JP4698320B2 - コンデンサーマイクロホンユニットおよびコンデンサーマイクロホン - Google Patents

Description

本発明は、小型化しても感度を高めることができるコンデンサーマイクロホンユニットおよびコンデンサーマイクロホンに関するものである。

タイピン型マイクロホンやヘッドセット型マイクロホンのような小型マイクロホンに用いられるコンデンサーマイクロホンユニットは、目立たないように、できるだけ小型であることが求められる。現在、直径が２．５ｍｍ程度の小口径コンデンサーマイクロホンユニットが商品化され、エレクトレットで成極電圧を加えている。

図３、図４は従来一般的なコンデンサーマイクロホンユニットの構造を示す。図３、図４において、符号１２はコンデンサーマイクロホンユニットのケースすなわちユニットケースを示している。ユニットケース１２は有底の円筒形をしていて、図において上下が反転し、底部に相当する部分が上側になっている。この底部に相当する上側の平坦な壁にはユニット内部に音波を導き入れるための複数の孔１２１が形成され、これらの孔１２１はユニットケース１２の内面側において図示されないフロントメッシュで覆われている。ユニットケース１２内には、このユニットケース１２の底部に最も近い位置に振動板組立体３０が配置されている。振動板組立体３０は、リング状の振動板保持体２４と、外周縁部が上記振動板保持体２４の一端面に接着などによって固着されたダイヤフラム状の振動板２２からなる。

上記振動板２２に対し、スペーサ２０の介在のもとに固定極１６が対向して配置されている。スペーサ２０は薄い樹脂からなるリング状の部材で、振動板２２の後端面（図３、図４において下端面）の外周縁部に密着している。振動板２２と固定極１６の間にはスペーサ２０の厚さに相当する隙間ができている。固定極１６は、金属製の円板を基材とし、その少なくとも一面側例えば振動板２２との対向面側にエレクトレット板１８が貼り付けられて、エレクトレットボードを構成している。振動板２２と固定極１６とで一種のコンデンサーを構成していて、上記フロントメッシュから導き入れられる音波にしたがって振動板２２が振動するのに伴い、上記コンデンサーの静電容量が変化し、静電容量の変化が音声信号として出力されるようになっている。振動板２２は、エレクトレット板１８とスペーサ２０と振動板２２の内側面で形成されている密閉空間の気圧と、前記孔１２１が形成されることによって振動板２２の反対側の面に加わる大気圧との差によって位置が変わる。上記孔１２１から音波が導き入れられると、振動板２２の大気側にかかる圧力が音波に応じて変動し、振動板２２が振動する。

上記ユニットケース１２内には、固定極１６の後面側に円筒形の固定極支持体１４が配置されている。固定極支持体１４の前端部内周は半径方向外側に向かって拡張されることにより円形の段部１４１が形成され、この段部１４１に固定極１６が嵌っている。固定極支持体１４の後端面には円板状のプリント回路基板１０が当たり、プリント回路基板１０はユニットケース１２の後端開放部に嵌められ、適宜の固定手段、例えば圧入、あるいはユニットケース１２の後端開放部をかしめるなどの手段によってユニットケース１２に固定されている。回路基板１０には、固定極支持体１４、固定極１６、スペーサ２０、振動板組立体３０をこの順にユニットケース１２の内底面に向かって押し付ける力が与えられ、これらの部材が所定の位置に固定されている。

プリント回路基板１０の上面中央部にはインピーダンス変換器を構成する電界効果型トランジスタ（以下「ＦＥＴ」という）２６が配置されている。コンデンサーマイクロホンユニットの出力インピーダンスは極めて高いものであるため、ＦＥＴ２６を主体とするインピーダンス変換器が組み込まれている。ＦＥＴ２６の端子の一部はプリント回路基板８の所定の回路パターンに半田付け等によって接続され、他の端子の一つには、湾曲した弾性導電体からなるコンタクト２８の一端部が圧接している。コンタクト２８の他端部は固定極１６に圧接し、コンタクト２８がＦＥＴ２６の上記端子の一つと固定極１６とを電気的に導通させている。

タイピン型あるいはヘッドセット型コンデンサーマイクロホンに用いられるコンデンサーマイクロホンユニットは、直径が２．５ｍｍ、長さ（高さ）が２．０ｍｍというようにきわめて小さく、その構成は図３、図４に示す構成と基本的に変わりがない。タイピン型あるいはヘッドセット型用マイクロホンユニットは、無指向性のものが多く用いられる。振動板２２としては、例えば、プラスチックフィルムを基材としこれに金などを真空蒸着したものが用いられる。この振動板２２をリング状の振動板保持体２４に貼り付けて振動板組立体３０が構成される。

コンデンサーマイクロホンユニットの感度を高め、雑音を低減し、諸特性を向上させるには、有効容量を大きくするとよい。振動板２２の振動によって電気信号を作り出すのに寄与する容量を有効容量というが、コンデンサーマイクロホンユニットにおいては、有効容量のほかに、感度を低下させてしまうストレー容量がある。有効容量は、振動板２２の振動する部分の面積と、固定極１６（より具体的にはエレクトレット板１８）までの距離に依存する。ストレー容量は、振動板２２と固定極１６との間の静電容量から有効容量を差し引いた値である。また、ストレー容量にはインピーダンス変換器を構成するＦＥＴ２６の入力容量も含まれる。仮に、有効容量とストレー容量が等しいとすれば、上記ＦＥＴ２６への信号入力端において感度は半分に低下することになる。したがって、有効容量を大きくし、ストレー容量を小さくすることによって、コンデンサーマイクロホンユニットの感度を高くすることができる。

有効容量が小さい場合は、上記のように感度が低くなり、これに加えて上記ＦＥＴ２６のゲート部に起因する固有雑音が増加する。この固有雑音のことを１／ｆ雑音という。例えば、振動板２２の直径が２１ｍｍというような大型のコンデンサーマイクロホンユニットの固有雑音の等価音圧レベルは数ｄＢＳＰＬ程度であるが、外径が２．５ｍｍ程度の小型のコンデンサーマイクロホンユニットの場合、固有雑音の等価音圧レベルは３０ｄＢＳＰＬ程度である。放送業務用のマイクロホンでは、固有雑音の等価音圧レベルは３０ｄＢＳＰＬ以下であることが求められる。したがって、コンデンサーマイクロホンユニットの小型化は、現状では外径２．５ｍｍが限界といえる。

コンデンサーマイクロホンユニットの小型化については、製造上の問題もある。上に述べたように、感度を高めるには有効容量を大きくすればよく、有効容量を大きくするには、振動板保持体２４の内径を大きくして振動板２２が振動板として有効に機能する面積を広くすればよい。ところが、タイピン型あるいはヘッドセット型用マイクロホンユニットは振動板２２および振動板保持体２４を含む構成部品をできるだけ小さくすることが望まれており、振動板２２の有効面積を広くすることと相反する条件を満足させなければならないことになる。この相反する条件を満足させるために、振動板保持体２４に対する振動板２２の接着代をできるだけ小さくすることが考えられる。

一方、無指向性コンデンサーマイクロホンユニットでは、振動板２２の張力を高める必要がある。その理由は、成極電圧を高くして感度を高くする必要があること、高い成極電圧によって振動板２２が固定極１６に吸着されることを防止する必要があること、などによるものである。しかるに、振動板２２の材料としてプラスチックフィルムを用いる場合、張力が高いとプラスチック材料にクリープが発生し、特性が劣化するため、張力の限界は、プラスチック材料にクリープが発生しない程度とせざるを得ない。他方では、前述のように接着代を小さくすると、接着部が張力に抗しきれず、振動板２２が振動板保持体２４から脱落しやすくなる。よって、従来のコンデンサーマイクロホンユニットの構成では、その直径を小さくすることは困難であり、現状では、前述のように直径２．５ｍｍ程度が限界とされている。

次に、振動雑音について考える。マイクロホンユニットに振動が加わったとき、固定極はマイクロホンユニットとともに振動するのに対し、振動板は元の位置に留まろうとし、振動板と固定極との間の静電容量が変化することによって音信号を発する。この音信号は、音波を電気信号に変換したことによるものではなく、マイクロホンユニットに振動が加わったことに基づく振動雑音である。従来のコンデンサーマイクロホンユニットの構造によれば、振動板が平面になっていて、上記振動雑音が発生しやすい構造になっている。

図３、図４に示す例も含め、従来知られているコンデンサーマイクロホンユニットの振動板は平板状の振動板である（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８参照）。それ故に、以上述べたような小型化に関して限界があり、振動雑音が発生しやすいという難点があった。

特開２００５−１９８１９６号公報 特開２００５−１５０９９１号公報 特開２００４−３４３３７７号公報 特開２００４−３４３３６８号公報 特開２００４−７２２３５号公報 特開２００３−１６３９９７号公報 特表２００４−５１６７２５号公報 特開２００４−４０５８４号公報

本発明は、以上述べたような従来技術の問題点を解消するためになされたもので、振動体およびその周辺部材の形状ないしは構造に関し、従来技術にとらわれない発想を盛り込むことにより、より一層の小型化を図ることが可能であるとともに、感度が高く雑音の少ないコンデンサーマイクロホンユニットおよび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、音声を受けることにより振動する振動体と、この振動体に対向して配置された固定極とによってコンデンサーを形成し、このコンデンサーの容量の変化によって電気信号に変換するコンデンサーマイクロホンユニットであって、上記振動体は筒状の部材、上記固定極は上記振動体の内方に配置された柱状の部材であり、上記振動体は、上記固定極の外周面に配置されたスペーサを介して配置され、上記固定極の外周面と上記スペーサと振動体とによって密閉された円筒形状の空間が形成され、上記振動体と固定極はユニットケース内に配置され、上記振動体の外周面とユニットケースの内周面との間の空間は、ユニットケースに開けられた孔から外気に通じており、上記外気に通じている空間に音波が入ることにより、上記外気に通じている空間と上記密閉された空間の圧力差により上記振動体が半径方向に振動することを最も主要な特徴とする。

柱状の固定極の周囲を振動体が取り囲み、固定極と振動体でコンデンサーを構成している。振動体と固定極が、従来のように平面的に広がるのではなく、立体的に広がるため、ユニットの直径が制限されても、振動体の有効面積を広げることが容易であり、静電容量の増大を図ることが容易で、有効静電容量の割合を高めることも容易である。静電容量を増大させようとする場合は、振動体と固定極を中心軸線方向に長くすればよく、小径のままで感度を高めることも可能である。振動など外部から物理的な力が加わると、筒型の振動体が一方では固定極に近づき、他方では固定極から遠ざかるように平行移動するので、静電容量が一方では増大し、他方では減少して、静電容量の変化が全体としてキャンセルされ、雑音が発生し難いという利点もある。

以下、本発明にかかるコンデンサーマイクロホンユニットおよびコンデンサーマイクロホンの実施例について図１、図２を参照しながら説明する。なお、図３、図４に示す従来例に用いられている部品と実質同一の部品には共通の符号を付している。
図１、図２において、符号１２はコンデンサーマイクロホンユニットのケースすなわちユニットケースを示している。ユニットケース１２は有底の円筒形をしていて、図において上下が反転し、底部に相当する部分が上側になっている。この底部に相当する上側の平坦な壁にはユニット内部に音波を導き入れるための複数の孔１２１が形成され、これらの孔１２１はユニットケース１２の内面側において図示されないフロントメッシュで覆われている。

ユニットケース１２内には、このユニットケース１２の下端開放端部の内側に円板状の回路基板１０が嵌合されて固定されている。回路基板１０の固定手段は、ユニットケース１２に対する圧入、接着、ユニットケース１２の下端縁部のかしめなどの中から、任意の手段を選択すればよい。ユニットケース１２内には、円柱状の固定極３６、エレクトレット層３８、スペーサ４２、振動体４０、インピーダンス変換器の主体をなすＦＥＴ２６が配置されている。

固定極３６は、ユニットケース１２の内周面およびユニットケース１２の底部に相当する天井面との間に空間４４を形成して回路基板１０の上に固定されている。固定極３６の底面側には凹陥部が形成されていて、この凹陥部と回路基板１０とで密閉された円形状の空間３６１が形成されている。上記ＦＥＴ２６が回路基板１０上に配置されていて、このＦＥＴ２６が上記空間３６１内に位置している。固定極３６は、導電性の素材、例えば金属で製作されている。

固定極３６の外周面にはエレクトレット層３８が形成され、このエレクトレット層３８に成極電圧が加えられるようになっている。エレクトレット層３８は、例えばＦＥＰ（フッ素樹脂：テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（４．６フッ化）の略）で作製した熱収縮チューブを円柱状の固定極３６に被せ、これを加熱収縮させて固定極３６の外周面に固定し、これをエレクトレット化処理することによって形成することができる。

固定極３６の外周、より具体的にはエレクトレット層３８の外周には、スペーサ４２の介在のもとに円筒形の振動体４０が配置されている。円筒形の振動体４０の半径は固定極３６の半径（より正確にはエレクトレット層３８の半径）よりもスペーサ４２の厚さ分だけ大きくなっていて、振動体４０と固定極３６（より正確にはエレクトレット層３８）の外周面との間に、スペーサ４２の厚さ分の空間４６が生じている。振動体４０の中心軸線方向の長さは固定極３６の長さとほぼ同じで、振動体４０の長さ方向両端部内周面にそれぞれスペーサ４２が固着され、これらのスペーサ４２の内周面がエレクトレット層３８の外周面に嵌められ、適宜の手段で固定されている。したがって、固定極３６の外周面と上下のスペーサ４２と振動体４０によって密閉された上記空間４６が形成されている。振動体４０は、音波を受けることによって半径方向に振動することができるように膜状の部材で形成される。例えば、メッキ工法の一種である電気鋳造方法でニッケルなどの金属膜を形成し、これを振動体とすることができる。この金属膜の厚みは５〜１０μｍとする。

図１に示すように、空間４６をおいて固定極３６（より正確にはエレクトレット層３８）と振動体４０が対向することによって、これらエレクトレット層３８と振動体４０を電極とするコンデンサーが構成される。振動体４０の外周面とユニットケース１２の内周面およびユニットケース１２の底部に相当する天井面との間には空間４４が形成されていて、この空間４４はユニットケース１２に形成された孔１２１から外気に通じている。したがって、孔１２１から空間４４に音波が入ってくると、空間４４にかかる圧力と、上記密閉された空間４６にかかる圧力に差が生じ、音波に応じた圧力差によって振動体４０が半径方向に振動する。音波による圧力は、振動体４０の全周において振動体４０を縮小させまた拡大させる向きに生じるため、振動体４０の全周における静電容量が音波に応じて変化する。この静電容量の変化が音声信号として出力される。

このように、図１、図２に示す実施例によれば、周方向に広がる空間４６に面する振動体４０の面積に比例して静電容量が増大するので、振動体４０および固定極３６とエレクトレット層３８の中心軸線方向の寸法をある程度確保すれば、従来のコンデンサーマイクロホンユニットにおける平坦な形状の振動板の場合に比べて、有効容量を増大させることは容易である。また、ユニットの径を小さくしても、中心軸線方向の寸法を長くすることによって有効静電容量を増大させることができ、小径ながらも高感度で雑音の少ないコンデンサーマイクロホンユニットを得ることができる。

上記実施例によれば、振動雑音の小さいコンデンサーマイクロホンユニットを得ることができる。すなわち、ユニットに衝撃力や振動が加わったとき、固定極３６やこれと一体のエレクトレット３８は、回路基板１０、ユニットケース１２と一体に振動するのに対し、振動体４０はその場に留まろうとして固定極３６に対し相対移動する。このときの振動体４０の相対移動は、音波を受けた場合と異なって、平行移動に近い動きであり、直径方向の一方側では固定極３６と振動体４０との距離が近くなるのに対し、直径方向の他方側では固定極３６と振動体４０との距離が遠くなる。したがって、静電容量が一方側では増大し、他方側では減少し、互いに相殺する関係になって、出力される信号すなわち雑音のレベルが小さく、振動雑音が発生し難い構造になっている。

ここまでの説明では、振動体４０の形状が円筒形状すなわち長さ方向両端部が開放した円筒形状を想定していたが、振動体４０は図２に想像線４０１で示すような底部を有する袋状の金属膜からなるものであってもよい。この袋状の振動体４０の内面側上下端部にスペーサ４２を固定し、スペーサ４２とともに振動体４０を固定極３６に上から被せ、振動体４０を固定極３６に固定する。袋状振動体４０の上記底部に該当する部分は固定極３６の上面に密着させる。あるいは、袋状振動体４０の上記底部に該当する部分と固定極３６の上面との間に空間を設け、袋状振動体４０の上記底部に該当する部分と固定極３６の上面とでコンデンサーを構成して、有効静電容量をさらに増大させてもよい。

図示の実施例は、固定極３６の外周にエレクトレット層３８を形成したエレクトレットコンデンサーマイクロホンユニットの例になっていたが、エレクトレット層３８を省略したコンデンサーマイクロホンユニットとしてもよい。

図１、図２に示すコンデンサーマイクロホンユニットは、これをマイクロホンケースに組み込み、マイクロホンケースにはさらに必要な回路を組み込むことによってコンデンサーマイクロホンとすることができる。ワイヤレス型のピンマイクロホンあるいはヘッドセットマイクロホンであれば送信機が組み込まれ、ケーブル接続型のマイクロホンであればケーブルを接続するためのコネクタが組み込まれる。

本発明は、従来のコンデンサーマイクロホン、あるいはコンデンサーマイクロホンユニットとは全く異なった発想に基づいて振動板および固定極が工夫されていて、小径のユニットであっても有効静電容量を増大させ、高感度のコンデンサーマイクロホンユニットおよびコンデンサーマイクロホンを得ることができる。したがって、特に、ピンマイクロホンあるいはヘッドセットマイクロホンのような小型であることが要求されるものに広く利用される可能性が高い。

本発明にかかるコンデンサーマイクロホンユニットの実施例を示す縦断面図である。 上記実施例の分解縦断面図である。 従来のコンデンサーマイクロホンユニットの例を示す縦断面図である。 上記従来例の分解縦断面図である。

符号の説明

１０ 回路基板
１２ ユニットケース
２６ ＦＥＴ
３６ 固定極
３８ エレクトレット
４０ 振動体
４２ スペーサ

Claims (7)

1. 音声を受けることにより振動する振動体と、この振動体に対向して配置された固定極とによってコンデンサーを形成し、このコンデンサーの容量の変化によって電気信号に変換するコンデンサーマイクロホンユニットであって、
   上記振動体は筒状の部材、上記固定極は上記振動体の内方に配置された柱状の部材であり、
   上記振動体は、上記固定極の外周面に配置されたスペーサを介して配置され、
   上記固定極の外周面と上記スペーサと振動体とによって密閉された円筒形状の空間が形成され、
   上記振動体と固定極はユニットケース内に配置され、
   上記振動体の外周面とユニットケースの内周面との間の空間は、ユニットケースに開けられた孔から外気に通じており、
   上記外気に通じている空間に音波が入ることにより、上記外気に通じている空間と上記密閉された空間の圧力差により上記振動体が半径方向に振動することを特徴とするコンデンサーマイクロホンユニット。
2. 固定極の外周面にはエレクトレット層が形成されこのエレクトレット層に対向して振動体が配置されている請求項１記載のコンデンサーマイクロホンユニット。
3. エレクトレット層は、固定極に被せられた熱収縮性チューブがエレクトレット化処理されたものである請求項２記載のコンデンサーマイクロホンユニット。
4. 振動体は両端部が開放した筒状の金属膜からなる請求項１記載のコンデンサーマイクロホンユニット。
5. 振動体は一端部が閉鎖した袋状の金属膜からなる請求項１記載のコンデンサーマイクロホンユニット。
6. 振動体は電気鋳造で作製された金属膜である請求項１記載のコンデンサーマイクロホンユニット。
7. マイクロホンケース内に請求項１から６のいずれかに記載のコンデンサーマイクロホンユニットが組み込まれ、コンデンサーマイクロホンユニットで変換された音声信号が外部に出力されるコンデンサーマイクロホン。
   

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