JP6260817B2 - デジタルマイクロホンおよび位置−周波数変換器 - Google Patents

Description

本発明は、高分解能で、ダイナミックレンジおよび帯域幅の広いデジタルマイクロホンおよび位置センサとして利用可能な位置−周波数変換器に関するものである。

音波を受けて振動する導電性のメンブレンすなわち振動板と、このメンブレンに対向させて固定された電極とを有するコンデンサマイクロホンがある。上記メンブレンと固定電極とでコンデンサを構成し、メンブレンの変位によるコンデンサの容量の変化をバッファアンプあるいはプリアンプを介して読み出すことによってマイクロホンとして機能する。

近年、音響機器のデジタル化が進み、マイクロホンの出力信号もデジタル信号で出力することを要求されることがある。コンデンサマイクロホンの出力をデジタル化するために、上記バッファアンプあるいはプリアンプのアナログ出力を、アナログ・デジタル変換器（以下「ＡＤＣ」という）でデジタル信号に変換している。かかる方式は既に技術的に確立されていて、一般的に広く実用されている。

図３に示す従来例は、ＡＤＣを用いたデジタルマイクロホンの例で、ＡＤＣの主要部にデルタ−シグマ（以下「ΔΣ」という）変調器８４を用いている。図３において、マイクロホン（例えば、コンデンサマイクロホン）８０で電気音響変換されたアナログ信号である音声信号は、プリアンプ８２を経てΔΣ変調器８４に入力される。ΔΣ変調器８４の出力信号はさらにデジタルフィルタ８６に入力されるように構成されている。ΔΣ変調器８４は高周波クロックに同期して動作し、アナログ入力信号を１ビット密度変調デジタル信号に変換する。ΔΣ変調器８４は、積分器、１ビット量子化器、デジタル・アナログ変換器などを有することによって構成されているが、既に知られているから、詳細な説明は省略する。

ΔΣ変調器８４は、入力アナログ信号を、オーディオ信号帯域より非常に高い周波数でサンプリングすなわちオーバーサンプリングし、１ビットのパルス密度変調デジタル信号に変換する。結果として、量子化ノイズが高周波側に押し出されるノイズシェーピング効果を得ることができる。

特許文献１には、ΔΣ変調器を用いたデジタルマイクロホンの例が記載されている。特許文献１に記載されているデジタルマイクロホンも、基本的にはＡＤＣを用いた一般的なデジタルマイクロホンの例と変わりがない。ＡＤＣを用いたデジタルマイクロホンの性能はＡＤＣの性能に依存し、ＡＤＣの性能はアナログ回路の性能によって決まる。しかし、アナログ回路は設計が難しく、プロフェッショナル用途や、超音波センシング用途に求められる広帯域化や高ダイナミックレンジ化は容易ではない。

そこで本出願人らはマイクロホンユニットから直接的にデジタル信号による音声信号を出力することを可能にして、プロフェッショナル用途としても十分に満足することができるデジタルマイクロホンを提案した（特許文献２参照）。図４はその例を示しており、コンデンサマイクロホンを発振器の発振周波数を決めるコンデンサとして用いることにより、音波を受けたメンブレンの変位を周波数に変換するものである。

図４において、基板１４に配置された共振器１２が導電性のメンブレン１０に対向させて配置されている。基板１４はバックプレート１６に固定されている。基板１４のメンブレン１０との対向面には、共振器１２に含まれる配線パターンが形成されている。メンブレン１０が振動すると、メンブレン１０と共振器１２との間の容量が変化する。この容量の変化により共振器１２の共振周波数が変化する。共振器１２は発振器の一部を構成していて、この発振器は、メンブレン１０の振動に応じたＦＭ信号を出力する。

上記ＦＭ信号は１ビット量子化器１８に入力される。１ビット量子化器１８は、ＦＭ信号を高周波クロックでサンプリングして１ビット量子化信号を出力する。１ビット量子化信号は、エクスクルーシブオア（以下「ＸＯＲ」という）回路２２の一方の入力端子に入力されるとともに、レジスタ２０を介してＸＯＲ回路２２の他方の入力端子に入力される。レジスタ２０は上記サンプリング周波数と同じ周波数の高周波クロックに同期して動作し、上記１ビット量子化信号を、時間をずらしてＸＯＲ回路２２に入力する。

レジスタ２０とＸＯＲ回路２２は、１ビット量子化器１８から出力される１ビット量子化信号のエッジを検出するエッジ検出器を構成していて、ＸＯＲ回路２２の出力がΔΣ変調信号となる。上記１ビット出力をデジタルフィルタで処理し、ナイキストレートに落とすことにより、高い分解能で、広いダイナミックレンジをもつデジタル信号を得ることができる。

以上説明したように、従来のΔΣ変調器を用いたデジタルマイクロホンによれば、多くの利点を持っているが、解決すべき課題も残っている。その一つは、共振器のＱ値が低くなりやすいことである。ΔΣ変調方式のノイズフロアすなわち信号入力がないときの雑音レベルは発振器の位相ノイズで決まるため、共振器には高いＱ値が要求される。しかし、従来技術のように、容量とインダクタを用いた共振器のＱ値はたかだか数十程度が普通であり、それ以上に高くすることは難しい。可変容量を用いた緩和型発振器の場合さらにＱ値は低く、位相ノイズが大きくなる。

従来のΔΣ変調器を用いたデジタルマイクロホンの解決すべき第二の課題は、メンブレンの位置変位に対する周波数の変化割合を大きくすることができないことである。マイクロホンのメンブレンは、周縁部が固定されているため、中央部の変位量に対して周辺部の変位量は小さく、したがって、中央部の変位量の大きさの割に静電容量の変化割合は小さい。これに加えて、ＬＣ共振器の場合、共振周波数はＬとＣの積の平方根に依存するため、周波数変化はより小さくなってしまう。ΔΣ変調器を用いたＡＤＣのＳＮ比とダイナミックレンジは、周波数変調幅に強く依存するため、周波数変化が少ないことは、ＳＮ比とダイナミックレンジの改善に関して大きな障壁になる。

特表２００５−５１９５４７号公報 特許第５１６２７９６号公報

本発明は、メンブレンの変位に対する周波数変調信号への変換割合の大きなＦＭ信号を得ることができ、もって、高分解能、広ダイナミックレンジ、広帯域のデジタル信号出力を得ることができるデジタルマイクロホンおよび位置−周波数変換器を提供することを目的とする。

本発明に係るデジタルマイクロホンは、
マイクロ波帯、ミリ波帯あるいは電磁波帯の空洞共振器を有し、
上記空洞共振器を構成する金属壁面の一部は、音響波を受けて振動し上記空洞共振器の共振周波数に変換する導電性のメンブレンで構成され、
上記メンブレンの位置変動に応じて上記空洞共振器の共振周波数を変調し上記空洞共振器の上記メンブレン以外の金属壁面側からＦＭ信号を出力するＦＭ信号生成部と、
上記ＦＭ信号よりΔΣ変調信号を生成するΔΣ変調信号生成部と、を備えていることを最も主要な特徴とする。

本発明に係る位置−周波数変換器は、上記デジタルマイクロホンにおけるメンブレンを、外力を受けて変位し上記空洞共振器の共振周波数に変換する導電性の可動構造物に代えたものである。

本発明によれば、導電性のメンブレンまたは可動構造物を配置した空洞共振器と、ＦＭ信号生成部と、ΔΣ変調信号生成部を組み合わせたことにより、メンブレンまたは可動構造物の変位に対する周波数変調信号への変換割合の大きなＦＭ信号を得ることができる。これにより、高分解能、広ダイナミックレンジ、広帯域のデジタル信号出力を得ることができるデジタルマイクロホンおよび位置−周波数変換器を提供することができる。

本発明に係るデジタルマイクロホンおよび位置−周波数変換器の実施例の概要を示す斜視図およびブロック図である。 本発明に係るデジタルマイクロホンおよび位置−周波数変換器の別の実施例の概要を示す斜視図およびブロック図である。 従来のΔΣ変調器を用いたデジタルマイクロホンの例を示すブロック図である。 従来のΔΣ変調器を用いたデジタルマイクロホンの別の例を示すブロック図である。 発振器に用いる負性抵抗素子の例を簡略化して示す回路図である。

以下、本発明に係るデジタルマイクロホンおよび位置−周波数変換器の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１において、符号３０は円筒形の導波管を示している。導波管３０は金属の素材からなり、よって、壁面全体が金属壁面になっている。導波管３０の中心軸線方向の一端部には、この一端部を覆って、音響波に対応して振動ないしは変動する導電性のメンブレン３２が張り付けられた構成になっている。導波管３０の中心軸線方向の他端部、換言すれば導波管３０の終端部は、導体板３４で覆われた構成になっている。導体板３４の外側面、換言すれば、導体板３４のメンブレン３２側とは反対側の面には誘電体層が設けられている。

上記誘電体層の上にマイクロストリップ線路３８が導体板３４の半径方向に向けて形成されている。マイクロストリップ線路３８は負性抵抗素子４０に接続されている。導体板３４の一部にはマイクロストリップ線路３８と交差する方向、図示の例では直交する方向にスロット３６が設けられている。このように構成された導波管３０は、マイクロ波帯、ミリ波帯あるいは電磁波帯の空洞共振器として働く。スロット３６は、上記空洞共振器内の電磁界とマイクロストリップ線路３８とを電磁的に結合している。

負性抵抗素子４０は、例えば、バイポーラトランジスタや電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）などの能動素子を有し、上記導波管３０を有してなる空洞共振器とともに発振器を構成している。発振器を構成する負性抵抗素子の例を図５に示す。空洞共振器として働く導波管３０は、図５に示すインダクタＬとキャパシタＣを構成している。符号ｇｍは、インダクタＬとキャパシタＣによる共振を持続するための負性抵抗素子４０を構成する能動素子を示している。この回路例では能動素子としてＦＥＴが用いられている。

上記発振器による発振周波数は、メンブレン３２を振動させる音響波により変調されて出力される上記音響波に対応した周波数である。よって、上記発振器からは上記音響波を変調信号とするＦＭ波が出力される。スロット３６、マイクロストリップ線路３８、負性抵抗素子４０を含む構成部分は、メンブレン３２の位置変動に応じて空洞共振器の共振周波数を変調し、空洞共振器のメンブレン３２以外の金属壁面側からこのＦＭ信号を出力するＦＭ信号生成部を構成している。

生成されるＦＭ波を、エッジ検出器４２に通すことにより、ΔΣ変調信号を得ることができる。すなわち、図１に示すエッジ検出器４２は、ΔΣ変調信号生成部を構成している。エッジ検出器４２は、図４に示す従来例における１ビット量子化器、レジスタ、ＸＯＲによって構成することができる。上記１ビット量子化器は、ＦＭ信号を高周波クロックでサンプリングして１ビット量子化信号を出力する。エッジ検出器４２から出力されるΔΣ変調信号は、デジタルフィルタ４４に入力されて高周波ノイズがカットされて出力されるように構成されている。

以上説明した実施例の動作ないしは作用、効果について説明する。円筒形の導波管３０は、マイクロ波帯、ミリ波帯あるいは電磁波帯の空洞共振器として働き、その共振周波数はメンブレン３２の位置の関数となる。図１に示す導波管３０の構成では、共振モードはＴＥ１１ｎ（ｎは自然数）である。電磁界は空洞の中心軸近辺が強いため、メンブレン３２の中心部分の位置の変化に対する共振周波数の変化は敏感である。メンブレン３２の周辺部分すなわち導波管３０の管壁に近い部分では電磁界が弱いため、この部分に孔を開けても電磁界の乱れは少ない。そこで、メンブレン３２が振動するときに働く空気ばねの強さを調整するために孔を開ける場合は、メンブレン３２の周辺部分に開けるとよい。

一般に、空洞共振器のＱ値は、キャパシタ、インダクタなど個別の素子を組み合わせた共振器のＱ値よりもかなり高くなる。よって、本実施例における共振器のＱ値はかなり高くなり、位相ノイズを非常に小さくすることができる。

エッジ検出器４２から出力されるΔΣ変調１ビットデジタル信号は、デジタルフィルタ４４に通されることによって高周波ノイズがカットされ、ナイキストレートの多ビットデジタル信号に変換される。この多ビットデジタル信号はダイナミックレンジおよび周波数帯域幅が広く、ＳＮ比が良好であり、高性能のデジタルマイクロホンを得ることができる。

前記共振モードのｎを１より大きくすることにより、より高い周波数の発振が可能になる。発振周波数が高くなるとメンブレン３２の変位による発振周波数の変化はより一層大きくなるため、より高性能のデジタルマイクロホンを得ることができる。ｎを大きくするための手法として、負性抵抗素子４０において負性抵抗が生じる周波数範囲を調整するとともに、空洞共振器内に、導電体、誘電体あるいは磁性体からなる構造を設置することが考えられる。

以上、デジタルマイクロホンを想定して説明してきたが、メンブレン３２の位置変化に対応してＦＭ信号の周波数が変化するため、ＦＭ信号の周波数からメンブレン３２の位置を検出することができる。そこで、図１に示す実施例におけるメンブレン３２を、外力を受けて変位する可動構造物に代える。こうすることにより、上記可動構造物の位置を周波数の変化に変換する位置−周波数変換器として利用することができる。

さらに、上記位置−周波数変換器は、これを位置−デジタル変換器として、あるいはデジタル位置センサや圧力センサなどとしても利用可能である。デジタル位置センサとして利用する場合は、被検出体とともに上記可動構造物の位置が移動する構成にしておけばよい。圧力センサとしても利用する場合は、上記可動構造物が圧力を受けて変位する構成にしておけばよい。

スロット３６、マイクロストリップライン３８は、メンブレン３２または上記可動構造物の配置部分以外であれば、空洞共振器を構成する導波管３０の金属壁面のどこに配置してもよい。また、空洞共振器を構成する導波管３０の金属壁面の一部が導電性のメンブレンまたは上記可動構造物で構成されていればよい。ただし、図１に示す実施例のように円筒形状の導波管３０の場合は、導波管３０の中心軸線方向一端側に配置するのが合理的である。

次に、図２に示す第２の実施例について説明する。第２の実施例は、金属の素材からなる導波管５０が方形の柱状すなわち四角柱状になっている点が第１の実施例と異なっている。四角柱状の導波管５０の中心軸線方向の一端部には、この一端面を覆って、音響波に対応して振動ないしは変動する導電性のメンブレン５２が張り付けられている。導波管５０の終端面は、導体板５４で覆われている。導体板５４の外側面、換言すれば、導体板５４のメンブレン５２側とは反対側の面には誘電体層が設けられている。

上記誘電体層の上にマイクロストリップ線路５８が導体板５４の面を二分するように形成されている。マイクロストリップ線路５８は負性抵抗素子４０に接続されている。導体板５４の一部にはマイクロストリップ線路５８と直交する方向にスロット５６が設けられている。このように構成された導波管５０は空洞共振器として働き、スロット５６は、上記空洞共振器内の電磁界とマイクロストリップ線路５８とを電磁的に結合している。

導波管５０が四角柱状である以外は第１の実施例と実質的に同じ構成で、負性抵抗素子４０の出力信号はエッジ検出器４２に入力され、エッジ検出器４２の出力信号はデジタルフィルタ４４に入力される構成になっている。エッジ検出器４２、デジタルフィルタ４４の構成は第１の実施例におけるものと同じであるから同じ符号を付している。

四角柱状の導波管５０は、マイクロ波帯、ミリ波帯あるいは電磁波帯の空洞共振器として働き、その共振周波数はメンブレン５２の位置の関数となる。図２に示す導波管５０の構成では、共振モードはＴＥ１０ｎ（ｎは自然数）である。第１の実施例と同じく、メンブレン５２の中心部分の位置の変化に対する共振周波数の変化は敏感であり、メンブレン５２の周辺部分では電磁界が弱いため、この部分に孔を開けても電磁界の乱れは少ない。そこで、メンブレン５２が振動するときに働く空気ばねの強さを調整するためには、メンブレン５２の周辺部分に孔を開けるとよい。

エッジ検出器４２からΔΣ変調１ビットデジタル信号が出力される。この１ビットデジタル信号は、デジタルフィルタ４４に通されることによって高周波ノイズがカットされ、ナイキストレートの多ビットデジタル信号に変換される。このデジタル信号はダイナミックレンジおよび周波数帯域幅が広く、ＳＮ比が良好であり、高性能のデジタルマイクロホンを得ることができる。上記共振モードのｎに関しては、第１の実施例の場合と同様に大きい値にするとよい。

図２に示す実施例では、マイクロストリップ線路５８との対向位置にメンブレン５２が配置されているが、かかる構成に限定されるものではない。四角柱状の導波管５０の側面にメンブレン５２を配置してもよい。さらに、導波管５０一面のみでなく複数の面にメンブレン５２を配置し、導波管の残余の少なくとも一面にＦＭ信号生成手段を配置してもよい。こうすることにより、音響波からこの音響波に対応した周波数信号への変換効率をさらに高めることができる。

本実施例も、高性能のデジタルマイクロホンとして利用可能であるとともに、位置−周波数変換器として利用可能である。位置−周波数変換器はこれを位置−デジタル変換器として、あるいはデジタル位置センサや圧力センサなどとしても利用可能である。

［変形例］
空洞共振器とマイクロストリップ線路との結合は、スロットに限られるものではなく、プローブやループ、あるいはホール結合であってもよい。また、共振モードも第１、第２の実施例において説明したモードに限らない。例えば、特に高いＱ値を持つことが知られている円筒型空洞共振器のＴＥ０１１モードの利用も可能である。この場合、縮退したＴＭ１１１モードの励起を防ぐような結合を用いる。

以上説明した空洞共振器を利用した各実施例のデジタルマイクロホンは、メンブレンの変位を、容量の変化としてではなく空洞共振器の共振周波数の変化として読み出すことに特徴がある。そのため、コンデンサマイクロホンのように、メンブレンとこれに対向する下部電極（固定電極）との間隔を非常に小さくする必要はなく、設計の自由度が大きくなる。

３０ 導波管
３２ メンブレン
３４ 導体板
３６ スロット
３８ マイクロストリップライン
４０ 付勢抵抗素子
４２ エッジ検出器
４４ デジタルフィルタ
５０ 導波管
５２ メンブレン
５４ 導体板
５６ スロット
５８ マイクロストリップ線路

Claims (12)

1. マイクロ波帯、ミリ波帯あるいは電磁波帯の空洞共振器を有し、
   上記空洞共振器を構成する金属壁面の一部は、音響波を受けて振動し上記空洞共振器の共振周波数に変換する導電性のメンブレンで構成され、
   上記メンブレンの位置変動に応じて上記空洞共振器の共振周波数を変調し上記空洞共振器の上記メンブレン以外の金属壁面側からＦＭ信号を出力するＦＭ信号生成部と、
   上記ＦＭ信号よりΔΣ変調信号を生成するΔΣ変調信号生成部と、を備えるデジタルマイクロホン。
2. 上記ΔΣ変調信号生成部は、上記ＦＭ信号を高周波クロックでサンプリングして１ビット量子化信号を出力する１ビット量子化器を備えている請求項１記載のデジタルマイクロホン。
3. 上記ＦＭ信号生成部は、上記空洞共振器の上記メンブレンの配置部分以外に配置された導体板と、上記導体板に形成された誘電体と、上記導体板に形成されたスロットと、上記スロットと交差する向きに形成され上記空洞共振器内のマイクロ波、ミリ波あるいは電磁波と結合するマイクロストリップ線路と、上記マイクロストリップ線路に接続される負性抵抗素子と、を備えている請求項１または２記載のデジタルマイクロホン。
4. 上記誘電体は、上記導体板の上記メンブレンとは反対側の面に形成されている請求項３記載のデジタルマイクロホン。
5. 上記空洞共振器は、円筒形の導波管により構成され、上記導波管の一端部が上記メンブレンにより覆われ、上記導波管の他端部に上記ＦＭ信号生成部が配置されている請求項１乃至４のいずれかに記載のデジタルマイクロホン。
6. 上記空洞共振器は、方形の導波管により構成され、上記導波管の一端部が上記メンブレンにより覆われ、上記導波管の他端部に上記ＦＭ信号生成部が配置されている請求項１乃至４のいずれかに記載のデジタルマイクロホン。
7. 上記空洞共振器は、方形の導波管により構成され、上記導波管の少なくとも一面が上記メンブレンで覆われ、上記導波管の残余の少なくとも一面に上記ＦＭ信号生成部が配置されている請求項１乃至４のいずれかに記載のデジタルマイクロホン。
8. 上記空洞共振器は、方形の導波管により構成され、上記導波管の複数面が上記メンブレンで覆われ、上記導波管の残余の面に上記ＦＭ信号生成部が配置されている請求項１乃至４のいずれかに記載のデジタルマイクロホン。
9. マイクロ波帯、ミリ波帯あるいは電磁波帯の空洞共振器を有し、
   上記空洞共振器を構成する金属壁面の一部は、外力を受けて変位し上記空洞共振器の共振周波数に変換する導電性の可動構造物で構成され、
   上記可動構造物の位置変動に応じて上記空洞共振器の共振周波数を変調し上記空洞共振器の上記可動構造物以外の金属壁面側からＦＭ信号を出力するＦＭ信号生成部と、
   上記ＦＭ信号よりΔΣ変調信号を生成するΔΣ変調信号生成部と、を備える位置−周波数変換器。
10. 上記ΔΣ変調信号生成部は、上記ＦＭ信号を高周波クロックでサンプリングして１ビット量子化信号を出力する１ビット量子化器を備えている請求項９記載の位置−周波数変換器。
11. 上記ＦＭ信号生成部は、上記空洞共振器の上記可動構造物の配置部分以外に配置された導体板と、上記導体板に形成された誘電体と、上記誘電体に形成されたスロットと、上記スロットと交差する向きに形成され上記空洞共振器内のマイクロ波、ミリ波あるいは電磁波と結合するマイクロストリップ線路と、上記マイクロストリップ線路に接続される負性抵抗素子と、を備えている請求項９または１０記載の位置−周波数変換器。
12. 上記空洞共振器は、円筒形または方形の導波管により構成され、上記導波管の少なくとも一面が上記可動構造物で覆われ、上記導波管の残余の少なくとも一面に上記ＦＭ信号生成部が配置されている請求項９，１０または１１記載の位置−周波数変換器。
    

Images