開口部36が未だ形成されていない基板22に絶縁層24と導電膜28を順次成膜する。
(2)導電膜28をフォトリソグラフィ技術によりパターニングし、ダイアフラム26およびこれにつながる支持部26a,26a’、リード線26b(図3)を形成する。
(3)絶縁層30を成膜する。
(4)絶縁層30の一部にリード線26bに通じる貫通孔をエッチングで形成する。
(5)絶縁層30の上に導電膜34を成膜する。このとき導電膜34は絶縁層30の上記貫通孔内にも堆積し、ダイアフラム26のリード線26bと連結されて導通する。
(6)導電膜34をフォトリソグラフィ技術によりパターニングし、バックプレート32およびこれにつながる支持部32a.32a’、リード線32b、端子下地32cを形成する。このとき同時にバックプレート32に透孔44を形成する。またダイアフラム26のリード線26bにつながる端子下地26cも同時に形成する。
(7)少なくとも端子27,33を形成する領域を覆うようにアルミ等をスパッタリング等で成膜し、フォトリソグラフィ技術によりパターニングし、端子下地26cに導通する端子27と、端子下地32cに導通する端子33をそれぞれ形成する。
(8)基板22の裏面を絶縁層24が露出するまでエッチングして開口部36を形成する。
(9)基板22の表裏両面側からフッ酸等のエッチング液を用いて絶縁層24,30の中央部を選択的にエッチング除去する。すなわちエッチング液は基板22の裏面側については開口部36から進入し絶縁層24の中央部をエッチング除去して開口部38を形成する。またエッチング液は基板22の表面側については透孔44,45から進入して絶縁層30の中央部をエッチング除去して空隙42を形成する。またこれらエッチングにより透孔46が形成され、開口部36,38と空隙42が連通する。
以上のようにしてコンデンサマイク素子14が作られる。
(1)開口部36が未だ形成されていない基板22に絶縁層24と導電膜28を順次成膜する。
(2)導電膜28をフォトリソグラフィ技術によりパターニングし、ダイアフラム26およびこれにつながる支持部26a,26a’、リード線26b(図3)を形成する。
(3)絶縁層30を成膜する。
(4)絶縁層30の一部にリード線26bに通じる貫通孔をエッチングで形成する。
(5)絶縁層30の上に導電膜34を成膜する。このとき導電膜34は絶縁層30の上記貫通孔内にも堆積し、ダイアフラム26のリード線26bと連結されて導通する。
(6)導電膜34をフォトリソグラフィ技術によりパターニングし、バックプレート32およびこれにつながる支持部32a.32a’、リード線32b、端子下地32cを形成する。このとき同時にバックプレート32に透孔44を形成する。またダイアフラム26のリード線26bにつながる端子下地26cも同時に形成する。
(7)少なくとも端子27,33を形成する領域を覆うようにアルミ等をスパッタリング等で成膜し、フォトリソグラフィ技術によりパターニングし、端子下地26cに導通する端子27と、端子下地32cに導通する端子33をそれぞれ形成する。
(8)基板22の裏面を絶縁層24が露出するまでエッチングして開口部36を形成する。
(9)基板22の表裏両面側からフッ酸等のエッチング液を用いて絶縁層24,30の中央部を選択的にエッチング除去する。すなわちエッチング液は基板22の裏面側については開口部36から進入し絶縁層24の中央部をエッチング除去して開口部38を形成する。またエッチング液は基板22の表面側については透孔44,45から進入して絶縁層30の中央部をエッチング除去して空隙42を形成する。またこれらエッチングにより透孔46が形成され、開口部36,38と空隙42が連通する。
以上のようにしてコンデンサマイク素子14が作られる。
一方、加速度センサ素子16はバックキャビティ120がコンデンサマイク素子14のバックキャビティ20よりも小径に形成されている以外はコンデンサマイク素子14と同一に構成されている。加速度センサ素子16においてコンデンサマイク素子14と共通する箇所には100番違いの符号を付してその説明を省略する。基板122の開口部136は絶縁層128,130の開口部138と同一径に形成されている。したがって加速度センサ素子16にはコンデンサマイク素子14に形成されている段差40に相当するものは存在しない。これにより開口部136,138の境界部分で音響抵抗は増大しない。したがって音波は気圧調整用透孔146を通してダイアフラム126の裏面側に回り込みやすくなっている。したがって音声に対してはダイアフラム126の表裏両面で打ち消し合う音波の量が多いので感度は低くなる。
なお開口部136,138は完全に同一径である必要はなく、開口部136を開口部138よりも僅かに小径に(コンデンサマイク素子14の開口部36よりも十分に大径に)形成して、開口部136,138の境界部分に僅かな段差が形成されていてもよい。また加速度センサ素子16の平面構造はコンデンサマイク素子14について示した図3と同じである。また加速度センサ素子16は前述したコンデンサマイク素子14の製法と同じ方法で製造することができる。両素子14,16を同一ウェハ上に同時に作製することもできる。
以上の構成のコンデンサマイク素子14および加速度センサ素子16によれば、外部からの音声による音波に対しては前述のとおり、バックキャビティ20,120を構成する開口部36,136の口径の相違(言い換えれば段差40の有無または段差40の大小の相違)によるダイアフラム26,126の裏面への音波の回り込み量の相違により、コンデンサマイク素子14は相対的に感度が高く加速度センサ素子16は相対的に感度が低くなる。また衝撃に対してはコンデンサマイク素子14および加速度センサ素子16が同一面を同一方向に向けて配置されているため、両素子14,16のダイアフラム26,126は該衝撃による慣性で同等に振動するので、感度が同等になる。
以上のようにして装置基板12上にコンデンサマイク素子14、加速度センサ素子16、インピーダンス変換用LSI18が搭載されたコンデンサマイク装置10上の配線について説明する。図2においてコンデンサマイク素子14のダイアフラム26の端子27にはリード線48の一端部が半田付けで接続される。リード線48の他端部はインピーダンス変換用LSI18の端子56に半田付けで接続される。コンデンサマイク素子14のバックプレート32の端子33にはリード線50の一端部が半田付けで接続される。リード線50の他端部はインピーダンス変換用LSI18の端子60aに半田付けで接続される。加速度センサ素子16のダイアフラム126の端子127にはリード線52の一端部が半田付けで接続される。リード線52の他端部はインピーダンス変換用LSI18の端子58に半田付けで接続される。加速度センサ素子16のバックプレート132の端子133にはリード線54の一端部が半田付けで接続される。リード線54の他端部はインピーダンス変換用LSI18の端子60b(端子60a,60bはつながっている)に半田付けで接続される。インピーダンス変換用LSI18の端子62,64にはリード線66,68がそれぞれ接続される。以上の構成のコンデンサマイク装置10は各種マイク装置(ステージ用マイク、スタジオ用マイク等)、電話機や無線機の送受話器、携帯電話機、録音機等の各種機器に組み込まれて使用される。
以上説明した構造のコンデンサマイク装置10の回路図を図4に示す。インピーダンス変換用LSI18の端子64にはリード線68を介して例えば3Vの電源電圧が供給される。この電圧はチャージポンプ70で例えば11Vに昇圧されて両素子14,16のバックプレート32,132にバイアス電圧としてそれぞれ印加される。コンデンサマイク素子14のダイアフラム26はギガオーム〜テラオームオーダーの高抵抗72を介して接地されている。抵抗72の両端の電圧(ダイアフラム26の電位)はインピーダンス変換器を構成するバッファアンプ76に入力される。
加速度センサ素子16のダイアフラム126はギガオーム〜テラオームオーダーの高抵抗74を介して接地されている。抵抗74の両端の電圧(ダイアフラム126の電位)はインピーダンス変換器を構成するバッファアンプ78に入力される。バッファアンプ78の出力信号はローパスフィルタ80で高音域成分が除去される。減算器82はコンデンサマイク素子14側のバッファアンプ78の出力信号から加速度センサ素子16側のローパスフィルタ80の出力信号を減算する。減算器82の出力信号は端子62からマイク出力として出力されリード線66を介して後段のアンプ(図示せず)に供給される。
図4の回路によれば、コンデンサマイク素子14のダイアフラム26が振動すると該振動に伴うダイアフラム26とバックプレート32間の距離の変動によりコンデンサマイク素子14の容量が変化する。このコンデンサマイク素子14の容量変化は高抵抗72によりダイアフラム26の電位の変動として現れ、この電位の変動がバッファアンプ76を介して減算器82の一方入力端に入力される。同様に加速度センサ素子16のダイアフラム126が振動すると該振動に伴うダイアフラム126とバックプレート132間の距離の変動により加速度センサ素子16の容量が変化する。この加速度センサ素子16の容量変化は高抵抗74によりダイアフラム126の電位の変動として現れ、この電位の変動がバッファアンプ78およびローパスフィルタ80を介して減算器82の他方入力端に入力される。減算器82の両入力信号どうしを引き算して、その減算結果をマイク出力として出力する。
ここでコンデンサ型素子(コンデンサマイク素子14、加速度センサ素子16)についてバックキャビティの口径の違いによる音声に対する出力信号の周波数特性の違いを説明する。いま図5に示すコンデンサ型素子の各部の寸法a〜dを次のように定める。なお図5において各部の符号は便宜上コンデンサマイク素子14について使用した符号を用いる。
a(絶縁層24,30の開口部38の半径):325μm固定
b(ダイアフラム26の気圧調整用透孔46の幅):30μm固定
c(基板22・ダイアフラム26間のスリット84の厚み
=絶縁層24の厚み):2μm固定
d(スリット84の幅):50〜0.5μm可変
e(バックキャビティ20の半径):275〜324.5μ可変
(ただし、d+e=325μm一定)
f(バックキャビティ20の高さ):512μm固定
a(絶縁層24,30の開口部38の半径):325μm固定
b(ダイアフラム26の気圧調整用透孔46の幅):30μm固定
c(基板22・ダイアフラム26間のスリット84の厚み
=絶縁層24の厚み):2μm固定
d(スリット84の幅):50〜0.5μm可変
e(バックキャビティ20の半径):275〜324.5μ可変
(ただし、d+e=325μm一定)
f(バックキャビティ20の高さ):512μm固定
上記寸法d,eを様々に設定したときのコンデンサ型素子の出力信号のシミュレーションによる周波数特性を図6〜図9に示す。図6はスリット幅d=50μm、バックキャビティ半径e=275μmに設定したときの特性である。このときカットオフ周波数は80Hzであり、マイクとして十分な特性が得られる。
図7はスリット幅d=5μm、バックキャビティ半径e=320μmに設定したときの特性である。このときカットオフ周波数は600Hzであり、マイクとしては中途半端な特性である。
図8はスリット幅d=1μm、バックキャビティ半径e=324μmに設定したときの特性である。このときカットオフ周波数は3000Hzであり、マイクとしては使えない特性である。一方加速度センサとして使用するには高音域の感度が高いのでローパスフィルタで高域成分を除去する必要がある。図8にカットオフ周波数を2000Hzに設定したローパスフィルタの特性と、コンデンサ型素子14の出力信号をこのローパスフィルタに通したときの特性を併せて示す。これによればコンデンサ型素子14の出力信号をこのローパスフィルタに通したときの特性は中音域でのレベルが比較的大きい。したがって加速度センサとして使用すると、減算出力(最終的なマイク出力)の周波数特性に影響を与える(マイク出力の中音域成分を比較的大きく減衰させる)。
図9はスリット幅d=0.5μm、バックキャビティ半径e=324.5μmに設定したときの特性である。図8と同様にカットオフ周波数を2000Hzに設定したローパスフィルタの特性と、コンデンサ型素子14の出力信号をこのローパスフィルタに通したときの特性を併せて示す。これによればコンデンサ型素子14の出力信号をこのローパスフィルタに通したときの特性は中音域でのレベルも十分に下がっている。したがって加速度センサとして使用しても、最終的なマイク出力(減算出力)にあまり影響を及ぼさなくなる。したがって加速度センサとして十分に使用することができる。スリット幅d=0μm、バックキャビティ半径e=325μmに設定(すなわち図1の加速度センサ素子16の構造)したうえでローパスフィルタを使用すれば、最終的なマイク出力(減算出力)にさらに影響を及ぼさなくなり、加速度センサとしてさらに好適なものとなる。
以上のシミュレーション結果によれば、コンデンサマイク素子14としては図6の特性を実現するスリット幅d=50μm以上に設定し、加速度センサ素子16としては図9の特性を実現するスリット幅d=0.5μm以下(0μmを含む)に設定すれば、マイクとしての感度が良好でしかも衝撃に対する感度を低くできるので耐衝撃型マイクとして好適であることがわかる。
《実施の形態2》
この発明のコンデンサマイク装置の実施の形態2を説明する。これは前記実施の形態1において加速度センサ素子16のダイアフラム126の面内に透孔を形成したものである。この加速度センサ素子16の構成例を図10に示す。(a)は(b)のC−C矢視位置で見た断面図、(b)は(a)のB−B矢視位置で見た断面図である。ダイアフラム126の面内には孔径が1μm程度の透孔86が数個程度、均等配置で形成されている。他の構成は図1のコンデンサマイク装置10と同じである。コンデンサマイク素子14の面内には透孔が形成されていない。これによれば、加速度センサ素子16のダイアフラム126の面内に入射された音波の一部は透孔86を通ってダイアフラム126の裏面に回り込むので、気圧調整用透孔146を通してダイアフラム126の裏面側に回り込む音波量と合わせて、ダイアフラム126の裏面側に回り込む音波量が実施の形態1と比べて増えるので、音声に対する感度がより低下する。したがってコンデンサマイク装置10全体としては音声に対する感度が高くなる(減算後のマイク出力が大きくなる)。
この発明のコンデンサマイク装置の実施の形態2を説明する。これは前記実施の形態1において加速度センサ素子16のダイアフラム126の面内に透孔を形成したものである。この加速度センサ素子16の構成例を図10に示す。(a)は(b)のC−C矢視位置で見た断面図、(b)は(a)のB−B矢視位置で見た断面図である。ダイアフラム126の面内には孔径が1μm程度の透孔86が数個程度、均等配置で形成されている。他の構成は図1のコンデンサマイク装置10と同じである。コンデンサマイク素子14の面内には透孔が形成されていない。これによれば、加速度センサ素子16のダイアフラム126の面内に入射された音波の一部は透孔86を通ってダイアフラム126の裏面に回り込むので、気圧調整用透孔146を通してダイアフラム126の裏面側に回り込む音波量と合わせて、ダイアフラム126の裏面側に回り込む音波量が実施の形態1と比べて増えるので、音声に対する感度がより低下する。したがってコンデンサマイク装置10全体としては音声に対する感度が高くなる(減算後のマイク出力が大きくなる)。
なお前記実施の形態では両素子14,16を別々のチップとして構成したが、同一チップ上に一体に形成することもできる。また前記実施の形態ではコンデンサマイク素子14および加速度センサ素子16として通常のコンデンサマイク素子型の素子を使用した場合について説明したが、両素子14,16にエレクトレットコンデンサマイク素子型の素子を使用することもできる。また前記実施の形態では両素子14,16をバックキャビティ20,120の口径が異なる以外は同一寸法で構成したが、必ずしも同一寸法とする必要はなく、例えば両素子14,16を±10%程度の寸法差で構成することができる。
10…コンデンサマイク装置、14…コンデンサマイク素子(第1のコンデンサ型素子)、16…加速度センサ素子(第2のコンデンサ型素子)、20,120…バックキャビティ、22,122…基材、26,126…ダイアフラム、32,132…バックプレート、40…段差、42,142…空隙、44,45,46,86,144,146…透孔、80…ローパスフィルタ、82…減算器
Claims (7)
- ダイアフラムとバックプレートを適宜の空隙を隔ててそれぞれ対向配置した第1、第2のコンデンサ型素子と、前記第1のコンデンサ型素子の端子電圧と第2のコンデンサ型素子の端子電圧とを減算する減算器とを具備し、
前記第1、第2のコンデンサ型素子は同一面を同一方向に向けて配置され、
前記ダイアフラムの表面で受ける音波の量に対する該ダイアフラムの裏面に回り込んで該裏面で受ける音波の量の比率が、前記第2のコンデンサ型素子は前記第1のコンデンサ型素子に比べて大きく設定され、
前記減算器の出力をマイク出力として取り出すコンデンサマイク装置。 - 前記第2のコンデンサ型素子の端子電圧をローパスフィルタに通してから前記減算を行う請求項1記載のコンデンサマイク装置。
- 前記第1、第2のコンデンサ型素子はバックキャビティが形成された基材をそれぞれ有し、該第1、第2のコンデンサ型素子の前記各ダイアフラムは該各バックキャビティを塞ぐように該各基材の一面側にそれぞれ支持され、該第1、第2のコンデンサ型素子の前記各バックプレートは該各ダイアフラムの上に適宜の空隙を隔てて配置されるように該各基材の該一面側にそれぞれ支持され、該各基材の他面側はそれぞれ塞がれ、前記各バックプレートの面内には音波を通す透孔がそれぞれ形成され、前記各ダイアフラムの周縁部には前記各バックキャビティを外気に連通させる透孔がそれぞれ形成され、
前記第1のコンデンサ型素子のバックキャビティはその内径が前記ダイアフラムに近い側で大きく遠い側で小さくなるように軸方向の途中位置に音響抵抗を構成する段差が形成され、
前記第2のコンデンサ型素子のバックキャビティには該段差が形成されてなくまたは前記第1のコンデンサ型素子の段差よりも小さな音響抵抗を構成する段差が形成されている請求項1または2記載のコンデンサマイク装置。 - 前記第2のコンデンサ型素子のダイアフラムの面内に、該ダイアフラムの表面側から入射される音波の一部をその裏面側に回り込ませる単一または複数の透孔が形成され、前記第1のコンデンサ型素子のダイアフラムの面内には該透孔が形成されていない請求項1から3のいずれか1つに記載のコンデンサマイク装置。
- 前記第1、第2のコンデンサ型素子は、該第1のコンデンサ型素子のバックキャビティの主要部の口径が該第2のコンデンサ型素子のバックキャビティの主要部の口径よりも小さく設定され、他の各部の寸法は相互に同一に設定されている請求項1から4のいずれか1つに記載のコンデンサマイク装置。
- 前記第1、第2のコンデンサ型素子のダイアフラムの衝撃に対する感度の違いが3dB以内、好ましくは1dB以内である請求項1から5のいずれか1つに記載のコンデンサマイク装置。
- 前記2組のコンデンサ型素子がそれぞれMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)素子で構成されている請求項1から6のいずれか1つに記載のコンデンサマイク装置。
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