(57)【要約】【課題】振動感度を最小にする２つ以上のトランスデューサ要素を備えたマイクロホン設計を提供する。【解決手段】第１トランスデューサ及び第２トランスデューサを有するマイクロホン組立体。第１トランスデューサは、第１基板層の第１側で第１基板層に結合されている。第２トランスデューサは、第２基板層の第２側で第２基板層に結合されている。第１側及び第２側は互いに反対向きである。第１基板層と第２基板層とは実質的に平行であり、かつ機械的に結合されている。第１トランスデューサ及び第２トランスデューサは共有容積部を有し、この共有容積部は前方容積部又は後方容積部の１つである。【選択図】図１
2012527835.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１基板層の第１側で該第１基板層に結合された第１トランスデューサと、
第２基板層の第２側で該第２基板層に結合された第２トランスデューサとを有し、
前記第１側と前記第２側とは互いに反対向きであり、
前記第１基板層と前記第２基板層とは実質的に平行であり、かつ機械的に結合され、
前記第１トランスデューサ及び前記第２トランスデューサは共有容積部を有し、該共有容積部は前方容積部又は後方容積部の１つである
ことを特徴とするマイクロホン組立体。
【請求項２】
前記第１基板層に結合された第３トランスデューサと、前記第２基板層に結合された第４トランスデューサとを更に有し、前記第３トランスデューサ及び前記第４トランスデューサは前記共有容積部に連通している
ことを特徴とする請求項１記載のマイクロホン組立体。
【請求項３】
前記第１基板層はバフル板である
ことを特徴とする請求項１記載のマイクロホン組立体。
【請求項４】
前記第１トランスデューサを実質的に包囲するカバーを更に有し、該カバーは音響ポートを有する
ことを特徴とする請求項１記載のマイクロホン組立体。
【請求項５】
前記音響ポートは、前記第１トランスデューサと前記第２トランスデューサとの間にある
ことを特徴とする請求項４記載のマイクロホン組立体。
【請求項６】
トランスデューサの合計数は偶数であり、前記トランスデューサは、前記第１基板層と前記第２基板層とに等しい数で分配されている
ことを特徴とする請求項１記載のマイクロホン組立体。
【請求項７】
第１基板層の第１側で該第１基板層に結合された第１トランスデューサと、
第２基板層の第２側で該第２基板層に結合された第２トランスデューサとを有し、
前記第１側と前記第２側は互いに反対向きであり、
前記第１基板層と前記第２基板層は実質的に平行であり、かつ機械的に結合され、
前記第１基板層と前記第２基板層との間に音響入口が存在し、
前記音響入口は、音響信号を前記第１トランスデューサ及び前記第２トランスデューサに伝える
ことを特徴とするマイクロホン組立体。
【請求項８】
前記第１トランスデューサ及び前記第２トランスデューサは、共有前方容積部を有することを特徴とする請求項７記載のマイクロホン組立体。
【請求項９】
前記第１トランスデューサを実質的に包囲するカバーを更に有する
ことを特徴とする請求項７記載のマイクロホン組立体。
【請求項１０】
前記カバー内に形成された音響ポートを更に有する
ことを特徴とする請求項９記載のマイクロホン組立体。
【請求項１１】
前記第１トランスデューサと前記第２トランスデューサとは整合されている
ことを特徴とする請求項７記載のマイクロホン組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動感度を最小にする２つ以上のトランスデューサ要素を備えたマイクロホン設計に関する。
【背景技術】
【０００２】
本願は、２００９年５月１８日付米国仮特許出願第６１／１７９，０６４号の優先権を主張する。尚、この米国仮特許出願の内容はその全体を本願に援用する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明は種々の改変及び変更形態が可能であるが、或る実施形態は図面での例示により示されており、これらの実施形態を以下に詳細に説明する。しかしながら、この説明は本発明を説明に係る特定形態に制限するものではなく、本発明は、特許請求の範囲の記載により定められた精神及び範囲内に包含されるあらゆる改変、変更形態及び均等物をカバーするものである。
【０００４】
これらの多くの実施形態では、マイクロホン組立体は、第１トランスデューサと、第２トランスデューサとを有する。第１トランスデューサは、第１基板層の第１側の第１基板層に結合されている。第２トランスデューサは、第２基板層の第２側の第２基板層に結合されている。第１側と第２側とは互いに反対向きである。第１基板層と第２基板層とは実質的に平行であり、かつ機械的に結合されている。第１トランスデューサ及び第２トランスデューサは共有容積部を有し、この共有容積部は前方容積部又は後方容積部の１つである。
【０００５】
或る態様では、マイクロホン組立体は、第１基板層に結合された第３トランスデューサと、第２基板層に結合された第４トランスデューサとを有する。第３トランスデューサ及び第４トランスデューサは、共有容積部に連通している。或る例では、トランスデューサの合計は偶数であり、全トランスデューサは、第１基板層と第２基板層とに等しく（すなわち同数に）分配されている。
【０００６】
他の例では、第１基板層はバフル板である。更に別の態様では、マイクロホン組立体はカバーを有する。カバーは実質的に第１トランスデューサを包囲し、カバーは音響ポートを有する。更に別の例では、第１トランスデューサと第２トランスデューサとの間に音響ポートが配置されている。
【０００７】
これらの実施形態の他のものでは、マイクロホン組立体は、第１トランスデューサと、第２トランスデューサとを有する。第１トランスデューサは、第１基板層の第１側で、第１基板層に結合されている。第２トランスデューサは、第２基板層の第２側で、第２基板層に結合されている。第１側と第２側とは互いに反対向きである。第１基板層と第２基板層とは実質的に平行であり、かつ機械的に結合されている。第１基板層と第２基板層との間に音響入口が存在する。音響入口は、音響信号を第１トランスデューサ及び第２トランスデューサに伝える。
【０００８】
或る態様では、第１トランスデューサ及び第２トランスデューサは、共有前方容積部を有する。他の態様では、マイクロホン組立体は更に、第１トランスデューサを実質的に包囲するカバーを有する。他の例では、マイクロホン組立体は更に、カバーに形成された音響ポートを有する。更に別の態様では、第１トランスデューサと第２トランスデューサとは整合されている。
【０００９】
本願の開示をより完全に理解するため、以下の詳細な説明及び添付図面を参照されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態による、振動感度を最低にする多トランスデューサを用いたマイクロホンを示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態による、他のポーティングスキーム（ポート案）を有する他のマイクロホンを示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態による、トランスデューサアレイを用いた他のマイクロホンを示す断面図である。
【図４】音圧に応答する図１の実施形態の等価回路図を示すものである。
【図５】振動刺激に応答する図１の実施形態の等価回路図を示すものである。
【図６】本発明の一実施形態によるマイクロホン組立体を示す断面図である。
【図７】本発明の一実施形態による他のマイクロホン組立体を示す断面図である。
【図８】本発明の一実施形態による更に別のマイクロホン組立体を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
当業者ならば、図面中の要素が簡単化及び明瞭化して示されていることは理解されよう。また、或る作用及び／又は段階は特定の発生順序で説明し又は図示されることは理解されよう。一方当業者ならば、連続に関するこのような特殊性は実際には不要であることが理解されよう。また、本願で使用される用語及び表現は、特殊な意味が本願で説明されている場合を除き、これらの用語及び表現の対応するそれぞれの調査及び研究領域に関する用語及び表現に一致する通常の意味を有するものであることも理解されよう。
【００１２】
図１に、振動感度を低減させかつ信号対雑音比を改善するように構成された多音響トランスデューサ要素２、４を備えたマイクロホン１を示す。マイクロホンパッケージ即ちマイクロホン組立体１は、例えばステンレス鋼又は他のスタンピング加工された金属等の材料から構成されている。音波の形態をなす音は、頂部及び底部の対向したトランスデューサ要素２と４との間でハウジング１２内に配置された中央容積部１０内に位置する音響ポート６を通ってマイクロホン組立体１内に入る。一実施形態では、カバーがハウジング１２の一部を形成する。頂部容積部即ち頂部キャビティ５は、マイクロホン１の側面８から側面１４まで水平方向に延びかつバフル板９のような基板からマイクロホン１の頂部壁すなわち頂面１３まで垂直方向に延びている一領域として形成されている。バフル板９は、頂部容積部５と中央容積部即ち共有容積部１０との間にあり、両容積部５、１０間の音響的隔離を行う。この実施形態では、容積部１０は共有前方容積部である。頂部バフル板９は、金属、セラミック、ＦＲ-４等の材料から形成できる。頂部バフル板９上には頂部音響トランスデューサ要素４が配置されており、このトランスデューサ要素４は、例えば当業者が考え得る表面取付け、接着又は他の任意の方法によりバフル板９に取付けられる。頂部トランスデューサ要素４は、例えばＭＥＭＳマイクロホントランスデューサで構成することができる。頂部バッファ集積回路７が、頂部トランスデューサ要素４に隣接して配置され、かつ例えばバフル板９内のワイヤボンディング又は埋入トレース（図示せず）を介してトランスデューサ要素４に電気的に接続される。頂部バッファ集積回路７は、例えば当業者が考え得る表面取付け、接着又は他の任意の方法によりバフル板９に取付けられる。頂部音響トランスデューサ要素４は音ポート１５を有し、この音ポート１５は、音波をトランスデューサ要素４に衝突させ、バッファ集積回路７により緩衝（バッファ）される電気出力を発生させることができる。頂部トランスデューサ要素４及び頂部バッファ集積回路７は、頂部容積部５内に収容されている。
【００１３】
底部容積部１６は、マイクロホン組立体１の側面８から側面１４まで水平方向に延びかつバフル板１８のような第２基板からマイクロホン１の表面１７まで垂直方向に延びている一領域として形成されている。バフル板１８は、底部容積部１６と中央容積部１０との間にあり、両容積部１６、１０間の音響的隔離を行う。底部バフル板１８は、金属、セラミック、ＦＲ-４等の材料から形成できる。底部バフル板１８上には底部音響トランスデューサ要素２が配置されており、このトランスデューサ要素２は、例えば当業者が考え得る表面取付け、接着又は他の任意の方法によりバフル板１８に取付けられる。底部トランスデューサ要素２は、例えばＭＥＭＳマイクロホントランスデューサで構成することができる。底部バッファ集積回路２０が、底部トランスデューサ要素４に隣接して配置され、かつ例えばバフル板１８内のワイヤボンディング又は埋入トレースを介してトランスデューサ要素２に電気的に接続される。底部バッファ集積回路２０は、例えば当業者が考え得る表面取付け、接着又は他の任意の方法によりバフル板１８に取付けられる。底部音響トランスデューサ要素２は音ポート２２を有し、この音ポート２２は、音波をトランスデューサ要素２に衝突させ、バッファ集積回路２０により緩衝される電気出力を発生させることができる。底部トランスデューサ要素２及び底部バッファ集積回路２０は、底キャビティ即ち底部容積部１６内に収容されている。重要なことは、両トランスデューサ要素２、４を、それぞれのバフル板１８、９の表面に沿って垂直方向に整合させてもよいし、整合させなくてもよいことである。実際に、両トランスデューサ要素は、非平行、非リニアさもなくば非整合配置でバフル板に沿って異なる位置に配置することも考えられる。
【００１４】
頂部バフル板９及び底部バフル板１８は、互いに約１８０°の角度をなして配置できる。一実施形態では、頂部バッファ集積回路７及び底部バッファ集積回路２０は、同じ設計から作られ、利得及び位相応答に関して良く一致している。図４を参照すると、頂部バッファ集積回路７の出力と底部バッファ集積回路２０の出力とを加算することにより、単独のマイクロホンの性能と比べて信号対雑音比（signal to noise ratio：ＳＮＲ）の改善を達成できるマイクロホン１を示す回路図２９０が示されている。図１の構成に示すように、音響ポート６に到達する時間変化音圧は、同相のトランスデューサ出力信号Ａ及びＢを発生させる。出力を加算すると、方程式ＯＵＴ＝Ａ・Ｇ１＋Ｂ・Ｇ２により計算される出力が得られる。Ｇ１＝Ｇ２＝１であり、かつトランスデューサ要素Ａ及びＢが等しいユニティ利得バッファについては、ＯＵＴ＝２・Ａとなる。換言すれば、システムの出力は、単一トランスデューサシステムの出力の２倍になる。加算システムの非相関雑音応答は、ＯＵＴ2＝Ａ2+Ｂ2、即ち、ＯＵＴ＝ｓｑｒｔ（２）2・Ａとなる。音圧応答及び雑音応答を考慮すると、全ＳＮＲ利益は（２・Ａ）／（ｓｑｒｔ（２）2・Ａ）となり、即ち、単独のトランスデューサシステムより３ｄＢ優れたものとなる。
【００１５】
図５は、図１に示したシステムの等価振動スキームを示す図面である。頂部トランスデューサ要素４及び底部トランスデューサ要素２に対して垂直なシステムに誘起される振動の場合、トランスデューサが１８０°の物理的反対方向を向いていることにより、他方のトランスデューサとは位相が外れている一方のトランスデューサの出力が発生する。加算回路網を通って得られる出力は、振動に応答して、ＯＵＴ＝Ａ・Ｇ１−Ｂ・Ｇ２となる。Ｇ１＝Ｇ２＝１であり、かつトランスデューサ要素Ａ及びＢが等しいユニティ利得バッファの場合には、ＯＵＴ＝Ａ−Ａ＝０となる。換言すれば、システムの出力は理論的にゼロとなる。一方のトランスデューサの反転により、振動誘起信号がキャンセルされる。
【００１６】
一実施形態では、ＭＥＭＳトランスデューサ要素が使用される。ＭＥＭＳトランスデューサ要素の使用により、或る利益が実現される。例えば、ＭＥＭＳ音響トランスデューサのサイズが小さければ、多くのトランスデューサ要素を使用しても全体的に小さいパッケージを維持できる。ＭＥＭＳトランスデューサは半導体プロセッサを使用しているので、ウェーハ内の要素は、２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚであると一般に知られている人の可聴周波数帯域幅の感度に関して良く一致する。コンデンサマイクロホンの感度は、ダイアフラムマス、コンプライアンス及びモータギャップにより決定される。これらのパラメータは、ＭＥＭＳデバイス及び半導体デバイスに使用される材料を蒸着するのに半導体製造方法が使用する薄膜の蒸着厚さ及び材料特性に関係するため、制御される。良くマッチングされたトランスデューサの使用により、振動感度にとって最適性能がもたらされる。
【００１７】
単一マイクロホンパッケージ内に集合される、マッチングされた多トランスデューサ要素は、ＳＮＲに多くの改善を達成できる。改善の度合いは、使用されるトランスデューサの数に直接関係している。図３は、本発明の他の実施形態によるマイクロホン１０１を示す。マイクロホン１０１の構造は前のマイクロホン１の構造と同様であり、したがって同じ要素は同じ参照番号で示されている。トランスデューサ１０４ａ、１０４ｂは、バフル板１０９に結合されている。トランスデューサ１０２ａ、１０２ｂは、バフル板１１８に結合されている。全てのトランスデューサ１０４ａ、１０４ｂ、１０２ａ、１０２ｂは共有容積部、この場合は共有前方容積部１１０を有する。音響応答が図４に示すように加算されると、ＳＮＲの改善度合いは、公式ＳＮＲ＝Ｓ／Ｎに基づいて、音響トランスデューサ要素の数とともに増大する。ここで、Ｓ＝Ａ＋Ｂ＋・・・＋ｎ及びＮ2＝Ａ2＋Ｂ2＋・・・＋ｎ2（ｎは、使用される全トランスデューサの数を表わす）である。図３の実施形態に示したトランスデューサの数より大きい数のトランスデューサにより、一層高いＳＮＲを達成できる。前述のように、トランスデューサ要素は、これらのそれぞれのバフル板の表面に沿って垂直に整合されてもよいし、整合されなくてもよいことに留意すべきである。実際に、両トランスデューサ要素は、非平行、非リニアさもなくば非整合配置でバフル板に沿って異なる位置に配置することも考えられる。
【００１８】
図３の例に示すように、多トランスデューサ要素は、第１及び第２基板層上に等しく分配される。この特定の配置は、信号対雑音比（ＳＮＲ）を大きく改善すると同時に、優れた振動性能を維持する。一般に、全体で偶数のトランスデューサが２つの基板層上に定置される（例えば、ｎ＝２、４、６、８・・・、ここでｎは、使用されるトランスデューサの全数である）。図３の特定例では、ｎ＝４であり、各基板層上には２つのトランスデューサが配置されている。
【００１９】
図２に、本発明の一実施形態による他のマイクロホン２０１を示す。マイクロホン２０１は前のマイクロホン１、１０１と同様な構造を有し、したがって同様な要素は同じ参照番号で示されている。マイクロホン２０１は、頂部容積部２０５のポート２５０及び底部容積部２１６のポート２５２を有する。頂部容積部２０５と底部容積部２１６との間には中央容積部２１０がある。この実施形態では、中央容積部２１０は共有後方容積部である。この実施形態では、中央容積部２１０には音響ポートが設けられていない。マイクロホン１と同様に、図４には、マイクロホン２０１の等価回路モデルが示されている。
【００２０】
図６は、本発明の一実施形態によるマイクロホン組立体３００を示す断面図である。組立体３００は、２つの基板層３０４、３０６の間に設けられたスペーサ層３０２を有する。スペーサ層３０２は、ポリイミド又は同様な材料（単一又は複数）で構成することができる。ポリイミド層３０２はレーザカットされ、接着剤として働く。基板層３０４、３０６は、両方ともＦＲ-４、ＰＴＦＥ、ポリイミドのようなＰＣＢ材料、又はアルミナ等のセラミック基板材料から構成してもよいし、しなくてもよい。トランスデューサ要素３１０、３２０は、それぞれ、基板層３０４、３０６に取付けられるか、固定される。トランスデューサ要素３１０、３２０は、例えばＭＥＭＳトランスデューサ要素で構成できる。トランスデューサ要素を収容するのに、それぞれ、パッケージ３１２、３２２を設けることができる。パッケージは、トランスデューサ３１０、３２０のカバーで形成できる。パッケージ３１２、３２２には、ポート３１４、３２４を設けることができる。基板層３０４、３０６内には、音波がマイクロホン組立体３００内に入ることができるように、音響ポート３３０、３３２を形成することができる。音波は、音響通路３４０に沿って伝わり、音響入口３５０、３５２を通ってトランスデューサ要素３１０、３２０に導かれる。この実施形態は、使用者が、付加容積部又はチャネルをポート３１４、３２４に連結することにより応答を更に変更することを可能にする。この実施形態はまた、方向動作を表示する。
【００２１】
図７は、本発明の一実施形態によるマイクロホン組立体４００を示す断面図である。マイクロホン組立体４００は、前のマイクロホン組立体３００と同様な構造を有し、したがって同様な要素は同じ参照番号で示されている。この実施形態では、ポート４２４のみがパッケージ４２２に設けられている。この実施形態は、使用者が、付加容積部又はチャネルをポート４２４に連結することにより応答を更に変更することを可能にする。この実施形態はまた、方向動作を表示する。
【００２２】
図８は、本発明の一実施形態によるマイクロホン組立体５００を示す断面図である。マイクロホン組立体５００は、前のマイクロホン組立体３００、４００と同様な構造を有し、したがって同様な要素は同じ参照番号で示されている。この実施形態では、パッケージ５１２、５２２にポートは全く設けられていない。この実施形態は、図１の実施形態と同様に作動する。チャネル５４０の形状は周波数応答に良い影響を与え、したがって、或る周波数範囲を音響的に濾過できる一方法となる。
【００２３】
以上、本発明を実施するための、発明者に知られた最良モードを含む本発明の好ましい実施形態を説明した。図示の実施形態は単なる例示であり、本発明の範囲を制限するものではないことを理解すべきである。
【符号の説明】
【００２４】
１  マイクロホン
２  多音響トランスデューサ要素（底部音響トランスデューサ）
４  多音響トランスデューサ要素（頂部音響トランスデューサ）
５  頂部容積部（頂部キャビティ）
６  音響ポート
７  頂部バッファ集積回路
９、１８  バフル板
１０  中央容積部
１２  ハウジング
１６  底部容積部
２０  底部バッファ集積回路
【図１】
2012527835.tif 000003
【図２】
2012527835.tif 000004
【図３】
2012527835.tif 000005
【図４】
2012527835.tif 000006
【図５】
2012527835.tif 000007
【図６】
2012527835.tif 000008
【図７】
2012527835.tif 000009
【図８】
2012527835.tif 000010
【国際調査報告】
2012527835.tif 000011
2012527835.tif 000012