JP5006109B2 - コンデンサーマイクロホン - Google Patents

Description

本発明は、コンデンサーマイクロホンの改良に関する。

静電型マイクロホンの一種であるエレクトレットコンデンサーマイクロホンは、振動板と固定極とからなるコンデンサーマイクロホンユニットと、そのコンデンサーマイクロホンユニットの固定極に接続されたインピーダンス変換器とからなり、これらがコンデンサーマイクロホンとして、ひとつのマイクロホンケースの中に組み込まれる。
振動板は薄いフィルム状の部材の表面にリング状に電極がコーティングされて構成されており、その振動板と固定極との間は、通常の使用状態で良好な感度やＳ／Ｎが得られるよう、また高域周波数応答が適切に得られるように、予め数十ないし百ミクロン程度の間隙を有して対向配置されてコンデンサーが形成されている。そのコンデンサーを形成した振動板と固定極とは、振動板に入力された音を電気信号に変換して出力するので、一種の音響電気変換器を形成している。
インピーダンス変換器は、例えば電界効果トランジスタ（以下「ＦＥＴ」という）を主体に構成され、コンデンサーマイクロホンユニットにおける高出力インピーダンスを数百〜数千オーム程度の低出力インピーダンスに変換する。

そこでもしも、振動板に予期しない大音響の音圧が加えられると、振動板の振動幅が過大なものとなって振動板の一部が固定極に接触ないしは吸着してしまい、適切かつ忠実な音響電気変換が行われなくなり、上記ＦＥＴを主体とするインピーダンス変換器の出力電気信号が歪んだものとなる。
そこで、コンデンサーマイクロホンユニットにおいて、大音響のような過大な音圧の入力があらかじめ予測される場合には、コンデンサーマイクロホンユニットの有効容量に並列に、別途減衰用コンデンサーを接続することで入力減衰器（以下「ＰＡＤ」という）を構成し、感度低下を図ることで、インピーダンス変換器に供給される電気信号に歪が生じないような工夫が考えられている。
そのＰＡＤを用いたコンデンサーマイクロホンでは、予測される音圧の大きさにそれぞれ対応した減衰量を得るために、スイッチ操作により、複数個の減衰用コンデンサーを切換えて容量値を選択できるように構成されている。
また、接続された減衰用コンデンサーの品質によっては、音質が低下するので、高レベルの音質が要求されるスタジオ録音などで使用されるコンデンサーマイクロホンでは、良好な音質が得られる高品質の減衰用コンデンサーが必要とされる。
このように、ＰＡＤを用いたコンデンサーマイクロホンでは、予測される音圧入力の大きさに対応して、スイッチ操作により減衰用コンデンサーの容量値を選択するので、スイッチの切換え操作ごとに音質が変化することがある。また、予め予測できないような過大な大音響が振動板に入力してしまうこともあり、インピーダンス変換器の出力信号における歪発生を避けることは容易でない。

このように、振動板への過大な音圧入力によって、インピーダンス変換器の出力に歪みとなって現れるのは、過大な音圧をうけた振動板が大きく振動し、振動板が固定極に接触してしまうからであるが、この現象を回避するには、振動板と固定極との間の間隙を予め大きく広げておくことが考えられる。
しかしながら、振動板と固定極との間の間隙を予め大きく広げておいたのでは、感度低下とＳ／Ｎ特性の劣化は避けられない。また、振動板が過大な音圧を受けても、振動板が固定極に接触しないように強く張り渡したのでは、低周波領域での音質特性が損なわれることとなる。

そこで、切換え操作が必要な減衰用コンデンサーを組み込むことなく、また減衰用コンデンサーの品質によって音質が影響をうけることを回避しつつ、感度調整を可能としたコンデンサーマイクロホンが提案されている。
そのコンデンサーマイクロホンは、振動板と固定極のいずれか一方にエレクトレット誘電体膜を設けてコンデンサーマイクロホンユニットを形成し、固定極に接続されるインピーダンス変換器は、カップリング（結合）コンデンサーを介してソースフォロワで動作するＦＥＴのゲートに接続した構成である。
そして、別途ファントム電源より供給される所定の電圧を、固定極または振動板に印加し、振動板と固定極とで形成されるコンデンサーの容量値を自動的に変化させて感度調整を行うものである（特許文献１参照）。
特開２００６−２９５３５７号公報

上記特許文献１に記載の従来のコンデンサーマイクロホンによれば、個別部品としての減衰用コンデンサーを用いないので、スイッチの切換え操作による音質の変化や、減衰用コンデンサーの品質に起因した音質の低下は回避することができる。
しかしながら、上記従来のコンデンサーマイクロホンでは、振動板と固定極とで形成されたコンデンサーの容量（静電容量）変化、すなわち感度調整は、固定極または振動板に対する加電圧操作によるので、振動板における大音響の収音があってから感度調整の動作が開始され、実際に感度が低下するまでの間には時間遅れ（タイムラグ）が発生する。
したがって、その動作時間遅れが生じるために、大音響音圧の初めの立ち上がり領域の部分が、感度調整が受けられないまま電気信号に変換されてインピーダンス変換器に供給されてしまうという現象が発生する。
その結果、感度調整動作上の時間遅れに起因して、大音響音圧の初期の領域の大きな信号レベルがそのままインピーダンス変換器に供給され、歪んだ信号が出力されるという不具合が生ずる。

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたもので、たとえ大音響が振動板に入力されても、適切なタイミングで良好な感度調整が図られ、インピーダンス変換器の出力に歪みが生ずるのを防止可能な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。

本発明のコンデンサーマイクロホンは、周縁部を保持体に支持された振動板と、この振動板とは間隙を有して対向配置された固定極と、この固定極を支持しつつ前記保持体に取り付けられた超磁歪素子と、この超磁歪素子に磁界を形成可能な界磁コイルを有する主マイクロホンと、この主マイクロホンの前記固定極に接続されたインピーダンス変換器と、前記主マイクロホンの前方に所定間隔を有して配置された副マイクロホンと、この副マイクロホンに接続され、その副マイクロホンから出力される電気信号のレベルを検出し、その検出レベルが予め設定された基準値を超えたときに、前記界磁コイルに供給される電流を制御する制御器とを具備し、前記超磁歪素子は、前記制御器による制御により、前記固定極と前記振動板との間の間隔が広がるように変形することをを特徴とする。

本発明のコンデンサーマイクロホンによれば、主マイクロホンの前方に所定間隔を有して副マイクロホンが配置されたので、音源からの音圧は、音源により近い副マイクロホンが先に受け、それに遅れて主マイクロホンの振動板がその音源から音圧を受ける。
また、コンデンサーマイクロホンは、振動板に対向配置された固定極が、磁界の大きさに対応して伸縮可能な超磁歪素子に支持され、制御器がその超磁歪素子に磁界を形成する磁界コイルへの供給電流を制御するように構成されている。
したがって、制御器は、主マイクロホンの振動板が大音響を収音して振動するのに先立ち、その大音響を収音した副マイクロホンの出力信号レベルを検出し、その検出レベルが予め設定された基準値を超えたときに、フィードフォーワード制御により、界磁コイルに供給する電流量を制御して、超磁歪素子に加わる磁界の大きさを変化させることができる。
その結果、振動板が大音響を収音して振動するのに先立ち、制御器による界磁コイルに対する電流制御による超磁歪素子の厚み方向への縮小変形が可能であり、それにより固定極と振動板との間の間隙を広げることができるので、主マイクロホンが大音響を収音しても、振動板が固定極に接触して、出力信号に歪が生ずるのを回避できる。

以下、本発明にかかるコンデンサーマイクロホンの一実施例を、図面を参照して以下説明する。
図１は、本発明にかかるコンデンサーマイクロホンの一実施例を示した構成図である。
すなわち、図１において、符号１はエレクトレットコンデンサーマイクロホンユニットを主体として構成された主マイクロホンを、２は主マイクロホンに接続されたインピーダンス変換器、３は主マイクロホン１の前方に配置された副マイクロホン、４は副マイクロホン３に接続されて主マイクロホン１を制御する制御器を示している。

図２は、図１に示した主マイクロホン１の拡大断面図で、主マイクロホン１は、開口部を音源方向に向けた絶縁物からなる有底円筒状の保持体１１と、この保持体１１の開口部にリング状をなして取り付け固定された振動板リング１２と、この振動板リング１２の内側縁に沿い前記開口部を覆うように適度の張力を有して取り付けられた振動板１３と、この振動板１３とはスペーサを介在させるなどの手段によって、数十ないし百ミクロン程度の間隙（Δｄ）を有して対向配置させた円盤状の固定極１４と、この固定極１４を支持固定して保持体１１内に収納固定されたた超磁歪素子１５と、この超磁歪素子１５の外周面を囲み、超磁歪素子１５に加わる磁界を変化可能に巻き掛けられた界磁コイル１６とで構成されている。

振動板１３と、その振動板１３とは間隙（Δｄ）を有して対向配置された固定極１４とでコンデンサーが形成され、振動板１３で収音された音はここで電気信号に変換されて、インピーダンス変換器２に供給される。
界磁コイル１６によって形成される磁界の強さは、界磁コイル１６に供給される直流電流量に対応して変化する。
固定極１４を取り付け固定した円盤状の超磁歪素子１５は、例えばテルビウム、ディスプロシウムおよび鉄からなる単結晶超磁歪素子であり、界磁コイル１６によって形成される磁界の大きさに対応し、その厚み方向（図示矢印Ｘ方向）に形状伸縮可能に構成されている。
すなわち、超磁歪素子１５に固定された固定極１４は、振動板１３との間に平行な間隔を保持しつつ、超磁歪素子１５の厚み方向へ形状伸縮に対応して、振動板１１との間の間隙（Δｄ）が変化するので、界磁コイル１６によって形成される磁界の変化に対応した間隙（Δｄ）変化により、コンデンサーの容量値が変化する。
固定極１４は、図１に示したように、主マイクロホンの出力端子となっていて、次に説明するインピーダンス変換器２に接続されている。

すなわち、主マイクロホン１の固定極１４は、図１に示したように、インピーダンス変換器２のカップリング（結合）コンデンサー２１を介してＦＥＴ２２のベースに接続され、主マイクロホン１の出力信号は、そのカップリングコンデンサー２１を介してＦＥＴ２２に供給される。
ＦＥＴ２２のソースには直流電源２３の正極が接続され、直流電源２３の負極はアースに接続されている。
ＦＥＴ２２のドレインには二つの負荷抵抗２４，２５が直列に接続され、上記ドレインが出力端子２６に接続されている。負荷抵抗２４，２５の接続点とＦＥＴ２２のベースとの間にバイアス抵抗２７が接続されている。

一方、 副マイクロホン３はコンデンサー型のマイクロホンで構成され、図１に示したように、主マイクロホン１の前方に音源方向に向けて所定の間隔（距離）Ｄを隔てて配置されている。より正確に言えば、副マイクロホン３の振動板と主マイクロホン１の振動板１３との間には音源方向に距離（Ｄ）の隔りがある。なお、副マイクロホン３は、入力された音を電気信号に変換できれば良いので、任意の音響電気変換方式のものを採用することができる。

副マイクロホン３の出力電圧は、制御器４に供給される。
制御器４は、増幅回路４１、比較回路４２及び整流回路４３で構成された信号レベル検出回路と、平滑コンデンサー４４と抵抗４５とからなる平滑回路並びに電圧電流変換回路４６とで構成されている。
そこで、副マイクロホン３からの出力は、増幅回路４１を介して比較回路４２に供給され、比較回路４２は、増幅回路４１を介して供給された副マイクロホン３の出力電圧の信号レベルを検出するとともに、検出した信号レベルが予め設定された所定のレベル（基準値）以上かどうかを比較して判断する。
比較回路４２が、増幅回路４１からの信号レベルが所定のレベル以上であると判断した場合に、その信号レベルの出力電圧は整流回路４３で整流された後、平滑コンデンサー４４と抵抗４５とからなる平滑回路で平滑化され、電圧電流変換回路４６に供給される。
電圧電流変換回路４６は、モータ制御や自動車の電子制御等に良く用いられる既知の回路からなり、信号レベル検出回路で検出され、平滑回路で平滑化された電圧を電流に変換して出力し、主マイクロホン１の界磁コイル１６に供給する。

主マイクロホン１の界磁コイル１６によって形成される磁界の大きさは、界磁コイル１６を流れる電流量に対応して変化する。
そこで、副マイクロホン３に所定の音圧以上の大音響が収音され、その検出信号レベルが予め設定された基準値を超えた場合は、その検出信号レベルに対応した直流電流が電圧電流変換回路４６を介して上記界磁コイル１６に供給される。
副マイクロホン３は、主マイクロホン１から音源方向の前方に所定間隔Ｄを有して配置されているので、副マイクロホン３は、主マイクロホン１の振動板１３が大音響を収音して振動するのに先立って大音響を収音し、制御器４に供給する。
したがって、制御器４は、フィードフォーワート制御により、主マイクロホン１の振動板１３が大音響を収音して振動するのに先立ち、超磁歪素子１４自体が厚み方向で縮小変形し、固定極１４と振動板１３との間の間隙Δｄが広がり、大音響により振動板１３が固定極１４に接触ないしは吸着するのを防止できる。

このように、主マイクロホン１への大音響入力に先立って、固定極１４と振動板１３との間の間隙Δｄを広げ、主マイクロホン１の感度を低下させるためには、主マイクロホン１と副マイクロホン３との間の間隔Ｄを、少なくともその目的達成に必要な所定の長さ距離に設定する必要がある。
すなわち、空気中の音波の伝播速度は平均して３４０ｍ／ｓｅｃであるから、この音波の伝播速度で大音響が間隔Ｄを伝播する時間の長さよりも、副マイクロホン３で収音された大音響が電気信号に変換され、その信号に基づき振動板１３が固定極１４に接触しないように超磁歪素子１が縮小変形するまでの時間の長さが短いことが要求される。
したがって、上記間隔Ｄは、制御器４における信号処理速度や主マイクロホン１の界磁コイル１６や超磁歪素子１５における応答動作速度とから割り出される。

超磁歪素子１５に対する制御系の応答速度から、副マイクロホン３で収音されてから、超磁歪素子１５が実際にそれに見合った形状に縮小変形するまでの所要時間（動作遅れ時間Δｔ）すなわち時定数を算出する必要があり、たとえば、制御器４における時定数は、おおむね、平滑コンデンサー４４の容量値と、抵抗４５の抵抗値とによって決定される。

なお、図１に示した構成において、少なくとも主マイクロホン１と副マイクロホン２は、これを一つのマイクロホンケースに組み込んでも良く、また図１に示したインピーダンス変換器２および制御器４を含む全体構成をマイクロホンケースに組み込んでも良い。
また、その際、マイクロホンケース自体がアースを兼ねていて、主マイクロホン１の振動板１３が電気的にマイクロホンケースに接続させることができる。

以上説明したように、この実施例のコンデンサーマイクロホンによれば、減衰用コンデンサーを組み込まないので、減衰用コンデンサーに対する切換え操作による音質の変化や、コンデンサーの品質に基づく音質の劣化等を回避した感度調整が可能であるとともに、副マイクロホンを配置し、主マイクロホンにおける大音響の収音に先立ち、予め固定極をタイミング良く移動させ、間隔Ｄを変化させるので、インピーダンス変換器の出力信号の歪みを的確に防止し、Ｓ／Ｎの良好な出力を得ることができる。

本発明にかかるコンデンサーマイクロホンの一実施例を示した回路構成図である。 図１に示した主マイクロホンの拡大断面図である。

符号の説明

１ 主マイクロホン
１１ 保持体
１３ 振動板
１４ 固定極
１５ 超磁歪素子
１６ 界磁コイル
２ インピーダンス変換器
２１ カップリングコンデンサー
２２ ＦＥＴ
３ 副マイクロホン
４ 制御器
４２ 比較回路
４３ 整流回路
４６ 電圧電流変換回路

Claims (3)

1. 周縁部を保持体に支持された振動板と、この振動板とは間隙を有して対向配置された固定極と、この固定極を支持しつつ前記保持体に取り付けられた超磁歪素子と、この超磁歪素子に磁界を形成可能な界磁コイルを有する主マイクロホンと、
   この主マイクロホンの前記固定極に接続されたインピーダンス変換器と、
   前記主マイクロホンの前方に所定間隔を有して配置された副マイクロホンと、
   この副マイクロホンに接続され、その副マイクロホンから出力される電気信号のレベルを検出し、その検出レベルが予め設定された基準値を超えたときに、前記界磁コイルに供給される電流を制御する制御器と
   を具備し、
   前記超磁歪素子は、前記制御器による制御により、前記固定極と前記振動板との間の間隔が広がるように変形することを特徴とするコンデンサーマイクロホン。
2. 前記超磁歪素子は、前記制御器による制御により、厚み方向で縮小変形することを特徴とする請求項１に記載のコンデンサーマイクロホン。
3. 前記制御器は、前記界磁コイルに対する電流制御により、前記超磁歪素子に支持された前記固定極と前記振動板とが接触しないように、前記超磁歪素子に形成される磁界の大きさを変化させるように構成されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のコンデンサーマイクロホン。
   

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