JP6391112B2

JP6391112B2 - コンデンサマイクロホン

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Publication number: JP6391112B2
Application number: JP2014147901A
Authority: JP
Inventors: 潮人沖田
Original assignee: Audio Technica KK
Current assignee: Audio Technica KK
Priority date: 2013-10-21
Filing date: 2014-07-18
Publication date: 2018-09-19
Anticipated expiration: 2034-07-18
Also published as: US20150110306A1; US9445188B2; JP2015109632A

Description

この発明は、振動板と固定極とによるコンデンサマイクロホンユニットより、音声信号を平衡出力させるコンデンサマイクロホンに関する。

コンデンサマイクロホンは、対向する振動板と固定極との間の静電容量の変化に基づいて音声信号が生成される。
すなわち、固定極に対向して振動板が配置されてなる前記コンデンサマイクロホンユニットは、その静電容量が数十ｐＦ前後で、出力インピーダンスが極めて高いために、例えばＦＥＴ（電界効果トランジスタ）などによるインピーダンス変換器を用いて音声信号を取り出すように構成される。

前記コンデンサマイクロホンユニットをインピーダンス変換器に接続するには、前記固定極または振動板のいずれかの一方を回路の基準電位点（グランドライン）に接続し、前記いずれかの他方を、インピーダンス変換器の入力端子、すなわちＦＥＴのゲート端子に接続する回路構成が採用される。
そして、前記インピーダンス変換器は、一般的に前記ＦＥＴのソース端子より、音声出力を得るソースフォロア回路により構成される。

さらに、前記インピーダンス変換器を含むこの種のコンデンサマイクロホンにおいては、前記音声信号は平衡シールドケーブルを介してミキサー回路、もしくはマイクアンプなどの外部機器に供給され、また前記外部機器側に備えられた周知のファントム給電装置から、前記平衡シールドケーブルを介してコンデンサマイクロホン側に動作電流が供給されるように構成される。

すなわち、前記したファントム給電装置を利用するコンデンサマイクロホンは、音声信号を互いに逆相関係とした平衡出力を、前記した平衡シールドケーブルを介して伝送することで、外来ノイズの影響を最小限にとどめる対策が採用されている。

図６は、コンデンサマイクロホンからの音声信号を平衡出力させる手段として、位相反転回路を用いた従来例を示している。
図６に示す符号Ｕ１が、前記したコンデンサマイクロホンユニットであり、この例においては振動板もしくは固定極のいずれか一方に、エレクトレット誘電体膜を備えたエレクトレット型コンデンサマイクロホンユニットＵ１を構成している。また、コンデンサマイクロホンユニットＵ１を構成する例えば振動板が回路の基準電位点に接続され、固定極がインピーダンス変換器１１に接続されている。

さらに、インピーダンス変換器１１により生成される音声信号は、例えばエミッタフォロア回路を含むバッファ回路１２において電流増幅され、インバータ回路１３に供給されるように構成されている。
そして、前記バッファ回路１２からの非反転音声出力と、インバータ回路１３を介した反転音声出力は、ファントム給電装置からの動作電流を受けるバッファ回路１４を介して、それぞれホット側端子Ｏｕｔ（＋）およびコールド側端子Ｏｕｔ（−）に平衡出力され、グランドラインＧＮＤがシールドに接続される図示せぬ平衡シールドケーブルを介して、例えばミキサー回路などの外部機器に伝送される。

また、前記外部機器側の図示せぬファントム給電装置から供給される直流動作電流は、前記したホット側およびコールド側の平衡シールドケーブルを介して、前記バッファ回路１４において受けると共に、その直流動作電流は定電圧電源回路１５に供給される。そして定電圧電源回路１５からの出力電圧は、前記符号１１〜１４で示す各回路の動作電源として利用される。
なお、図６に示したインバータ回路（位相反転回路）１３を用いることにより、音声信号を平衡出力させるコンデンサマイクロホンについては、特許文献１に開示されている。

図７は、コンデンサマイクロホンからの音声信号を平衡出力させる手段として、トランスを用いた従来例を示している。
図７に示す符号Ｕ１，１１，１２は、前記した図６に示した同一符号の各部と同一の機能を果たすものであり、その詳細な説明は省略する。

この図７に示す構成においては、２次側巻線に設けたセンタータップ付きのトランスＴ１が採用されており、バッファ回路１２からの音声出力は、トランスＴ１の１次側巻線に供給される。そしてトランスＴ１の２次側巻線の両端部に生成される互いに逆相関係の音声信号が、ホット側端子Ｏｕｔ（＋）およびコールド側端子Ｏｕｔ（−）に平衡出力され、グランドラインＧＮＤを含む図示せぬ平衡シールドケーブルを介して、例えばミキサー回路などの外部機器に伝送される。

また、前記外部機器側の図示せぬファントム給電装置から供給される直流動作電流は、前記した平衡シールドケーブルを介して、前記トランスＴ１の２次側巻線において受けると共に、２次側巻線のセンタータップを介して定電圧電源回路１５に供給される。そして定電圧電源回路１５からの出力電圧は、符号１１，１２で示す各回路の動作電源として利用される。
なお、図７に示したトランスＴ１を用いることにより、音声信号を平衡出力させるコンデンサマイクロホンについては、特許文献２に開示されている。

実開昭６２−１０３３９０号公報特開２００６−３５２６２２号公報

ところで、特許文献１に開示された図６に示すコンデンサマイクロホンによると、前記したコンデンサマイクロホンユニットＵ１、インピーダンス変換器１１、バッファ回路１２、インバータ回路１３、およびバッファ回路１４の全てが、他方をグランドラインとする不平衡の信号伝送ラインを構成している。

したがって、図６に示す符号Ｕ１，１１〜１４で示す各回路において、例えば高周波ノイズ等が重畳した場合には、これを除去することはできず、外来ノイズを抑制するために格別な対策が必要であるという問題を抱えている。
また、図６に示す構成によると、インバータ回路１３を介して反転音声出力を生成するために、インバータ回路１３を介さない非反転音声出力との間で、信号伝送系の相違による信号のアンバランスが生じ、結果として音声信号の品質を低下させる要因になる。

一方、特許文献２に開示された図７に示すコンデンサマイクロホンによると、前記したコンデンサマイクロホンユニットＵ１、インピーダンス変換器１１、バッファ回路１２、およびトランスＴ１の１次側巻線を含む各回路は、他方をグランドラインとする不平衡の信号伝送ラインを構成しているために、図６に示した例と同様に外来ノイズに対して弱いという問題を抱えている。

さらに、図７に示す構成によるとトランスＴ１が持つ固有の周波数特性や歪み特性によって、マイクロホン全体の性能が制限されることになり、しかもトランスＴ１がコストを高騰させる要因となる。

この発明は、従来のコンデンサマイクロホンにおける前記した問題点に着目してなされたものであり、コンデンサマイクロホンユニットを構成する振動板および固定極の初段より、互いに逆相の音声信号を平衡出力させることを特徴とするものである。
すなわち、前記した技術的な観点に基づいて、コンデンサマイクロホンユニットの直後より互いに逆相の音声信号を平衡伝送することにより、外来ノイズを効果的に相殺させることができると共に、音声信号の品質を十分に確保することができるコンデンサマイクロホンを提供することを課題とするものである。

前記した課題を達成するためになされたこの発明に係るコンデンサマイクロホンは、固定極に対峙して振動板が配置された単一のコンデンサマイクロホンユニットと、前記固定極に一端が接続された第１抵抗素子と、前記第１抵抗素子の他端に一方の端部が接続され、第１抵抗素子を介して前記固定極に負または正電位を供給する第１成極電源と、前記コンデンサマイクロホンユニットの前記固定極に接続されて、当該固定極に生成される第１電気信号を出力する第１ＦＥＴを含む第１インピーダンス変換器と、前記固定極と第１インピーダンス変換器の第１ＦＥＴとの間に接続され、前記第１成極電源から前記第１ＦＥＴへの直流電圧の印加を阻止する第１直流カットコンデンサと、前記振動板に一端が接続された第２抵抗素子と、前記第２抵抗素子の他端に一方の端部が接続され、第２抵抗素子を介して前記振動板に正または負電位を供給する第２成極電源と、前記コンデンサマイクロホンユニットの前記振動板に接続されて、当該振動板に生成される第２電気信号を出力する第２ＦＥＴを含む第２インピーダンス変換器と、前記振動板と第２インピーダンス変換器の第２ＦＥＴとの間に接続され、前記第２成極電源から前記第２ＦＥＴへの直流電圧の印加を阻止する第２直流カットコンデンサとが備えられ、前記第１成極電源と第２成極電源の他方の端部が、それぞれグランド接続されて、前記第１電気信号と第２電気信号が、前記単一のコンデンサマイクロホンユニットによる音声信号として平衡出力されるように構成される。

この場合、前記第１電気信号と第２電気信号の位相は互いに逆相の関係になされる。

また、前記第１インピーダンス変換器における第１ＦＥＴのゲート端子が前記第１直流カットコンデンサを介して前記固定極に接続され、ソース端子より前記第１電気信号を出力するソースフォロア回路を構成し、前記第２インピーダンス変換器における第２ＦＥＴのゲート端子が前記第２直流カットコンデンサを介して前記振動板に接続され、ソース端子より前記第２電気信号を出力するソースフォロア回路をそれぞれ構成することが望ましい。

加えて、前記第１インピーダンス変換器より出力される第１電気信号と、前記第２インピーダンス変換器より出力される第２電気信号とが、平衡シールドケーブルを介して外部機器に伝送されるように構成される。

そして、好ましい形態においては、前記第１インピーダンス変換器と第２インピーダンス変換器の後段にそれぞれホット側端子とコールド側端子を備えるバッファ回路を接続し、前記ホット側端子とコールド側端子に前記第１電気信号と第２電気信号を出力する構成が採用される。

この発明に係る前記したコンデンサマイクロホンによると、固定極側の信号を第１インピーダンス変換器により、第１電気信号として得ると共に、振動板側の信号を第２インピーダンス変換器により、第２電気信号として得るように構成され、前記第１電気信号と第２電気信号とが正負の（互いに逆相の）音声信号として平衡出力される。
すなわち、コンデンサマイクロホンユニットの直後において、各インピーダンス変換器により互いに逆相の音声信号が平衡出力され、この平衡出力された音声信号は、必要に応じてそれぞれ電流増幅され、平衡シールドケーブルを介して外部機器に伝送するように構成される。

したがって、インピーダンス変換器等を含む信号伝送路に、たとえ外来ノイズが重畳しても、第１と第２電気信号から音声信号を得る段階において、前記外来ノイズ成分を相殺（キャンセル）することができ、これによりコンデンサマイクロホンのＳ／Ｎの向上に貢献することができる。
また、平衡出力される第１および第２電気信号は、共に同一回路構成による信号伝送路を介して出力することができるので、音声信号の品質を十分に確保したコンデンサマイクロホンを提供することができる。

固定極から音声信号を取り出す例を示した模式図である。振動板から音声信号を取り出す例を示した模式図である。固定極と振動板からそれぞれ平衡出力信号を取り出すこの発明に係るコンデンサマイクロホンの模式図である。この発明に係るコンデンサマイクロホンの第１の形態を示した回路構成図である。同じく第２の形態を示した回路構成図である。図３および図４に示す回路構成を含むコンデンサマイクロホンの全体構成を示したブロック図である。従来のコンデンサマイクロホンにおける音声信号を平衡出力させる例を示したブロック図である。同じく音声信号を平衡出力させる従来の他の例を示したブロック図である。

この発明に係るコンデンサマイクロホンについて、図に示す実施の形態に基づいて説明する。
前記したとおりコンデンサマイクロホンユニットは、振動板が固定極に対峙して配置され、振動板と固定極の間にコンデンサが形成されている。そして、図１Ａおよび図１Ｂは、振動板１に対峙する固定極２側に、マイナス電荷が帯電されたエレクトレット誘電体膜２ａを備えたエレクトレット型コンデンサマイクロホンユニットＵ１の例を示している。

この図１Ａおよび図１Ｂに示す例においては、前記したエレクトレット誘電体膜２ａによる電荷量Ｑは一定と見なすことができ、音圧を受けたマイクロホンユニットＵ１の静電容量Ｃの変化が、Ｑ＝Ｃ×Ｖ（Ｖはコンデンサの両極間電圧）の関係にしたがって、電圧変化となって生成される。
そして、図１Ａおよび図１Ｂに示すコンデンサマイクロホンユニットＵ１においては、振動板１に正の音圧を受けた場合には、振動板１側には正の電圧信号が生成され、固定極２側には負の電圧信号が生成される。

したがって、図１Ａに示すように、振動板１を基準電位点（グランドライン）に接続し、固定極２よりインピーダンス変換器１１を介して、電気信号（音声信号）を得る構成においては、固定極２側に生成される負の電圧信号に基づいて、インピーダンス変換器１１の出力端子Ｏｕｔに音声信号が出力されることになる。
また、図１Ｂに示すように、固定極２を基準電位点（グランドライン）に接続し、振動板１よりインピーダンス変換器１１を介して、電気信号（音声信号）を得る構成においては、振動板１側に生成される正の電圧信号に基づいて、インピーダンス変換器１１の出力端子Ｏｕｔに音声信号が出力されることになる。

すなわち、コンデンサマイクロホンユニットＵ１の振動板１と固定極２には、振動板１の変位に伴って互いに逆相となる電圧信号が同時に発生していることになる。
したがって、この発明は図２に同じく模式図で示すように、固定極２と振動板１にそれぞれ高い値の入力インピーダンスを有する第１インピーダンス変換器１１ａと第２のインピーダンス変換器１１ｂを接続し、振動板１の変位に基づいて発生する互いに逆相の電圧信号を、第１と第２のインピーダンス変換器１１ａ，１１ｂより平衡出力させることを基本構想とするものである。

図３は、前記した技術的な観点にしたがって構成したコンデンサマイクロホンの要部、特にコンデンサマイクロホンユニットＵ１とインピーダンス変換器を具体的な回路構成図で示したものである。
すなわち、コンデンサマイクロホンユニットＵ１は、前記したとおり振動板１が固定極２に対峙した状態に構成されており、この実施の形態においては、前記固定極２にエレクトレット誘電体膜２ａを備えた周知のエレクトレット型コンデンサマイクロホンユニットＵ１を構成している。

そして、前記固定極２には第１インピーダンス変換器１１ａが接続され、また前記振動板１には第２インピーダンス変換器１１ｂが接続されており、この構成により前記振動板１の変位に基づいて、振動板１と固定極２に生ずる互いに逆相となる電圧信号をそれぞれ取り出すように構成されている。

前記第１インピーダンス変換器１１ａには、符号Ｑ１ａで示すｎチャンネル型ＦＥＴが搭載されており、このＦＥＴＱ１ａのゲート電極には固定極２が接続されている。
そして、直流電源ＶｃｃとグランドラインＧＮＤとの間には、電圧分割抵抗Ｒ１ａ，Ｒ２ａが接続され、これらの接続点と前記ゲート電極との間にはバイアス供給抵抗Ｒ３ａが接続されて、前記ゲート電極に対して所定のバイアス電圧が供給されるように構成されている。

また、前記ＦＥＴＱ１ａのドレイン電極には直流電源Ｖｃｃが供給され、ＦＥＴＱ１ａのソース電極とグランドラインＧＮＤとの間には抵抗素子（ソースフォロア―抵抗）Ｒ４ａが接続されて、ソース電極が出力端子Ｏｕｔ（＋）になされている。すなわち、このインピーダンス変換器１１ａは、ソースフォロア―回路を構成している。

また、第２のインピーダンス変換器１１ｂは、前記した第１のインピーダンス変換器１１ａと同一の回路により構成されており、それぞれ相当する素子には符号の末尾に示す“ａ”を“ｂ”に代えて示している。したがって、第２のインピーダンス変換器１１ｂの詳細な説明は省略する。
そして、第２のインピーダンス変換器１１ｂに搭載されたＦＥＴＱ１ｂのソース電極が出力端子Ｏｕｔ（−）になされている。

図３に示す構成によると、第１インピーダンス変換器１１ａの出力端子Ｏｕｔ（＋）と、第２インピーダンス変換器１１ｂの出力端子Ｏｕｔ（−）には、前記固定極２と振動板１に生ずる互いに逆相となる電圧信号が、それぞれ平衡出力されることになる。したがって、平衡出力される出力端子Ｏｕｔ（＋）と出力端子Ｏｕｔ（−）との電位差（差分）を、コンデンサマイクロホンの音声信号として利用することができる。

図４に示す構成は、コンデンサマイクロホンユニットＵ１とインピーダンス変換器の他の例を示したものである。
この図４に示す構成は、図３に示したエレクトレット誘電体膜２ａに代えて成極電源を利用するものであり、図４に示すように固定極２に対して、高抵抗素子Ｒ５ａを介して成極電源Ｅ１ａによる負電位が供給されるように構成されている。
そして、固定極２とインピーダンス変換器１１ａのＦＥＴＱ１ａとの間には、直流カットコンデンサＣ１ａが挿入されて、ＦＥＴＱ１ａに対する成極電源Ｅ１ａの印加が阻止されるように構成されている。

一方、振動板１に対しては、高抵抗素子Ｒ５ｂを介して成極電源Ｅ１ｂによる正電位が供給されるように構成されている。
そして、振動板１とインピーダンス変換器１１ｂのＦＥＴＱ１ｂとの間には、直流カットコンデンサＣ１ｂが挿入されて、ＦＥＴＱ１ｂに対する成極電源Ｅ１ｂの印加が阻止されるように構成されている。

この図４に示す第１および第２のインピーダンス変換器１１ａ，１１ｂは、図３に示した構成と同一であり、したがってその詳細な説明は省略する。
また図４に示す構成においても、図３に示した例とその作用は同一であり、固定極２と振動板１に生ずる互いに逆相となる電圧信号が、それぞれ第１のインピーダンス変換器１１ａの出力端子Ｏｕｔ（＋）と、第２のインピーダンス変換器１１ｂの出力端子Ｏｕｔ（−）から平衡出力されることになる。

なお、図４に示す構成においては、固定極２と振動板１に対してそれぞれ負および正の成極電源Ｅ１ａ，Ｅ１ｂを印加して、コンデンサマイクロホンユニットＵ１の初段より回路にバランスを持たせた構成にされている。
しかしながら、図４に示す構成において、例えば振動板１に印加される成極電源Ｅ１ｂとその周辺の回路（Ｒ５ｂ及びＣ１ｂ）、もしくは固定極２に印加される成極電源Ｅ１ａとその周辺の回路（Ｒ５ａ及びＣ１ａ）のいずれか一方を削除しても、振動板１と固定極２との間には所定の成極電圧を加えることができる。したがって、その作用効果は同一となる。

図５は、前記した図３および図４に示す第１インピーダンス変換器１１ａおよび第２インピーダンス変換器１１ｂの後段に、それぞれバッファ回路１２ａ，１２ｂと、外部のファントム給電装置からの動作電流を受けるバッファ回路１４ａ，１４ｂが接続される構成を示している。
前記バッファ回路１２ａ，１２ｂは、第１および第２インピーダンス変換器１１ａ，１１ｂからの平衡出力信号をそれぞれ電流増幅するものであり、このバッファ回路１２ａ，１２ｂは必要に応じて配置される。

そして、最終段のバッファ回路１４ａ，１４ｂには、それぞれホット側端子Ｏｕｔ（＋）およびコールド側端子Ｏｕｔ（−）が備えられ、この各端子にコンデンサマイクロホンの音声信号が平衡出力され、グランドラインＧＮＤがシールドに接続される図示せぬ平衡シールドケーブルを介してミキサー回路などの外部機器に伝送されるように作用する。

なお、バッファ回路１４ａのホット側端子Ｏｕｔ（＋）と、定電圧電源回路１５ａとの間、またバッファ回路１４ｂのコールド側端子Ｏｕｔ（−）と、定電圧電源回路１５ｂとの間には、それぞれ図示せぬ抵抗素子が備えられ、前記したミキサー回路などの外部機器に備えられたファントム給電装置から送られる動作電流を、前記したそれぞれの抵抗素子を介して各定電圧電源回路１５ａ，１５ｂに供給するように構成されている。
そして、一方の定電圧電源回路１５ａからの出力電圧は、前記符号１１ａ〜１４ａで示す各回路の動作電源Ｖｃｃとして利用され、また他方の定電圧電源回路１５ｂからの出力電圧は、前記符号１１ｂ〜１４ｂで示す各回路の動作電源Ｖｃｃとして利用される。

以上の説明で明らかなとおり、前記した実施の形態によると、コンデンサマイクロホンユニットを構成する固定極２−振動板１間の静電容量の変化に基づく電気信号を、それぞれ第１と第２のインピーダンス変換器１１ａ，１１ｂによって正負の出力信号として平衡出力するように構成される。

すなわち、初段の前記インピーダンス変換器を含めて正負の出力信号を平衡出力するように構成されるので、インピーダンス変換器の後段に接続される前記したバッファ回路１２ａ，１２ｂや、ファントム給電装置からの動作電流を受けるバッファ回路１４ａ，１４ｂを含む信号伝送路は、すべて同一回路の平衡伝送路として構成することができる。
これにより、外来ノイズについて十分な対策を図ることができると共に、音声信号の品質を十分に確保したコンデンサマイクロホンを提供することができるなど、前記した発明の効果の欄に記載したとおりの作用効果を得ることができる。

１振動板
２固定極
１１ａ，１１ｂインピーダンス変換器
１２ａ，１２ｂバッファ回路
１４ａ，１４ｂバッファ回路
１５ａ，１５ｂ定電圧電源回路
Ｑ１ａ，Ｑ１ｂＦＥＴ
Ｒ１ａ〜Ｒ４ｂ抵抗素子
Ｒ５高抵抗素子
Ｅ１成極電源
Ｕ１コンデンサマイクロホンユニット

Claims

固定極に対峙して振動板が配置された単一のコンデンサマイクロホンユニットと、
前記固定極に一端が接続された第１抵抗素子と、
前記第１抵抗素子の他端に一方の端部が接続され、第１抵抗素子を介して前記固定極に負または正電位を供給する第１成極電源と、
前記コンデンサマイクロホンユニットの前記固定極に接続されて、当該固定極に生成される第１電気信号を出力する第１ＦＥＴを含む第１インピーダンス変換器と、
前記固定極と第１インピーダンス変換器の第１ＦＥＴとの間に接続され、前記第１成極電源から前記第１ＦＥＴへの直流電圧の印加を阻止する第１直流カットコンデンサと、
前記振動板に一端が接続された第２抵抗素子と、
前記第２抵抗素子の他端に一方の端部が接続され、第２抵抗素子を介して前記振動板に正または負電位を供給する第２成極電源と、
前記コンデンサマイクロホンユニットの前記振動板に接続されて、当該振動板に生成される第２電気信号を出力する第２ＦＥＴを含む第２インピーダンス変換器と、
前記振動板と第２インピーダンス変換器の第２ＦＥＴとの間に接続され、前記第２成極電源から前記第２ＦＥＴへの直流電圧の印加を阻止する第２直流カットコンデンサとが備えられ、
前記第１成極電源と第２成極電源の他方の端部が、それぞれグランド接続されて、前記第１電気信号と第２電気信号が、前記単一のコンデンサマイクロホンユニットによる音声信号として平衡出力されることを特徴とするコンデンサマイクロホン。
前記第１電気信号と第２電気信号の位相は互いに逆相であることを特徴とする請求項１に記載されたコンデンサマイクロホン。
前記第１インピーダンス変換器における第１ＦＥＴのゲート端子が前記第１直流カットコンデンサを介して前記固定極に接続され、ソース端子より前記第１電気信号を出力するソースフォロア回路を構成し、前記第２インピーダンス変換器における第２ＦＥＴのゲート端子が前記第２直流カットコンデンサを介して前記振動板に接続され、ソース端子より前記第２電気信号を出力するソースフォロア回路をそれぞれ構成したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載されたコンデンサマイクロホン。
前記第１インピーダンス変換器より出力される第１電気信号と、前記第２インピーダンス変換器より出力される第２電気信号とが、平衡シールドケーブルを介して外部機器に伝送されることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載されたコンデンサマイクロホン。
前記第１インピーダンス変換器と第２インピーダンス変換器の後段にそれぞれホット側端子とコールド側端子を備えるバッファ回路を接続し、前記ホット側端子とコールド側端子に前記第１電気信号と第２電気信号を出力することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載されたコンデンサマイクロホン。