JP3456924B2

JP3456924B2 - マイクロホン装置

Info

Publication number: JP3456924B2
Application number: JP18745799A
Authority: JP
Inventors: 則男赤松; 薫多田
Original assignee: Aoi Electronics Co Ltd
Current assignee: Aoi Electronics Co Ltd
Priority date: 1999-07-01
Filing date: 1999-07-01
Publication date: 2003-10-14
Anticipated expiration: 2019-07-01
Also published as: US6721429B1; CN1164147C; CN1291067A; KR20010015109A; EP1065912A2; JP2001016695A; TW510140B; MY133380A; EP1065912A3

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロホン装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、マイクロホン装置として音波を受
けて振動する振動膜の変位を動電的または静電的に検出
して電気信号に変換するもの、振動膜の変位をレーザ光
を用いて光学的に検出するものが知られている。

【０００３】前記振動膜の変位をレーザ光を用いて光学
的に検出するマイクロホン装置として、半導体レーザと
光検出器を用いて振動膜に当たるレーザ光の反射出力を
測定して電気信号に変換するマイクロホン装置が提案さ
れている（特開昭５７ー２０２１９７号公報、特開昭５
８ー５０８９９号公報、特開昭６０ー４６１９８号公
報、など）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】半導体レーザを用いた
マイクロホン装置は、振動膜の変位の検出をリード線な
しで検出できるという利点はあるが、光の送受光部とと
もに、半導体レーザと振動膜との距離を微調整する微調
整手段を必要とし、また光学的要素を多数必要とするた
め構造が複雑になる。また、振動膜面の付着物によって
光反射の特性が変化し、マイクロホン特性が変化し、特
に、湿度が高い場合は光の送受が不可能となる場合があ
り、マイクロホンの機能が停止してしまうことがある。
さらに、レーザ光の周波数が１０¹²Ｈｚよりも高いの
で、周波数が高すぎて直接的に周波数を集積化したロジ
ック回路を用いて計測することは不可能である。レーザ
光を用いた周波数測定は、レーザ光の光路差を干渉方式
で測定し、波長を求めることにより光速不変原理から間
接的に周波数を求めるが、精度が悪く大型の測定装置を
必要とし、その光路測定も簡単でなく、長期的に安定し
て使用できるマイクロホン装置を提供することは困難で
ある。本発明は、前記問題点を克服し、振動膜の変位を
検出するためのリード線を必要としない構造が簡単なマ
イクロホン装置を提案するものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明のマイクロホン装
置は、一方の面から音波を受けて振動し且つ他方の面又
は両面から照射された周波数が１０¹²Ｈｚ以下の電磁波
を反射する振動膜を備える。振動膜からの反射波の周波
数を計測することにより振動膜の変位が電気信号に変換
される。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、本発明マイクロホン装置の
基本的構成を図１に示すブロック図を参照しながら説明
する。図１に示すように、本発明マイクロホン装置１
は、一方の面から音波３を受けて振動し且つ他方の面か
ら周波数が１０¹²Ｈｚ以下の電磁波、好適には１０⁸ Ｈ
ｚ〜１０¹⁰Ｈｚの電磁波を反射する振動膜２を備えてい
る。該振動膜２として、０℃における抵抗率が２０×１
０^-6〔Ω・ｃｍ〕より小さい導電性物質からなる振動
膜、該０℃における抵抗率が２０×１０^-6〔Ω・ｃｍ〕
より小さい導電性物質を絶縁膜に付着してなる振動膜を
使用する。具体的にはアルミニウム、金などの導電性膜
又は該導電性膜を絶縁膜に付着したものを使用するのが
好適である。なお、振動膜２の固定については後述す
る。

【０００７】さらに、前記マイクロホン装置１は、前記
振動膜２に向けてマイクロ波、ミリ波、サブミリ波など
のレーザ光よりも周波数の小さい非コヒーレントな周波
数が１０¹²以下の電磁波を照射し且つ前記振動膜２から
の反射波を受ける後述するアンテナ６を備えた電磁波送
受信装置４、該電磁波送受信装置４が受信した膜振動信
号を受けて該膜振動信号を計測する膜振動信号計測装置
５を備えている。そして、前記振動膜２は、前記電磁波
送受信装置４のアンテナ６に０．１〜０．５ｍｍ程度に
接近して配置されている。

【０００８】前記構成を備えたマイクロホン装置１は、
音波３等の空気振動により前記振動膜２が振動する。こ
こで前記電磁波送受信装置４が発生した電磁波を前記振
動膜２に照射し振動膜２からの反射波を受信すると、振
動膜２の変位に応じて前記電磁波送受装置４が発生する
電磁波の周波数及び振幅が変化する。つまり、振動膜２
と電磁波送受装置４のアンテナ６間の距離に応じて振幅
が変化するとともに、振動膜２が近づいた場合は周波数
が増加し、振動膜２が遠ざかると周波数が減少する。

【０００９】以下、前記ブロック構成図の各構成要素に
ついて順次説明する。まず、前記電磁波送受信装置４に
ついて詳述すると、図２に示すように、電磁波送受信装
置４は、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ７及びＮチャネルＭＯ
ＳＦＥＴ８からなるＣＭＯＳ増幅器９、該ＣＭＯＳ増幅
器９の入出力端子間に接続された平面インダクタ１０を
備えており、該平面インダクタ１０が電磁波の送受を行
うアンテナを兼ねている。前記平面インダクタ１０は、
正帰還ループを形成し全体として発振器１１を構成して
いる。該平面インダクタ１０については後述する。

【００１０】前記発振器１１が定常状態になって発振周
波数が高くなると、前記平面インダクタ１０から電磁エ
ネルギが該平面インダクタ１０に近い空間に放射され、
前記振動膜２（図１）に電磁波が照射される。振動膜２
には誘電率、透磁率、導電率などの物理定数があり、こ
れらの物理定数により発振器１１の発振周波数や振幅及
び位相が影響を受け、振動膜２の前記物理定数により定
まる状態と平面インダクタンス１０で構成される回路が
共振状態になる。これらの周波数、振幅及び位相を前記
振動膜計測装置５（図１）で計測することにより振動膜
２の変位を電気信号に変換することによりマイクロホン
装置１を実現することが可能となる。

【００１１】ここで、前記発振器１１には平面インダク
タ１０で正帰還がかけられているので、ＣＭＯＳ増幅器
９は正の飽和に達するまで増幅し、変化分が出力の平坦
部ではなくなる。帰還回路は出力の変化分を入力へ帰還
するので、状態が変化して負の飽和に達するまで正帰還
が作用する。この繰り返しにより受信波はパルス的な出
力となる。ここで、周波数が高くなると立ち上がりと立
ち下がりが飽和値に達するまでに状態が変化するので三
角波に近ずくが、実際は少しなまされて正弦波状に近ず
く。つまり、前記ＣＭＯＳ増幅器の周波数特性が高域ま
で延びていると、出力波はパルス的であるが、狭い周波
数帯域の増幅器では正弦波状の出力となる。前記発振器
１１の出力はパルス状であっても正弦波状であっても振
幅が大きければ後段に接続されたパルスカウンタのゲー
トをたたくことができるので、パルスのカウントが可能
となる。

【００１２】以下、前記発振器１１により振動膜２の音
波による振動が電気信号に変換される動作について説明
する。前記発振器１１を構成するＣＭＯＳ増幅器９のゲ
ートＧはＰチャネルＭＯＳＦＥＴ７のドレインＤ及びＮ
チャネルＭＯＳＦＥＴ８ソースＳ間に静電容量Ｃが存在
して静電結合している。該静電容量Ｃの効果によりＣＭ
ＯＳ増幅器９の入力と出力間に位相差が発生する。該位
相差に起因する信号遅延時間を以下ゲイト遅延時間ＴＧ
という。さらに前記平面インダクタ１０に電流が流れる
とその２端にも位相差が発生する。該位相差に起因する
信号遅延時間を以下インダクタ遅延時間ＴＬという。

【００１３】すると、信号の総遅延時間（ＴＧ＋ＴＬ）
がＣＭＯＳ増幅器９の入力と出力間に生じるが、この
内、前記遅延時間ＴＧは増幅器が構成されると、その回
路構成で決定され、殆ど一定である。一方、遅延時間Ｔ
Ｌは、前記平面インダクタ１０と振動膜２が０．０５〜
０．５ｍｍ程度離れて空間的に接近していると、振動膜
２と平面インダクタ１０が電磁的に結合して遅延時間Ｔ
Ｌが変化する。この遅延時間ＴＬが変化すると発振器１
１の出力信号の周波数、振幅が変化し、これらの変化は
振動膜２の振動状態に対応する。この変化を大きくして
検出感度を上げるために振動膜２の導電率を上げれば良
く、該導電率を上げるために振動膜にアルミニウムや金
等の導電性材料を用いるのが好適である。

【００１４】次に、前記発振器１１の出力信号の周波数
及び振幅を計測するが、前記膜振動信号計測装置５で周
波数の変化を測定するためにパルス数カウンタを用い
る。以下、図３を参照しながら説明する。実際、前記発
振器１１の平面インダクタ１０から電磁波を前記振動膜
２に照射し、さらに受信した際の前記発振器１１の出力
は数十ＭＨｚから数十ＧＨｚのパルス波になっている。
前記膜振動信号計測装置５は、水晶振動子の振動周波数
を基準周波数とするクロック信号発生器１２を備えてお
り、短周期Ｔ１のクロックパルスと長周期Ｔ２のクロッ
クパルスを発生する。ここでＴ１<<Ｔ２である。

【００１５】前記発振器１１の出力側には、短周期Ｔ１
におけるパルス数Ｎ１をカウントする短周期パルスカウ
ンタ１３と長周期Ｔ２におけるパルス数Ｎ２をカウント
する長周期パルスカウンタ１４とを備え、前記短周期パ
ルスカウンタ１３及び長周期パルスカウンタ１４の出力
側には、パルス数差Ｎ＝（Ｎ１×Ｔ２／Ｔ１）−Ｎ２を
演算するパルス数差変換器１５を備えている。

【００１６】ここで、前記パルス数差について詳述する
と、前記短周期の期間Ｔ１の間にパスル数がＮ１あるの
で、これが長周期の期間Ｔ２まで連続して変化せずに持
続すると、Ｔ２期間には（Ｎ１×Ｔ２／Ｔ１）となる。
これをある時刻における瞬時値とすると交流分の変化分
であり、この値は短周期の期間Ｔ１が次々に現れると、
刻々と変化する。そして、長周期の期間Ｔ２のパルス数
Ｎ２はその期間の総計であるので、平均値（直流分）に
なる。前記瞬時値（交流分）は前記平均値（直流分）を
中心として増減している。以上のことから明らかなよう
に、音波による前記振動膜の変位は（Ｎ１×Ｔ２／Ｔ
１）−Ｎ２に比例関係にある。実際は図５に示すように
完全な線形とはならずに非線形関係になることが多い。
また、前記パルス差変換器１５は（Ｎ１×Ｔ２／Ｔ１）
−Ｎ２を演算する回路であり、例えばＴ１＝１０^-6秒、
Ｔ２＝１秒とすると、（Ｎ１×１０⁶ ）−Ｎ２であり、
引算回路で構成される。

【００１７】また、前記パルス数差変換回路１５の出力
側には、後述する逆関数補正器１６、該逆関数補正器１
６の出力側には並列パルス列を直列パルス列に変換する
並列−直列変換器１７、デジタル信号をアナログ信号に
変換するＤ／Ａ変換器１８、該Ｄ／Ａ変換器１８の出力
を積分する積分回路１９、並列パルス出力端子２０を備
えている。前記クロック信号発生器１２が発生する短周
期Ｔ１のクロックパルスは、音波の波形をサンプリング
するサンプリング周波数ｆ１に対応し、Ｔ１＝１／ｆ１
である。また、長周期Ｔ２のクロックパルスは短周期Ｔ
１のクロックパルスと比べて十分に長い時間であり、通
常は０．１秒から数秒程度に設定する。

【００１８】音波は１秒間に数十回以上振動しているの
で、前記長周期クロックパルスＴ２におけるパルス数Ｎ
２を前記長周期パルスカウンタ１４で計測すると、平均
的なカウント数となる。また、図４に示すように、前記
短周期パルスカウンタ１３で前記発振器１１の出力パル
スをカウントしてパルス数Ｎ１を得たとすると、（Ｎ１
×Ｔ２／Ｔ１）はサンプリング毎にパルス数Ｎ２の付近
を刻々変化する。したがって、前記パルス数差変換器１
５においてパルス数差Ｎ＝（Ｎ１×Ｔ２／Ｔ１）−Ｎ２
を求めると、パルス数差Ｎは音波の波形を表現してい
る。

【００１９】ところで、前記パルス数差Ｎには（ｘ−
ｆ）関数の非線形性により歪が混入している。ここに、
ｘは振動膜の変位（次元はｍ：メートル）であり、ｆは
周波数であり、前記Ｎに対応する。ここで前記（ｘ−
ｆ）関数の代表例を図５（Ａ）に示す。図５（Ａ）に示
すように、前記振動膜２の変位ｘが零に近付くと、周波
数ｆ、つまりパルス数差Ｎは急激に増加する。この図５
（Ａ）の特性は実測データから得られるが、特性変化が
大きくないので、実測データ（ｘ−ｆ）関数の逆関数を
求める。

【００２０】各サンプル時刻におけるパルス数差Ｎ（周
波数ｆ）が得られると、図５（Ｂ）に示すように、（ｘ
−ｆ）関数の逆関数を求めることにより非線形歪みを補
正して線形出力に近付ける。この図５（Ｂ）に近い近似
曲線は、ＤＳＰや論理回路で前記逆関数補正器１６を構
成し、該逆関数補正器１６で演算することにより作成す
ることが可能である。図５（Ｂ）において、ｆ（＝Ｎ）
は前記Ｎ２をを中心に変化するので、Ｎ２よりも大きな
Ｎに対してはｘは小さな値に補正される。これは図５
（Ａ）に示すように、ｘの変化に対して周波数の変化が
大きすぎるからである。一方、Ｎ２よりも小さいＮに対
してはｘの変化に対して周波数Ｎの変化が少ないので伸
長作用を施す。すなわち、Ｎ２よりも小さいＮに対して
はｘの変化を大きくする。前記逆関数補正器１６は以上
のような動作をして振動膜２の変位と周波数Ｎ（＝ｆ）
間の前記非線形性の補正を行う。

【００２１】ここで前記逆関数補正器１６の出力は、振
動膜の変位に対応した並列デジタルデータとなるので、
直列デジタルデータとして出力したい場合には並列−直
列変換器１７の出力を利用する。またアナログ出力を利
用する場合はＤ／Ａ変換器１８と積分器１９を通してア
ナログ信号を得る。このように、高い周波数（１０⁸ 〜
１０¹⁰Ｈｚ）の電磁波を用いることにより、電磁波の周
波数を通常のロジック回路で構成したカウンタでパルス
数をカウントすることができ、したがって、計測回路全
体を集積回路化することが可能であり、構造が簡単で軽
量、低価格、長期的に安定に動作するマイクロホン装置
を提供することができる。さらに、周波数を直接的にカ
ウントすることにより、桁数が多く、しかも直接的にデ
ジタル値で計測値を得ることができるので、感度と分解
能が良好でしかも全デジタル化に最適なマイクロホン装
置を提供できる。

【００２２】次に、前記振動膜２の支持方法について説
明する。振動膜としては円形の振動膜が音波の検出に好
適なので、以下円形の振動膜の支持方法について説明す
る。振動膜は、可動部と支持部に分かれ、可動部は空気
振動に対応して動き、支持部は不動部であって振動膜の
取付部となる。振動膜の支持方法として、周辺部支持法
と中央部支持法がある。以下、前記支持法について順次
説明する。

【００２３】周辺支持法は図６（Ａ）に示すように、円
形の振動膜２は、有機樹脂材料からなるリング状の振動
膜支持手段２１でその周辺部で支持されている。この支
持法は安定性は良好であるが、図６（Ｂ）に示すように
空気２２が振動膜２に当たると、振動膜２が曲がって空
気が振動膜の中央部に集中して渦流２２ａや逆流２２ｂ
が発生する。渦流２２ａや逆流２２ｂが発生すると、該
渦流２２ａや逆流２２ｂは振動膜外部へ流れにくく復帰
するのに時間がかかり、この間は音が出なくなる。また
カラオケ等で「フー」音で最初に息を吹くと、増幅され
た不快な音がスピーカから発せられる。このような現象
は実際の放送でも見受けられる。さらに音声認識におい
ても子音「Ｆｕ」に誤認識が発生する。さらに、振動膜
２の中央部２ａの圧力が異常に上昇して振動膜２が破壊
する可能性があるので、強めの膜、例えばその厚さを考
慮する必要がある。そこで、次に説明する中央部支持法
の方が好適である。

【００２４】以下、中央部支持法について説明する。図
７に示すように硬質プラスチック等の絶縁性の振動膜支
持手段２１で振動膜２の中央部を支持する。この例で
は、前記振動膜支持手段２１に振動膜２が接着される面
は点対称な曲面をなしており、振動膜２は振動膜支持手
段２１に傘状に支持固定されている。振動膜２が前記振
動膜支持体２３に固定されると、空気２２の流れは振動
膜２の中央部から傘状に流れて発散するので、前記周辺
部支持法のような空気の集中による影響をなくすること
が可能となる。特に、音声やいわゆるカラオケのボーカ
ルにおいては、肺からの呼気が多く、音声信号以外の呼
気による振動膜の異常振動が問題になる。特に、発声初
期においては、マイクロホンを吹く癖のある人がいて、
「フー」と低周波の大きな振動が発生し、マイクロホン
の出力信号を増幅する増幅器に過大に信号が入力した
り、不快な音声信号がマイクロホンに乗り易い。

【００２５】ところが、前記中心部支持法を採用する
と、前記のように空気がスムーズに流れるので、前記周
辺部支持法のように圧力が異常に高くなるという問題点
が解決される。そして、振動膜２の周辺部が支持固定さ
れていないので、動きが不安定になる可能性があるの
で、振動膜の材料、厚さなど適切に選択すると、不安定
な動きを回避できる。

【００２６】次に、前記電磁波送受信装置４（図１）の
アンテナ兼帰還ループに用いる平面インダクタの構造に
ついて説明する。平面インダクタの構造はシングル平面
インダクタ、プッシュプル平面インダクタの２つのタイ
プがある。図９（Ａ）に示すように、シングルタイプ平
面インダクタ１０は、絶縁板１０ａの一方の面に円形ス
パイラルコイル１０ｂを銅泊を印刷して形成する。そし
て、前記シングルタイプ平面インダクタを振動膜２の一
方の側に近接して設置する。前記平面インダクタ１０は
図６に示す振動膜支持手段２１に近接して平行に取り付
ける。このシングルタイプ平面インダクタ１０をアンテ
ナとして用いた場合は、振動膜２の変位ｘと前記発振器
１１の出力信号の周波数ｆとの関係は図９（Ｂ）に示す
ように、変位ｘが零に近付くと周波数ｆは急激に上昇し
て非線形の関係になる。この非線形の関係を除去するた
めに、次に示すプッシュプルタイプの平面インダクタを
用いるのが好適である。

【００２７】プッシュプルタイプの平面インダクタは、
図８（Ａ）に示すように、一対のリング状の絶縁板から
なる平面インダクタ固定手段１０ａ、１０ａ’の一方の
面の周縁に沿ってスパイラルコイル１０ｂ、１０ｂ’を
形成した第１の平面インダクタ１０Ａ、第２の平面イン
ダクタ１０Ｂを振動膜２の両側に近接して配置する。ま
た、図８（Ｂ）に示すように、前記リング状の絶縁板か
らなる平面インダクタ固定手段１０ａ、１０ａ’の前記
スパイラルコイル１０ｂ、１０ｂ’を形成した部分を除
く部分には音波通路用の孔１０ｃ、１０ｃ’がそれぞれ
形成されている。前記振動膜２はリング状の固定枠２４
の中央部で一対のリング状の金属支持板２５、２５で上
下から挟むように支持・固定されており、前記第１及び
第２の平面インダクタ１０Ａ、１０Ｂは、その周辺部が
前記リング状の固定枠２５の上下内周又は上下表面にそ
れぞれ固定される。

【００２８】図８において、音波が一方の絶縁板１０ａ
の孔１０ｃから入って振動膜を振動させ、振動膜が振動
すると他方の絶縁板１０ａ’の孔１０ｃ’から抜けるよ
うに動作する。このタイプの平面インダクタでは、実際
の動作の際、一方の平面インダクタに振動膜が接近する
と他方の平面インダクタから振動膜が離れ、いずれの平
面インダクタからも受信の際デジタル信号として周波数
の変化が得られる。そして２つのデジタル信号を演算に
より合成すると変位ｘと周波数ｆとの関係は線形に近付
き、歪のない信号が得られるマイクロホン装置を実現で
きる。

【００２９】回路構成として、前記第１の平面インダク
タ１０Ａに対しては第１の増幅器を接続して第１の発振
器を構成し、第２の平面インダクタ１０Ｂに対しては第
２の増幅器を接続して第２の発振器を構成する。本発明
マイクロホン装置が採用する発振器自体の回路構成につ
いては後述（図１２）する。図３で説明したのと同様
に、第１の発振器のパルス出力と第２の発振器のパルス
出力は、第１の発振器、第２の発振器にそれぞれ対応し
て設けられた膜振動信号計測装置のパルスカウンタで前
記各期間内のパルス数がカウントされ、対応するパルス
数差変換器から第１の出力及び第２の出力として出力さ
れる。この場合に、仮に、振動膜がある瞬間に前記第１
の平面インダクタに接近していたとすると、第１の発振
器の出力パルス数は増加し、第２の発振器の出力パルス
数は減少する。ここでパルス数が増加するほうが感度
（分解能）が良くなるので第１の発振器の出力を用いて
総合出力とする。すなわち、第１の出力と第２の出力を
切り換えて、総合出力とする。この切り換えは、周波
数、すなわちカウントパルス数の多い方が選択される。
また、前記切り換える代わりに前記第１の出力及び第２
の出力に対応するパルス数差変換器の出力を単純に加算
して総合出力としても良い。

【００３０】前記総合出力の特性は、図１０に示すよう
に第１の出力と第２の出力の合成で示される。振動膜の
振動と対応させて前記総合特性を説明すると、振動膜が
第１の平面インダクタに接近すると、変位ｘは減少しａ
線に近ずく。逆に振動膜が第２の平面インダクタに近ず
くと、変位（−ｘ）は減少しｂ線に近付く。ここで、パ
ルス数差Ｎは、Ｎ＝（Ｎ１×Ｔ２／Ｔ１）−Ｎ２である
から、振動膜が静止状態にあれば、前記第１の出力と第
２の出力は共に零となり、Ｎは一致する。前記振動膜の
変位は第１の平面インダクタに接近する方向を正とする
と、第２の平面インダクタに接近する方向は（−ｘ）で
あるので、図１０に示すプッシュプル特性となる。以上
の説明では、総合出力を接近する平面インダクタ側に切
り換えた特性である。

【００３１】次に、本来のプッシュプル特性を生かすに
は、第１の出力から第２の出力を差し引いたパルス数差
Ｎを総合特性とすると、総合特性Ｎは、図１１に示すよ
うに、歪みのない特性が得られる。この特性から明らか
なように、パルス数の平均値（直流分）を差し引いた上
でプッシュプル作用をさせることができるので、総合特
性がリニアになる。前記平面インダクタのスパイラル構
造として、前記円形スパイラル構造の他、多角形スパイ
ラル構造を採用しても同様の効果が得られる。

【００３２】次に、マイクロホン装置１は、前記したよ
うに発振器１１の出力信号として得られるが、発振器１
１内にはそれを構成するＣＭＯＳＦＥＴ（インバータ）
からなる増幅器９を内蔵しており、該増幅器９のゲイン
は周波数が高くなると低下する。つまり発振周波数が増
加すると発振器１１の出力信号の振幅が減少する。した
がって、高い周波数まで動作させるために、多段縦続接
続した増幅器、３段縦続接続増幅器を用いる。これによ
り等価的に増幅器のゲインが大きくなり、高い周波数の
発振にも追従することになり、結果としてマイクロホン
装置の周波数特性が向上する。一般に奇数段の縦続接続
が使用可能であるが、段数をあまり大きくすると等価的
に回路全体のキャパシタが増加するので、上限の周波数
が制限されるので、段数の設定は随時設計段階で考慮す
れば良い。

【００３３】ところで、現在汎用されている前記インバ
ータを増幅器として用いる場合に発生する寄生キャパシ
タの大部分は、図１２（Ｄ）の等価回路に示すように保
護回路を構成するダイオードＤ１、Ｄ２に内在するキャ
パシタである。ＭＯＳＦＥＴのゲートＧは電荷がチャー
ジされると、ゲートＧの入力インピーダンスが非常に高
くなって、集積回路として作製されたＭＯＳＦＥＴのゲ
ート絶縁膜が破壊される恐れがあるので前記ダイオード
を配置している。

【００３４】通常の保護回路は、前記ダイオードＤ１、
Ｄ２の逆方向接続を用いるが、ダイオードのＰＮ接合に
逆方向電圧が印加されると、ＰＮ接合の静電容量Ｃｄが
非常に大きくなる。この静電容量Ｃｄが大きくなると発
振器の周波数特性は、ｆ＝１／２π√（ＬＣｄ）Ｈｚで
決まり（Ｌは平面インダクタのインダクタンス、Ｃｄは
ＰＮ接合の静電容量）となり、Ｌが変化してもｆの変化
が縮小される。つまり、マイクロホン装置の周波数特性
を向上させるためには、できる限りＣｄを小さくする必
要がある。

【００３５】このためには、ＭＯＳＦＥＴの前記ダイオ
ードＤ１、Ｄ２を外す必要があるが、このダイオードを
外すとゲート絶縁膜が破壊する可能性がある。そこで、
この問題点を回避するために、図１２（Ｃ）の回路図に
示すように、保護ダイオードを外した増幅器９のゲート
ＧとドレインＤ又はソースＳの半導体部とを金属細線２
３で結合することによりゲートＧの入力インピーダンス
を低下させることが可能となる。入力インピーダンスが
低下したゲートは破壊される可能性がなくなる。

【００３６】前記金属細線２３の接続は、集積回路の製
造段階でゲートと半導体部であるドレイン又はソースと
を金属細線２３で接続する。実際、前記金属細線２３は
数μｍ以下の細線であり、この状態で前記ダイオードＤ
１、Ｄ２を用いずに短絡結線を仮配線しておく。この状
態まで集積回路として製造し、プリント基板に該集積回
路を搭載する段階で図１２（Ａ）に示すように、増幅器
９の入出力間にに平面インダクタ１０を接続する。

【００３７】次に、本発明マイクロホン装置に使用して
好適な発振器及び発振器の作製方法について説明する。
図１２（Ｂ）の回路図に示すように、前記平面インダク
タ１０に空間変圧器の原理で相互誘導結合する外部平面
インダクタ２６を設け、該外部平面インダクタ２４に該
誘導結合により外部電気エネルギー２７を供給する。前
記外部平面インダクタ２６に供給される外部電気エネル
ギー２７は集積回路内の共振周波数ｆ₀ で振動するもの
とする。ここで共振周波数ｆ₀ ＝１／２π√（ＬＣ₀ ）
で、Ｌは前記平面インダクタ１０のインダクタンス、Ｃ
₀ は増幅器９の内部容量である。前記外部電気エネルギ
ー２７が供給されて共振状態では、発振器１１の平面イ
ンダクタ１０に発生する共振電圧は、Ｑ（共振回路の選
択度）倍の高い電圧になる。

【００３８】該平面インダクタ１０に発生する高い電圧
は、前記保護用として仮配線した金属細線２３をエレク
トロマイグレーションの作用により断線させる。この現
象を強く起こすには増幅器９を構成するＣＭＯＳインバ
ータの供給電源を破壊しない程度に高くしておく。ＣＭ
ＯＳインバータは可変電源電圧により動作が可能である
ため、集積回路の設計段階で配線された前記入出力短絡
金属細線が切断されると正常動作になる。ただ、エレク
トロマイグレーションで切断された細線は不安定であ
り、何らかの原因で再び短絡現象を起こす可能性があ
る。しかし、再短絡部は非常に細い金属片より発生する
ので、使用状態で細部に大電流が常に流れるので再び熱
的に断線を起こし、短絡状態が持続する可能性は極めて
小さいので、実用化に有効である。

【００３９】以上、本発明のマイクロホン装置のシステ
ム構造、マイクロホン装置を構成する構成要素について
説明したが、本発明マイクロホン装置は、その使用目的
として携帯電話用、カラオケ用、補聴器用など幅広い分
野で使用できるマイクロホン装置を提供することができ
る。

【００４０】

【発明の効果】本発明のマイクロホン装置は、レーザ光
の代わりに周波数が１０¹²Ｈｚ以下の電磁波を用いるの
で、電磁波の周波数を通常のロジック回路で構成したカ
ウンタでパルス数をカウントすることにより計測可能で
ある。したがって、計測回路全体を集積回路化すること
が可能となり、軽量で長期的に安定した動作をするマイ
クロホン装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本的構成を示すブロック図である。

【図２】本発明に用いる発振器の回路図である。

【図３】本発明に用いる膜振動信号計測装置のブロック
回路図である。

【図４】本発明のパルス出力の波形図である。

【図５】振動膜の変位とパルス数差（周波数）の関係を
示す特性図である。

【図６】本発明に用いる振動膜の支持方法の例を示す図
である。

【図７】本発明に用いる振動膜の支持方法の他の例を示
す図である。

【図８】本発明に用いる平面インダクタと振動膜の配置
の例を示す図である。

【図９】本発明に用いる平面インダクタと振動膜の配置
の他の例を示す図である。

【図１０】本発明の総合出力特性の例を示す図である。

【図１１】本発明の総合出力特性の他の例を示す図であ
る。

【図１２】本発明に用いる発振器の回路図である。

【符号の説明】

１・・マイクロホン装置２・・振動膜４・・電磁波
送受信装置５・・膜振動信号計測装置１０・・平面インダクタ
１１・・発振器１２・・クロック信号発生器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平４−30699（ＪＰ，Ａ) 特開平１−231500（ＪＰ，Ａ) 実開昭58−152098（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04R 19/04 H04R 23/00 320

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】一方の面から音波を受けて振動し、且つ他
方の面から該面に向けて照射された周波数が１０¹²Ｈｚ
以下の電磁波を反射する振動膜を備えることを特徴とす
るマイクロホン装置。
【請求項２】一方の面から音波を受けて振動し、且つ他
方の面から該面に向けて照射された周波数が１０¹²Ｈｚ
以下の電磁波を反射する振動膜と、前記振動膜に前記電磁波を照射し、前記振動膜から反射
した電磁波を受ける電磁波送受信装置と、前記電磁波送受信装置が出力した振動膜変位信号の周波
数を計測する振動膜信号計測装置とを備えることを特徴
とするマイクロホン装置。
【請求項３】前記振動膜は、０℃における抵抗率が２０
×１０^-6〔Ω・ｃｍ〕より小さい導電性物質で形成され
てなることを特徴とする請求項１又は２のマイクロホン
装置。
【請求項４】前記振動膜は、絶縁膜に０℃における抵抗
率が２０×１０^-6〔Ω・ｃｍ〕より小さい導電性物質を
付着してなることを特徴とする請求項１又は２のマイク
ロホン装置。
【請求項５】前記振動膜は、アルミニューム膜又は金膜
で形成されてなることを特徴とする請求項１又は２のマ
イクロホン装置。
【請求項６】前記電磁波送受信装置は、前記振動膜に前
記電磁波を照射し且つ受ける平面インダクタと、該平面インダクタを帰還ループに接続してなる発振器と
を備えることを特徴とする請求項２のマイクロホン装
置。
【請求項７】前記平面インダクタを前記振動膜の一方の
面に接近して配置したことを特徴とする請求項６のマイ
クロホン装置。
【請求項８】前記振動膜を該振動膜の周辺部で支持して
なる請求項１、２、３、４、５、６又は７のマイクロホ
ン装置。
【請求項９】前記振動膜を該振動膜の中央部で支持して
なる請求項１、２、３、４、５、６又は７のマイクロホ
ン装置。
【請求項１０】前記振動膜信号計測装置は、前記電磁波送受信装置の出力パルスの短周期パルスをカ
ウントする短周期パルスカウンタと、前記電磁波送受信装置の出力パルスの長周期パルスをカ
ウントする長周期パルスカウンタと、前記短周期パルスカウンタの出力パルス数と前記長周期
パルスカウンタの出力パルス数との差を演算する演算手
段とを備えることを特徴とする請求項２のマイクロホン
装置。
【請求項１１】一方の面から音波を受けて振動し、且つ
両面から該両面に向けて照射された周波数が１０¹²Ｈｚ
以下の電磁波を反射する振動膜を備えてなることを特徴
とするマイクロホン装置。
【請求項１２】一方の面から音波を受けて振動し、且つ
両面から該両面に向けて照射された周波数が１０¹²Ｈｚ
以下の電磁波を反射する振動膜と、前記振動膜に前記電磁波を照射し、前記振動膜から反射
した電磁波を受ける電磁波送受信装置と、前記電磁波送受信装置が出力した振動膜変位信号の周波
数を計測する振動膜信号計測装置とを備えることを特徴
とするマイクロホン装置。
【請求項１３】前記振動膜は、０℃における抵抗率が２
０×１０^-6〔Ω・ｃｍ〕より小さい導電性物質で形成さ
れてなることを特徴とする請求項１１又は１２のマイク
ロホン装置。
【請求項１４】前記振動膜は、絶縁膜に０℃における抵
抗率が２０×１０^-6〔Ω・ｃｍ〕より小さい導電性物質
を付着してなることを特徴とする請求項１１又は１２の
マイクロホン装置。
【請求項１５】前記振動膜は、アルミニューム膜又は金
膜で形成されてなることを特徴とする請求項１１又は１
２のマイクロホン装置。
【請求項１６】前記電磁波送受信装置は、前記振動膜に前記電磁波を照射し且つ受ける第１の平面
インダクタ及び第２の平面インダクタと、前記第１の平面インダクタ及び第２の平面インダクタを
それぞれ帰還ループに接続してなる第１の発振器及び第
２の発振器とを備えることを特徴とする請求項１２のマ
イクロホン装置。
【請求項１７】前記第１の平面インダクタを前記振動膜
の一方の面に、前記第２の平面インダクタを前記振動膜
の他方の面にそれぞれ接近して配置したことを特徴とす
る請求項１６のマイクロホン装置。
【請求項１８】前記振動膜を該振動膜の周辺部で支持し
てなる請求項１１、１２、１３、１４、１５、１６又は
１７のマイクロホン装置。
【請求項１９】前記発振器は、ＣＭＯＳ回路で構成した
ことを特徴とする請求項６又は１６のマイクロホン装
置。
【請求項２０】前記ＣＭＯＳ回路のゲートとソース又は
ドレインとを金属線で結線し、前記ゲートとソース又は
ドレイン間に平面インダクタを接続し、前記金属線に過
大電流を流して前記金属線を断線させてなることを特徴
とする請求項１９のマイクロホン装置。
【請求項２１】前記振動膜信号計測装置は、前記電磁波送受信装置の出力パルスの短周期パルスをカ
ウントする短周期パルスカウンタと、前記電磁波送受信装置の出力パルスの長周期パルスをカ
ウントする長周期パルスカウンタと、前記短周期パルスカウンタの出力パルス数と前記長周期
パルスカウンタの出力パルス数との差を演算する演算手
段とを備えることを特徴とする請求項１２のマイクロホ
ン装置。
【請求項２２】ＣＭＯＳ回路のゲートとソース又はドレ
インとを金属線で結線し、前記ゲートとソース又はドレ
イン間に帰還回路を接続し、前記金属線に過大電流を流
して前記金属線を断線させてなることを特徴とする発振
器。
【請求項２３】前記帰還回路は、平面インダクタで構成
したことを特徴とする請求項２２の発振器。
【請求項２４】前記ＣＭＯＳ回路のゲートとソース又は
ドレインとを金属線で結線した後、前記ゲートとソース
又はドレイン間に平面インダクタを接続し、前記金属線
に過大電流を流して前記金属線を断線させることを特徴
とする請求項２０のマイクロホン装置の作製方法。