JP6173180B2 - マイクロホン及びマイクロホン装置 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロホンに関するものである。

マイクロホン（特に、コンデンサマイクロホン）の出力に含まれる風雑音や振動雑音を低減させるために、マイクロホンの出力回路の前段にはフィルタ回路が配置される。風雑音や振動雑音は、低い周波数成分（低域成分）が主であるから、ハイパスフィルタ（ローカットフィルタ）が用いられる。

コンデンサマイクロホンユニットの出力インピーダンスは高いので、これを低くするために、コンデンサマイクロホンユニットの出力側にはインピーダンス変換器が配置される。このインピーダンス変換器には、主にＦＥＴ（電界効果トランジスタ）が用いられる。低域減衰用のハイパスフィルタは、インピーダンス変換器の後段と出力回路との間に配置される（例えば、特許文献１参照）。

図９は、従来のマイクロホンの構成例を示す回路図である。図９に示すように、マイクロホン１００は、コンデンサマイクロホンユニットであるマイクロホンユニット１と、インピーダンス変換器２と、ハイパスフィルタ３０と、出力アンプ４と、を有してなる。

マイクロホン１００の出力は、平衡出力（バランス出力）であって、その出力端子は、ＨＯＴ端子５と、コールド端子６と、接地端子７と、を有する３ピン構成である。ＨＯＴ端子５からはマイクロホンユニット１の正相出力が出力され、ＣＯＬＤ端子６からはマイクロホンユニット１の逆相出力が出力される。

インピーダンス変換器２からハイパスフィルタ３０を見たとき、ハイパスフィルタ３０はインピーダンス変換器２に対する負荷になる。そこで、インピーダンス変換器２により低くなったマイクロホンユニット１の出力インピーダンスに合わせてハイパスフィルタ３０の入力インピーダンスを低く設計することが考えられる。ところが、ハイパスフィルタ３０の入力インピーダンスを低く設計すると、インピーダンス変換器２から出力される信号が歪む要因になる。

また、ハイパスフィルタ３０の出力インピーダンスは高くなるので、ハイパスフィルタ３０の後段に配置される出力アンプ４には、トランジスタを用いたエミッタフォロワ回路による緩衝増幅器が用いられる。しかし、この出力アンプ４において、ハイパスフィルタ３０の出力インピーダンスが高いことに起因する雑音レベルが上昇する。特に、ハイパスフィルタ３０の遮断周波数以下の出力インピーダンスは高くなるから、遮断周波数以下における雑音レベルが高くなる。

ハイパスフィルタ３０は、マイクロホンユニット１の出力に直列するコンデンサＣ３０と、マイクロホンユニット１の出力に並列する抵抗Ｒ３０とによって構成される。マイクロホンユニット１から出力される信号の周波数が低いときは、コンデンサＣ３０によるインピーダンスが高くなり、出力アンプ４側に信号は出力されない。

一方、マイクロホンユニット１から出力される信号の周波数が高くなると、コンデンサＣ３０のインピーダンスは低くなり、出力アンプ４側に信号が出力される。このように、ハイパスフィルタ３０によって出力アンプ４側に信号が出力されない又は出力される境界となる周波数が、遮断周波数である。

したがって、マイクロホンユニット１から出力される信号の周波数が遮断周波数よりも高いときは、コンデンサＣ３０によるインピーダンスは無視できる程度に小さくなり、抵抗Ｒ３０によるインピーダンスが、出力アンプ４から見たマイクロホンユニット１側の出力インピーダンスになる。ここで、抵抗Ｒ３０によるインピーダンスが高ければ高いほど、マイクロホンユニット１側からの雑音レベルが大きくなる。一般に、ハイパスフィルタ３０の抵抗Ｒ３０によるインピーダンスの方が、インピーダンス変換器２の出力インピーダンスよりも大きいので、出力アンプ４の前段にハイパスフィルタ３０を配置すると、マイクロホンユニット１から出力される信号の周波数が高くなるにつれて、出力アンプ４から出力される雑音のレベルが高くなる。

また、出力アンプ４の出力インピーダンスは、出力アンプ４をエミッタフォロワによって構成するときに用いるトランジスタの電流増幅率（ｈ_ＦＥ）の逆数を掛けた値になる。したがって、マイクロホンユニット１の出力インピーダンスが仮に１０Ωであって、トランジスタのｈ_ＦＥが１００であれば、出力アンプ４の出力インピーダンスは、１／１０Ωになる。上記にて説明したように、マイクロホンユニット１の出力信号の周波数が、遮断周波数よりも高くなると、出力アンプ４から見たマイクロホンユニット１側のインピーダンスは、ハイパスフィルタ３０を構成する抵抗Ｒ３０の値になる。抵抗Ｒ３０が仮に１０ｋΩであるとすると、出力アンプ４の出力インピーダンスは、１ｋΩになる。

出力インピーダンスが１ｋΩだとすると、５０Ｈｚ程度の外来雑音がマイクロホンコード（不図示）に静電結合して雑音が出力され易くなる。

以上にて説明した課題を解決するには、インピーダンス変換器２の後段に接続される回路のインピーダンスを低くしても出力が歪むことなく、また、フィルタ回路のインピーダンスに起因する雑音も発生しないマイクロホンが望ましい。また、フィルタ回路の遮断周波数以下の帯域においても出力インピーダンスを低くすることができるマイクロホンが望ましい。

特開２００１−２３８２８７号公報

そこで本発明は、低域成分を低減させつつ、出力信号の周波数により出力インピーダンスが大きくならず、かつ、高いダイナミックレンジを得る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。

本発明に係るマイクロホンは、マイクロホンユニットと、上記マイクロホンユニットから出力される信号を平衡出力するＨＯＴ端子とＣＯＬＤ端子とを有して構成され、出力回路に対して上記信号を出力する出力端子とを有し、上記マイクロホンユニットと上記ＨＯＴ端子とが接続され、上記マイクロホンユニットと上記ＣＯＬＤ端子との間にのみローパスフィルタが配置され、上記ＨＯＴ端子は、上記マイクロホンユニットの出力信号を出力し、上記ＣＯＬＤ端子は、上記マイクロホンユニットの出力信号を、上記ローパスフィルタを通して出力する、ことを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、低域成分を低減させつつ、出力信号の周波数により出力インピーダンスが大きくならず、かつ、高いダイナミックレンジを得ることができる。

本発明に係るマイクロホンの実施形態を示す回路図である。 上記マイクロホンにおける信号波形の例を示す図であって、（ａ）ＨＯＴ端子から出力される信号、（ｂ）ＣＯＬＤ端子から出力される信号、（ｃ）ミキサ回路の出力端子から出力される信号、の例である。 上記マイクロホンの周波数応答を測定するための測定回路の例を示す回路図である。 上記測定回路を用いて測定した周波数応答の例を示すグラフである。 上記測定回路を用いて測定した全高調波歪率の測定例を示すグラフである。 上記測定回路を用いて測定した雑音スペクトルの測定例を示すグラフである。 従来のマイクロホンの周波数応答を測定するための測定回路の例を示す回路図である。 上記測定回路を用いて測定した周波数応答の例を示すグラフである。 従来のマイクロホンの構成例を示す回路図である。

以下、本発明に係るマイクロホンの実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係るマイクロホン１０の構成の例を示す回路図である。図１に示すように、マイクロホン１０は、マイクロホンユニット１と、マイクロホンユニット１の後段に配置されるインピーダンス変換器２と、ローパスフィルタ３と、出力アンプ４−１及び出力アンプ４−２と、を有してなる。マイクロホンユニット１は、例えば、コンデンサマイクロホンユニットである。

マイクロホン１０は、平衡出力（バランス出力）である。したがって、出力端子は、ＨＯＴ端子５と、ＣＯＬＤ端子６と、接地端子７と、を含む３ピンから構成されている。マイクロホンユニット１の出力端とＨＯＴ端子５との間には、インピーダンス変換２と出力アンプ４−１が直列接続されていて、フィルタ回路は配置されていない。一方、マイクロホンユニット１の出力端とＣＯＬＤ端子６との間には、インピーダンス変換器２、出力アンプ４−１、ローパスフィルタ３、出力アンプ４−２がこの順番に直列接続されている。すなわち、マイクロホンユニット１とＣＯＬＤ端子６との間には、高域成分を低減させるフィルタ回路が配置されている。したがって、ＣＯＬＤ端子６から出力される信号は、マイクロホンユニット１から出力される信号から高域成分がカットされている信号である。

ＨＯＴ端子５とＣＯＬＤ端子６は、出力回路に備えられるミキサ回路２０の入力端子に接続される。すなわち、マイクロホン１０の各出力端子（ＨＯＴ端子５とＣＯＬＤ端子６）から出力される信号は、ミキサ回路２０に入力される。ミキサ回路２０は、入力された信号を混合して出力する。例えば、ミキサ回路２０に入力された各信号（ＨＯＴ端子５から出力された信号と、ＣＯＬＤ端子６から出力された信号）は、減算されて出力端子８から出力される。

図２は、マイクロホン１０における信号波形の例を示す図である。図２（ａ）は、マイクロホン１０のＨＯＴ端子５から出力される信号波形の例を示している。図２（ｂ）は、マイクロホン１０のＣＯＬＤ端子６から出力される信号波形の例を示している。図２（ｃ）は、ミキサ回路２０の出力端子８から出力される信号波形の例を示している。なお、図２の各図における横軸は、信号の周波数を示し、縦軸は信号のレベルを示している。

図２（ａ）に示すように、ＨＯＴ端子５から出力される信号は、フィルタ回路を介するものではないから、周波数に対する信号レベルが一定である。一方、図２（ｂ）に示すように、ＣＯＬＤ端子６から出力される信号は、ローパスフィルタ３を介する信号である。したがって、ＣＯＬＤ端子６から出力される信号は、低域成分は出力されるが、周波数が高くなるにつれて出力レベルは減衰し、高域成分は出力されない。

マイクロホン１０の出力回路が備えるミキサ回路２０は、例えば、ＨＯＴ端子５から出力される信号からＣＯＬＤ端子６から出力される信号を減算して出力する。したがって、ミキサ回路２０からの出力信号が出力される出力端子８からは、低域成分は相殺されて出力されず、かつ、高域成分は相殺されずに出力される信号が出力される。この出力端子８から出力される信号は、図２（ｃ）に示すようになる。以上のように、マイクロホン１０は、出力信号の低域成分がカットされて、雑音の成分は減衰される。

なお、出力回路４−２の出力信号を反転する位相反転回路を出力回路４−２の後段に接続し、ミキサ回路２０を加算器により構成してもよい。この場合、ＨＯＴ端子５からはマイクロホンユニット１の正相成分が出力され、ＣＯＬＤ端子６からはマイクロホンユニット１の逆相成分であり、かつ、高域成分がカットされた信号が出力される。

したがって、ミキサ回路２０によって加算合成されて出力される信号は、正相成分と逆相成分との差分となる。したがって、ミキサ回路２０の出力端子８から出力される信号は、図２（ｃ）に示すように、ＨＯＴ端子５から出力される信号とＣＯＬＤ端子６から出力される信号を合成した信号になる。すなわち、低域成分は相殺されて出力されず、高域成分のみが出力される。

次に、本実施形態に係るマイクロホン１０の特性と、従来のマイクロホンの特性とを比較して説明する。以下に示す特性は、所定の同一条件下で測定した結果を例示したものである。

図３は、マイクロホン１０を用いた測定回路の例である。図４は、図３に示した測定回路を用いてマイクロホン１０の周波数応答を測定した例を示すグラフである。また、図７は、従来のマイクロホン１００を用いた測定回路の例である。図８は、図７に示した測定回路を用いて従来のマイクロホン１００の周波数応答を測定した例を示すグラフである。図４及び図８はいずれも、それぞれの測定回路に負荷抵抗として１００ｋΩと６００Ωを接続した場合の周波数応答であって、横軸は入力周波数、縦軸が出力信号のレベルを示している。

図８に示すように、従来のマイクロホン１００であれば、負荷抵抗の大きさにより出力信号のレベルが大きく変化している。この出力レベルの違いから、各周波数におけるマイクロホン１００の出力インピーダンスを算出することができる。例えば、周波数が１ｋＨｚのときの出力インピーダンスは３４Ωであるが、出力レベルが３ｄＢほど減衰する周波数（図８では概ね１５０Ｈｚ）における出力インピーダンスは５６Ωである。また、周波数が５０Ｈｚのときの出力インピーダンスは１２１Ωである。このように、従来のマイクロホン１００においては、フィルタ回路の遮断周波数を超えると出力インピーダンスが大きくなる傾向がある。

これに対して、本実施形態に係るマイクロホン１０の周波数応答は、図４に示すように、負荷抵抗を１００ｋΩとしても６００Ωとしても、各周波数における出力レベルの差は小さい。これに基づいて、マイクロホン１０の出力インピーダンスを算出すると、周波数が１ｋＨｚのときの出力インピーダンスは４８Ωである。また、出力レベルが３ｄＢ減衰する周波数（図４では概ね９０Ｈｚ）における出力インピーダンスは３５Ωである。また、周波数が５０Ｈｚのときの出力インピーダンスは３６Ωである。

すなわち、マイクロホン１０では、ローパスフィルタ３を備えていても、その遮断周波数を超えた周波数において出力インピーダンスが大きく変化することはなく、周波数によらず、出力インピーダンスは一定である。しかも、マイクロホン１０の出力インピーダンスは、低い値で保たれる。したがって、マイクロホン１０によれば、出力信号の周波数により出力インピーダンスが大きくなることを抑制し、出力インピーダンスの大きさに起因する外来ノイズの影響を抑制することができる。

また、正相出力であるＨＯＴ端子５の出力インピーダンスは十分に低く、ここからローパスフィルタ３に対してマイクロホンユニット１からの出力信号が入力されるから、ローパスフィルタ３のインピーダンスが低くても、信号に歪が生じない。

次に、マイクロホン１０の全高調波歪率（Ｔｏｔａｌ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ：ＴＨＤ）について説明する。図５は、図３に示した測定回路を用いて測定したマイクロホン１０の全高調波歪率の例を示すグラフである。全高調波歪率により、出力信号における歪率の許容値（１％歪）となる入力信号のレベルを判定することができる。

図５に示すように、マイクロホン１０において、１％の歪率が発生する入力レベルは、約＋１２ｄＢであって、とても高い。

また、マイクロホン１０の雑音スペクトルについて説明する。図６は、マイクロホン１０の雑音スペクトルの測定例を示すグラフである。図６に示すように、マイクロホン１０の聴感補正（Ａ−ｗｅｉｇｈｔ）の値は、−１１３ｄＢである。

ダイナミックレンジは、１％の歪率が発生する入力レベルと聴感補正の値の幅であるから、マイクロホン１０のダイナミックレンジは、約１２５ｄＢ（＝１１３＋１２）である。以上説明したように、マイクロホン１０によれば、簡易な回路構成によって、出力信号の雑音成分を低く抑え、かつ、高いダイナミックレンジを得ることができる。

以上、マイクロホン１０によれば、低域成分を低減させつつ、出力信号の周波数により出力インピーダンスが大きくならず、かつ、高いダイナミックレンジを得ることができる。

１ マイクロホンユニット
２ インピーダンス変換器
３ ローパスフィルタ
４−１ 出力アンプ
４−２ 出力アンプ
５ ＨＯＴ端子
６ ＣＯＬＤ端子
７ 接地端子
８ 出力端子
１０ マイクロホン
２０ ミキサ回路

Claims (5)

1. マイクロホンユニットと、
   上記マイクロホンユニットから出力される信号を平衡出力するＨＯＴ端子とＣＯＬＤ端子とを有して構成され、出力回路に対して上記信号を出力する出力端子と、
   を有するマイクロホンであって、
   上記マイクロホンユニットと上記ＨＯＴ端子とが接続され、
   上記マイクロホンユニットと上記ＣＯＬＤ端子との間にのみローパスフィルタが配置され、
   上記ＨＯＴ端子は、上記マイクロホンユニットの出力信号を出力し、
   上記ＣＯＬＤ端子は、上記マイクロホンユニットの出力信号を、上記ローパスフィルタを通して出力する、
   ことを特徴とするマイクロホン。
2. 上記マイクロホンユニットの後段にはインピーダンス変換器が配置されていて、
   上記ローパスフィルタは、上記インピーダンス変換器と上記ＣＯＬＤ端子との間に
   配置されている、
   請求項１記載のマイクロホン。
3. 上記インピーダンス変換器と上記ＨＯＴ端子との間と、上記ローパスフィルタと上記ＣＯＬＤ端子との間には、それぞれ出力アンプが配置されている、
   請求項２記載のマイクロホン。
4. マイクロホンと、マイクロホンから入力される信号を混合して出力するミキサ回路を備える出力回路と、を有してなるマイクロホン装置であって、
   上記マイクロホンは、請求項１乃至３のいずれかに記載のマイクロホンであり、
   上記ミキサ回路は、上記マイクロホンが備えるＨＯＴ端子の出力信号から、上記マイクロホンが備えるＣＯＬＤ端子の出力信号を減算して出力する、
   マイクロホン装置。
5. マイクロホンと、マイクロホンから入力される信号を混合して出力するミキサ回路を備える出力回路と、を有してなるマイクロホン装置であって、
   上記マイクロホンは、請求項１乃至３のいずれかに記載のマイクロホンであり、
   上記ミキサ回路は、ローパスフィルタとＣＯＬＤ端子との間に接続された位相反転回路を備え、上記マイクロホンが備えるＨＯＴ端子の出力信号と上記ＣＯＬＤ端子の出力信号を加算して出力する、
   マイクロホン装置。
   

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