JP2007096897A - 電源回路及びそれを用いたマイクロホンユニット - Google Patents

Abstract

【課題】 コンデンサマイクなどの音圧センサに用いられるＪＥＦＴなどの増幅素子の放電抵抗の自由度を増す電源回路の改良に関する。
【解決手段】 本発明の電源回路は、外部からの電圧を受けて所定のバイアス電圧を発生するバイアス電源回路と、前記バイアス電源回路の出力端に一端が接続された高抵抗と、前記高抵抗の他端に一端が接続された急速放電手段と、を備え、前記急速放電手段の他端は、前記電源回路の接地端子に、または前記バイアス電源回路の出力端に、接続されている。これにより、本発明は急速放電手段を用いて電源のＯＮ、ＯＦＦ時に増幅素子のゲート部分の不要な電荷をすばやく抜き去ることで、増幅素子に備えた抵抗値を気にすることなくノイズの発生などを防止することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、コンデンサマイクロホンなどに用いる電源回路、およびそれを用いたマイクロホンユニットに関する。

コンデンサマイクロホン装置（以下、コンデンサマイクロホンユニットともいう）としてバイアス電圧を印加するタイプは、バイアス電圧の印加により感度を相当の幅で調整できるという利点がある。これはコンデンサマイクロホン（以下、コンデンサマイクとも略称する）、つまり一種のセンサのバイアス電圧を上げると感度が上がるという特性によるものであり、従来から広く用いられている。

従来のコンデンサマイクロホンユニット１００の構成を図８に示す。コンデンサマイクロホンユニットは、バイアス電源２ａ、振動膜と固定電極とを含むコンデンサマイクロホン（以下コンデンサマイクという）１、キャパシタ４、抵抗３、ＪＦＥＴ（接合型電界効果トランジスタ）５を有している。バイアス電源２aは、コンデンサマイクへバイアス電圧を印加する回路である。バイアス電圧を印加されたコンデンサマイクはキャパシタ４を介してJFET５のゲート端子へつながれ、コンデンサマイク、つまり音圧センサが受けた音圧に応じた電位の偏移によりJFET５は電流増幅を行い、出力部の負荷抵抗６より出力電圧が取り出される。これを図示しないスピーカを介して人の耳に聞こえる音声としている。

コンデンサマイクロホンへバイアス電圧を印加する際には、ＪＦＥＴ５のゲート・インピーダンスが高いため、バイアス電源側のインピーダンスの影響を解消するため1GΩ程度の高い抵抗値を有する抵抗である高抵抗３、つまりインピーダンス調整抵抗ともいうべきものを直列に挿入する必要があるのが一般的であり、広く行われている。

また、ＪＦＥＴは、前述のようにゲート・インピーダンスが高い。このため、ゲート側電荷の放電がしにくい。このため、従来からＪＦＥＴ５は、図示しないがその内部のゲートとソース間にギガΩ（１０の９乗オーム）オーダの放電抵抗を挿入しておくことが行われていた。また、この放電抵抗は、ポリシリコンなどで構成したものが一般に用いられていた。

ＰＡ音響システム：工学図書：平成８年出版

しかしながら、このポリシリ抵抗の値を適切に設定しておくことは、製造上問題があった。また、もう少し低い抵抗値であれば製造は容易であるが、この場合、ゲートに帯電している電荷は早く抜けるがその分抵抗に流れる電流も大きくなる。また、この電流は熱雑音となり、雑音電圧が大きくなるという問題を有しているので、前述のような高い抵抗値にしておく必要があったがその製造は必ずしも容易ではなかった。

本発明は、コンデンサマイクなどの音圧センサに用いられるＪＦＥＴの放電抵抗の自由度を増す電源回路の改良に関するものである。

更に、最近の携帯情報端末の進化により、携帯電話などで複数の感度が要求される場合が生じている。この場合、複数のマイクロホンユニットを設けると、装置が大型になってしまうので好ましくない。そこで、ひとつのマイクロホンで複数の感度を設けることが提案されている。これは、本願の発明者らの出願であり、現在はまだ公開されていない特願２００５−００１３８０などに開示されている。コンデンサマイクロホンユニットの感度を切り替える場合、コンデンサマイク印加するバイアス電圧をバイアス電源回路出力電圧により切り替える。

この場合、例えば、バイアス電圧を高感度の２４Ｖから低感度の１２Ｖに切り換えようとした場合に、前述のようにＪＦＥＴのゲート−ソース間が高インピーダンスであり、高抵抗を介しているのでコンデンサマイクの容量の放電が迅速に行えず、このため、低感度にした直後において、ノイズの発生などの不具合が生じることがあった。本発明はこういった課題をも解決できる電源回路も提供することができる。

本発明の電源回路は、増幅素子と、コンデンサとコンデンサマイクロホンとを備えるマイクロホンユニットにバイアス電圧を供給する電源回路であって、前記電源回路は、外部からの電圧を受けて所定のバイアス電圧を発生するバイアス電源回路と、前記バイアス電源回路の出力端に一端が接続された高抵抗と、前記高抵抗の他端に一端が接続された急速放電手段と、を備え、前記急速放電手段の他端は、前記電源回路の接地端子に、または前記バイアス電源回路の出力端に、接続されており、前記高抵抗を介して前記バイアス電源回路のバイアス電圧を前記コンデンサマイクロホンへ出力することを特徴とする。これにより、本発明は急速放電手段を用いて電源のＯＮ、ＯＦＦ時に増幅素子のゲート部分の不要な電荷をすばやく抜き去ることで、増幅素子に備えた抵抗値を気にすることなく、更に言えば増幅素子に抵抗を備えることを必要とせず、ノイズの発生などを防止することができる。

また、本発明のマイクロホンユニットは前述の電源回路を備えることを特徴とする。

本発明によれば、ＪＦＥＴの放電が適切に行え、ノイズなどが生じにくい電源回路、及びそれを用いたマイクロホンユニットが提供される。

本発明を実施するための最良の形態について以下に説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態のコンデンサマイクロホンユニット１０１である。本発明のコンデンサマイクロホンユニットは、電源回路１５及びコンデンサマイク１、キャパシタ４、ＪＦＥＴ５、出力負荷抵抗６よりなる。

電源回路１５は、更にバイアス電圧を生成するバイアス電源回路１０、高抵抗３、及び放電回路３０を備えている。高抵抗３は１ＧΩ〜１０ＧΩ程度の高い抵抗値を有する抵抗であるが、なかでも１ＧΩ程度の抵抗値が好ましい。バイアス電源回路１０は、例えば定電圧源（ＢＧＲ）１１１と、非反転増幅器１１２とを有し、更に図示しない昇圧回路などを有している。また、バイアス電源回路１０は、外部からの電源電圧ＶＤＤ２を受けて動作をするものである。

ここで、ＶＤＤ２は、ＪＦＥＴ５に印加されているＶＤＤ１と同じ電圧であっても良い。更に電源回路１５は、ＬＳＩ（半導体集積回路）の１チップで構成されている。なお、バイアス電源回路１０の構成は、前述の構成にとらわれることなく、昇圧及び安定化した出力を供給できる機能を有していれば良い。

放電回路３０は、例えば100kΩ〜1000kΩ程度の抵抗値を有する放電抵抗３１とNch FETよりなるスイッチ３２を有し、高抵抗３及びコンデンサマイク１及びキャパシタ４の一端とアースとの間に挿入されている。また、スイッチ３２は、タイマー４０と接続されており、タイマー４０の指令を受けてＯＮ、ＯＦＦする構成となっている。この放電回路３０は、急速放電手段として機能している。

更にタイマ４０は、外部からの制御信号を受けて動作指令をスイッチ３２に出すものである。これは、例えば図示しないＣＰＵなどから別信号として制御される構成となっている。つまり、図示しないＣＰＵなどを用いて電源電圧のＯＮ、ＯＦＦを検知し、これにより制御信号をタイマへ送るなどで制御が行われる。

第１の実施の形態の放電回路３０の動作を図２を参照して説明する。前述のようにタイマー４０は、電源回路１５へ電圧が印加された場合にそれを外部からの制御信号を受けて応答し、放電回路３０の放電スイッチ３２をＤ１時間閉じる。これにより、ゲートに残っていた電荷が急速に放電され、ノイズ等が発生しない。また、電源回路をオフにするときも電源電圧が低下する前に外部からの制御信号をタイマー４０が受けて応答し、Ｄ２時間放電回路を閉じ、ゲートに残留していた電荷を急速に放電する。

以上の構成により、ゲートに残留していた電荷の引き抜きが迅速に行えることなる。具体的には、Ｄ１、Ｄ２の時間として例えば１〜１００μ秒程度閉じるようにタイマーを設定する。

従って、本実施形態に係る電源回路を用いた場合には、ＪＦＥＴの入力インピーダンスが高くても確実に放電ができる。このため、従来ゲート・ソース間に加えていた抵抗がなくてもマイクロホンの動作には問題がないので抵抗の削除が可能となる。従って、ＪＦＥＴのゲート、ソース間に挿入していたポリシリ抵抗の厳しい抵抗値管理などは不要になるという効果も有する。なお、あっても差し支えないのは勿論である。

次に、本発明の第２の実施形態について図３乃至図５を用いて説明する。図３は第２の実施形態にかかるマイクロホンユニット２０１、及び電源回路１６を示す図である。第２の実施形態による電源回路１６は、第１の実施形態と比較して、2つ以上の、つまり複数のバイアス電圧を供給するバイアス電源回路１１を有する点、放電回路３０に加えて充電回路３５を有する点、これらの放電回路、充電回路のスイッチの開閉時間を制御するタイマー４１を有する点などが異なる。

なお、タイマー４１は図３では説明の簡潔さのため１つのブロックで記載しているが、実際は放電回路３０を開閉するタイマーと充電回路３５を開閉するタイマーの２個を有する。そこで、タイマー４１から出る信号線も２本記載している。充電回路３５は、例えば更に、100KΩ〜1000KΩ程度の充電抵抗３６とPch FETよりなるスイッチ３７とを有し、これらはバイアス電源回路１１の出力と高抵抗３間に挿入されている。バイアス電源回路１１については後述する。

また、タイマー４１と各スイッチの動作などについては後述する動作の説明で述べる。なお、充電抵抗及び放電抵抗は、100kΩ〜1000kΩ程度の抵抗値を備えることが好ましい。

図３のバイアス電源回路１１は基準電圧源２２２、非反転増幅器２２１の他、図示しない、電源昇圧部、出力電圧設定部などを有し、外部の制御部（ＣＰＵ）からの感度切り替え信号を受けてそのバイアス電圧を変える構成となっている。

バイアス電源回路１１は、例えば図４のような構成により提供される。図４は、本願発明者らの先の出願である特願２００５−００１３８０に記載された２種類の出力バイアス電圧を供給できる電源回路の一例である。図面は前述の出願に記載されたものを用いているが本発明の説明に必要な範囲で簡単にその構成を説明する。図４に示すようにＶＤＤ２からの電圧を電源昇圧部２１で昇圧した高圧電圧をレギュレータ部２２の非反転増幅器２２１に印加する。非反転増幅器２２１は、基準電圧源（ＢＧＲ）２２２の基準電圧と、出力電圧設定部２３で設定された帰還抵抗を介した帰還入力とを比較して出力電圧を設定する。

本バイアス電源回路１１のポイントは、二つの出力バイアス電圧に対応した２つの帰還抵抗を有し、いずれの帰還抵抗が選ばれるか、は、感度切り換え信号、図４ではＤＡＴＡＩＮ、ＤＡＴＡ＿ＣＬからの信号で選択されることである。

そして、例えば、この感度切り替えは、話者のマイクロホンとの距離により適切に選択される。遠い場合、離れていれる場合には感度を上げ、近い場合は感度を下げる（通常設定とする）などである。また、遠い、近いという判断は種々考えれられるが、例えば、携帯電話などでは、話者が画面を見ながら話している、ハンズフリーで話している場合には遠いと認識し、直接、携帯電話を耳のそばにあてて話している、つまり話者の顔が画面で認識できないなどの場合には遠いと認識して感度を上げる。つまり、話者の顔が画面に写るか否か、ハンズフリー状態か否かなどの基準で判断し、携帯電話のＣＰＵなどが感度切り換え信号を送出するのである。これにより、バイアス電圧の上げ下げ、つまり感度変更がされる。

こういった場合、状況によっては頻繁にバイアス電圧が上げ下げされることとなり、前述の放電がより重要になる。また、充電も迅速に行うことが好ましいので第２の実施形態においては充電回路も設けてある。
以下に第２の実施形態の動作について図５のタイミングチャートも参照して説明する。前述のように、本発明によるコンデンサマイクロホンユニットは、外部より、感度切り替え信号５０を受けて、その信号により、タイマー４１が働き、所定の時間充電回路３５、放電回路３０が動作する構成となっている。なお、タイマー４１は、前述のように充電用と放電用のタイマーを有しており、タイマーの充電、放電の所定の時間、Ｃ１，Ｄ１はほぼ１μ秒〜１００μ秒程度である。

例えば、マイクロホンの感度を切り替えるため、外部からの切り換え信号によりバイアス電源回路１０の出力電圧が上昇する時、充電回路のスイッチ３７がある時間間隔例えば、Ｃ１時間オンする。この間隔はIC内部タイマーにより作成される。このスイッチがオンし回路が閉じることによりコンデンサマイク１とＪＦＥＴ５のゲート容量へ充電が瞬時に行われる。また、バイアス電源回路の出力電圧が降下する時、放電回路３０のスイッチ３２がある時間間隔、例えばＤ２の間オンする。この間隔は同様にIC内部タイマーにより作成される。このスイッチ３２が閉じることによりコンデンサマイクとJFETゲート容量へ放電が瞬時に行われ、従来技術の問題であった時間遅れがなくなる。

図５のタイミングチャートにより、もう少し具体的に説明する。例えば、バイアス電圧を１２Ｖ程度から２４Ｖ程度に上げる感度切り替え信号を受けた場合、充電回路３５のスイッチ３７が閉じられ、バイアス電源回路1１の出力が高抵抗３に印加される。タイマー４１が同時に作動し、例えば、1u秒間〜100u秒間程度、充電抵抗３６を介して急速に充電がされる。このあらかじめ設定された充電時間が終了すれば、スイッチ３７は開放され、充電回路３５は開かれる。以上は一例であり、２以上、つまり複数個のあらかじめ設定されたバイアス電圧への感度切り替えに際しても、バイアス電圧を上げる場合には充電回路３５が同様に動作する。

また、例えば、２４Ｖ程度から１２Ｖ程度に下げる感度切り替え信号を受けた場合には、放電回路３０が動作し、スイッチ３２が閉じられ、放電抵抗３１を介して急速に放電が行われる。このスイッチ３２を閉じている時間もタイマー４１の設定により定められ、例えば1u秒間〜100u 秒間程度、急速な放電が行われる。この放電も、複数のあらかじめ設定されたバイアス電圧の選択に際し、その電圧値を低下させるような設定変更、つまり感度を下げるような変更が行われる場合に急速放電動作として採用される。従って急速放電手段としての放電回路を有するということもできる。なお、蛇足ではあるが、例えば、３種類のバイアス電圧、つまり３個のバイアス電圧の切り替えを可能にするには、バイアス電源回路１１の帰還抵抗部、つまり図４の２３１、２３２に対応する部分をもう一つ追加し、３個の帰還抵抗部として、データ処理部２３５、記憶部２３６や切り替え回路その他もこれに対応して変えることなどを行うことで容易に可能である。

この結果、また、従来構成にあったコンデンサマイクロホン容量とＪＦＥＴゲート容量の放電のためのＪＦＥＴゲート・ソース間に放電用の1GΩ程度の高い抵抗が必要なく、この高い抵抗によるノイズ源が無くなり、音質特性を改善できる。また、バイアス高抵抗とコンデンサマイクとJFETゲート容量によりローパスフィルターの構成ができ、可聴範囲外のワウフラッター等の除去もできる。

また、電源回路１６は、ＬＳＩ、半導体装置の１チップで構成することもできる。この場合には、出力端子から見て、充電回路、バイアス電源回路、放電回路に対して直列に抵抗が入っており、図示しない電源回路の出力端子の静電耐圧が高くなるという効果も有する。

次に第３の実施形態について図６の制御タイミング図も用いて説明する。第３の実施形態においては回路の構成は第２の実施形態と同じであるが、第一の実施形態同様に電源電圧の立ち上げ時及び立ち下げ時に放電回路３０も制御することが異なる。つまり、電源電圧の立ち上げ時および立ち下げ時に、制御部（CPU）により放電回路３０のスイッチ３２をオンすることにより、瞬時にコンデンサマイクへのバイアス電圧が掛からなくなる。このため、コンデンサマイクロホンへのバイアス印加の過渡的なオーバーシュート電圧が印加されずにノイズの発生を押さえることができる。また、この際もスイッチを閉じている時間はタイマーで設定する。

なお、タイマー４１による設定時間、つまりＤ３、Ｄ４時間は、電源の立上り、立下り時の過渡的なバイアスの振れが生じる時間程度にすることが好ましい。具体的には、それぞれの電源の特性によって決めることになるが、簡便には立上がり、立下り時とも、時間はほぼ同じ程度の時間でも良い。より簡便的には実施形態１のＤ１、Ｄ２時間同様に例えば１〜１００μ秒程度閉じるようにしても良い。また、実施形態２のＤ２時間と同一にする、つまり、例えば１〜１００μ秒程度閉じるようにしても良い。

第４の実施形態を図７に示す。この実施形態では、急速放電手段として、充放電スイッチ３８を備えることを特徴とする。この充放電スイッチ３８は、高抵抗３の両端に並列に接続されている。ここで、バイアス電源回路１１の出力インピーダンスは、通常は100kΩ〜1000kΩ程度と低い値であるため、高抵抗３がスイッチ38によりバイパスされると、充電、放電が短時間で行われる。なお、高抵抗３と図示しない出力端子との間に100kΩ〜1000kΩ程度の抵抗値を備える抵抗３９を有している。この抵抗３９は省いても良い。

以上の構成により、低いインピーダンスでコンデンサにバイアスされるため、放電回路３０及び充電回路３５の機能を代替させるものである。従って急速放電手段と急速充電手段とを共に備えると言ってもよい。また、この場合のバイアス電源回路の出力は、プッシュプルにした構成、つまり、コンデンサマイクのバイアスに対して電流の吐き出し、吸い込みが出来る構成としているという表現も可能である。次にスイッチ３８を高抵抗の両端に接続し、バイアス電圧切り替え時に、制御部（CPUなど）からの感度切り換え信号により、瞬時間スイッチ３８を閉じ、その後開く、つまり開閉する。スイッチ３８が閉じられることにより高抵抗３がバイパスされ昇降圧が短時間で行われる。

以上本発明をいくつかの実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態の構成にのみ限定されるものでなく、本発明の範囲内で当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。 例えば、本発明の以上の各実施例は、電源１Ｃ回路１５，１６を夫々一つの半導体チップに構成することとしたが、必ずしも、一つのチップにとらわれることはなく、別々のチップで構成してもよく、また、高抵抗３は外付けしても良いことも勿論である。また、第２乃至第４の実施形態では、２つの感度を有するバイアス電源回路の事例を紹介しているが、例えば３つの感度など２つ以上、つまり複数の感度を有するバイアス電源回路に適用しても良いことは勿論である。

更に、本発明でいうコンデンサマイクロホンとは、いわゆる静電容量型のマイクロホンを指す。従って、半導体素子または半導体集積回路などでコンデンサマイク（図３、４、７の符号１に相当する部分）を構成しても良いのは勿論である。

本発明の第１の実施形態による電源回路、コンデンサマイクロホン装置を示す。 本発明の第１の実施形態による放電回路の制御タイミング図を示す。 本発明の第２の実施形態による電源回路、コンデンサマイクロホン装置を示す。 本発明の第２の実施形態に用いるバイアス電源回路を示す。 本発明の第２の実施形態による放電回路、充電回路の制御タイミング図を示す。 本発明の第３の実施形態による放電回路、充電回路の制御タイミング図を示す。 本発明の第４の実施形態による電源回路のうち、充電回路の変形例を示す。 従来のコンデンサマイクロホン装置の概略構成を示す。

符号の説明

１ コンデンサマイク
３ 抵抗
４ コンデンサ
５ ＪＦＥＴ
６ 負荷抵抗
１０、１１、１２ バイアス電源回路
１５、１６、１７ 電源回路
２１ 電源昇圧部
２２ レギュレータ部
２３ 出力電圧設定部
３０ 放電回路
３１ 放電抵抗
３２、３７、３８ スイッチ
３５、充電回路
３６、充電抵抗
３９ 抵抗
４０、４１、４２ タイマ−
５０ 感度切り替え信号
１００、１０１、２０１、２０２ コンデンサマイクロホンユニット

Claims (11)

1. 増幅素子と、コンデンサとコンデンサマイクロホンとを備えるマイクロホンユニットにバイアス電圧を供給する電源回路であって、
   前記電源回路は、
   外部からの電圧を受けて所定のバイアス電圧を発生するバイアス電源回路と、
   前記バイアス電源回路の出力端に一端が接続された高抵抗と、
   前記高抵抗の他端に一端が接続された急速放電手段と、
   を備え、
   前記急速放電手段の他端は、前記電源回路の接地端子に、または前記バイアス電源回路の出力端に、接続されており、
   前記高抵抗を介して前記バイアス電源回路のバイアス電圧を前記コンデンサマイクロホンへ出力することを特徴とする電源回路。
2. 請求項１において、前記急速放電手段は前記高抵抗の他端と前記電源回路の接地端子との間に挿入された放電回路であって、
   前記放電回路は放電抵抗と、放電スイッチとを備え、
   前記高抵抗を介して前記バイアス電源回路のバイアス電圧を前記コンデンサマイクロホンへ出力することを特徴とする電源回路。
3. 請求項１乃至請求項２において、前記バイアス電源回路は外部からの感度切り換え信号に応答して、複数のバイアス電圧を選択的に出力するものであることを特徴とする電源回路。
4. 請求項３において、前記放電スイッチを開閉する第１のタイマを有し、
   前記第１のタイマは、前記感度切り換え信号に応答して所定時間前記放電スイッチを開閉するものであることを特徴とする電源回路。
5. 請求項３乃至請求項４において、更に前記高抵抗の両方の端子間に並列に接続された充電回路を備え、
   前記充電回路は、充電スイッチと充電抵抗とを備えることを特徴とする電源回路。
6. 請求項５において、前記充電スイッチを開閉する第２のタイマを有し、
   前記第２のタイマは、前記感度切り換え信号に応答して所定時間前記充電スイッチを開閉するものであることを特徴とする電源回路。
7. 請求項１において、前記高抵抗の他端に接続された急速放電手段は、前記高抵抗の他端及び前記高抵抗のバイアス電源回路の一端の間に接続された充放電スイッチであることを特徴とする電源回路。
8. 請求項７において、前記バイアス電源回路は外部からの感度切り換え信号に応答して、複数のバイアス電圧を選択的に出力するものであって、
   前記充放電スイッチを開閉する第３のタイマを有し、
   前記第３のタイマは、前記感度切り換え信号に応答して所定時間前記充放電スイッチを開閉するものであることを特徴とする電源回路。
9. 請求項２において、更に放電スイッチを開閉する第４のタイマを備え、
   前記第４のタイマは、外部からの制御信号に応答して所定時間前記放電スイッチを開閉することを特徴とする電源回路。
10. 請求項1乃至請求項９において、前記電源回路は、1チップのＬＳＩで構成されることを特徴とする電源回路。
11. 請求項１乃至請求項１０記載の電源回路を備えることを特徴とするマイクロホンユニット。

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