JP5281428B2 - マイクロホン - Google Patents

Description

本発明は、高周波放電を利用して電気音響変換することにより振動板をなくすことができるマイクロホンに関するものである。

一般的なマイクロホンやスピーカなどの電気音響変換器では、振動板が用いられている。マイクロホンの場合、音波を受けて振動する振動板の振動を、電磁的な変化、静電容量の変化、あるいは光学的な変化などとしてとらえて電気信号に変換する。スピーカの場合、一般的には、音声信号を電磁変換して振動板の振動に変換し、音波として出力するようになっている。これら電気音響変換器における振動板は、空気振動と電気信号相互間での変換のために用いられる。換言すれば、音響系−機械振動系−電気回路系の三つの系を１枚の振動板が繋いだ構成になっている。

マイクロホンにおいては、指向性を含めて機械振動系の制御方式を設定し、それに基づいて振動板の共振周波数、音響回路系および電気回路系が設計され、また、制御方式に対応した最適な材料の選定、形状の設計が行われる。機械振動系の制御方式には、質量制御、抵抗制御、弾性制御がある。振動板の共振周波数は、主要周波数帯域の下限付近、中央、上限付近にそれぞれ存在するように設計される。このように、従来の一般的な電気音響変換器、特にマイクロホンは、いずれの方式にせよ振動板を備えているため、振動板が存在することに起因する周波数応答の限界が存在する。すなわち、振動板の質量を極限まで小さくしたとしても、質量が存在する以上慣性力が働き、周波数において集音限界が存在することになる。

そこで、振動板を持たない電気音響変換器の研究が行われている。振動板を持たないマイクロホンとして、音波による空気の密度変化をレーザーで検出する方法がある。また、音圧を検出する方法は多く研究されているが、楽音を収集するに際しては、音波の速度成分を音圧と同様に検出することが重要である。現存する各種方式のマイクロホンでは、双指向性マイクロホンが速度成分を検出することができる。しかし、振動板を持っているため、振動板に起因して、集音することができる周波数に限界がある。

半導体製造技術を利用して熱線風速計を作成し、この熱線風速計を用いて可聴周波数での粒子速度を検出する方法がある。その検出原理は、粒子速度に応じて熱線の冷却度合いが異なるので、この冷却度合いを抵抗変化として検出するものである。この検出原理はカーボンマイクロホンの原理とほぼ同様であり、よって、ダイナミックレンジを広く確保することが困難である。

振動板を持たない電気音響変換器の例として、放電を利用して粒子速度を検出し、電気音響変換する方法が特許文献１に記載されている。特許文献１記載の発明は、針状放電電極と、この放電電極を、間隔をおいて取り囲む対向電極を備え、対向電極は、球状をなしていて音波を透過するように穿孔された導電材料からなり、放電電極は、上記球状対向電極の内部に向かって伸びて球の中心近傍に到達している。放電電極には、音波に変換されるべき低周波信号によって変調された高周波電圧発生回路から高周波電圧信号が印加され、放電電極と対向電極との間で上記高周波電圧信号に対応したコロナ放電が行われることにより、上記低周波信号すなわち音波が放射されるようになっている。

特開昭５５−１４０４００号公報

特許文献１記載の発明は、電気的な音声信号を、放電を利用して音波に変換するもので、イオンスピーカといわれるものである。特許文献１記載の発明をそのままマイクロホンとして使用することは不可能であり、マイクロホンとして使用することの可能性について示唆されてもいない。

本発明は、放電を利用して音波を電気信号に変換することを可能にして振動板を使用する必要がなく、もって、振動板を使用することによる周波数応答の限界をなくすことができるマイクロホンを提供することを目的とする。

本発明は、針状電極と、この針状電極に対向する対向電極と、この針状電極と対向電極の間に形成される放電部と、この放電部を含みこの放電部で高周波放電を生起させる高周波発振回路と、上記放電部に音波を導入する音波導入部と、上記高周波発振回路で発振され上記放電部に導入される音波に応じて変調された信号を取り出す変調信号取り出し部と、を備え、高周波発振回路が針状電極と対向電極との間の放電部を帰還路として高周波発振することにより放電部は高周波放電し、放電部の等価インピーダンスが音波に応じ変化して周波数変調されることを最も主要な特徴とする。

上記高周波発振回路は、発振用能動素子と放電部との間にタンクコイルを有し、このタンクコイルと磁気結合している検出コイルで変調信号取り出し部を構成するとよい。
上記発振用能動素子は真空管で構成し、真空管のプレートはタンクコイルを介して放電部に接続し、放電部は上記真空管のグリッドに帰還するように接続するとよい。

放電部は高周波発振回路の一部をなしていて、高周波発振により放電部が高周波放電を起こす。放電部で高周波放電が生起されている状態で放電部に音波が導入されると、音波に応じて放電部の等価インピーダンスが変化するため、高周波発振回路で生起される高周波信号が上記音波によって変調され、この変調信号が出力される。この変調信号を復調することによって音声信号を得ることができる。このように、振動板を用いなくても音波を電気的な音声信号に変換することができるため、周波数応答の限界を持たない、音響特性の良好なマイクロホンを得ることができる。

本発明に係るマイクロホンの機械的な構成部分の実施例を示す縦断面図である。 上記マイクロホンの回路構成例を示す回路図である。 本発明に係るマイクロホンの構想が成立することを確認するための測定装置の例を示すブロック図である。 本発明に係るマイクロホンの実施例につき上記測定系で周波数応答を測定した結果を示すグラフである。 本発明に係るマイクロホンの実施例につき上記測定系で周波数偏移を測定した結果を示すグラフである。 本発明に係るマイクロホンの第２の実施例の要部を概念的に示す斜視図である。

以下、本発明に係るマイクロホンの実施例を、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明に係るマイクロホンの第１実施例におけるマイクロホンユニット部分を示す。図１において、マイクロホンユニット１０は、針状電極３と、この針状電極３との間で放電させるための対向電極４を主たる構成部材として有してなる。針状電極３の基部は円筒形状の絶縁筒６で覆われ、絶縁筒６はさらに円筒形状の絶縁筒５に嵌合され、絶縁筒５はベース１を厚さ方向に貫通して嵌合されている。したがって、針状電極３はその基部が絶縁筒５、６の介在のもとにベース１を厚さ方向に貫通してベース１に固定されている。ベース１の外周には円筒形のケース２の一端部が嵌合されて固定され、ベース１の一面側にケース２が延び出ている。このケース２の延出方向に針状電極３の先端が延び出るとともに、針状電極３はケース２のほぼ中心軸線上に、かつ、ケース２で囲まれる空間内に位置している。実施例では、針状電極３として、先端の曲率が５０μｍのタングステンを用いた。

ケース２のベース１への固定端部とは反対側の開放端部には、この開放端部を塞ぐようにして対向電極４が適宜のホルダを介して固定されている。対向電極４は平板状の電極であるが、例えば、微小な孔が無数に開けられたパンチングメタル、あるいは導電性のワイヤを網状に編み込んだ素材を用いることにより、音波を通すことができる構造になっている。対向電極４は表面が絶縁材で覆われている。実施例では、対向電極４として、音波を通すために多数の開口を設けたステンレス鋼板を、厚さ０．１ｍｍのセラミック（シリカ）で被覆して用いた。対向電極４は針状電極３の先端と適宜の間隔をおいて対向していて、対向電極４と針状電極３との間で放電部を構成している。この放電部は、後で説明するように高周波放電を生起させる高周波発振回路の一部を構成し、この放電部で高周波放電が生起されるようになっている。この放電は火炎放電といわれるもので、図１における符号７は、対向電極４と針状電極３との間の放電部において放電によって生じる火炎を示している。対向電極４は、上記のように音波をケース２内の放電部に導入する音波導入部を構成している。また、ケース２の周壁にも、スリット状の孔によって、音波をケース２内の放電部に導入する音波導入部が形成されている。

図２は、上記マイクロホンユニット１０とこれに接続される周辺の電気回路を含むマイクロホンの実施例を示す。図２において、符号１１は、上記針状電極３と対向電極４との間で高周波放電を生起させるための高周波発振回路の主体をなす能動素子としての真空管を示している。高周波放電を生起させるためには高電圧を印加する必要があるため、高電圧に耐えることができる真空管１１を発振用の能動素子として使用している。この例では、真空管１１は５極真空管で、６．３Ｖの直流電源がヒータに供給され、２５０〜５００Ｖ程度の比較的高い電圧の直流電圧が、適宜の抵抗とチョークコイル１２および寄生発振防止のためのコイル１３を介して真空管１１のプレートに印加されるようになっている。上記高電圧を抵抗で適宜の電圧に分圧し、これを真空管１１の第２グリッドにバイアス電圧として印加している。真空管１１のカソードと第３グリッドには、抵抗とコンデンサによって適宜のバイアス電圧がかかるようになっている。

真空管１１のプレートは、抵抗１４、タンクコイル２１を介して前記マイクロホンユニット１０の針状電極３に接続されている。上記抵抗１４は上記寄生発振防止用コイル１３と並列に接続されている。針状電極３に対向する対向電極４は真空管１１の第１グリッドに接続されている。針状電極３と対向電極４は放電部を構成していて、この放電部で放電が始まると、針状電極３と対向電極４との間で形成される放電路が真空管１１の第１グリッドに接続されることになって、放電電流が真空管１１に帰還する。こうして、真空管１１を能動素子とする帰還路が形成されることにより、自励発振による高周波発振回路が構成されることになる。この高周波発振回路の発振周波数は、タンクコイル２１のインダクタンスと、針状電極３と対向電極４との間の静電容量によって決まる。また、前記抵抗１４とタンクコイル２１の接続点と、アースとの間に接続されている可変容量コンデンサ１５の容量を可変することによって発振周波数を調整することができるようになっている。発振周波数は任意に設定できるが、オーディオ信号の帯域幅を考慮すると、２７ＭＨｚ程度に設定するとよい。以下、放電部は「高周波放電部」という。

上記高周波放電部には、前記音波導入部から音波が導入される。高周波放電部に音波が導入されると、高周波放電部の火炎放電が音波によって影響を受ける。より具体的には、高周波放電部の粒子速度が音波の粒子速度によって変化し、高周波放電部の等価インピーダンスが変化する。音波によって高周波放電部の等価インピーダンスが変化することにより、上記発振回路による発信信号が音波によって変調される。この変調信号は、周波数変調すなわちＦＭ変調成分と振幅変調すなわちＡＭ変調成分を含むが、ＦＭ変調成分の方がより多く含まれる。したがって、上記ＦＭ変調された信号を取り出してこれをＦＭ復調回路に入力すれば、上記音波導入部から導入される音波に対応したオーディオ信号に変換することができる。

図２に示す実施例では、タンクコイル２１と磁気結合している検出コイル２２が上記変調信号の取り出し部を構成している。タンクコイル２１と検出コイル２２が磁気結合している例が図３に示されている。この例では、磁性材からなるコア２３にタンクコイル２１と検出コイル２２が巻き回されていて、タンクコイル２１が一次コイル、検出コイル２２が二次コイルとして作用し、上記変調信号が検出コイル２２で検出されるようになっている。図２に示すように、検出コイル２２の一端は出力端子に接続され、他端はアースに接続され、アースと上記出力端子からマイクロホンの出力を得ることができる。ただし、この出力信号は音波によって変調された高周波信号であるから、これを復調することによって音声信号を出力することができる。復調回路はマイクロホン内に組み込んでもよいし、マイクロホン外に設けてもよい。

上記実施例のような高周波放電を利用したマイクロホンの実現性を確認するために、図３に示すような測定系を構成した。上記のように構成されたマイクロホンユニット１０を測定冶具であるカプラ１６に取り付ける。カプラ１６は内部が空洞になっていて、この空洞の一端側を塞いで上記マイクロホンユニット１０が取り付けられ、反対側に測定用の音波を発生させるためのスピーカ２０が取り付けられている。カプラ１６にはまた、カプラ１６を半径方向に貫通して形成されている孔に音圧検出用のマイクロホン１７が埋め込まれ、マイクロホン１７の音波導入面が上記空洞に面している。マイクロホン１７は検出信号増幅用のプリアンプ１８を備えている。プリアンプ１８には、このプリアンプ１８およびマイクロホン１７のタイプによってはマイクロホン１７に電源を供給するための電源装置２５が接続されている。電源装置２５はマイクロホンアンプを兼ねていて、マイクロホン１７による検出信号をプリアンプ１８および電源装置２５内のアンプで増幅され、音圧検出信号として、オーディオアナライザ３０の第１の信号入力端子３１に入力されるように接続されている。

前述のタンクコイル２１の一端はマイクロホンユニット１０の針状電極３に接続され、対向電極４は、図２に示すように真空管１１の第１グリッドに接続され、前述のように放電部を帰還路とした自励発振回路からなる高周波発振回路が構成されている。タンクコイル２１と磁気結合している検出コイル２２の出力端子は、ＦＭ直線検波器４０の信号入力端子４１に接続されている。ＦＭ直線検波器４０はＦＭ信号の復調機能を備え、出力端子４２からＦＭ復調された音声信号を出力する。この音声信号はオーディオアナライザ３０の第２の信号入力端子３２に入力されるように接続されている。オーディオアナライザ３０が備えている信号出力端子３３は、可聴周波数の例えば正弦波信号を出力することができる。この正弦波信号はパワーアンプ２４に入力され、パワーアンプ２４は上記スピーカ２０を上記正弦波信号で駆動するようになっている。ちなみに、この測定系では、マイクロホンユニット１０の針状電極３の先端と対向電極４との間隔を９．７ｍｍ、針状電極３の先端とカプラ１６のスピーカ装着端との間隔を４２．４ｍｍとした。

上記高周波発振回路の発振周波数は、放電部が放電していないとき２８．２２５ＭＨｚにすると、放電することによって２８．１７８ＭＨｚになった。これにより、放電部で放電が発生することによって放電部の等価静電容量が増加したことを確認することができた。放電部で放電が発生している状態で、オーディオアナライザ３０の出力端子３３から可聴周波数の正弦波信号を出力し、パワーアンプ２４を介してスピーカ２０を駆動し、スピーカ２０から上記正弦波信号による音波をカプラ１６内に放射した。カプラ１６内の音圧はマイクロホン１７で検出され、この検出信号はプリアンプ１８等を経てオーディオアナライザ３０の第１の信号入力端子３１に入力される。上記音波はカプラ１６内において放電部に導かれ、放電部の等価静電容量は、放電部に導入される音波の粒子速度の影響を受けて変化し、周波数変調（ＦＭ変調）される。高周波発振回路の一部を構成するタンクコイル２１と磁気結合している検出コイル２２の検出信号を測定装置４０の信号入力端子４１に入力して上記検出信号の周波数を測定することによって、周波数変調されていることがわかった。ＦＭ直線検波器４０は、出力端子４２からＦＭ復調された音声信号を出力する。この音声信号をオーディオアナライザ３０の第２の信号入力端子３２に入力し、上記第１の信号入力端子３１に入力されるカプラ１６内の音圧と、上記音声信号との相関を分析した結果、ＦＭ復調された音声信号は、スピーカ２０から放射される音声の源であるオーディオアナライザ３０の出力端子３３から出力される信号と一致することがわかった。

図４は、図３に示す測定系で測定した結果を示す、カプラ―１６内の放電部に９４ｄＢＳＰＬの音圧を加えたときの周波数応答を示す。
図５は、上記測定系で周波数偏移を測定した結果を示す。図５に示す測定結果から、一定の周波数以下では音波の粒子速度成分を検出していることを確認することができる。上記一定の周波数以上では、カプラ１６の開口すなわちマイクロホンユニット装着端から音源までの距離が近くなることから平面波となっているものと思われ、平面波音場では周波数応答が平坦になるものと想定することができる。

このように、針状電極３と、針状電極３に対向する対向電極４と、針状電極３と対向電極４の間に形成される放電部と、この放電部を含みこの放電部で高周波放電を生起させる高周波発振回路と、上記放電部に音波を導入する音波導入部と、上記高周波発振回路で発振され上記放電部に導入される音波に応じて変調された信号を取り出す変調信号取り出し部（検出コイル２２）と、を備えることにより、振動板が不要な、高周波放電によるマイクロホンを実現できることがわかった。
振動板が不要であるため、周波数応答の限界を持たないマイクロホンを実現することができる。

本願発明に係るマイクロホンの第２の実施例について図６を参照しながら説明する。この実施例は、第１の実施例の構成と対比して対向電極の構造に特徴があるので、図６には対向電極と針状電極の部分のみを示している。針状電極は第１の実施例における針状電極の構造とほぼ同じであるため、共通の符号３が付されている。針状電極３との間で放電部を構成する対向電極４４は環状に形成されて針状電極３の周囲に配置されている。図６に示す例では、対向電極４４は環の一部が切り欠かれてＣ字状になっているが、完全な環状であってもよい。対向電極４４は表面が絶縁材で覆われている。針状電極３と対向電極４４は図２に示す回路と同様の回路を構成していて、針状電極と対向電極との間の放電部を帰還路とする高周波発振回路が構成されている。

上記高周波発振回路は、針状電極３の先端と対向電極４４との間の静電容量と、前述の実施例におけるタンクコイルのインダクタンスに応じた周波数で発振し、針状電極３と対向電極４４との間の放電部で高周波放電を生起する。符号７７は、放電によって生じる火炎を示している。この放電部の等価インピーダンスが、放電部に導入される音波の粒子速度で変化し、高周波発振回路の発振信号が、放電部に導入される音波に応じて変調されて出力される。図６に示す実施例も、前記第１の実施例と同様の効果を奏する。

本発明に係るマイクロホンは、周波数応答が良好であることから、スタジオ用マイクロホンとしての用途が見込まれる。また、空気の変動を忠実に検出することができるため、風速計、風振計などの計測用としての用途も見込まれる。

１ ベース
２ ケース
３ 針状電極
４ 対向電極
７ 火炎
１０ マイクロホンユニット
１１ 真空管
２１ タンクコイル
２２ 検出コイル

Claims (9)

1. 針状電極と、
   上記針状電極に対向する対向電極と、
   上記針状電極と対向電極の間に形成される放電部と、
   上記放電部を含みこの放電部で高周波放電を生起させる高周波発振回路と、
   上記放電部に音波を導入する音波導入部と、
   上記高周波発振回路で発振され上記放電部に導入される音波に応じて変調された信号を取り出す変調信号取り出し部と、を備え、
   高周波発振回路が針状電極と対向電極との間の放電部を帰還路として高周波発振することにより上記放電部は高周波放電し、放電部の等価インピーダンスが音波に応じ変化して周波数変調されるマイクロホン。
2. 上記放電部の等価インピーダンスは、音波の粒子速度で変化する請求項１のマイクロホン。
3. 上記対向電極は、上記針状電極の前方に配置された平板電極からなる請求項１記載のマイクロホン。
4. 上記対向電極は、上記針状電極の周囲に配置された環状の電極からなる請求項１記載のマイクロホン。
5. 上記対向電極は表面が絶縁材で覆われている請求項３または４記載のマイクロホン。
6. 上記高周波発振回路は、発振用能動素子と放電部との間にタンクコイルを有し、このタンクコイルと磁気結合している検出コイルが変調信号取り出し部を構成している請求項１記載のマイクロホン。
7. 上記変調信号取り出し部からはＦＭ信号が出力される請求項１または６記載のマイクロホン。
8. 上記変調信号取り出し部にはＦＭ復調回路が接続され、音声信号に復調されて出力される請求項７記載のマイクロホン。
9. 上記発振用能動素子は真空管からなり、真空管のプレートはタンクコイルを介して放電部に接続され、放電部は上記真空管のグリッドに帰還するように接続されている請求項６記載のマイクロホン。

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