ShinさんのPA工作室 (Shin's PA workshop)

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 TODAY'S
 
おばけくん MEMSマイクの魔改造

 

でも、お掃除ロボットが空を飛んだり、フルスピードで走り抜けたりすることはありませんけど・・・

 

かつての「クラシックプロ CM5を58の音に」や大ブレークした「激安中華コンデンサマイクの高級化改造」のようなShinさん流 「魔改造」はついに「MEMSマイク」本体に及びました。

 

 

 

 

 

 

パラドクスとオーソドクスの狭間で

ラドクスを深堀りすれば、それは対立関係にあるはずの「オーソドクス」の一部だったりする。

 

「MEMSマイクの単一指向性化」はいくつかの方式で進める中、質の高い「双指向性」の実現がきわめて重要なファクターであることが一層見えてきました。

 

MEMSマイクのケース背面に穴をあける方式は、そのイナータンス制御(速度成分〈逆相〉流入量制御)の難しさが特筆モノです。

原因はメンブレン(ダイアフラム)裏側と背電極を覆う「穴あき空気室」が速度成分を取り込むための障害となり、さらにこのレゾネーション」=「ヘルムホルツ共鳴」をどのように制するか、という「指向性上」、および「音色・音質上」の課題があまりにも大きく、デリケートだからです。

 

 

 

EQで好き勝手な特性のマイクなどゴメンです

 

「そんなモンEQでチョイチョイや」など論外、マイクロホンはそこまでイージーな技術ではありません。

 

マイク設計において、どんな優秀回路を使おうと、高級精密測定器を揃えようと、マイクロホン理論を踏まずにたどり着く先はやはり絶海の孤島でしかありません。

それ以前に、MEMSを含むコンデンサマイクに対してアクティブ電子回路がどこまで必要か、という問題もあります。

 

それは世界の名だたる名機ほど回路は単純である事実がすべてを物語っています。

 

 

マイクロホンを学ばずして、ひたすら回路と測定器に軸足を置くかぎり理想とする「単一指向性MEMSマイク」を実現することは不可能でしょう。

 

また熟練者との関わりでは、マイクロホン各メーカー、コンデンサマイクカプセル・ダイアフラムメーカーでは量産前、最終音決めは熟練した「人の耳」に頼ることが製品の成否を決めるファクターとなっていることは周知の事実です。

 

そして測定器はその量産、品質管理と品質保証に使うツールでしかありません。


 

 

 

 

 

発想の転換

 

 

「単一指向性」を得るなかで、これまで私の「音圧傾度型」=(圧力勾配型)ではMEMSマイクのケース背面にドリルやミニルーターで速度穴を開ける方法をとってきました。 

しかし調整の難しさから、MEMSマイクにおけるこの方法に疑問を感じながらその先を探っていました。

 

今回はじめて前号 2019で新更新したミニルーターの初仕事としてこの改造をおこないました。

 

すでにMEMSマイク単一指向性化は実現していますが、メンブレン背面の空気室、ここに穴をあけたレゾネーターの Q(キュー)のデカさに往生しながらのクリチカルなイナータンス制御・調整は地獄の沙汰、なんとかせねば、と詰まっていた。

 

 

チューリップ赤 ものごと、「詰まったら発想を変えろ!」は何事に対しても共通の合言葉。

 

 

 

手順

まずは何よりも正常動作を確認したICS-40730を使用する。

すなわち「プレヒート」工程の終えたICS-40730を使う。

 

 

 

 

 

TOP面をルーターでそぎ落とす

 

 

写真のように皮を剥ぐようにTOPの薄板が外れ、内部構造が顔を見せた

 

 

!切りクズの心配

ルーターの遠心力で常に外側に飛ばされるため切りくずが内部に入ることはまずないが、侵入した場合は「フッ」と吹き飛ばすことが許される。

その意味で加工前にヘッドホンモニターし、加工後にふたたびモニターすることが必須です。

 

前後両面から吹くだけでよい。(しかし強いエアブローは禁止)

 

大型ダイアフラムのように、腫れ物に触る感覚で接したり、息の湿気を気にする必要もない、この辺がMEMSマイクは浮世離れしています。

 

 

(後日追記)

このあと同一方法で3個改造をおこない,合計4個になりました。

上記手順により、切りクズによる異常は1件も発生していません。(2024.4.24)

 

 

 

 

 

これで次元の異なる双指向性化が実現した

フタが外れたICS-40730はこの品種独特の4つのメンブレンが現れます。

 

背面の空気室はなくなり、残った四角錐は可聴域でのレゾネーションはなく、さらに削って薄くする必要はない。

あまり薄くすると、構造上、指向性のアレンジが難しくなってしまうので

枠を残したこのレベルが使いやすい。

 

 

 

また、難易度は高くなりますが、MEMSマイクもう1つの名機 IM-73A135V01でも同一手順で「双指向性化」が実現しました。

 

 

 

 

単一指向性じゃなく、なぜ双指向性?

それは下図をごらんください

 

 

MEMSマイク(圧力型)の基本形は「無(全)指向性」である。

これに加え、完全な「双指向性」の実現は良質な単一指向性の合成を可能にする決定的要素となります。

 

理論図ですので、そのままでは正常動作することはなく、指向性はそのブレンド比で決定します。

 

 

!もう一つはRCA 77D(X)方式である「背面シャッター」方式ですが、

MEMSマイクでは相対的なサイズが小さすぎ、現実的ではない。

シャッターの代わりに脱脂綿・フェルトといった音響抵抗(rm)の密度、当て方でこれに代わることができ、結果的に「音圧傾度型」となります。

 

 

!また、MSステレオマイクが視野に入るかもしれませんが、現在の状況はかなり特異な双指向のスタート地点です。

 

 

 

 

 

無(全)指向性と双指向性は基本要素となる


無指向性~双指向性間のバリエーションの間には様々な「単一指向性」が合成される。

(ワイド単一指向性、単一指向性、ハイパー単一指向性」など。

 

その意味で今回の「完全双指向性」の実現はMEMSマイクの将来を決める決定的な意味を持ちます。

 

 

後編に続きます

 

 

 

 

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 TODAY'S
 
便利工具 ミニルーター(mini router)考

 

2010年の記事 1028:これはイイ!金属加工ツール「ミニルーター」 で一度書いたことがありますが、あれから14年、この小さな電動工具はすっかり私の相棒になっています。


 

 

 

それはMEMSマイクの単一指向性化で再び火が付いた

 

米粒なみのMEMSマイク、その内部構造 メンブレンなどに一切傷つけることなく、そのケース裏側に自由な大きさの小穴を開けるという必要に迫られた。

 

まったくはじめての難題だが、業界初のMEMSマイクによる「音圧傾度単一指向性マイク」を実現にこぎつけたのはこの小穴をきちんと設けられるかどうかにかかわっていた。

 

センターポンチなど使えないので僅かな「ためらい傷」は許容、

それでも穴径は自在で全部問題なく正常動作。

 

 

この魔改造は

ICS-40730 にリード線を付け、無改造での正常動作を確認後におこないました。

 

ミニルーターに0.8mmドリルを付けて一発で成功したが、2回目は内部破損した。

あきらめる必要はないがドリル刃ではとりあえず危険と判断した。

 

ここ一番は手に馴染むミニルーターに円錐ビット、微小ボールビットならより安全と見た。3個目、4個目は円錐ビットと微小ボールビットを使用、穴径はドリル刃をスケールにして確認、案外簡単に作業を終えた。

 

穴あけ後、試聴確認は必須事項である。

「全部出来てから試聴確認」というバカげたMEMSマイク自作手順などあり得ません。

前例のないことをおこなう研究開発者が現状を読み取りながら、次へと進む「音と向き合って安全に導く」という最低限のルールです。

 

 

この穴あけは、まかり間違っても切り粉がケース内部に落ちることは許されない。

ミニルーターのボールチップでは穴あけ部の材料は、常に外側に、外側と遠心力で飛ばされる、これがいい。

材料はリード線が付いたままの方が持ちやすい、手に持てば穴あけ部分を上に向ける必要もないから上写真のようなことが余裕をもって自在にできる。

 

 

3個目、4個目、そしてまさかの「IM-73A135V01」でも同様に、あの裏側に音穴を安全に開けるという超難問がクリアできた。

もちろん裸眼でなければできないので、高性能ミニルーターなしには成り立たない「夢を超越した現実」がその先へ、その先へとと進んでいます。

 

 

1028 :これはイイ!金属加工ツール「ミニルーター」の記事から14年、ミニルーターではずいぶんいろんなモノを加工してきました。

今回、当時と同一機種の在庫新品が入手でき、いよいよ近日持ち替えます。

 

 

 

ルーター それとも リューター?

ところでこの電動工具、「ミニルーター」=「mini router」ですよね

「リューター」とはどこから来た名前なんだろう、日本だけの呼び方らしいが、

各国の発音例からそれは見当たらないですね。

https://ja.forvo.com/word/router/#nl

 

日本ではどちらでも通じますが「ルーター」「rútər」が正しい呼び名です。

 

 

(ちなみにウィキペディアには次のような記載があります)

1938年に時計やカメラの精密部品のメーカーとして設立した日本精密機械工作株式会社が、1954年に開発したハンドグラインダーに「リューター2型」と名付けたのが始まりとされる。

リューターと言う名前は同社の創業者の名前伊藤「龍太郎」にちなんで命名された。

 

とあります。

 

 

 

 

マイクロ作業定番ツールであり続けてほしい

 

 

2010年から14年間使い続けたミニルーター

 

「Mr.Melster PT-α」

14年間使い続けてきたミニルーター「PT-α」今の姿

 

 

 

 

(朽ちたケースと中の様子)

割れたケースフタは強引な補修しながらでも現役としては原型に価値があることをしみじみと。

 

星 ACコードは「8の字巻」で収納しているためヨレヨレになることはありません。

 

 

 

 

 

「こんなモン普通に買い換えればいいじゃないか」とか?

 

 

第1には、後継機の「Mr.Melster PT-αⅡ」がずいぶん前に出たが、ACアダプター式のためガッカリして、選択肢から消えた。

 

ここから自分にとってのミニルーターは「どうあるべきか」探しが始まった。

 

 

 

2019年の記事  1913:のときの写真

 

ハンドツールの王道、PROXXSONのACタイプを購入、使い始めたが、2台目は「2代目」となることはなく、結局すぐ今までの「PT-α」に前戻らざるを得なかった、Proxxsonに持ち替えられない理由は「バカでかく、トルクが強すぎる怪物」という印象です。

 

PROXXONは力で切り裂くタイプ、自分の手の延長としては怖く、別次元の工具です。

 

中華モノはトルクバランスの点やわずかな芯ブレなど、自分の手には馴染めず使っていません、その為ケースを補修しながらでも初代PT-αを使い続けてきた。

 

 

 

 

私にとってミニルーターに必須な事項

 

1.AC100V式であること。ACアダプターは死ぬほど邪魔だ

 

2.手になじむ太さ、形状

 

3.回転数可変式、片手ですべての操作ができる

 

4.コンパクトな透明ケース付きであり、ビットを含めてすべてが収納できる

 

5.突撃型ではなく、ビットへの力のかけ方で回転が落ち、それでも止まらないバランス

 

6.精度の高い三爪チャックを使用、コレットとは無関係になれ、ビット軸径選択が広くなる

 

7.ルータービット(ダイアモンドビット)はスリ減るまで使わない

 

8.仲間である「充電ドリル・ドライバー」とシームレスになれる相互関係

 

9.さいごに、「過負荷で発熱の大きいの場合」のみ「PROXXON」を使うこともある

 

 

 

 

2代目ミニルーター

 

2代目は歯科用ルーター(マイクロモーター)に良いものがあるような気がする、と意識していたが・・・

そんなとき、15年くらい前の「Mr.Melster PT-α 在庫品」があるというニュースを受けた、これには1も2もなく飛びついた、この機種の良さは身に染みている。

 

 

 

先日、当時の新品在庫品が入手できた。

 

Mr.Melster「小型ペンタイプツール PT-α」

 

値段も2010年当時ほぼ同額の6,800円、PROXONの半額以下。

 

 

そしてニ代目は同一機種で引き継がれることになった。

 

 

 

強い回転力(高トルク)が良いわけじゃない

ミニルーターが充電ドリルと決定的にちがうのは、「チカラでぶち抜く」必要はなく「押し当てる力のかけ方でトルクも落ちる」という、弱さを兼ね備えて、それは回転数との関係できわめて微妙なバランスの上に成り立っているデリケートなハンドツールだということ。

 

PROXXONの突撃型や中華製品の偏心と読みづらいトルクバランスなど、その選択は簡単ではなくどちらも自分の手の延長工具としては成り立ちにくい製品でした。



 

結論

電動手工具は「作業者」にとって馴染むかどうかにかかわっている。

それは他人とは違うかもしれない、常識とは異なるかもしれない。

あまた存在するミニルーターでもこうして自分の手の延長となる工具は結局1つしかなかった。

 

これは他のどなたにもあてはまることではないですが、超微細作業を目的とする場合のミニルーターはどうあるべきか、判断される一助となれば幸いです。 (Shin)

 

 

 

 

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 From Japan

 

 

 About hand soldering of MEMS microphones   (MEMS microphone practical application project)    

 

 

 

 

  Introduction

Hi Thank you for always visiting my blog from overseas.

 

I have been posting about the practical application of MEMS microphones for audio applications on this site. From January 2023 until now, this site has been visited from the following 30 countries. I would like to thank you once again.

 

 

Australia, Brazil,  British Indian Ocean Territory, Canada, Denmark, England, France,   Germany,  Greece, 

hong kong, Hungary, India,   Indonesia, Israel, Italy, 

Kazakhstan, Korea, latvia, luxembourg, Malaysia,

Netherlands, New zealand, Philippines, Poland, Russia,  Singapore, Spain, Taiwan, Thailand, 

United Arab Emirates, 

 

 

This was found out from the actual access statistics of people who visited this blog site from Google searches in various countries.
Since it is not possible to check the total number of visitors using other visiting methods, I suspect that this blog actually has fans from many more countries.
Especially since the article on "MEMS MIC Practical Application Project," the number has increased.

 

I have received inquiries about purchasing my works, but I have declined all inquiries.

 

MEMS Microfones

Infineon IM73A135V01, with lead wires hand-soldered

The number of views has increased significantly since this device, which is smaller than a grain of rice, was found to have performance and quality comparable to great condenser microphones such as DPA and SCHOEPS.

 

 

Video.2 microphone arrangement Philips method using 4 Probe Ⅱ Lz (ICS-40730)

 

Check out the sound of my MEMS microphone on YOUTUBE videos.

 

Video.1   Video.2   Video.3

 

 


 

Happy news

I received a happy email from my friend Mr.CK, as my friend from Turkey., telling me that it was a success.

 

In his case, he was able to successfully attach leads to ICS-40730 using conductive paint and adhesive without applying heat.

 

 

 

There are no strict rules or recipes for DIY microphones using MEMS microphones.
If there are new methods, let's introduce them to each other like this.

It is necessary to clearly indicate the "source," it's a matter of courtesy.
Ideas learned there should not be used for profit.

 

 

 

 

 

 

 

How to hand solder a MEMS microphone

The soldering method I developed

グッ”Hand soldering is the basics of making your own”

 

 

Handmade microphones using MEMS microphones have finally gained citizenship.
I'm sure some people have already made it, but it's not as easy to handle as ECM, and I imagine it was very difficult to solder it.

MEMS MICs are essentially electronic components that require reflow.
There are four major processes involved in assembling circuit boards by reflow: preheating, soaking, reflowing, and cooling.

In other words, it is not a device that should not be heated, but a device that must be heated before use.
However, if you suddenly use a soldering iron, the strain on the constituent materials will cause cracks and circuit breaks, which will destroy the MEMS MIC.

Through trial and error, I was able to establish a method that allows for safe and stable hand soldering by performing "preheating", one of the four steps in the reflow process.

 

 

(Reflow profile diagram)


These are the "thermal design" standards for safe use of MEMS MIC ICS-40730.
Other MEMS MICs are also similar.

 

In other words, even when soldering by hand, "destruction" will occur if the soldering work is not based on this "Soldering profile".

 

 

Before doing the actual work using a soldering iron

 

In order to safely hand-solder MEMS MICs with thermal design for reflow, some ingenuity is required.

 

Here I will take a step-by-step look at soldering lead wires to Invensense's "ICS-40730". This is exactly the same with other MEMS microphones.

 

 

 

I arranged it like this, the red zone is the important "preheat". (For ICS-40730)

 

This unique "Prehrating", which is part of the "Soldering profile", became an important "key" that made manual soldering, which was said to be "impossible," possible.

 

 

 

 

 

 

postscript Mar 20. 2024 

In response to this blog post, we received the following questions from our readers, so we would like to answer them.

question:
When I applied heat with a heat gun, the microphone broke immediately.
Heated at 100°C for 1 minute. After turning off the heat gun, I immediately applied creamy solder. I also soldered this using a 25W soldering iron with a fine tip. I also measured the temperature with a thermometer.

answer:
Follow the heat treatment instructions in the article.
Cream solder is only used as "preliminary solder". Solder it quickly (0.1s to 0.2s) (see photo). It's OK if the electrodes glow with solder.
  Furthermore, as I am writing this article, I am conducting lead soldering on five ICS-40730 units in parallel. All of them are normal and the test was completed without any sensitivity deviation (within 1 dB, if any).

 

 

 

Q1-
When applying heat with a heat gun, do you cover the microphone hole, or do you leave it open so that the heat can enter through the hole?
A1- 
Place the hole upwards and blow hot air at an angle.

Q2-
When using the heat gun on the microphone, do you apply heat from the sides or from the top and bottom
A2-
Blow hot air at an angle with the hole facing up.

Q3-
When soldering using a heat gun or soldering iron, do you apply hot air to the microphone?
A3-
Using the photo as a reference, blow hot air at about 100℃ for 1 minute to even out the microphone.

Q4-
Should I apply cream solder to the lead wires?
A4-
i don't use it

 

Please refer to the above information again.

 

 

 

  Let's actually do the soldering work

 

Example of the soldering iron used by the author (HAKKO FX-600 with temperature control)

 

If you are concerned about the small size of the parts and use a soldering iron with a small W, the heating time will be longer and there is a possibility of damage due to localized heating.

 

STEP.1MEMS MIC unboxing

TDK Invensense ICS-40730

 

 

STEP.2preheat

Preheating: Heat to approximately 100℃ to 110℃ for 1 minute with a simple heat gun 

(no need for a thermometer once you get used to it)

 

 

STEP.3cream solder application

Apply cream solder to the electrodes of the MEMS microphone.

 

 

STEP.4Preliminary soldering of electrodes using cream solder

It's OK if the cream solder turns into metal and shines when you apply the tip of the iron for a moment.In my case, the time is about 0.1second

 

 

STEP.5Soldering the lead wires

 

Quickly solder the pre-soldered lead wire (AWG-28 to AWG-32) to the electrode.
At that time, you only need to apply the tip of the iron for a moment, and you don't have to think too much about strengthening the soldering.

 

Infineon IM73A135V01,

 

 

 

STEP.6Strengthen and insulate the soldered part of the lead wire, complete

 

Use a two-part epoxy adhesive to insulate and protect the soldered electrodes.


Any available brand of two-component epoxy adhesive will do.

 

 

This completes the manual soldering of MEMS-MIC.

 

 

Note:  Thin shielded cable can be made using the same steps, but it will be more difficult than making lead wire.
Compatible with AWG-28 to AWG-32. Soldering thick shielded cables is very thermally dangerous.

 



Let's try some actual soldering work. From Japan, I wish you all success.

 

 

 

Mar 17. 2024    Shin.

 

 

 

@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@

 

[Disclaimer]

★The posted circuits, photos, explanations, etc. are intended to be used by acousticians and amateurs as a reference when producing handmade products or conducting test evaluations.

★Customers are responsible for product performance, functionality, safety, etc., and I (Shin) do not take any responsibility.

★It is strictly prohibited to plagiarize works based on articles on this site for commercial purposes, such as selling them to third parties.

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