JP2008306636A - コンデンサーマイクロホン - Google Patents

Abstract

【課題】温度が変化しても共振周波数の変動を抑制し、マイクの性能、特性の劣化を防止する位相変調型発振検波方式のコンデンサーマイクロホンを得る。
【解決手段】発振コイル４と水晶振動子３を備えた発振回路１、発振回路に結合され発振回路で生成される高周波信号でバイアスされコンデンサーマイクユニット５の静電容量と共振コイル６によって構成された共振回路と、共振回路の出力信号からコンデンサーマイクユニット５の静電容量変化に対応する音声信号に復調する復調回路１０を備える。共振コイル６は、外周にコイルが巻かれた超磁歪素子１２と、超磁歪素子に圧力を加える圧電素子１４，１５を備え、復調回路１０の出力レベルの誤差信号が圧電素子に入力され、圧電素子は誤差信号に応じた圧力を超磁歪素子１２に加え、超磁歪素子は圧力に応じてインダクタンスが変化し、共振回路の共振周波数の変動を修正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発振検波方式のコンデンサーマイクロホンに関するもので、特に、共振回路の温度特性補正回路の構成に特徴を有するものである。

コンデンサーマイクロホンに用いられているマイクロホンユニットは出力インピーダンスが高いため、一般的にはインピーダンス変換器を設け、マイクロホンユニットの出力インピーダンスを低くして出力している。インピーダンス変換器を用いることなく低インピーダンス出力が可能な別の方式として発振検波方式のコンデンサーマイクロホンがある。発振検波方式コンデンサーマイクロホンは、回路構成が複雑で調整が難しいといった問題点があるが、固有雑音が小さいという利点があるため、現在でも商品化されている。

発振検波方式のコンデンサーマイクロホンには、位相変調型と振幅変調型がある。位相変調型は発振器に水晶振動子を用いることができ、回路構成が比較的簡単であることから古くから用いられている。振幅変調型は高周波ブリッジを用いており、発振周波数が若干移動しても動作するが、位相変調型と比較すると回路構成が複雑になる難点がある。

本発明に係るコンデンサーマイクロホンは、位相変調型発振検波方式に属するので、以下に、従来の位相変調型発振検波方式コンデンサーマイクロホンの例についてより詳細に説明する。
図３において、符号１は発振回路、４は発振コイル、１０はレシオ検波回路、６は共振コイルをそれぞれ示している。発振コイル４は、互いに磁気結合された三つのコイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３を有してなる。

発振回路１は、トランジスタ２、水晶振動子３、上記コイルＬ１（タンクコイル）を備えている。コイルＬ１にはコンデンサーＣ１が並列に接続され、コイルＬ１の一端には電源ＰＳが接続され、コイルＬ１の他端はトランジスタ２のコレクタに接続されている。トランジスタ２のコレクタとベースの間には抵抗Ｒ１が接続され、ベースとアースの間には水晶振動子３が接続され、水晶振動子３と並列に抵抗Ｒ２が接続されている。トランジスタ２のベースとアースの間にはまた、コンデンサーＣ７とＣ８が直列に接続され、このコンデンサーＣ７とＣ８の接続点はトランジスタ２のエミッタに接続され、エミッタは抵抗Ｒ３を介してアースに接続されている。コイルＬ２とＬ３は直列に接続され、この接続点はアースに接続されている。発振回路１は水晶振動子３を備えた発振回路を構成することによって発振周波数を安定化させている。

上記共振コイル６は互いに磁気結合された三つのコイルＬ４、Ｌ５、Ｌ６を有してなる。上記レシオ検波回路１０は、位相変調された信号の復調方式の一つで、コイルＬ５、Ｌ６とコンデンサーの結合によって位相差を作り、ベクトル的に復調する回路方式である。上記コンデンサーは、コンデンサーマイクロホンユニット５、より具体的にいえば、コンデンサーマイクロホンユニットを構成している振動板と、この振動板と間隙をおいて対向している固定電極との間で形成されているコンデンサーである。コイルＬ５とＬ６は直列に接続され、コイルＬ５の他端はダイオード７を介してマイクロホン出力端子ＯＵＴに、コイルＬ６の他端はダイオード８を介して上記マイクロホン出力端子ＯＵＴに接続されている。ダイオード７と８は互いに逆向きになっている。

発振回路１は、例えば８ＭＨｚ−１２ＭＨｚ程度の高周波信号を発振し、発振した高周波信号を発振コイル４から共振コイル６に供給するために、コイルＬ２の一端とコイルＬ４の一端が接続され、コイルＬ３の一端が、コイルＬ５とＬ６の接続点に接続されている。発振回路１で発振された高周波信号は、コイルＬ２、Ｌ３から共振コイル６に供給される。共振コイル６を構成するコイルＬ４にはマイクロホンユニット５の静電容量が直列に接続されている。コンデンサーマイクロホンユニット５は、振動板が受けた音波にしたがって振動することにより上記静電容量が変化する。マイクロホンユニット５の静電容量と共振コイル６のインダクタンスによって共振回路を構成し、この共振回路に発振回路１で生成される高周波信号をバイアスとして加える。上記高周波信号はマイクロホンユニット５で電気音響変換された音声信号で位相変調される。この変調信号は、復調回路である上記レシオ検波回路１０で復調され、マイクロホン出力端子ＯＵＴから出力される。共振コイル６を構成するコイルＬ４はマイクロホンユニット５の静電容量と直列共振することから、共振周波数でのインピーダンスが極めて低くなる。このように共振周波数でのインピーダンスを低くしなければ、感度が低下する。

上記従来の位相変調型発振検波方式コンデンサーマイクロホンの例では、共振回路が、コアで磁気結合された複数のコイルＬ１，Ｌ２、Ｌ３からなる共振コイル６と、コンデンサーマイクロホンユニット５で構成されている。上記コアは、上記複数のコイルの磁気結合度を調整して共振周波数を調整することができるように可動コアとなっている。

なお、本発明に関連のある従来技術として特許文献１記載の発明がある。特許文献１記載の発明は、コンデンサーマイクロホンにおいて、振動板に対する対向面積が同一で、かつ、振動板に対して等距離に配置された第１固定電極および第２固定電極を用い、各固定電極にインピーダンス変換器を接続するとともに、第１固定電極と第２固定電極に逆極性の成極電圧を加えるものである。
この特許文献１記載の発明は、高域での指向周波数応答を損なうことなく、過大信号入力時におけるインピーダンス変換器の出力歪を低減することを狙ったものである。

本発明に関連のある別の従来技術として特許文献２記載の発明がある。特許文献２記載の発明はデジタルマイクロホンに関するもので、音波を受けて振動する振動板の振動を発振周波数の変化すなわちＦＭ波に変換する発振器と、この発振器の出力であるＦＭ信号をデジタル音声信号の標本化周波数のクロック周期でゲートするゲート回路と、ゲートされたＦＭ信号の数をカウントするパルスカウント部と、ＦＭの無変調時と同じ周波数の基準値と上記カウントされた値の差分を算出する演算部とを備え、標本化周波数の周期にしたがってデジタルデータを出力することを特徴とする。

特許文献２記載の発明は、振動板の振動をＦＭ波に変換する発振器を備えている点に限れば、後述の本願発明の構成と共通点があるが、ＦＭ波に変換した後の回路構成ないしは信号処理がまったく異なっているとともに、本願発明はデジタル信号として出力するための回路構成を備えるものでもない。
特開２００６−１０１３０２号公報 特開平７−２３４９２号公報

本発明は、図３について説明したような従来の位相変調型発振検波方式コンデンサーマイクロホンにみられる問題点を解消することを目的とする。すなわち、前述の複数のコイルＬ１，Ｌ２、Ｌ３からなる共振コイル６と、コンデンサーマイクロホンユニット５で構成されている共振回路の上記共振コイル６とコンデンサーマイクロホンユニット５は、温度係数を持っているため、共振周波数を最適値に調整した後、温度が変化することによって共振周波数が最適値からずれ、マイクロホンの性能ないしは特性が劣化するという問題がある。
そこで本発明は、共振回路の構成を工夫することによって、温度が変化しても共振周波数の変動を抑制し、マイクロホンの性能ないしは特性の劣化を防止することができる位相変調型発振検波方式のコンデンサーマイクロホンを提供することを目的とする。

本発明は、発振コイルおよび水晶振動子を備えた発振回路と、発振回路に結合され発振回路で生成される高周波信号でバイアスされるとともにコンデンサーマイクロホンユニットの静電容量と共振コイルによって構成された共振回路と、共振回路の出力信号からコンデンサーマイクロホンユニットの静電容量変化に対応する音声信号に復調する復調回路と、を備えているコンデンサーマイクロホンであって、上記共振コイルは、外周にコイルが巻かれた超磁歪素子と、この超磁歪素子に圧力を加える圧電素子を備え、上記復調回路の出力レベルの誤差信号が上記圧電素子に入力されるように接続され、上記圧電素子は上記誤差信号に応じた圧力を超磁歪素子に加え、超磁歪素子は圧力に応じてインダクタンスが変化し、上記共振回路の共振周波数の変動を修正することを最も主要な特徴とする。

共振回路から出力される信号の周波数が所定の周波数で、復調回路の直流出力が所定の電圧であれば、復調回路の出力レベルの誤差信号は出力されず、共振回路の出力の周波数はそのまま維持される。温度変化などによって共振回路の出力の周波数が変動すると、復調回路の出力レベルの誤差信号が出力され、この誤差信号が圧電素子に入力され、圧電素子の圧電作用による圧力が超磁歪素子に加わり、超磁歪素子はそのインダクタンスが上記圧力に応じて変化する。このインダクタンスの変化が共振コイルを含む共振回路の共振周波数の変化となる。そこで、共振周波数の変化が復調回路の直流出力を所定の電圧に修正するように接続しておく。こうすることによって、温度が変化しても共振周波数の変動を抑制し、マイクロホンの性能ないしは特性の劣化を防止することができる。

以下、本発明にかかるコンデンサーマイクロホンの実施例について図面を参照しながら説明する。なお、図３に示す従来例の構成と同じ構成部分には同じ符号を付してある。
図１において、符号１は発振回路、４は発振コイル、１０は復調回路であるレシオ検波回路、６は共振コイルをそれぞれ示している。発振コイル４は、コアの介在のもとに互いに磁気結合された三つのコイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３を有してなる。

発振回路１は、トランジスタ２、水晶振動子３、上記コイルＬ１（タンクコイル）を含む。コイルＬ１にはコンデンサーＣ１が並列に接続され、コイルＬ１の一端には電源ＰＳが接続され、コイルＬ１の他端はトランジスタ２のコレクタに接続されている。トランジスタ２のコレクタとベースの間には抵抗Ｒ１が接続され、ベースとアースの間には水晶振動子３が接続され、水晶振動子３と並列に抵抗Ｒ２が接続されている。トランジスタ２のベースとアースの間にはまた、コンデンサーＣ７とＣ８が直列に接続され、このコンデンサーＣ７とＣ８の接続点はトランジスタ２のエミッタに接続され、エミッタは抵抗Ｒ３を介してアースに接続されている。コイルＬ２とＬ３は直列に接続され、この接続点はアースに接続されている。発振回路１は水晶振動子３を備えることによって発振周波数を安定化させている。

上記共振コイル６はコアの介在のもとに互いに磁気結合された三つのコイルＬ４、Ｌ５、Ｌ６を有してなる。上記レシオ検波回路１０は、位相変調された信号の復調方式の一つで、コイルＬ５、Ｌ６とコンデンサーの結合によって位相差を作り、ベクトル的に復調する回路方式である。上記コンデンサーは、コンデンサーマイクロホンユニット５、より具体的にいえば、コンデンサーマイクロホンユニット５を構成している振動板と、この振動板と間隙をおいて対向している固定電極との間で形成されているコンデンサーである。このコンデンサーマイクロホンユニット５からなる静電容量と共振コイル６によって共振回路が構成されている。コイルＬ５とＬ６は直列に接続され、コイルＬ５の他端はダイオード７を介してマイクロホン出力端子ＯＵＴに、コイルＬ６の他端はダイオード８を介して上記マイクロホン出力端子ＯＵＴに接続されている。ダイオード７と８は互いに逆向きになっている。

上記共振コイル６はコアの構造に特徴がある。図２は、コアの構成を含めて共振コイル６の構成を詳細に示す。図２において、共振コイル６のコアは、支持部材１１と、超磁歪素子１２と、第一圧電素子１４及び第二圧電素子１５を備えている。

支持部材１１は、第一圧電素子１４と、超磁歪素子１２と、第二圧電素子１５とを直列的に重ねてこれらの部材を挟持する部材であり、金属などの剛体からなる。図１に示す例では、支持部材１１は、超磁歪素子１２と圧電素子１４，１５の中央穴を貫通するボルト（以下、支持部材１１を「ボルト１１」という）となっており、先端側からナット１９がねじ込まれている。このボルト１１とナット１９からなる締結手段によって、第一圧電素子１４と、超磁歪素子１２と、第二圧電素子１５とが機械的に接合された状態で締結されている。したがって、超磁歪素子１２と、第一圧電素子１４と、第二圧電素子１５は、機械振動系の結合が密になり、変換効率が高くなっている。また、ボルト１１とナット１９で締結されているので、所謂ランジュバン型の圧電子の間に超磁歪素子１２を位置させたことと等価となり、超磁歪素子単体で用いる時に必要であった超磁歪素子を支持するためのコイルスプリングが不要になる。
第一圧電素子１４と、超磁歪素子１２と、第二圧電素子１５とを直列的に重ねた両端部、すなわち、ボルト１１の頭部と第一圧電素子１４の間およびナット１９と第二圧電素子１５の間には、それぞれ座金１７，１８が介在している。この座金１７，１８によって、第一圧電素子１４と、超磁歪素子１２と、第二圧電素子１５は、安定した締結力で締結されている。

超磁歪素子１２の素材は、例えば、テルビウム、ディスプロシウム、および鉄などを主成分とする単結晶合金である。外部から磁界が印加されると、ジュール効果によって外部磁界の方向に沿って伸びる寸法の変化を起こす性質や、外部から応力を受けると、ビラリ効果によって磁化量の変化を生じて圧縮変形する性質すなわちインダクタンスが変化する性質を有する。また、超磁歪素子１２は、粉末冶金で作成され、圧縮強度が６００×１０^６（Ｐａ）、引っ張り強度が２０×１０^６（Ｐａ）と、極めて高い機械強度を有する。また、ヤング率も２．０×１０^６（Ｎ／ｍ^２）と極めて高い。このように、超磁歪素子１２は機械強度が高い素子より構成されているので、応力が加わっても破損してしまうことがない。また、ヤング率が高いことから、高い周波数に対する良好な応答性を備えている。

第一圧電素子１４および第二圧電素子１５は、それぞれの両端の電極から電気信号が入力されると、圧電効果によって機械的な歪が生じるものであり、超磁歪素子１２の変位方向両端部に配置されている。第一圧電素子１４と第二圧電素子１５は、図２において矢印で示すように、互いに極性が向かい合うように配置されている。また、第一圧電素子１４および第二圧電素子１５は、中央穴を有して環状に形成された超磁歪素子１２と同径の円柱状となっており、内側（中央）にボルト１１が挿通されている。したがって、直列的に重ねられた超磁歪素子１２、第一圧電素子１４および第二圧電素子１５は、連続した円柱状になっている。

第一圧電素子１４及び第二圧電素子１５は、複数個を積層して構成したスタック状に構成されていると望ましい。複数の圧電素子が積層されることによって、電気的に直列に接続された構成となり、積層された各圧電素子の両端から高い電圧を発生することができる。また、積層された各圧電素子の両端には、出力端子がそれぞれ設けられている。
図１、図２において、第一圧電素子１４の一端側には第一端子部２４Ａが配置されると共に、他端側には第二端子部２４Ｂが配置されている。一方、第二圧電素子１５の一端側には第三端子部２５Ａが配置されると共に、他端側には第四端子部２５Ｂが配置されている。すなわち、座金１７と第一圧電素子１４の一端側との間に第一端子部２４Ａが配置され、第一圧電素子１４の他端側と超磁歪素子１２との間に第二端子部２４Ｂが配置されている。一方、超磁歪素子１２と第二圧電素子１５の他端側との間に第四端子部２５Ｂが配置され、第二圧電素子１５の一端側と座金１８との間に第三端子部２５Ａが配置されている。したがって、第一圧電素子１４と第二圧電素子１５における両端の各端子部からは、積層された個々の圧電素子の出力電圧が加算されて出力される。

また、第一圧電素子１４の第一端子部２４Ａと第二圧電素子１５の第三端子部２５Ａは互いに接続されて第一端子２１を形成している。一方、第一圧電素子１４の第二端子部２４Ｂと第二圧電素子１４の第四端子部２５Ｂは互いに接続されて第二端子２２を形成している。これらの端子２１、２２から圧電素子１４，１５に後で説明するように信号が入力される。図示の例では第一圧電素子１４と第二圧電素子１５が並列に接続されているが、直列に接続してもよい。

図１に戻って、第一圧電素子１４と第二圧電素子１５には、復調回路であるレシオ検波回路１０の出力レベルの誤差信号が入力されるように電気的に接続されている。より具体的には、前記マイクロホン出力端子ＯＵＴとアースの間には抵抗Ｒ６とコンデンサーＣ１０が直列に接続されてなる一種のフィルタが接続されている。このフィルタは音声帯域の周波数信号を通すフィルタで、コンデンサーＣ１０の端子電圧が差動増幅器２０のマイナス端子に入力されるように接続されている。差動増幅器２０のプラス端子には、電源ＰＳの電圧が抵抗Ｒ４と抵抗Ｒ５で分圧されることによって生成される参照電圧が入力されるように接続されている。差動増幅器２０は、上記参照電圧に対するマイクロホンの出力レベルの誤差を検出すると共にこの誤差を増幅して出力し、これを上記第一圧電素子１４と第二圧電素子１５に入力するように接続されている。すなわち、差動増幅器２０の出力端子は上記第一端子２１に接続され、上記第二端子２２はアースに接続されている。

以上のように構成されている実施例の動作を次に説明する。位相変調型発振検波方式コンデンサーマイクロホンとしての基本動作は前に述べたとおりである。すなわち、コンデンサーマイクロホンユニット５は、振動板が受けた音波にしたがって振動することにより静電容量が変化する。マイクロホンユニット５の静電容量と共振コイル６のインダクタンスによって共振回路を構成していて、この共振回路に、発振回路１で生成される高周波信号がバイアスとして加えられる。この高周波信号はマイクロホンユニット５で電気音響変換された音声信号で位相変調される。この変調信号は、復調回路であるレシオ検波回路１０で復調され、マイクロホン出力端子ＯＵＴから出力される。出力端子ＯＵＴの直流成分が０Ｖのときが最適な動作状態で、この最適な動作となるように共振周波数が設定されている。そして、出力信号の直流成分が０Ｖであれば、差動増幅器２０からは信号が出力されないように調整されていて、共振コイル６を含む共振回路は変わりなく動作する。

いま、温度変化などによって共振回路の出力の周波数が変動したとすると、レシオ検波回路１０の出力レベルが変動し、出力端子ＯＵＴの直流成分が０Ｖ以外のプラスまたはマイナスの電圧になる。この電圧に応じた信号が差動増幅器２０から出力されて圧電素子１４，１５に入力され、圧電素子１４，１５の圧電作用による圧力が増減して超磁歪素子１２にかかる圧力が増減し、超磁歪素子１２のインダクタンスが上記圧力に応じて変化する。このインダクタンスの変化によって共振コイル６を含む共振回路の共振周波数が変化することにより、レシオ検波回路１０から出力される信号の直流成分を０Ｖに修正する。このように、温度が変化しても共振回路の共振周波数が最適値になるように自動調整し、温度変化などを要因とするマイクロホンの性能ないしは特性の劣化を防止することができる。

なお、図示の実施例では、超磁歪素子の両側に圧電素子が配置され、圧電素子が超磁歪素子を両側から挟み込んだ構成になっているが、超磁歪素子の片側から圧電素子の圧力を加えるように構成しても所期の効果を得ることができる。

本発明に係るコンデンサーマイクロホンの実施例を示す回路図である。 上記実施例中の共振コイルの構成を示す拡大縦断面図である。 従来の位相変調型発振検波方式コンデンサーマイクロホンの例を示す回路図である。

符号の説明

１ 発振回路
２ トランジスタ
３ 水晶振動子
４ 発振コイル
５ コンデンサーマイクロホンユニット
６ 共振コイル
１０ 復調回路としてのレシオ検波回路
１１ 締結手段としてのボルト
１９ 締結手段としてのナット
１２ 超磁歪素子
１４ 圧電素子
１５ 圧電素子
２０ 増幅器

Claims (7)

1. 発振コイルおよび水晶振動子を備えた発振回路と、
   上記発振回路に結合され上記発振回路で生成される高周波信号でバイアスされるとともにコンデンサーマイクロホンユニットの静電容量と共振コイルによって構成された共振回路と、
   上記共振回路の出力信号からコンデンサーマイクロホンユニットの静電容量変化に対応する音声信号に復調する復調回路と、を備えているコンデンサーマイクロホンであって、
   上記共振コイルは、外周にコイルが巻かれた超磁歪素子と、この超磁歪素子に圧力を加える圧電素子を備え、
   上記復調回路の出力レベルの誤差信号が上記圧電素子に入力されるように接続され、
   上記圧電素子は上記誤差信号に応じた圧力を超磁歪素子に加え、超磁歪素子は圧力に応じてインダクタンスが変化し、上記共振回路の共振周波数の変動を修正することを特徴とするコンデンサーマイクロホン。
2. 復調回路から出力される音声帯域の信号電圧の参照電圧に対する差を検出してこれを増幅する増幅器を備え、この増幅器の出力信号を復調回路の出力レベルの誤差信号とする請求項１記載のコンデンサーマイクロホン。
3. 復調回路の出力信号から音声帯域の信号電圧を得るフィルタ回路を備えている請求項１記載のコンデンサーマイクロホン。
4. 超磁歪素子と圧電素子が重ねられて締結手段により締結され、圧電素子に入力される信号に応じて超磁歪素子に加わる圧力が変化するように構成されている請求項１記載のコンデンサーマイクロホン。
5. 超磁歪素子の両端に圧電素子が重ねられている請求項４記載のコンデンサーマイクロホン。
6. 超磁歪素子の両端の圧電素子は、信号が入力されることにより超磁歪素子を両側から圧縮する向きに超磁歪素子に重ねられている請求項５記載のコンデンサーマイクロホン。
7. 復調回路はレシオ検波回路である請求項１記載のコンデンサーマイクロホン。

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