JP2008035347A - コンデンサマイクロホン - Google Patents

Abstract

【課題】リフロー時等のように高温が筐体に印加されても、筐体内に収納されている部材の熱ダメージを軽減することができるコンデンサマイクロホンを提供する。
【解決手段】
筐体２２内に振動膜３０とバックプレート３１とが対向配置されてなるコンデンサ部と、このコンデンサ部の静電容量の変化を電気インピーダンス変換する電界効果トランジスタ２６と、これらコンデンサ部及び電界効果トランジスタ２６が収容されている。筐体２２は回路基板２３と、回路基板２３に接合されるとともに電界効果トランジスタ２６を囲む筐体基枠２４と、筐体基枠２４に一体に連結されたトップ基板２５とからなる。筐体基枠２４が三層の銅箔からなる金属層２４ｄを有する樹脂製多層基板により構成される。
【選択図】図１

Description

この発明は、携帯電話、ビデオカメラ、パーソナルコンピュータ等の機器に用いられるコンデンサマイクロホンに関するものである。

従来、この種のコンデンサマイクロホンとしては、例えば、特許文献１に開示されるような構成のものが提案されている。この従来構成のコンデンサマイクロホンは、電装部品を実装した回路基板、下部側のスペーサ、背面電極を有するバックプレート、上部側のスペーサ、下面に振動膜を張架した振動膜支持枠を下から順に積層固定することによって構成されている。前記特許文献１のコンデンサマイクロホンを含むこの種のコンデンサマイクロホンは、各構成部材を前記のように積層組立された後、リフロー炉に通されて加熱され、その熱により該コンデンサマイクが、機器に取着される基板上にリフロー半田付けされようになっている。
特開２００２−３４５０９２号公報

前述のようにリフロー時にコンデンサマイクロホンは加熱されるため、従来から、前述した特許文献１をはじめとする従来構成のコンデンサマイクロホンにおいては、リフロー時のコンデンサーマイク内部の部品の熱ダメージを軽減させるために耐熱性の高い材料を選定する等の対策をとっている。しかし、従来は、コンデンサマイクロホン内部への熱伝導を抑制するための具体的な対策はとられていないため、リフロー時の熱がコンデンサマイクロホン内部に熱が伝わる問題があった。

この発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的は、リフロー時等のように高温が筐体に印加されても、筐体内に収納されている部材の熱ダメージを軽減することができるコンデンサマイクロホンを提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は筐体内に、振動膜と極板とが対向配置されてなるコンデンサ部と、このコンデンサ部の静電容量の変化を電気インピーダンス変換するインピーダンス変換素子と、これらコンデンサ部及びインピーダンス変換素子が収容され、前記筐体が、前記インピーダンス変換素子が装着された回路基板と、前記回路基板に接合されるとともに前記インピーダンス変換素子を囲む枠体と、前記枠体に一体に連結されたトップカバーとからなるコンデンサマイクロホンにおいて、前記枠体が少なくとも三層の金属層を有する樹脂製多層基板により構成されていることを特徴とするコンデンサマイクロホンを要旨とするものである。

請求項1の発明によれば、筐体を構成する枠体が少なくとも三層の金属層を有する樹脂製多層基板を使用しているため、筐体の熱容量が増加し、筐体内の温度上昇が軽減される。

請求項２の発明は、請求項１において、前記金属層は銅箔からなることを特徴とする。請求項2の発明によれば、金属層が銅箔にされている枠体を備える筐体において、請求項１の作用を実現できる。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２において、前記樹脂製多層基板は、両面及び内部にそれぞれ金属層を有するとともに該内部に配置された金属層が接地されていることを特徴とする。請求項３の発明によれば、枠体内部に配置された金属層が接地されていることにより、電磁シールドの効果があり、ノイズが軽減される。

請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のうちいずれか１項において、前記極板が、前記枠体から離間されていることを特徴とする。請求項４の発明によれば、枠体から極板が離間されていることにより、極板に熱的な影響により電気的特性に悪影響が及ぼすことがない。

請求項５の発明は、半導体プロセス技術により製造されたマイクロホン振動部を備えたダイを実装した回路基板と、前記回路基板に接合されるとともに前記ダイを囲む枠体と、前記枠体に一体に連結されたトップカバーとにより、前記マイクロホン振動部を収納した筐体を備えたコンデンサマイクロホンにおいて、前記枠体が少なくとも三層の金属層を有する樹脂製多層基板により構成されていることを特徴とするコンデンサマイクロホンを要旨とするものである。

請求項５の発明によれば、筐体を構成する枠体が少なくとも三層の金属層を有する樹脂製多層基板を使用しているため、筐体の熱容量が増加し、筐体内の温度上昇が軽減される。

以上のように、この発明によれば、筐体を構成する枠体が少なくとも三層の金属層を有する樹脂製多層基板を使用しているため、筐体の熱容量が増加し、筐体内の温度上昇が軽減される。この結果、リフロー時等のように、高熱が筐体に印加された場合でも、筐体内に収納されている部材の熱ダメージを軽減することができる。

（実施形態）
以下に、この発明の実施形態を、図１及び図２を参照して説明する。
図１及び図２に示すように、この実施形態のコンデンサマイクロホン２１の筐体２２は、平板状の回路基板２３と、枠体としての四角枠状の筐体基枠２４と、トップカバーとしての平板状のトップ基板２５とを積層して、接着剤により一体に固定した構造となっている。前記回路基板２３，筐体基枠２４及びトップ基板２５はエポキシ樹脂等の樹脂製の電気絶縁体により構成されている。本実施形態では、ガラス布基材エポキシ樹脂にて構成されているが、エポキシ樹脂に限定されるものではない。回路基板２３の上面には銅箔よりなる導電パターン２３ａ，２３ｃが形成されている。導電パターン２３ｃは、アース用の導電パターンであって、筐体２２の枠形状に相対するように枠状に設けられている。導電パターン２３ａは、部品接続のための導電パターンであって、電源入力用や値信号取り出し用となっている。

又、回路基板２３の下面には銅箔よりなる複数の導電パターン２３ｂ（図１には、１つの導電パターン２３ｂのみ図示されている。）が形成されている。
そして、回路基板２３には、図示しない複数のスルーホールが設けられるとともに、該スルーホールに導電パターンが形成されている。そして、該複数のスルーホールのうち、いくつかのスルーホールの導電パターンを介して、前記導電パターン２３ｃは、回路基板２３下面のアース端子（図示しない）に接続される導電パターン２３ｂに対して接続される。又、該複数のうち、残りのいくつかのスルーホールの導電パターンを介して、導電パターン２３ａは回路基板２３下面に設けられた信号出力端子（図示しない）や電源入力端子（図示しない）に接続される導電パターン２３ｂに対して接続されている。

又、回路基板２３上には、筐体２２内に設けられたインピーダンス変換回路を構成する電界効果トランジスタ２６やキャパシタンス２７等の電装部品が実装されている。電界効果トランジスタ２６はインピーダンス変換素子に相当する。

前記筐体基枠２４の上下両面及び外側面には銅箔よりなる連続した金属層としての導電パターン２４ａ，２４ｂ，２４ｃが形成されている。下面側の導電パターン２４ｂは図１に示すように回路基板２３上の前記導電パターン２３ｃを介して回路基板２３下面のアース端子（図示しない）に接続される導電パターン２３ｂに対して接続されている。そして、回路基板２３上の前記電界効果トランジスタ２６やキャパシタンス２７等の電装部品が、この筐体基枠２４内に収容配置されている。

図１に示すように筐体基枠２４の内部には銅箔よりなる金属層２４ｄが埋設されている。すなわち、筐体基枠２４は、本実施形態では、三層の金属層を有する樹脂製多層基板にて構成されている。筐体基枠２４には複数のスルーホール２４ｅが形成され、それらのスルーホール２４ｅの内周面には前記導電パターン２４ａ，２４ｂとそれぞれ連続する導電パターン２４ｆが設けられている。また、スルーホール２４ｅ内には導電材２４ｇがそれぞれ充填され、この導電材２４ｇと前記導電パターン２４ａ，２４ｂとにより導電部が形成されている。

そして、金属層２４ｄは、スルーホール２４ｅの導電パターン２４ｆと導電材２４ｇを含む導電部２４ｈ、及び導電パターン２４ｂを介して、回路基板２３上の導電パターン２３ｃに電気接続されている。

前記トップ基板２５の上下両面及び外側面には銅箔等よりなる導電パターン２５ａ，２５ｂが形成されている。トップ基板２５には、外部から音を取り込むための音孔２８が形成されている。

図１及び図２に示すように、前記筐体基枠２４とトップ基板２５との間には、金属板からなる環状のスペーサ２９が挟持固定されている。本実施形態では、スペーサ２９はステンレス鋼板により構成されている。スペーサ２９の上面にはＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）フィルム等の絶縁性を有する合成樹脂薄膜よりなる振動膜３０が接着により張設されており、その振動膜３０の下面には金蒸着よりなる導電層３０ａが形成されている。筐体基枠２４内において、振動膜３０の下面にはスペーサ２９を介在させて極板としてのバックプレート３１が対向配置されている。このバックプレート３１は、ステンレス鋼板からなるバックプレート本体３１ａの上面にＦＥＰ等のフィルム３１ｂが貼着されて構成されている。そのフィルム３１ｂにはコロナ放電等による分極処理が施されており、この分極処理によりフィルム３１ｂはエレクトレット層を構成している。本実施形態では、前記バックプレート３１は背極を構成しており、この実施形態のコンデンサマイクはバックエレクトレットタイプで構成されている。

さらに、前記バックプレート３１は、筐体基枠２４の内周形状よりも小さな外周形状となる平面形ほぼ長円状をなすように形成されていて、それらの内外周面間には隙間Ｐが形成されている。バックプレート３１の中央部には前記振動膜３０の振動による空気移動を許容するための貫通孔３２が形成されている。このバックプレート３１は、フィルム３１ｂを貼着したステンレス鋼の板材をフィルム３１ｂ側から、すなわち、図２の上方側から下方側へ向かって打ち抜き刃（図示しない）により打ち抜いて形成される。

図１〜図３に示すように、前記筐体基枠２４内において、バックプレート３１と回路基板２３との間にはバネ材よりなる保持部材３３が圧縮状態で介装され、この保持部材３３の弾性力によりバックプレート３１が振動膜３０の反対側からスペーサ２９の下面と当接する方向に加圧されている。これにより、振動膜３０とバックプレート３１との間に所定の間隔が保持されて、それらの間に所定の容量を確保したコンデンサ部が形成されている。

前記保持部材３３は、リン青銅板の表裏両面に金メッキを施してなる板材を打ち抜き成形することにより形成され、ほぼ四角環状の枠部３３ａと、その枠部３３ａの四隅から下部両側方に向かって斜めに突出する４つの脚部３３ｂとを備えている。従って、枠部３３ａの下方における脚部３３ｂ間には空間Ｓが形成されている。そして、この実施形態においては、図１に示すように、回路基板２３上の前記電界効果トランジスタ２６が前記空間Ｓ内に配置されるとともに、前記キャパシタンス２７が各一対の脚部３３ｂ間に配置される。前記保持部材３３の枠部３３ａの上面にはバックプレート３１の下面に当接する４つの球面状の突部としての接触部３４が突出形成されるとともに、各脚部３３ｂの先端下面には回路基板２３上の導電パターン２３ａの一部に接触する４つの球面状の突部としての接触部３５が突出形成されている。そして、この保持部材３３を介して、前記バックプレート３１が回路基板２３のインピーダンス変換回路に電気的に接続されている。

図１に示すように、前記トップ基板２５には複数のスルーホール３６が形成され、それらのスルーホール３６の内周面には前記導電パターン２５ａ，２５ｂと連続する導電パターン２５ｃが設けられている。また、スルーホール３６内には導電性接着剤３７ａが充填され、この導電性接着剤３７ａと前記導電パターン２５ｃとにより導電部３７が形成されている。

さらに、振動膜３０の端縁は、前記スペーサ２９の外周から上面側（トップ基板２５側）に折り返されており、導電層３０ａがトップ基板２５の導電パターン２５ｂに接続されている。このため、トップ基板２５の導電パターン２５ａ，２５ｂ及び導電部３７から振動膜３０の導電層３０ａ，筐体基枠２４上の導電パターン２４ａ〜２４ｃを介して回路基板２３上の前記アース端子に至る導電路が形成されている。

さて、このコンデンサマイクロホン２１において、音源からの音波がトップ基板２５の音孔２８を介して振動膜３０に至ると、その振動膜３０は音の周波数、振幅及び波形に応じて振動される。そして、振動膜３０の振動に伴って、振動膜３０とバックプレート３１との間隔が設定値から変化し、コンデンサのインピーダンスが変化する。このインピーダンスの変化が、インピーダンス変換回路により電圧信号に変換されて出力される。

以上のように作動するこの実施形態のコンデンサマイクロホン２１は、以下の効果を発揮する。
（１） 本実施形態では、筐体基枠２４（枠体）が三層の銅箔からなる金属層２４ｄを有する樹脂製多層基板により構成されている。

従って、コンデンサマイクロホン２１の各構成部材を組み立てた後、その組立体をリフロー炉に通して、リフロー半田付けにて図示しない外部基板にこのコンデンサマイクロホン２１が実装される際、筐体基枠２４（筐体）の熱容量が増加して大きくなっている。このため、筐体２２の内部の各部材に伝達されにくくなるようにすることができ、リフロー時の熱が印加されても筐体基枠２４内の温度上昇が抑制される。これによりコンデンサ部の温度上昇を抑制することができる。この結果、リフロー時のように、高熱が筐体２２内に印加された場合でも、筐体２２内に収納されている部材の熱ダメージを軽減することができる。

従って、例えば、外部基板への表面実装をリフロー処理により行うようにした場合においても、リフロー処理の際に加えられる熱によってコンデンサ部のバックプレート３１のフィルム３１ｂに着電されていた電荷が消失または減少してしまうことを効果的に抑制できる。

ちなみに、物体の熱容量は、物体の温度を１℃上げるのに要する熱量であり、物体の質量に対してその物体の比熱が乗算されることにより表される。
本実施形態の例では、金属層は銅箔であり、その比熱は０．０９２cal/g/k、密度は８．９６グラム／立方センチメートルである。

一方、一般的なガラス布基材エポキシ樹脂では、比熱が０．１９cal/g/k、密度は１．７〜２グラム／立方センチメートルである。
ここで、ガラス布基材エポキシ樹脂の密度を２グラム／立方センチメートルとして、同じ体積を前提として、ガラス布基材エポキシ樹脂と銅箔の密度×比熱の大きさを比較する。すると、銅箔の「密度×比熱」は８．９６×０．０９２＝０．８２４３２であり、ガラス布基材エポキシ樹脂の「密度×比熱」は２×０．１９＝０．３８である。従って、ガラス布基材エポキシ樹脂と銅箔の体積が同一の場合は、銅箔の方が熱容量は二倍以上大きくなることが分かる。

（２） 本実施形態では、筐体基枠２４において、両面及び内部にそれぞれ形成された導電パターン２４ａ，２４ｂ，及び金属層２４ｄを有し、内部に配置された金属層２４ｄが接地されている。この結果、筐体基枠２４内部に配置された金属層２４ｄにより、電磁シールドの効果があり、ノイズを軽減することができる。

（３） 本実施形態では、バックプレート３１の外周面と筐体基枠２４の内周面との間に隙間Ｐが介在されるように、バックプレート３１の外周形状を筐体基枠２４の内周形状よりも小さく形成した。

このため、バックプレート３１は筐体基枠２４内における伸縮や移動が許容される。この結果、コンデンサマイクロホン２１の各構成部材を組み立てた後、その組立体をリフロー炉に通して加熱し、リフロー半田付けにて図示しない外部基板上にこのコンデンサマイクロホン２１を実装する際に、金属製のバックプレート３１と合成樹脂製の筐体基枠２４とは互いに独立して伸縮される。従って、バックプレート３１と振動膜３０との間隔が変動したり、バックプレート３１が変形したりして、電気的特性が変わることを防止できる。このように、バックプレート３１に熱ダメージにより電気的特性が変わってしまうというような悪影響が及ぼすことがない。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態を図３を参照して説明する。なお、第１実施形態と同一又は相当する構成については同一符号を付して説明を省略し、異なる構成について説明する。

第２実施形態のコンデンサマイクロホン２１は、第１実施形態の構成中、電界効果トランジスタ２６、キャパシタンス２７、スペーサ２９、振動膜３０、バックプレート３１、保持部材３３が省略されている。

そして、その代わりに、回路基板２３上に、シリコン基板から半導体プロセス技術により製造されたシリコンマイクロホン素子１２０が設けられている。
シリコンマイクロホン素子１２０は、ダイ１３０上に、振動膜としての振動電極板１００と、該振動電極板１００に対して間隙を介して対抗配置された固定電極板１１０とが形成されている。固定電極板１１０と振動電極板１００間には、電気的に絶縁させるための、絶縁膜１１５が形成されている。振動電極板１００には、図示しない接続電極と電気的に接続されており、該接続電極及びワイヤＷ１を介して、回路基板２３上の導電パターン２３ａに接続されている。又、固定電極板１１０には、図示しない接続電極と電気的に接続されており、該接続電極及びワイヤＷ２を介して、回路基板２３上の導電パターン２３ａに接続されている。固定電極板１１０には、複数の貫通孔１１１が形成されている。なお、振動電極板１００と固定電極板１１０の詳細な構成は、公知であるため、詳細説明を省略する。

振動電極板１００と、固定電極板１１０とにより、マイクロホン振動部が構成されている。このように構成されたシリコンマイクロホン素子１２０は、音波に応じて、振動電極板１００が振動することにより、固定電極板１１０と振動電極板１００との間の静電容量が変化することにより、回路基板２３上の図示しない、インピーダンス変換素子により、静電容量の変化が測定され、音波が電気信号に変換可能である。

又、第２実施形態では、前述のように振動膜３０が省略されており、トップ基板２５の下面の導電パターン２５ｂは、筐体基枠２４の導電パターン２４ａに対して導電性接着剤により接続されている。

上記の構成により、第２実施形態においても、筐体基枠２４の壁内に金属層２４ｄを備えて、熱容量を大きくされている。
以上のように構成されたコンデンサマイクロホン２１では、第１実施形態の（１）の作用効果を奏する。

なお、この実施形態は、次のように変更して具体化することも可能である。
○ 前記実施形態では、筐体基枠２４を３層の樹脂製多層基板にて構成したが、４層や５層以上であってもよい。この場合でも、熱容量を増加させることができる。

○ 前記実施形態では、金属層を銅箔にて形成したが、他の金属で構成してもよいことは勿論である。
○ 前記実施形態ではバックプレート本体３１ａをステンレス鋼板から構成したが、真鍮板で構成したり、チタン板等により構成してもよい。

○ スペーサ２９を合成樹脂によって構成すること。
○ 前記実施形態はこの発明をバックエレクトレットタイプのコンデンサマイクロホンに具体化したが、筐体２２の内側面（例えば、図１において、振動膜３０の上方に位置する側面）にエレクトレット層を形成したフロントエレクトレットタイプにおいてこの発明を具体化すること。

○ 振動膜３０をエレクトレット用の高分子フィルムにより構成したホイルエレクトレットタイプのコンデンサマイクロホンにおいてこの発明を具体化すること。このように構成した場合も、前記バックプレート３１にエレクトレット層は設けられない。

○ 昇圧回路を有するチャージポンプ型のコンデンサマイクにおいてこの発明を具体化すること。このように構成した場合には、エレクトレット層に替えて、振動膜３０及びバックプレート３１に互いに対向する電極が設けられる。

○ 前記各実施形態の、金属層は、銅以外にアルミ、銀等のように導電性を備えるものであればよい。

第１実施形態のコンデンサマイクロホンを示す断面図。 図１のコンデンサマイクロホンの分解斜視図。 第２実施形態のコンデンサマイクロホンを示す断面図。

符号の説明

２１…コンデンサマイクロホン、２２…筐体、２３…回路基板、２４…筐体基枠（枠体）、２５…トップ基板（トップカバー）、２６…電界効果トランジスタ（インピーダンス変換素子）、３０…振動膜、３１…バックプレート（極板：バックプレートと振動膜３０とによりコンデンサ部が構成されている。）、３１ａ…バックプレート本体。

Claims (5)

1. 筐体内に、振動膜と極板とが対向配置されてなるコンデンサ部と、このコンデンサ部の静電容量の変化を電気インピーダンス変換するインピーダンス変換素子と、これらコンデンサ部及びインピーダンス変換素子が収容され、
   前記筐体が、前記インピーダンス変換素子が装着された回路基板と、前記回路基板に接合されるとともに前記インピーダンス変換素子を囲む枠体と、前記枠体に一体に連結されたトップカバーとからなるコンデンサマイクロホンにおいて、
   前記枠体が少なくとも三層の金属層を有する樹脂製多層基板により構成されていることを特徴とするコンデンサマイクロホン。
2. 前記金属層は銅箔からなることを特徴とする請求項１に記載のコンデンサマイクロホン。
3. 前記樹脂製多層基板は、両面及び内部にそれぞれ金属層を有するとともに該内部に配置された金属層が接地されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のコンデンサマイクロホン。
4. 前記極板が、前記枠体から離間されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれか１項に記載のコンデンサマイクロホン。
5. 半導体プロセス技術により製造されたマイクロホン振動部を備えたダイを実装した回路基板と、前記回路基板に接合されるとともに前記ダイを囲む枠体と、前記枠体に一体に連結されたトップカバーとにより、前記マイクロホン振動部を収納した筐体を備えたコンデンサマイクロホンにおいて、
   前記枠体が少なくとも三層の金属層を有する樹脂製多層基板により構成されていることを特徴とするコンデンサマイクロホン。

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