JP2009071813A - 振動トランスデューサ - Google Patents
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Abstract
【課題】コンデンサマイクロホンなどの微小な振動トランスデューサの感度を維持しながら環境耐性を向上させる。
【解決手段】本発明の振動トランスデューサは、気密材料からなり通孔が形成されているハウジングと、前記通孔を内包する位置において前記ハウジングの内面に気密に接合される振動変換ダイと、前記通孔を内包する位置において前記ハウジングの外面に外周が気密に接合され前記通孔の断面積より振動面積が広い気密材料からなるバリアダイアフラムと、前記バリアダイアフラムと前記ハウジングの外面との間に前記バリアダイアフラムが膜振動する空間が形成されている。
【選択図】図1
【解決手段】本発明の振動トランスデューサは、気密材料からなり通孔が形成されているハウジングと、前記通孔を内包する位置において前記ハウジングの内面に気密に接合される振動変換ダイと、前記通孔を内包する位置において前記ハウジングの外面に外周が気密に接合され前記通孔の断面積より振動面積が広い気密材料からなるバリアダイアフラムと、前記バリアダイアフラムと前記ハウジングの外面との間に前記バリアダイアフラムが膜振動する空間が形成されている。
【選択図】図1
Description
本発明は、振動トランスデューサに関し、特にMEMSセンサとしてのコンデンサマイクロホンなどの微小な振動トランスデューサに関する。
従来、半導体デバイスの製造プロセスを応用して製造されるコンデンサマイクロホンなどの微小な振動トランスデューサが知られている(例えば特許文献1、2参照)。従来の微小なコンデンサマイクロホンのハウジングには、ハウジング内に音波を伝搬させる通孔が形成されている。特許文献1、2に記載されたコンデンサマイクロホンでは、この通孔が布や、ポリテトラフルオロエチレン、燒結金属などのフィルムで塞がれている。このような布やフィルムは、光、湿気、粉塵などを遮断するため、コンデンサマイクロホンの環境耐性を向上させる。
しかし、特許文献1に記載されているような布では湿気を遮断することができない。また、特許文献2に記載されているようなポリテトラフルオロエチレン、燒結金属などのフィルムでパッケージの通孔を閉塞すると、フィルムを透過するときに音波のエネルギーが大きく減衰するため、コンデンサマイクロホンの感度が低くなる。
本発明は、コンデンサマイクロホンなどの微小な振動トランスデューサの感度の低下を抑制しながら環境耐性を向上させることを目的とする。
(1)上記目的を達成するための振動トランスデューサは、気密材料からなり通孔が形成されているハウジングと、前記通孔を内包する位置において前記ハウジングの内面に気密に接合される振動変換ダイと、前記通孔を内包する位置において前記ハウジングの外面に外周が気密に接合され前記通孔の断面積より振動面積が広い気密材料からなるバリアダイアフラムと、を備え、前記バリアダイアフラムと前記ハウジングの外面との間に前記バリアダイアフラムが膜振動する空間が形成されている。
本発明によると、気密材料からなるハウジングと、ハウジングに外周が気密に接合される気密材料からなるバリアダイアフラムとで振動変換ダイが密封されているため、湿気を振動変換ダイから遮断できる。ハウジングに接合されているバリアダイアフラムとハウジングの外面との間にはバリアダイアフラムが膜振動する空間が形成されているため、バリアダイアフラムは振動可能である。すなわち、本発明にかかるバリアダイアフラムは微弱な波動や振動を膜振動によってパッケージの内部の振動変換ダイに中継するものである。このようなバリアダイアフラムの膜振動によって波動や振動を振動変換ダイに中継する場合、バリアダイアフラムと振動変換ダイとの間のキャビティのスティフネスが高いほど振動トランスデューサの感度は高くなる。尚、キャビティのスティフネスとは、キャビティを満たす空気などの媒質を特定の形状を有する弾性体とみなしたときに、その弾性体の弾性係数のことである。したがって、バリアダイアフラムとハウジングの外面との間のキャビティの容量はバリアダイアフラムが膜振動できる範囲で小さいほどよい。すると、振動変換ダイはハウジングの通孔を塞ぐようにしてハウジングに接合することが好ましい。このため、本発明にかかる振動変換ダイは、ハウジングの通孔を内包する位置においてハウジングの内面に気密に接合される。しかしこの場合、ハウジングの内面におけるその通孔の開口面積は振動変換ダイの底面よりも小さくなければならない。そして、特許文献2に記載されているように、断面積一定の通孔内にフィルムを張り渡すと、そのフィルムの振動面積は振動変換ダイの底面よりも小さくなるため、そのようなフィルムの剛性は高くなる。剛性の高いフィルムの膜振動によって波動や振動を振動変換ダイに中継するとエネルギーの低減幅が大きくなり、感度が大きく低下する。本発明によると、バリアダイアフラムの外周が通孔を内包する位置においてハウジングの外面に接合されているため、バリアダイアフラムの振動面積はハウジングの通孔の断面積よりも広い。このため、特許文献2に記載されているように通孔の断面積とそれを塞いでいるフィルムの振動面積とが等しい場合に比べるとバリアダイアフラムは膜振動しやすくなっている。すなわち、本発明によると、感度の低下を抑制しながらコンデンサマイクロホンなどの微小な振動トランスデューサの環境耐性を向上させることができる。
(2)上記目的を達成するための振動トランスデューサにおいて、前記バリアダイアフラムと前記ハウジングの外面との距離は、前記バリアダイアフラムの振動軸から前記バリアダイアフラムの外周に向かって短くなることが好ましい。
軸対称振動する範囲においては、バリアダイアフラムの変位は振動軸から振動端である外周に向かって小さくなる。したがって、バリアダイアフラムとハウジングの外面との距離をバリアダイアフラムの振動軸からバリアダイアフラムの外周に向かって短くすることにより、バリアダイアフラムの振幅を低減せずにバリアダイアフラムと振動変換ダイとの間のキャビティの容量を小さくすることができる。
軸対称振動する範囲においては、バリアダイアフラムの変位は振動軸から振動端である外周に向かって小さくなる。したがって、バリアダイアフラムとハウジングの外面との距離をバリアダイアフラムの振動軸からバリアダイアフラムの外周に向かって短くすることにより、バリアダイアフラムの振幅を低減せずにバリアダイアフラムと振動変換ダイとの間のキャビティの容量を小さくすることができる。
(3)上記目的を達成するための振動トランスデューサにおいて、前記ハウジングの外面の前記バリアダイアフラムと向き合う領域に突起が形成されていることが好ましい。
ハウジングの外面のバリアダイアフラムと向き合う領域に突起を形成すると、バリアダイアフラムに定格を超えた圧力が加わってバリアダイアフラムがハウジングの外面に接触したときに、バリアダイアフラムがハウジングの外面に固着しにくくなる。
ハウジングの外面のバリアダイアフラムと向き合う領域に突起を形成すると、バリアダイアフラムに定格を超えた圧力が加わってバリアダイアフラムがハウジングの外面に接触したときに、バリアダイアフラムがハウジングの外面に固着しにくくなる。
(4)上記目的を達成するための振動トランスデューサにおいて前記ハウジングと前記振動変換ダイとはフリップチップ接続されるとともに前記ハウジングと前記振動変換ダイとを接続する複数のバンプ間の間隙は樹脂によって封止されていることが好ましい。
ハウジングと振動変換ダイとのフリップチップ接続により、振動変換ダイとバリアダイアフラムとの距離を短くし、振動トランスデューサの実装面積を小さくすることができる。そしてフリップチップ接続のバンプ間の間隙を樹脂で封止することによりハウジングと振動変換ダイとの気密性を確保できる。
ハウジングと振動変換ダイとのフリップチップ接続により、振動変換ダイとバリアダイアフラムとの距離を短くし、振動トランスデューサの実装面積を小さくすることができる。そしてフリップチップ接続のバンプ間の間隙を樹脂で封止することによりハウジングと振動変換ダイとの気密性を確保できる。
(5)上記目的を達成するための振動トランスデューサにおいて、前記バリアダイアフラムは電磁シールド機能を有することが好ましい。
バリアダイアフラムが電磁シールド機能を持つと振動変換ダイが電磁ノイズの影響を受けにくくなりS/Nが高くなる。
バリアダイアフラムが電磁シールド機能を持つと振動変換ダイが電磁ノイズの影響を受けにくくなりS/Nが高くなる。
(6)上記目的を達成するための振動トランスデューサにおいて、前記バリアダイアフラムは光シールド機能を有することが好ましい。
バリアダイアフラムが光シールド機能を持つと振動変換ダイが光ノイズの影響を受けにくくなりS/Nが高くなる。
バリアダイアフラムが光シールド機能を持つと振動変換ダイが光ノイズの影響を受けにくくなりS/Nが高くなる。
(7)上記目的を達成するための振動トランスデューサにおいて前記バリアダイアフラムは撥水性を有することが好ましい。
バリアダイアフラムが撥水性を持つとバリアダイアフラムに水滴が付着しにくくなる。
バリアダイアフラムが撥水性を持つとバリアダイアフラムに水滴が付着しにくくなる。
(8)上記目的を達成するための振動トランスデューサにおいて、前記バリアダイアフラムは樹脂膜と金属膜の積層構造体であることが好ましい。
バリアダイアフラムを樹脂膜と金属膜の積層構造体にすると、電磁波と光に対するシールド機能としなやかさを併せ持つバリアダイアフラムを実現することができる。
バリアダイアフラムを樹脂膜と金属膜の積層構造体にすると、電磁波と光に対するシールド機能としなやかさを併せ持つバリアダイアフラムを実現することができる。
(9)上記目的を達成するための振動トランスデューサにおいて、前記バリアダイアフラムの面積は前記振動変換ダイの底面積よりも大きいことが好ましい。
(10)上記目的を達成するための振動トランスデューサにおいて、前記バリアダイアフラムの面積は前記ハウジングの内側底面積とほぼ等しくてもよい。
以下、複数の実施例に基づいて本発明の実施の形態を説明する。各実施例において実質的に同一の構成要素には図に同一の符号を付して説明を省略する。
(第一実施例)
1.構成
図1Aは、本発明の振動トランスデューサの第一実施例であるコンデンサマイクロホン1について電極ダイアフラム21に対して垂直な断面を示す模式図である。図1Bはコンデンサマイクロホン1について電極ダイアフラム21に対して平行な断面を示す模式図である。図1Cはバリアダイアフラム30が取り除かれたコンデンサマイクロホン1を電極ダイアフラム21に対して垂直な方向から見た底面を示す模式図である。
1.構成
図1Aは、本発明の振動トランスデューサの第一実施例であるコンデンサマイクロホン1について電極ダイアフラム21に対して垂直な断面を示す模式図である。図1Bはコンデンサマイクロホン1について電極ダイアフラム21に対して平行な断面を示す模式図である。図1Cはバリアダイアフラム30が取り除かれたコンデンサマイクロホン1を電極ダイアフラム21に対して垂直な方向から見た底面を示す模式図である。
本実施例のコンデンサマイクロホン1は、携帯型電話機などの携帯型電子機器に実装される微小なマイクロホンであって、所謂MEMSセンサの一種である。コンデンサマイクロホン1は振動変換ダイとしてのマイクロホンダイ20と、アンプダイ40と、これらを収納しているハウジング10と、ハウジング10の通孔10aを塞ぐバリアダイアフラム30とを備えている。
ハウジング10は、マイクロホンダイ20とアンプダイ40とが収容される空間を形成する箱形状である。ハウジング10は気密材料からなる。ハウジング10の材料には、セラミック、金属、耐熱性樹脂などの気密材料から選択することができる。例えば、セラミックシートと、平面配線、接続用パッド、貫通配線などの配線要素11を構成する金属とを組み合わせて無蓋箱形状の本体を形成し、耐熱性樹脂からなる蓋を本体に接合することによりハウジング10を構成することができる。ハウジング10には通孔10aが形成されているため、ハウジング10の外部空間の圧力は通孔10aを通じてハウジング10の内部空間に加わる。通孔10aの音響抵抗は可聴域音波に対して十分小さく設定される。ハウジング10自体は実質的に音波を透過しない。
ハウジング10の外面には通孔10aを内包する位置においてバリアダイアフラム30の外周が気密に接合されている。バリアダイアフラム30の材料や寸法や形状や張力は、バリアダイアフラム30の共振周波数が可聴域音波より高くなるように設定される。またバリアダイアフラム30は気密な不透明材料からなる。このためハウジング10の内部空間は、水滴、湿気、粉塵および光についてハウジング10の外部空間から隔離されている。バリアダイアフラム30とハウジング10とを気密に接合する方法としては、熱圧着、かしめなどを採用することができる。バリアダイアフラム30は、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、PFA(テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)などの撥水性を有するフッ素樹脂、ポリイミドなどの耐熱性樹脂や、アルミ、ニッケルなどの電磁シールド機能を有する金属や、これらの積層体からなる。バリアダイアフラム30に電磁シールド機能を付与する場合、ハウジング10の配線要素11を介して金属膜を接地する。バリアダイアフラム30を樹脂で構成することにより、優れた振動特性としなやかさをバリアダイアフラム30に付与することができる。バリアダイアフラム30の表面に撥水性を付与することにより、水滴の付着や水滴中に存在する腐食物質の付着を防止できる。バリアダイアフラム30に電磁シールド機能を付与することにより、出力がハイインピーダンスなマイクロホンダイ20のS/Nを高めることができる。そしてこれらすべての性質をバリアダイアフラム30に付与するため、バリアダイアフラム30を積層構造にすることが望ましい。
バリアダイアフラム30は通孔10aの周囲においてハウジング10の外面に形成されている環状の凸部に外周が接合されている。このためバリアダイアフラム30とハウジング10の外面との間にはバリアダイアフラム30が膜振動する空間が形成されている。バリアダイアフラム30とハウジング10との内側の接合境界がバリアダイアフラム30の振動端となり、振動端より内側のバリアダイアフラム30の面積がバリアダイアフラム30の振動面積である。
ハウジング10の通孔10aを内包する位置においてマイクロホンダイ20がハウジング10の内面に接合されている。マイクロホンダイ20は、単結晶シリコンなどからなる基板と堆積膜とからなるMEMS構造を有する。マイクロホンダイ20とハウジング10とをフリップチップ接続するバンプの間隙は樹脂50によって封止されているため、マイクロホンダイ20はハウジング10の内面に気密に接合されている。マイクロホンダイ20は、不純物が添加されたポリシリコンや金属などの導電性堆積膜からなる電極ダイアフラム21と電極プレート22とを備えている。電極ダイアフラム21と電極プレート22とは、ハウジング10に環状に接合される支持部23によってわずかな(例えば4μm)間隙を間において平行に支持されている。電極プレート22には複数の通孔22aが形成され、電極プレート22の剛性は電極ダイアフラム21にくらべて十分高い。通孔22aの音響抵抗は可聴域音波に対して十分低く設定されている。電極ダイアフラム21の共振周波数は可聴域音波の周波数領域よりも高く設定されている。
コンデンサマイクロホン1の内部空間は、電極ダイアフラム21および支持部23によって音響的に区画されている。すなわち図2Aに示すように、バリアダイアフラム30とハウジング10の外面10bとで囲まれた空間と、通孔10aと、マイクロホンダイ20の内側空間とは音響的には1つの空間(フロントキャビティFC)であり、マイクロホンダイ20の外側のハウジング10の内部空間は音響的には別の1つの空間(バックキャビティBC)であり、これら2つの空間は電極ダイアフラム21および支持部23によって区画されている。尚、フロントキャビティFCとバックキャビティBCとは静圧に関しては平衡するように連通している。すなわち、これら2つの空間は可聴域音波に対して十分高い音響抵抗を持つ狭小な通路によって接続されている。このような通路は支持部23と電極ダイアフラム21との間の間隙か、あるいは支持部23に形成される通孔によって構成される。
アンプダイ40は、電極ダイアフラム21と電極プレート22との容量変化を示す電圧変動を増幅するプリアンプや、電極ダイアフラム21と電極プレート22とにバイアス電圧を印加するチャージポンプなどのCMOS回路を備える。アンプダイ40はハウジング10の内面にバンプ52を介してフリップチップ接続されている。
2.作用
次に図2Aおよび図2Bに基づいてコンデンサマイクロホン1の作用を説明する。
電極ダイアフラム21と電極プレート22とはバイアス電圧が印加されることによって平行平板コンデンサを構成する。バリアダイアフラム30に定格範囲の音波が到達すると、バリアダイアフラム30は振動する。バリアダイアフラム30が振動すると、その振動によってフロントキャビティFC内に圧力変動が生ずる。フロントキャビティFCは可聴域では音響的に密閉された非常に小さな空間であるため、フロントキャビティFC内の圧力は同位相で電極ダイアフラムに加わる。このようにしてコンデンサマイクロホン1の外部の圧力振動である音波が電極ダイアフラム21に達すると、電極ダイアフラム21が振動し、その結果、平行平板コンデンサの容量が変化する。この容量変化はアンプダイ40によって電気信号に変換され、アンプダイ40によって増幅された電気信号がハウジング10の配線要素11を通じて図示しない実装基板に出力される。
次に図2Aおよび図2Bに基づいてコンデンサマイクロホン1の作用を説明する。
電極ダイアフラム21と電極プレート22とはバイアス電圧が印加されることによって平行平板コンデンサを構成する。バリアダイアフラム30に定格範囲の音波が到達すると、バリアダイアフラム30は振動する。バリアダイアフラム30が振動すると、その振動によってフロントキャビティFC内に圧力変動が生ずる。フロントキャビティFCは可聴域では音響的に密閉された非常に小さな空間であるため、フロントキャビティFC内の圧力は同位相で電極ダイアフラムに加わる。このようにしてコンデンサマイクロホン1の外部の圧力振動である音波が電極ダイアフラム21に達すると、電極ダイアフラム21が振動し、その結果、平行平板コンデンサの容量が変化する。この容量変化はアンプダイ40によって電気信号に変換され、アンプダイ40によって増幅された電気信号がハウジング10の配線要素11を通じて図示しない実装基板に出力される。
電極ダイアフラム21はスティフネス制御によって駆動されると考えられる。すなわち、コンデンサマイクロホン1の内部空間は非常に小さいため、その振動系の応答は共振周波数より低い範囲においては膜や媒質や閉空間の隔壁といった機械的構成要素のスティフネスによって決まると考えられる。したがって、例えばバックキャビティBCのスティフネスに対するフロントキャビティFCのスティフネスの比の値が大きくなるほど、音圧が効率よく電極ダイアフラム21に伝達される。
コンデンサマイクロホン1のこのような機械的構造は、コンデンサマイクロホン1の機械的構成要素を次のように置き換えることによって、図2Bに示す等価回路で表すことができる。
バリアダイアフラム30のスティフネス:1/Cf
フロントキャビティFCのスティフネス:1/C1
電極ダイアフラム21のスティフネス:1/Cm
バックキャビティBCのスティフネス:1/C2
コンデンサマイクロホン1の外部の音圧:Vo
電極ダイアフラム21に加わる音圧:Vm
バリアダイアフラム30のスティフネス:1/Cf
フロントキャビティFCのスティフネス:1/C1
電極ダイアフラム21のスティフネス:1/Cm
バックキャビティBCのスティフネス:1/C2
コンデンサマイクロホン1の外部の音圧:Vo
電極ダイアフラム21に加わる音圧:Vm
この等価回路から理解できるように、Cfを大きく、C1を小さく、C2を大きくすることにより電極ダイアフラム21に加わる音圧Vmを大きくすることができる。すなわち、バリアダイアフラム30のスティフネスを小さく、フロントキャビティFC内の媒質のスティフネス(以下、フロントキャビティのスティフネスと省略する。)を大きく、電極ダイアフラム21のスティフネスを小さく、バックキャビティBC内の媒質のスティフネス(以下、バックキャビティのスティフネスと省略する。)を小さくすることにより、電極ダイアフラム21に加わる音圧Vmを大きくすることができ、ひいてはコンデンサマイクロホン1の感度を高めることができる。
バックキャビティBCのスティフネスは、電極ダイアフラム21に加わる力を電極ダイアフラム21の変位で除した値である。またフロントキャビティFCのスティフネスは、バリアダイアフラム30に加わる力をバリアダイアフラム30の変位で除した値である。円筒形のキャビティの底面に相当するダイアフラムに力が加わる場合、ダイアフラムの半径をrとし、キャビティの容積をV、スティフネスをk、ダイアフラムの面積をS、ダイアフラムの変位をΔx、ダイアフラムに加わる圧力をP、キャビティの容積変化量をΔVとすると、
k=PS/Δx・・・(1)
ΔV=SΔx・・・(2)
である。式(1)(2)より、
k=pS2/ΔV・・・(3)
である。
S=πr2・・・(4)
であるから、式(3)、(4)より、
k=pπ2r4/ΔV
となる。したがって、キャビティのスティフネスはr4/ΔVに比例する。そして、媒質である空気の体積弾性率は一定であるため、キャビティの容積変化量ΔVはキャビティの容積Vに比例する。
k=PS/Δx・・・(1)
ΔV=SΔx・・・(2)
である。式(1)(2)より、
k=pS2/ΔV・・・(3)
である。
S=πr2・・・(4)
であるから、式(3)、(4)より、
k=pπ2r4/ΔV
となる。したがって、キャビティのスティフネスはr4/ΔVに比例する。そして、媒質である空気の体積弾性率は一定であるため、キャビティの容積変化量ΔVはキャビティの容積Vに比例する。
このため、フロントキャビティFCの容積は小さく、バリアダイアフラム30の半径は大きく、バックキャビティBCの容積は大きい方がよい。フロントキャビティFCの容積を小さくするためには、ハウジング10の通孔10aを塞ぐようにしてマイクロホンダイ20をハウジング10の内面に気密に接合し、バリアダイアフラム30と電極ダイアフラム21との距離Hを短くすればよい。バリアダイアフラム30と電極ダイアフラム21との距離Hを短くするには、マイクロホンダイ20をハウジング10にフリップチップ接続することが好ましい。バックキャビティBCの容積を大きくするには、マイクロホンダイ20の外側においてハウジング10の内部空間をなるべく広くバックキャビティBCとして利用できるように、樹脂50を充填する領域やマイクロホンダイ20とアンプダイ40の配置を設定することが好ましい。
バリアダイアフラム30の振動面積SB、電極ダイアフラム21の振動面積SDをそれぞれ小さくしてもフロントキャビティFCの容積は小さくなるが、この場合、バリアダイアフラム30、電極ダイアフラム21のスティフネスが大きくなる。弾性膜のスティフネスは曲げ剛性が支配的な場合には弾性膜の面積に反比例し、張力が支配的な場合には弾性膜の引っ張り応力に比例する。バリアダイアフラム30のスティフネスを小さくするためには、バリアダイアフラム30の面積を大きく、引っ張り応力を小さくすることが好ましい。したがって、本実施例ではバリアダイアフラム30をハウジング10の通孔10a内やその開口部に接合するのではなく、通孔10aを内包する位置においてハウジング10の外面に環状の凸部を設け、その凸部にバリアダイアフラム30の外周を固定している。その結果、本実施例では、バリアダイアフラム30の振動面積がハウジング10の通孔10aの断面積よりもマイクロホンダイ20の底面積よりも大きく、ハウジング10の内側底面積とほぼ等しくなっている。
次の表1は本実施例の感度を検証したシミュレーション結果を示す表である。このシミュレーションで用いた比較例の構造を図8に示す。比較例の感度低下量は比較例からバリアダイアフラム32を取り外した構造のコンデンサマイクロホンの感度を基準にしている。本実施例の感度低下量は本実施例からバリアダイアフラム30を取り外した構造のコンデンサマイクロホンの感度を基準にしている。
バリアダイアフラムの材質:PFA
バリアダイアフラムのヤング率:680MPa
バリアダイアフラムの密度:2170kg/m3
バリアダイアフラムの引っ張り応力:0.1MPa
r:バリアダイアフラムの半径
v:フロントキャビティの容積
h:ハウジングの外面とバリアダイアフラムの距離
sf:バリアダイアフラムのスティフネス
s1:フロントキャビティのスティフネス
sm:電極ダイアフラムのスティフネス
s2:バックキャビティのスティフネス
バリアダイアフラムの材質:PFA
バリアダイアフラムのヤング率:680MPa
バリアダイアフラムの密度:2170kg/m3
バリアダイアフラムの引っ張り応力:0.1MPa
r:バリアダイアフラムの半径
v:フロントキャビティの容積
h:ハウジングの外面とバリアダイアフラムの距離
sf:バリアダイアフラムのスティフネス
s1:フロントキャビティのスティフネス
sm:電極ダイアフラムのスティフネス
s2:バックキャビティのスティフネス
(第二実施例)
図3は本発明の振動トランスデューサの第二実施例であるコンデンサマイクロホン2を示す模式的な断面図である。図3に示すように、電極ダイアフラム21は、電極プレート22よりもバリアダイアフラム30に近い方に位置していても良い。
図3は本発明の振動トランスデューサの第二実施例であるコンデンサマイクロホン2を示す模式的な断面図である。図3に示すように、電極ダイアフラム21は、電極プレート22よりもバリアダイアフラム30に近い方に位置していても良い。
(第三実施例)
図4Aは、本発明の振動トランスデューサの第三実施例であるコンデンサマイクロホン3について電極ダイアフラム21に対して垂直な断面を示す模式図である。図4Bはバリアダイアフラム30が取り除かれたコンデンサマイクロホン3を電極ダイアフラム21に対して垂直な方向から見た平面を示す模式図である。
図4Aは、本発明の振動トランスデューサの第三実施例であるコンデンサマイクロホン3について電極ダイアフラム21に対して垂直な断面を示す模式図である。図4Bはバリアダイアフラム30が取り除かれたコンデンサマイクロホン3を電極ダイアフラム21に対して垂直な方向から見た平面を示す模式図である。
バリアダイアフラムとハウジングの外面との間の間隙の形態はバリアダイアフラムの振動形態に合わせて最小化することが望ましい。本実施例では、ハウジング12のバリアダイアフラム31に向き合う領域が錐状(例えばテーパ形状)である例を示す。共振周波数より低い範囲ではバリアダイアフラム31の振動モードは軸対称振動である。したがってバリアダイアフラム31の振幅は振動軸BAから振動端である外周に向かって小さくなる。このため、バリアダイアフラム31の外周近傍ではバリアダイアフラム31とハウジング12との距離が小さくてもバリアダイアフラム31はハウジング12に接触しにくい。そこで本実施例では、バリアダイアフラム31の振動軸BAから振動端である外周に向かってバリアダイアフラム31とハウジング12の外面12aとの距離が短くなるように、ハウジング12の外面12aに錐状の凹部を形成している。その結果、バリアダイアフラム31とハウジング12の外面12aとが向き合う領域においてそれらの距離が一定である場合に比べ、フロントキャビティFCの容積を小さくでき、ひいてはコンデンサマイクロホン3の感度を高めることができる。
(第四実施例)
図5は、本発明の振動トランスデューサの第四実施例であるコンデンサマイクロホン4を示す模式的な断面図である。ハウジング13の外面13bとバリアダイアフラム30とが接触してそのまま固着することを防止するため、ハウジング13の外面13bのバリアダイアフラム30に向き合う領域に突起13dを形成することが望ましい。突起13dはバリアダイアフラム30に最も接触しやすい領域に1つ以上形成すればよい。したがって、突起13dの配置や数はバリアダイアフラム30の形態に応じて最適化される。
図5は、本発明の振動トランスデューサの第四実施例であるコンデンサマイクロホン4を示す模式的な断面図である。ハウジング13の外面13bとバリアダイアフラム30とが接触してそのまま固着することを防止するため、ハウジング13の外面13bのバリアダイアフラム30に向き合う領域に突起13dを形成することが望ましい。突起13dはバリアダイアフラム30に最も接触しやすい領域に1つ以上形成すればよい。したがって、突起13dの配置や数はバリアダイアフラム30の形態に応じて最適化される。
(第五実施例)
図6は、本発明の振動トランスデューサの第五実施例であるコンデンサマイクロホン5を示す模式的な断面図である。マイクロホンダイ25にはMEMS構造とその駆動回路や出力回路を設けても良い。すなわち、マイクロホンダイ25に図示しないチャージポンプやプリアンプなどのCMOS回路を設けても良い。この場合、図6に示すようにハウジング14に収容するダイの数を1つにすることができるため、コンデンサマイクロホン5の底面積を小さくすることができる。また、図6には、バリアダイアフラム31とハウジング14との距離がバリアダイアフラム31の振動軸から外周に向かって短くなる構成を示している。さらに図6では、ハウジング14のバリアダイアフラム31に向き合う領域に突起14dが形成される構成を示している。
図6は、本発明の振動トランスデューサの第五実施例であるコンデンサマイクロホン5を示す模式的な断面図である。マイクロホンダイ25にはMEMS構造とその駆動回路や出力回路を設けても良い。すなわち、マイクロホンダイ25に図示しないチャージポンプやプリアンプなどのCMOS回路を設けても良い。この場合、図6に示すようにハウジング14に収容するダイの数を1つにすることができるため、コンデンサマイクロホン5の底面積を小さくすることができる。また、図6には、バリアダイアフラム31とハウジング14との距離がバリアダイアフラム31の振動軸から外周に向かって短くなる構成を示している。さらに図6では、ハウジング14のバリアダイアフラム31に向き合う領域に突起14dが形成される構成を示している。
(第六実施例)
図7は、本発明の振動トランスデューサの第六実施例である振動センサ6を示す模式的な断面図である。振動センサ6のバリアダイアフラム32は、スティフネスが曲げ剛性に支配されるほど厚い弾性膜である。したがって振動センサ6は、機械振動を電気信号に変換してモニタリングするための用途などに接触型センサとして用いる形態に好適である。
図7は、本発明の振動トランスデューサの第六実施例である振動センサ6を示す模式的な断面図である。振動センサ6のバリアダイアフラム32は、スティフネスが曲げ剛性に支配されるほど厚い弾性膜である。したがって振動センサ6は、機械振動を電気信号に変換してモニタリングするための用途などに接触型センサとして用いる形態に好適である。
(第七実施例)
図9A、図9Bに本発明の振動トランスデューサの第七実施例であるコンデンサマイクロホン7を示す。図9Aは、コンデンサマイクロホン7について電極ダイアフラム21に対して垂直な断面を示す模式図である。図9Bはバリアダイアフラム31が取り除かれたコンデンサマイクロホン7を電極ダイアフラム21に対して垂直な方向から見た底面を示す模式図である。
図9A、図9Bに本発明の振動トランスデューサの第七実施例であるコンデンサマイクロホン7を示す。図9Aは、コンデンサマイクロホン7について電極ダイアフラム21に対して垂直な断面を示す模式図である。図9Bはバリアダイアフラム31が取り除かれたコンデンサマイクロホン7を電極ダイアフラム21に対して垂直な方向から見た底面を示す模式図である。
本実施例のコンデンサマイクロホン7は、配線要素11として複数の外部端子11bとシールリング35とをハウジング12の底面12bに備える。外部端子11bは円形に形成され、ハウジング12の底面12bの四隅に配置されている。外部端子11bは、ハウジング12の内側に備わる配線要素11としての内部端子11aと図示しない配線要素としての内部配線を介して電気的に接続されている。シールリング35は、円環状に形成されており、バリアダイヤフラム31の周囲においてハウジング12に全体が気密に接合されている。シールリング35と外部端子11bとはハウジング12の底面12bからの高さが等しく設定されている。外部端子11bおよびシールリング35は半田のように溶融接合が可能な導電性材料からなる。
図9Cは、コンデンサマイクロホン7の実装形態を示す模式的な断面図である。コンデンサマイクロホン7は、複数の電子部品を搭載し互いに接続するためのデバイス基板60に実装される。コンデンサマイクロホン7は、デバイス基板60の表面に形成されている印刷回路パターン61、62に接合されることによってデバイス基板60に固定される。具体的には、コンデンサマイクロホン7の外部端子11bはデバイス基板60の外部端子用印刷回路パターン61に溶融接合されて外部端子用印刷回路パターン61と導通する。コンデンサマイクロホン7のシールリング35はデバイス基板60の表面に円環状に形成されているシールリング用印刷パターン62と溶融接合されてシールリング用印刷パターン62と気密に接合される。
デバイス基板60のシールリング用印刷パターン62の内側において、デバイス基板60を貫通する貫通孔60aが形成されている。複数の電子部品を搭載したデバイス基板60は、携帯型電話機などの携帯型電子機器の外殻を構成する筐体70に収容される。筐体70には、デバイス基板60の貫通孔60aに接続する開口部70aが形成されている。開口部70aと貫通孔60aとはゴムなどからなる弾性を有するパッキン65によって気密に接続されている。したがって、バリアダイヤフラム31が露出している筐体70の内部空間は、筐体70の開口部70aにおいてのみ筐体70の外部空間に開放されている。
筐体70の外部の音響による圧力変動は、開口部70aから筐体70の内部に進入し、パッキン65、貫通孔60a、シールリング用印刷パターン62およびシールリング35によって区画された空間を伝わってバリアダイアフラム31を振動させる。バリアダイアフラム31の振動にともなって、上記実施例にて説明したようにマイクロホンダイ20の電極ダイアフラム21が振動する。
(第八実施例)
図10Aから図10Cに本発明の振動トランスデューサの第八実施例であるコンデンサマイクロホン8を示す。図10Aは、コンデンサマイクロホン8について電極ダイアフラム21に対して垂直な断面を示す模式図である。図10Bは、コンデンサマイクロホン8について電極ダイヤフラム30に対して平行な断面を示す模式図である。図10Cはバリアダイアフラム30が取り除かれたコンデンサマイクロホン8を電極ダイアフラム21に対して垂直な方向から見た底面を示す模式図である。
図10Aから図10Cに本発明の振動トランスデューサの第八実施例であるコンデンサマイクロホン8を示す。図10Aは、コンデンサマイクロホン8について電極ダイアフラム21に対して垂直な断面を示す模式図である。図10Bは、コンデンサマイクロホン8について電極ダイヤフラム30に対して平行な断面を示す模式図である。図10Cはバリアダイアフラム30が取り除かれたコンデンサマイクロホン8を電極ダイアフラム21に対して垂直な方向から見た底面を示す模式図である。
本実施例のコンデンサマイクロホン8は、配線要素11として複数の外部端子11bとシールリング35とをハウジング10の底面10bに備える。外部端子11bは、ハウジング10の内側に備わる配線要素11としての内部端子11aと図示しない配線要素としての内部配線を介して電気的に接続されている。シールリング35は、矩形環状に形成されており、バリアダイヤフラム30および外部端子11bを内包するハウジング10の底面10bの外縁領域においてハウジング10に全体が気密に接合されている。外部端子11bは円形に形成され、ハウジング10の底面10bの一辺に沿って配置されている。シールリング35と外部端子11bとはハウジング10の底面10bからの高さが等しく設定されている。外部端子11bおよびシールリング35は半田のように溶融接合が可能な導電性材料からなる。
第七実施例と同様にコンデンサマイクロホン8を実装したデバイス基板60(図9C参照)を、携帯型電子機器の外殻を構成する筐体70に収容するとき、ハウジング10の底面10bの面積に対して占める割合が大きいシールリング30とほぼ同じ大きさの貫通孔60aをデバイス基板60に形成し、シールリング30とほぼ同じ大きさの開口部70aを筐体70に形成すると、筐体70の内部に取り込まれる音響による圧力変動のエネルギーが増大するとともに、バリアダイアフラム30が受ける音響による圧力変動のエネルギーも増大する。
(他の実施例)
以上、実施例に基づいて本発明を説明したが、本発明の技術的範囲は上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上記実施例で示した材質や寸法や形状はあくまで例示であるし、当業者であれば自明である構成要素の追加や省略については説明が省略されている。
以上、実施例に基づいて本発明を説明したが、本発明の技術的範囲は上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上記実施例で示した材質や寸法や形状はあくまで例示であるし、当業者であれば自明である構成要素の追加や省略については説明が省略されている。
1:コンデンサマイクロホン、2:コンデンサマイクロホン、3:コンデンサマイクロホン、4:コンデンサマイクロホン、5:コンデンサマイクロホン、6:振動センサ、10:ハウジング、10a:通孔、11:配線要素、12:ハウジング、13:ハウジング、13d:突起、14:ハウジング、14d:突起、15:ハウジング、15a:通孔、20:マイクロホンダイ、21:電極ダイアフラム、22:電極プレート、22a:通孔、23:支持部、24:マイクロホンダイ、25:マイクロホンダイ、30:バリアダイアフラム、31:バリアダイアフラム、32:バリアダイアフラム、40:アンプダイ、50:樹脂、51:バンプ、52:バンプ、BC:バックキャビティ、FC:フロントキャビティ
Claims (10)
- 気密材料からなり通孔が形成されているハウジングと、
前記通孔を内包する位置において前記ハウジングの内面に気密に接合される振動変換ダイと、
前記通孔を内包する位置において前記ハウジングの外面に外周が気密に接合され前記通孔の断面積より振動面積が広い気密材料からなるバリアダイアフラムと、を備え、
前記バリアダイアフラムと前記ハウジングの外面との間に前記バリアダイアフラムが膜振動する空間が形成されている、
振動トランスデューサ。 - 前記バリアダイアフラムと前記ハウジングの外面との距離は、前記バリアダイアフラムの振動軸から前記バリアダイアフラムの外周に向かって短くなる、
請求項1に記載の振動トランスデューサ。 - 前記ハウジングの外面の前記バリアダイアフラムと向き合う領域に突起が形成されている、
請求項1又は2に記載の振動トランスデューサ。 - 前記ハウジングと前記振動変換ダイとはフリップチップ接続されるとともに前記ハウジングと前記振動変換ダイとを接続する複数のバンプ間の間隙は樹脂によって封止されている、
請求項1から3のいずれか一項に記載の振動トランスデューサ。 - 前記バリアダイアフラムは電磁シールド機能を有する、
請求項1から4のいずれか一項に記載の振動トランスデューサ。 - 前記バリアダイアフラムは光シールド機能を有する、
請求項1から5のいずれか一項に記載の振動トランスデューサ。 - 前記バリアダイアフラムは撥水性を有する、
請求項1から6のいずれか一項に記載の振動トランスデューサ。 - 前記バリアダイアフラムは樹脂膜と金属膜の積層構造体である、
請求項1から7のいずれか一項に記載の振動トランスデューサ。 - 前記バリアダイアフラムの面積は前記振動変換ダイの底面積よりも大きい、
請求項1から8のいずれか一項に記載の振動トランスデューサ。 - 前記バリアダイアフラムの面積は前記ハウジングの内側底面積とほぼ等しい、
請求項1から9のいずれか一項に記載の振動トランスデューサ。
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