JP2009508419A - 穴のあいた減衰ディスクを有する容量性音響変換器 - Google Patents

Abstract

穴のあいた減衰ディスクを備えた容量性音響変換器。本発明は、容量性音響変換器及びこのような音響変換器を有するコンデンサマイクロホンに関する。音響変換器は、ダイヤフラム（３）と、ダイヤフラム（３）の近くに配置され、第１の孔（２）を備えた対極（１）と、を含む。高周波数での、ダイヤフラム（３）の固有振動を減衰するために、第２の孔（８）を備える音響透過性減衰ディスク（７）がダイヤフラム（３）の近くで且つ対極（１）と対向して配置される容量性音響変換器が提案される。この配置において、第１の孔（２）及び第２の孔は、互いに相殺されるように設けられる。

Description

本発明は、ダイヤフラムと、ダイヤフラムの近くに配置され、第１の孔を備えた対極と、を含む容量性音響変換器に関する。さらにまた、本発明は、本発明に係る容量性音響変換器を備えたコンデンサマイクロホンに関する。

コンデンサマイクロホンの容量性音響変換器は、音により変動する平面ダイヤフラムと、ダイヤフラム近くに、ダイヤフラムと平行に設けられた穴のあいた対極と、を備える。ダイヤフラム及び対極は導電性を有し、且つ、電気容量が音によって生じるダイヤフラム偏位に依存する電気コンデンサを形成するように設計される。このようなコンデンサマイクロホンは、例えば独国特許出願公開第１９７１５３６５号（特許文献１）から公知である。

エアギャップと呼ばれる、ダイヤフラム及び対極の間の空気で満たされた狭い空間は、空気の粘性によって、ダイヤフラムの動きを抑制する摩擦抵抗としての役割を果たす。この効果は、ダイヤフラムの動きを制御するために使用される。しかしながら、エアギャップの抵抗は一定でないが、ダイヤフラムと対極の間の瞬間的な距離に依存する。

ダイヤフラムが対極の方へ動いた場合は、エアギャップは狭くなり、結果として摩擦抵抗は大きくなる。逆の場合は、摩擦抵抗は小さくなる。従って、対極の方へダイヤフラムを動かす、ダイヤフラムの前の上方圧力は、対極とは反対の方へダイヤフラムを動かす一様に大きい下方圧力より小さいダイヤフラム偏位を生成する。従って、ダイヤフラムの動き、及び結果として生成される電気容量の変化は、音声信号の線形コピーではなく、非線形的にゆがんでいる。

非線形性の度合いは、適切な手段、例えばより強いエアギャップ減衰によってダイヤフラム偏位を小さくすることにより軽減され得る。しかしながら、変換器の感度が下がり、結果として、マイクロホンのノイズ特性が悪影響を及ぼすので、これは不利な効果をもたらす。

ダイヤフラム偏位の非線形性を軽減するための１つの有利なオプションは、例えば独国特許出願公開第４３０７８２５号（特許文献２）に記述されているように「対称プッシュプルコンバータ」よって提供される。対称プッシュプルコンバータは、第１の対極の特性と同じ特性を有する第２の対極を備える。第２の対極は類似のエアギャップがダイヤフラムの両側に形成されるように、ダイヤフラムの前に配置される。この場合、ダイヤフラムの動きは、２つのエアギャップの向かい合った抵抗変化を引き起こす。抵抗変化は、互いに償い合う。このようにして、ダイヤフラムの動きは線形化し、変換器のゆがみは最小限に抑えられる。

独国特許出願公開第１９７１５３６５号 独国特許出願公開第４３０７８２５号

プッシュプルコンバータにおいて、２つの対極とダイヤフラムの間の電気容量の変化は、両方の対極をマイクロホンの電気回路に接続することによって、ＨＦ原理を適用して一般的に評価される。これは、ダイヤフラムの前に配置された追加の対極が直接湿気にさらされ、結果としてその電気絶縁体が弱められる。その欠点は、ＨＦ原理が非常に低い電気インピーダンスをもたらすので、ＨＦ原理が適応されても効果を有しない。

ＮＦ原理により動作するコンデンサマイクロホン及びエレクトレットマイクロホンの場合は、正面の対極の電気動作は、そのとき生じた非常に高い電気インピーダンスによって、実質的により高い湿度を検知する原因となる。これまで、この欠点は、このタイプのマイクロホンに適用するプッシュプル原理の妨げになっていた。

公知のコンデンサマイクロホンにおいて使用される容量性音響変換器の他の欠点は、対極の穴のあいた領域と対向するそれらの領域において、ダイヤフラムが高周波数での部分的な固有振動を生成し、これらの振動がコンデンサマイクロホンの伝送特性において好ましくない周波数依存変化をもたらすことである。部分的な振動が起こる周波数は、ダイヤフラムの機械的張力及び対極の孔の大きさ、形に依存する。多くの場合、それらは周波数伝送範囲内であり、すなわち規定の動作周波数範囲内であり、コンデンサマイクロホンの伝送特性において好ましくない周波数依存変化をもたらす。

ダイヤフラム及び対極によって形成されたエアギャップの空気の粘性がダイヤフラムの動きの十分な減衰を保証するように、ダイヤフラムと対極の間の距離を非常に小さくできれば、高周波数におけるこの好ましくない振動動作は、対極の穴のあいていない領域と対向するダイヤフラムのそれらの領域において十分に抑制され得る。しかしながら、ダイヤフラムの好ましくない固有振動は抑制されないため、対極と対向するそれらのダイヤフラムの領域において、この減衰は十分でない。

高周波数での十分な直接行動は、対極の穴のあいた領域に閉じ込められた空気の音響弾力性によって阻止されるので、例えば、対極の後側に取り付けられた布の多孔質層によって、ダイヤフラムの動きを減衰するための公知の方法は、部分的な振動の十分な減衰を達成できない。

本発明の目的は、簡単な方法で非線形的なゆがみ及びダイヤフラムの部分的な振動干渉を効果的に抑制する容量性音響変換器を提供することにある。

その目的は、音響透過性減衰ディスクがダイヤフラムの近くで、対極と第２の孔を有する減衰ディスクと対向して配置され、第１の孔及び第２の孔は互いに相殺されるように設けられたことを特徴とする、最初に規定された種類の容量性音響変換器を有する本発明によって達成される。

本発明は、減衰ディスクとダイヤフラムの間の距離が小さいとき、ダイヤフラムの好ましくない部分的な振動が、対極の穴のあいた領域と対向するそれらの領域において、ダイヤフラムと追加の減衰ディスクの間に閉じ込められた空気の粘性によって効果的に抑制され得るという理解に基づいている。この効果を有効に使うために、第２の孔は、第１及び第２の孔が重ならないように、または一部だけ重ならないように相殺されるように設けられる。対極及び減衰ディスクの孔は、穴のあいた領域の配置に関してだけでなく、例えば穴の大きさ、数、形に関しても、好ましいいかなる方法でも具現化され得る。

すべてのダイヤフラムは、本質的にモードを有する。ダイヤフラムが全体として共振するモードの周波数は非常に低く、関連する波長は対極の孔構造と比較して非常に大きいので、穴のあいた領域におけるエアギャップの切れ目は全ての減衰を段階的に減らす。一方、部分的なモードの高周波数で、その比率は全く異なる。対極の穴のあいた領域と対向するダイヤフラムの領域は、孔のエッジ上に取り付けられた部分的なダイヤフラムに似ている。部分的なダイヤフラムは、自由に振動でき、穴領域において相対的に減衰しない。残されたすべてのものは、ダイヤフラムの材料の内部減衰、及びエアギャップ領域周辺の影響であるが、この影響はダイヤフラムの低い曲げ剛性によって穴のあいた領域にはほとんど及ばない。

最も低い部分的な振動（ベースモード）において、部分的なダイヤフラムは中央部が最も強く振動する。従って、そこでの減衰効果は最も大きくなる。本発明によれば、少なくとも１つのエアギャップによって、部分的なダイヤフラムの少なくとも中央領域を減衰することによって、これは達成される。部分的なダイヤフラムのエッジ領域において、対極及び減衰ディスクの孔は、減衰効果を実質的に損なうことなく部分的に重なってもよい。十分に減衰するための実行可能なガイドラインとして、部分的なダイヤフラムの少なくとも半分は、少なくとも１つのエアギャップによって覆われるべきである。

追加の部分的な振動モードは、高周波数でさえ通常非常に弱いので、この状況においてそれらを考慮する特有の必要性はない。

本発明による音響透過性の穴のあいた減衰ディスクによって、容量性音響変換器の他の音響特性は、ほんの少しだけ影響を受ける。一方、ダイヤフラムの固有振動及びダイヤフラムの動きのゆがみは、効果的に抑制される。そしてそれは、特に高周波数で、変換器の明瞭に改良された伝送品質をもたらす。本発明の減衰ディスクの配置によって、部分的な振動が起こりがちであるダイヤフラムのそれらの領域において、部分的及び直接的に作用する減衰のレベルは達成される。部分的及び直接的な効果は、いかなる追加の機械的要素または音響結合要素もなく、ダイヤフラムと減衰用の減衰ディスクの間にある空気の粘性を直接活かすことにより達成される。

一方のダイヤフラムと対極の間の距離及び他方のダイヤフラムと減衰ディスクの間の距離が十分に小さいなら、たとえ対極と減衰ディスクの穴のあいた領域が部分的に重なっても、ダイヤフラム上のできるだけ一様に分散された十分に強力な減衰効果は、達成され得る。

減衰ディスクはどんなダイヤフラム偏位でも、２つのエアギャップの音響インピーダンスにおいて逆の変化があることを保証するので、この配置は特に有利である。その結果、本発明の容量性音響変換器の全音響インピーダンスは、従来の容量性音響変換器の場合よりもダイヤフラム偏位への依存を減らす。固有振動及び非線形的なゆがみは、簡単な方法で、容量性音響変換器の他の特性を損なうことなく弱められる。

本発明の容量性音響変換器は、高周波数帯域において、一定の周波数応答を可能にする。周波数応答は、文書化可能な最も重要な変換特性の１つである。本発明の容量性音響変換器のユーザのために、改良は、伝送品質において直接的で且つ明確な方法ですぐに見せられ、明示される。

干渉影響の減衰を簡単で且つ費用効率の高い方法で可能にするために、本発明の減衰ディスクは、構造上、容量性音響変換器をほんの少し変更すればよい。

本発明の容量性音響変換器の好ましい実施形態は、下位の請求項において記載される。

第１及び第２の孔が、例えば対極の穴などの穴のあいた領域のそれぞれが減衰ディスクの穴のあいていない領域と対向するように、互いに相殺されるように設けられたときは、有利である。固有振動の干渉を減衰する少なくとも１つの減衰エアギャップはダイヤフラムの各領域に面している。このように互いに孔を配置することによって、部分的な振動の最大限の減衰が達成される。

他の好ましい実施形態において、第１の孔及び第２の孔は、対極の穴のあいた領域のそれぞれが減衰ディスクの穴のあいた領域の一部と対向するように、互いに相殺されるように設けられる。孔が互いにこのように配置されたとき、対極及び減衰ディスクの穴のあいた領域は部分的に重ねられる。これは、穴のあいていない領域と対向しないダイヤフラムのいくつかの領域があることを意味する。第１及び第２の孔の穴のあいた領域は、詰めて数が増えるように配置され得るので、これは特に有利である。結果として対極及び減衰ディスクの音響浸透性が増して、高周波数での変換器の効率の良さを改善するので、これは有利である。

好ましくは、第１の孔及び第２の孔は、対極の穴のあいた領域が減衰ディスクの第１の穴のあいた領域の一部及び減衰ディスクの第２の穴のあいた領域の少なくとも一部と互いに対向するように、互いに相殺されるように設けられる。本実施形態において、対極の穴のあいた領域は、減衰ディスクの少なくとも２つの穴のあいた領域によって重ねられる。第１組の孔に多数の穴のあいた領域が設けられ、そこから第２組の孔における同様に多数の穴のあいた領域が相殺されるように設けられた場合でさえ、これは本発明による減衰を可能にする。

他の特に有利な形態において、対極の穴のあいた少なくとも１つの領域と対向する減衰ディスクの穴のあいた領域の一部は、減衰ディスクの穴のあいた領域のエッジ領域である。このような配置において、対極及び減衰ディスクの穴はエッジ領域においてほんの少し互いに部分的に重なる。このように、部分的なダイヤフラムの中央領域はいつも、穴のあいていない少なくとも１つの領域と対向する。このような配置は、最大限の減衰効果（孔が重ならない）と密集した配置及び／または対極及び減衰ディスクの多数の孔（孔の一部が重なる）の間で妥協点を見つけることを可能にする

他の形態において、第２組の孔は、本質的に完全に同じように第１組の孔に穴をあけた領域を有する。このように、減衰ディスクの音響特性は、対極の音響特性と一致する。例えば穴等の穴のあいた領域の大きさ、形、数、配置は、同じである。従って、対極と減衰ディスクの間の対応するオフセット角によって、例えば、減衰ディスクと垂直な回転軸で対極と減衰ディスクを回転させることにより、一方のダイヤフラムの効果的な減衰、及び他方のダイヤフラムの少しゆがんだ動きにとって有利な対称性の度合いを達成することができる。

第１の孔及び／または第２の孔内で様々な大きさの穴のあいた領域を配置することは有利である。異なる穴の大きさは、部分的な振動周波数の対応する分散をもたらす。このように、１つの周波数に集中した形が起こらないように、共振効果はより大きな周波数帯域に分散され得る。しかしながら、部分的な振動は、本発明の減衰ディスクの配置なしには減衰されず、一時的な振動を干渉して振動を落ち着かせる伝送品質において不利に働く。
従って、この場合、本発明による減衰を行うことは有利である。

孔は、回転対称に、円形で、列を成して、またはハニカム状で特に有利に配置され得る。回転対称な円形穴の配置は、２枚の穴のあいたディスクの対称的なデザインを容易にする。従って、簡単な方法によって見つけられる、減衰ディスクの音響的に同等の領域において同数の穴を有する音響的に対称的な解決法を可能にする。この配置は、対称的なプッシュプル変換器を実現するのに特に有利である。列を成したまたはハニカム状の孔の配置は、穴のあいた領域のより均一で目の詰まった構造を可能にし、それは特に有利である。これは、より大きな音響浸透性を可能にし、それは特に高周波数で有益な効果をもたらす。

特に好ましい実施形態は、減衰ディスクが第２の対極として具現化されたものである。追加の対極が減衰ディスクとして使用されるなら、その孔が本発明により配置された場合、これは減衰ディスクの減衰機能を引き継ぐ。このように、プッシュプル変換器の利点は本発明の減衰ディスクの利点とうまく結合され得る。第２の対極の第２の孔を第１の対極の第１の孔と相殺するように設けることによって、プッシュプル変換器のダイヤフラムの動き、及びダイヤフラムの固有振動の非線形性により生じる干渉影響を抑制することは可能である。従って、後者は、従来のプッシュプル変換器でこれまで可能であったよりも高い周波数帯域において大きく改良された伝送特性を有する。この実施形態は、ＨＦ原理とともに有利に使用され得るが、電気的機能のない減衰ディスクを備える実施形態は、ＮＦ原理により動作するコンデンサマイクロホンに特に適している。

他の好ましい実施形態において、減衰ディスクは電気的に音響変換器と接続しておらず、電気的評価は起こらない。これは、変換器の電気的構造を変更することなく、本発明の減衰ディスクだけを追加すればよい、非常に簡単な構造の音響変換器を可能にする。

対極とダイヤフラムの間の距離は、減衰ディスクとダイヤフラムの間の距離と実質的には等しいことが好ましい。対称的な配置によって、ダイヤフラム偏位は、反対方向に同じ量変化させられる２つのエアギャップにおける音響インピーダンス及び一定のままである音響変換器の全音響インピーダンスをもたらす。結果として、音響変換器のダイヤフラムの固有振動と非線形的なゆがみの両方が、抑制される。

本発明は、クレーム１乃至１１に記載の音響変換器を備えたコンデンサマイクロホンに関する。

本発明は、図面を参照してより詳細に記述される。

図１は、容量性音響変換器を備えた、大量に類似のまたは同一の形で生成された種類の公知のコンデンサマイクロホン（エレクトレットマイクロホン）の断面図を示す。音用の入口１１を有するマイクロホンハウジング１３内において、以下の要素が設けられる。ダイヤフラムリング１２と、ダイヤフラムリング１２上に接着剤で接着されたダイヤフラム３と、スペーサ４と、エレクトレット膜１５と、それに接続された対極１と、接点リング１７と、絶縁部材１８と、その上に設けられた回路装置２０及び端子接点２１を有する回路基板１９とが設けられる。ダイヤフラム３とエレクトレット膜１５または対極１の間のエアギャップ５は、スペーサ４によって決められる。

しかしながら、このようなデザインには欠点があり、その結果このようなコンデンサマイクロホンは、特に高品質のマイクロホンとして使用するのに適していない。高周波数帯域において、ダイヤフラム３の固有振動は、減衰させる対極のエアギャップと対向しないそれらの領域で生じる。これらの固有振動は、コンデンサマイクロホンの送信動作における干渉影響の原因となる。

図２ａは、従来のコンデンサマイクロホンにおける容量性音響変換器のダイヤフラムの平面図を示す。図２ｂは、実在する容量性音響変換器の断面図を示す。ダイヤフラム３は、孔２（破線）を有する対極１の前に配置される。ダイヤフラム３と対極１の間のエアギャップ５に閉じ込められた空気は、空気の粘性によってダイヤフラムの動きを減衰させる。しかしながら、ダイヤフラム３は孔の領域で十分に減衰させられない。従って、固有振動６の干渉が結果的にここで生じる。

図３ａ及び図３ｂは、図２ａ及び図２ｂと同様に、本発明の第１の実施形態における容量性音響変換器の実質的に変更された要素を示す。孔８（破線）を有する追加の減衰ディスク７は、ダイヤフラム３の前に配置される。孔２，８が重なる場所がどこにもないように、２組の孔２，８は互いに相殺されるように設けられる。スペーサ４と類似のスペーサ９は、減衰ディスク７とダイヤフラム３の間の距離を決定して、第２のエアギャップ１０を形成する。これは、エアギャップ５及び／またはエアギャップ１０、すなわち少なくとも１つの穴のあいていない領域によって、全領域を減衰させるイヤフラム３をもたらす。このように、ダイヤフラム３の固有振動６は、効果的に抑制される。

図３ａ及び図３ｂに示された実施形態において、対極１の穴のあいた領域が、減衰ディスク７の穴のあいていない領域と対向するように、第１の孔２及び第２の孔８は、互いに相殺されるように設けられる。減衰ディスク７及び対極１の穴のあいた領域は、同じ大きさ及び形であるが、数及び列の配置は異なる。

図４は、本発明における第２の実施形態の例を示す。減衰ディスク７の孔の組８は対極１の孔の組２に部分的に重なり、孔の組２，８は列を成して配置される。対極１の穴のあいた領域は、減衰ディスク７の第１の穴のあいた領域の一部及び減衰ディスク７の第２の穴のあいた領域の少なくとも一部と対向するように、第１の孔の組２及び第２の孔の組８は互いに相殺されるように設けられる。この場合、重なりが主に孔のエッジ領域であり、その結果、対極１と減衰ディスク７の十分に大きな減衰エリア、特に部分的なダイヤフラムの中央領域のそれぞれが、孔の組２及び８の穴のあいた領域のダイヤフラムと対向するとき、ダイヤフラム３の効果的な減衰は達成される。

図５は、回転対称に配置された孔を有する、第３の可能な実施形態の例を示す。減衰ディスク７の孔の組８と対極１の孔の組２はエッジ領域でわずかに重なる。対極１と減衰ディスク７の穴の数は、例の目的でここに示された３つの各ゾーンにおいて同じである。それ故、対極１と減衰ディスク７の音響効果は同じである。本実施形態は、特に本発明の減衰ディスク及び対称プッシュプル変換器の利点を組み合わせた対称プッシュプル変換器を実現するのに適している。

図２〜図５において、孔は同じ大きさの円形の穴として示されているが、孔は穴のあいた領域が他のいかなる形及び大きさでも実現され得る。２つのディスクの孔は、異なる配置をされてもよいし、及び／または、数及び形についても互いに異なってもよい。

図に示された穴の複数列配置及び円形配置は、例を示すだけである。穴のあいた領域の他の配置は、ダイヤフラムの固有振動の同等の減衰を生じさせる。

本発明の減衰ディスクは、容量性記録変換器にも容量性再生変換器にも配置され得る。両方の音響変換器において、本発明に係る減衰ディスクは減衰の役割を果たし、ゆがみを減らす。従って、信号品質を高める。

対極の穴のあいた領域が減衰ディスクの穴のあいていない領域と対向するとき、部分的な振動の最大限の減衰は達成される。対極と減衰ディスクの穴のあいた領域が重なる場合、部分的なモードの減衰効果はより低くなるけれども、穴のあいた領域が対極及び／または減衰ディスクに上に設けられて、対極及び／または減衰ディスクの音響浸透性が高くなる原因となる。特定のタイプの容量性変換器について、孔の数及び配置を妥協できるということになる。

容量性音響変換器を備えた公知のコンデンサマイクロホンの概略図を示す。 公知の容量性音響変換器のダイヤフラムの平面図を示す。 公知の容量性音響変換器のダイヤフラム及び対極の断面図を示す。 本発明の第１の実施形態における本発明の容量性音響変換器の減衰ディスクの平面図を示す。 本発明の第１の実施形態における本発明の容量性音響変換器の減衰ディスク、ダイヤフラム及び対極の断面図を示す。 本発明の第２の実施形態における本発明の容量性音響変換器の減衰ディスクの平面図を示す。 本発明の第３の実施形態における本発明の容量性音響変換器の減衰ディスクの平面図を示す。

Claims (12)

1. ダイヤフラム（３）と、前記ダイヤフラムの近くに配置され、第１の孔（２）を備えた対極（１）と、を含む容量性音響変換器であって、
   音響透過性減衰ディスク（７）が、前記ダイヤフラム（３）の近くで、前記対極（１）と対向して配置され、且つ第２の孔（８）を有し、
   前記第１の孔（２）及び前記第２の孔（８）は、互いに相殺されるように設けられたことを特徴とする容量性音響変換器。
2. 前記第１の孔（２）及び前記第２の孔（８）は、対極（１）の穴のあいた領域が減衰ディスク（７）の穴のあいていない領域と対向するように、互いに相殺されるように設けられたことを特徴とする請求項１に記載の容量性音響変換器。
3. 前記第１の孔（２）及び前記第２の孔（８）は、対極（１）の穴のあいた領域のそれぞれが減衰ディスク（７）の穴のあいた領域の一部と対向するように、互いに相殺されるように設けられたことを特徴とする請求項１に記載の容量性音響変換器。
4. 前記第１の孔（２）及び前記第２の孔（８）は、対極（１）の穴のあいた領域のそれぞれが減衰ディスク（７）の第１の穴のあいた領域の一部及び減衰ディスク（７）の第２の穴のあいた領域の少なくとも一部と対向するように、互いに相殺されるように設けられたことを特徴とする請求項１に記載の容量性音響変換器。
5. 減衰ディスク（７）の穴のあいた領域の前記一部は、減衰ディスク（７）の穴のあいた領域のエッジ領域であることを特徴とする請求項３または４に記載の容量性音響変換器。
6. 第２の孔（８）は、特に形、大きさ、数及び配置について、実質的に第１の孔（２）と等しい穴のあいた領域を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の容量性音響変換器。
7. 種々の大きさの穴のあいた領域が、第１の孔（２）及び／または第２の孔（８）の中に配置されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つに記載の容量性音響変換器。
8. 少なくとも１組の孔（２，８）の穴のあいた領域が、回転対称に、または列を成して、またはハニカム状に、配置されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１つに記載の容量性音響変換器。
9. 前記減衰ディスク（７）は、追加の対極として構成されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１つに記載の容量性音響変換器。
10. 前記減衰ディスク（７）は、前記音響変換器と電気的に接続していないことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１つに記載の容量性音響変換器。
11. 対極（１）とダイヤフラム（３）の間の距離は、前記減衰ディスク（７）とダイヤフラム（３）の間の距離と実質的に等しいことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１つに記載の容量性音響変換器。
12. 請求項１乃至１１のいずれか１つに記載の容量性音響変換器を備えたコンデンサマイクロホン。

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