JP4150407B2 - 電気音響変換器 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロホン等の電気音響変換器に係り、特にリフロー槽を用いた半田付けによる表面実装技術にあって筒状カプセル自体を接地電極とした電気音響変換器に関する。

従来のマイクロホンは、音孔を有する金属製の筒状のカプセル内に、例えば振動板リング、振動板、スペーサ、背極、ホルダ、ゲートリング、基板を積層し、カプセルの端を、基板側にかしめることで各部品を固定していた（特許文献１）。そして、基板からの電極は、外部と導通を取るために、突出している。また、かしめ部は丸み（盛り上がった部分）を有し、しかも丸みの程度（盛り上がりの程度）は一定ではない。つまり、かしめ部に対する電極の突出量が一定とならない。したがって、このマイクロホンを、リフロー槽を用いて半田付けする際には、リフロー槽での半田付けの不良や実装基板上でのマイクロホンの姿勢不良（傾き）が発生していた。

この問題を解決するために、本出願人は、金属製の筒状カプセルの内部の配置を逆にした構成を提案した（特願２００５−１２１０５１号）。図１は、この本出願人が先に提案したマイクロホンの断面を示す図である。この関連技術では、カプセル１０２の開口部１２３を有する面（底部１２１）に接地電極パターン１１４が形成される。そして、内蔵基板１１２は接地電極パターン１１４上に配置される。また、内蔵基板１１２は、接地電極パターン１１４と同じ側の面に、出力用の端子電極１１１と接地用の端子電極１１５を有する。端子電極１１１、１１５の長さは、カプセル１０２の厚さよりも長く、カプセル１０２の開口部１２３から外部に突出している。内蔵基板１１２の上部には、導体パターン１０９が形成されると共に電子回路１１０が搭載される。内蔵基板１１２の上側には、ゲートリング１０８、ホルダ１０７、背極１０６、スペーサ１０５、振動板１０４、振動板リング１０３、音孔１３１を有する天板１３０が積層される。そして、カプセルの端は、天板１３０側にかしめられ、各部品も固定される。天板１３０は、例えばカプセル１０２と同じ金属材料を用いて同じ板厚とすればよい。

このマイクロホン１００の場合、かしめ部１１３の高さのばらつきに影響されず底部１２１の板厚に対して確実に端子電極１１１、１１５を突出させることができる。したがって、リフロー槽を用いた半田付けで不良を防止できる。
しかし、例えば携帯電話にマイクロホン１００を内蔵させた場合、マイクロホン１００が、人が携帯電話に接触した際に生じるタッチノイズや内蔵するモータ駆動による振動ノイズ等を、拾ってしまう。この問題は、マイクロホンを実装基板に直接実装する限り、不可避である。

図２は、アナログ方式のマイクロホンでの回路構成を示す図である。カプセル１０２内部には、音響―電気変換部１００’と電子回路１１０がある。音響―電気変換部１００’は、カプセル１０２および内部の部品によって形成されている。電子回路１１０は、例えば電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）とコンデンサで構成される。図２から分かるように、マイクロホン１００は、出力用と接地用の２種類の端子を有する。なお、図１には端子電極（接地）１１５が２つあるが、ドーナツ状の端子の断面図だからである。

また、本出願人は、別の出願で、リフロー槽を用いた半田付けが可能なデジタル信号を出力するエレクトレットコンデンサマイクロホンに関しても、提案した（特願２００５−３２０８１５号）。図３は、本出願人が提案したデジタル信号を出力するエレクトレットコンデンサマイクロホンの一例の断面図である。このフロント型エレクトレットコンデンサマイクロホン２００は、導電性カプセル２０１の内側に、耐熱性素材で形成されたエレクトレット高分子フィルムが配置されている。そして、耐熱性素材で絶縁体のスペーサ２０６を介して導電性振動膜２０７、導電性リング２０８、ゲートリング２０９、配線基板２０２が配置されている。導電性カプセル２０１の端は、配線基板２０２側にかしめられており、内部の部品は固定されている。配線基板２０２の内側にはＩＣ素子２１０が実装されている。また、４つの端子２０４（ａ〜ｄ）が、配線基板２０２の外部側に設けられている。端子２０４（ａ〜ｄ）は、外部と導通するために、フロント型エレクトレットコンデンサマイクロホン２００の開口部２２３から出ている。このような構成によって、リフロー槽を用いた半田付けによる高温状態に耐え得るデジタル方式のエレクトレットコンデンサマイクロホンが実現できる。

図４は、デジタル方式のマイクロホンでの回路構成を示す図である。導電性カプセル２０１内には、音響―電気変換部２００’とＩＣ素子２１０がある。音響―電気変換部２００’は、カプセル２０１および内部の部品によって形成されている。ＩＣ素子２１０は、インピーダンス変換・増幅手段２１０ａとデジタルシグマ変調部２１０ｂで構成される。図４から分かるように、端子には、電源供給端子２０４ａ、クロック入力端子２０４ｂ、デジタルデータ出力端子２０４ｃ、接地端子２０４ｄの４つがある。このデジタル方式のマイクロホンの場合、アース端子がドーナツ状でないため、周辺部品から発生する高周波ノイズの影響を受けやすい問題がある。

また、アナログ方式でもデジタル方式でも、マイクロホンの部品点数を少なくする方法として、カプセルの底部を実装基板に直接半田付けし、接地用の端子を省略する構造も考えられる。この場合、ドーナツ状に接地電極を形成できれば、高周波ノイズの影響は受けなくなるかもしれない。しかし、リフロー槽での半田付け時の、マイクロホン内部への熱伝導への対策が必要となる。また、底部自体を接地電極としても振動を拾う問題は解決できない。
特開２００３−１５３３９２号公報

上述のように、実装基板上に直接電気音響変換器を実装する場合には、様々な課題があり、すべての課題を同時に解決できていなかった。本発明の目的は、以下の４つを同時に満足させることである。第１の目的は、実装基板からの振動の影響を受けにくい構造とすることである。第２の目的は、高周波ノイズの影響を受けにくい構造とすることである。第３の目的は、部品点数の削減である。第４の目的は、リフロー層を用いた半田付けの熱に耐えうる構造とすることである。

本発明の電気音響変換器（マイクロホン等）は、内部の電気回路を外部と導通させるために開口した開口部を有する導電性のカプセルと、開口部から外部に突出した端子と、開口部側のカプセルの一部であって、カプセル内部の構成部との間に隙間を有する段付部とを備える。段付部と端子とは、段付部とすべての端子を実装基板に直接半田付けできるように配置されている。また、その段付部は、開口部を狭くするように、端子側に張り出してもよい。さらに、段付部は、カプセルの他の部分との境界部分に至るスリットを有してもよい。

本発明によれば、実装基板に半田付けされる段付部と電気音響変換器（マイクロホン等）本体との間には隙間がある。この隙間によって、実装基板からの振動の影響が受けにくくなる。また、本発明の接地電極はドーナツ状にできるので、高周波ノイズの影響を受けにくくできる。そして、カプセルが接地電極を兼ねるため、部品点数を少なくできる。さらに、上述の段付部と電気音響変換器本体との間の隙間によって、リフロー層を用いた半田付けの熱に耐えることもできる。

以下では、説明の重複を避けるため同じ機能を有する構成部には同一の番号を付与し、説明を省略する。
［第１実施形態］
図５は、第１実施形態のマイクロホンの構造を示す断面図である。導電性のカプセル２は、底の面に、内部の部品が接触する底部２１と、端子電極を出すための開口部２３と、底部２１よりも盛り上がった段付部２１ｂを有している。カプセル２は、洋白やアルミニウム製とすればよい。底部２１には、内蔵基板１１２が接している。内蔵基板１１２は、底部２１と導通する接地電極パターン１１４、底部２１と反対側に導体パターン１０９を備えている。また、開口部２３から外部と電気的に接触するための端子電極（出力）１１が、内蔵基板１１２の底部２１側に配置される。電子回路１１０は、内蔵基板１１２の底部２１と反対側に実装される。端子電極１１は、内蔵基板１１２の一部として一体に形成してもよいし、メッキ等により内蔵基板１１２に形成してもよい。また、内蔵基板１１２の底部２１と反対側には、ゲートリング１０８、ホルダ１０７、背極１０６、スペーサ１０５、振動板１０４、振動板リング１０３、音孔１３１を有する天板１３０が積層される。そして、カプセル２の端を天板１３０側にかしめて、内部の部品を固定する。段付部２１ｂの下端と、端子電極（出力）１１の下端とは、ほぼ同一の面上にある。これは、マイクロホンを実装基板上に半田付けする時に、端子電極（出力）１１と段付部２１ｂに一様に半田付けが行われ、かつ実装基板に対してマイクロホンが傾かないで、確実に実装されるためである。

このように構成することで、段付部２１ｂと内蔵基板１１２との間には、具体的にはマイクロホンの大きさにもよるが、５０μｍ〜１００μｍ程度の隙間ができる。段付部２１ｂと内蔵基板１１２の間に隙間があるので、段付部２１ｂは、外部からの振動に対する吸収片の役目を果たす。したがって、マイクロホン１への振動の伝達を軽減することができる。また、底部２１全体が実装基板と接触するのではなく、段付部２１ｂのみが接触するので、接触面積が減少し、振動が伝わりにくくなる。さらに、この隙間によって、リフロー槽で半田付けをする部分（段付部２１ｂ）が２６０度のような高温にさらされても、マイクロホン内部への熱伝導を抑えることができる。なお、段付部２１ｂの径方向の長さを短くすれば、半田に接触する部分（加熱される部分）が少なくなるので、段付部２１ｂから内蔵基板１１２への伝わる熱も少なくできる。また、段付部２１ｂが接地電極の役目を果たすので、図１の端子電極（接地）１１５が不要となる。さらに、段付部２１ｂはドーナツ状にできるので、高周波ノイズの問題もない。

図６と図７は、図５のマイクロホン１を、底部２１側から見た斜視図の例である。どちらの図も、段付部２１ｂは３つに分割された例を示しているが、３以外の数に分割してもよい。図６と図７との違いは、スリット２４の幅である。このような構成なので、段付部２１ｂの幅を調整すれば、段付部２１ｂの弾性を調整できる。つまり、段付部２１ｂを何個に分割するのかと、スリット２４の幅を調整することで、振動吸収能力を調整できる。また、段付部２１ｂの幅の調整によって、熱伝導を調整することもできる。ただし、スリット２４を広くしすぎると、接地電極として機能する段付部２１ｂの形状がドーナツ状でなくなるため、高周波ノイズの影響を受けやすくなってしまう。

上述のように、段付部２１ｂを備えることで、振動吸収、高周波ノイズ吸収、部品点数削減、熱伝導防止の効果が期待できる。ただし、振動吸収、高周波ノイズ吸収、熱伝導防止の効果は、相反する場合もあるので、使用環境に応じて段付部２１ｂの分割数、径方向の長さ、スリット２４の幅を適宜決める必要がある。
なお、内蔵基板１１２の中央に端子電極（出力）１１を配置し、その周囲にドーナツ状に段付部２１ｂを配置しているので、マイクロホンを回転させても電極の位置は変わらない。したがって、マイクロホンの実装時には、端子電極（出力）１１だけを位置決めすればよい。また、段付部２１ｂを分割するスリット２４は、段付部２１ｂと周縁部２１ａとの境界である境界部２１ｃにまで至っている。したがって、マイクロホンを実装基板に半田付けする際にも、開口部が密閉されない。つまり、境界部２１ｃの部分のスリット２４は、半田付けの際に、ガスを逃がす役目を果たす。スリット２４は、少なくともガスを逃がす幅は必要である。
［第２実施形態］
図８は、本発明を適用したデジタル方式のフロント型エレクトレットコンデンサマイクロホンの断面図である。図８と図３との違いは、導電性カプセルの形状と、端子２０４の数である。本発明の導電性カプセル４１は、開口部４２側に段付部４１ｃを備えている。したがって、かしめ部４３は、導電性カプセル４１の端ではない。段付部４１ｃが接地端子の役割を果たすので、図３の接地端子２０４ｄが不要となる。

図９は、本発明を適用したデジタル方式のバック型エレクトレットコンデンサマイクロホンの断面図である。導電性カプセル５１は、開口部５２側に段付部５１ｃを備えている。導電性カプセル５１の内側面には、断熱性の筒状合成樹脂成形部材２１１が配置されている。また、導電性カプセル５１の内部には、前面板５１ａ側から、導電性リング２０８、導電性振動膜２０７、スペーサ２０６、エレクトレット高分子フィルム２０５、音孔２１２ａを有する固定電極２１２、ゲートリング２０９、ＩＣ素子２１０と端子２０４ａ〜ｃを有する配線基板２０２が積層されている。

図１０は、本発明を適用した別のデジタル方式のバック型エレクトレットコンデンサマイクロホンの断面図である。導電性カプセル６１は、開口部６２側に段付部６１ｃを備えている。導電性カプセル６１の内側面には、断熱性の筒状合成樹脂成形部材２１１が配置されている。また、導電性カプセル６１の内部には、前面板６１ａ側から、微細孔２１３ｂを有する防塵用の金属メッシュ２１３、音孔２１２ａを有する固定電極２１２、エレクトレット高分子フィルム２０５、スペーサ２０６、導電性振動膜２０７、ゲートリング２０９、導電性リング２０８、ＩＣ素子２１０と端子２０４ａ〜ｃを有する配線基板２０２が積層されている。

図１１は、本発明を適用したデジタル方式のホイル型エレクトレットコンデンサマイクロホンの断面図である。導電性カプセル７１は、開口部７２側に段付部７１ｃを備えている。導電性カプセル７１の内側面には、断熱性の筒状合成樹脂成形部材２１１が配置されている。また、導電性カプセル７１の内部には、前面板７１ａ側から、導電性リング２０８、導電性振動膜２０７、スペーサ２０６、音孔２１２ａを有する固定電極２１２、ゲートリング２０９、ＩＣ素子２１０と端子２０４ａ〜ｃを有する配線基板２０２が積層されている。

図１２Ａ、図１３Ａ、図１４Ａは、デジタル方式のエレクトレットコンデンサマイクロホンの外観を、前面板側から見た斜視図である。図１２Ａは、前面板４１ａ、５１ａ、７１ａが、小さい音孔４１ｂ、５１ｂ、７１ｂを３個有する場合を示している。図１３Ａは、前面板６１ａが、大きい円形の音孔６１ｂを有する場合を示している。図１４Ａは、前面板６１ａが、大きい正方形の音孔６１ｂを有する場合を示している。図１２Ｂ、図１３Ｂ、図１４Ｂは、デジタル方式のエレクトレットコンデンサマイクロホンの外観を、開口部側から見た斜視図である。段付部４１ｃ、５１ｃ、６１ｃ、７１ｃが接地端子を兼ねるので、端子は、電源供給端子２０４ａ、クロック入力端子２０４ｂ、デジタルデータ出力端子２０４ｃの３種類しかない。図１２Ｂでは、段付部４１ｃ、５１ｃ、７１ｃは、かしめ部４３、５３、７３の近傍で盛り上がっている。内部の構造は、図８、図９、図１１に示したどの構造でもよい。図１３Ｂと図１４Ｂでは、段付部６１ｃは、開口部６２を狭くするように、端子側に張り出している。内部の構造は、図１０に示したとおりである。また、図８、図９、図１１の構造でも、金属メッシュ２１３を前面板４１ａ、５１ａ、７１ａに取り付ければ、外観を図１３Ａ、図１４Ａのようにできる。３つのマイクロホンの前面板の形状は、ほぼ正方形であるが、図６や図７のような円形でもかまわない。

段付部４１ｃ、５１ｃ、６１ｃ、７１ｃの盛り上がりの程度は、端子２０４ａ〜ｃの突出している程度とほぼ同一である。これは、マイクロホンを実装基板上に半田付けする時に、端子２０４ａ〜ｃと段付部４１ｃ、５１ｃ、６１ｃ、７１ｃに一様に半田付けが行われ、かつ実装基板に対してマイクロホンが傾かないで、確実に実装されるためである。

このように構成することで、段付部４１ｃ、５１ｃ、６１ｃ、７１ｃと配線基板２０２との間には、具体的にはマイクロホンの大きさにもよるが、５０μｍ〜１００μｍ程度の隙間ができる。この隙間があるので、段付部４１ｃ、５１ｃ、６１ｃ、７１ｃは、外部からの振動に対する吸収片の役目を果たす。したがって、エレクトレットコンデンサマイクロホン４０、５０、６０、７０への振動の伝達を軽減することができる。さらに、この隙間によって、リフロー槽で半田付けをする部分（段付部４１ｃ、５１ｃ、６１ｃ、７１ｃ）が２６０度のような高温にさらされても、マイクロホン内部への熱伝導を抑えることができる。なお、段付部の面積を小さくすれば、半田に接触する部分（加熱される部分）が少なくなるので、配線基板２０２への伝わる熱を少なくできる。また、段付部４１ｃ、５１ｃ、６１ｃ、７１ｃは端子２０４ａ〜ｃを囲んでいるので、高周波ノイズの問題もない。

また、段付部４１ｃ、５１ｃ、６１ｃ、７１ｃの幅を調整すれば、段付部の弾性と熱伝導を調整することもできる。ただし、段付部４１ｃ、５１ｃ、６１ｃ、７１ｃの幅を狭くしすぎると、段付部が端子を囲まなくなるため、高周波ノイズの影響を受けやすくなってしまう。
上述のように、段付部４１ｃ、５１ｃ、６１ｃ、７１ｃを備えることで、振動吸収、高周波ノイズ吸収、部品点数削減、熱伝導防止の効果が期待できる。ただし、振動吸収、高周波ノイズ吸収、熱伝導防止の効果は、相反する場合もあるので、使用環境に応じて段付部４１ｃ、５１ｃ、６１ｃ、７１ｃの幅と端子側への張り出しの程度を適宜決める必要がある。

本出願人が先に提案したマイクロホンの断面を示す図。 アナログ方式のマイクロホンでの回路構成を示す図。 本出願人が先に提案したデジタル信号を出力するエレクトレットコンデンサマイクロホンの一例の断面図。 デジタル方式のマイクロホンでの回路構成を示す図。 第１実施形態のマイクロホンの構造を示す断面図。 図５のマイクロホン１の外観を、底部２１側から見た斜視図。 図５のマイクロホン１の外観を、底部２１側から見た斜視図。 本発明を適用したデジタル方式のフロント型エレクトレットコンデンサマイクロホンの断面図。 本発明を適用したデジタル方式のバック型エレクトレットコンデンサマイクロホンの断面図。 本発明を適用した別のデジタル方式のバック型エレクトレットコンデンサマイクロホンの断面図。 本発明を適用したデジタル方式のホイル型エレクトレットコンデンサマイクロホンの断面図。 Ａは、前面板が、小さい音孔を３個有する場合の、デジタル方式のエレクトレットコンデンサマイクロホンの外観を、前面板側から見た斜視図。Ｂは、段付部がかしめ部の近傍で盛り上がっている場合の、デジタル方式のエレクトレットコンデンサマイクロホンの外観を、開口部側から見た斜視図。 Ａは、前面板が、大きい円形の音孔を有する場合の、デジタル方式のエレクトレットコンデンサマイクロホンの外観を、前面板側から見た斜視図。Ｂは、段付部が開口部を狭くするように端子側に張り出している場合の、デジタル方式のエレクトレットコンデンサマイクロホンの外観を、開口部側から見た斜視図。 Ａは、前面板が、大きい正方形の音孔を有する場合の、デジタル方式のエレクトレットコンデンサマイクロホンの外観を、前面板側から見た斜視図。Ｂは、段付部が開口部を狭くするように端子側に張り出している場合の、デジタル方式のエレクトレットコンデンサマイクロホンの外観を、開口部側から見た斜視図。

Claims (6)

1. 内部の電気回路を外部と導通させるために開口した開口部を有する導電性のカプセルと、
   前記開口部から外部に突出し、内部の電気回路を外部と導通させる端子と、
   前記カプセルの前記開口部側の一部であって、前記開口部と隣接し、かつ、前記カプセル内部の部品との間に隙間を有する段付部と
   を備える電気音響変換器。
2. 請求項１記載の電気音響変換器であって、
   前記段付部の外部側端と前記端子の外部側端とは、ほぼ同一の面上となるように配置されている
   ことを特徴とする電気音響変換器。
3. 請求項２記載の電気音響変換器であって、
   前記段付部は、前記開口部を狭くするように、前記端子側に張り出している
   ことを特徴とする電気音響変換器。
4. 請求項３記載の電気音響変換器であって、
   前記段付部は、実装基板に直接半田付けした際にも前記開口部が密閉されないためのスリットを有する
   ことを特徴とする電気音響変換器。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の電気音響変換器であって、
   前記カプセルは、前記開口部がある面に対向する面に、内部の部品を固定するかしめ部を有する
   ことを特徴とする電気音響変換器。
6. 請求項１または２記載の電気音響変換器であって、
   耐熱性材料で形成されたエレクトレット高分子フィルムと、
   前記開口部がある面に対向する面と内部の部品との間隔を確保し、耐熱性材料で形成されたスペーサとを有する
   ことを特徴とする電気音響変換器。

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