JP6499444B2

JP6499444B2 - コンデンサマイクロフォン及びそれに用いるマイク回路

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Publication number: JP6499444B2
Application number: JP2014262971A
Authority: JP
Inventors: 竜平根本; 亮近藤
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2014-12-25
Filing date: 2014-12-25
Publication date: 2019-04-10
Anticipated expiration: 2034-12-25
Also published as: JP2016123028A

Description

本発明は、静電容量の変化を利用して音声または音響を電気信号に変換するコンデンサ型のマイクロフォンおよびそれに用いるマイク回路に関する。

近年、半導体基板上にウエハプロセスを用いてモノリシックに作り込まれるMEMS（Micro Electro Mechanical System）マイクロフォンが、小型・薄型化、高耐熱性および量産性をはかれる利点から、携帯電話機等のモバイル機器向けに普及している。

MEMSマイクロフォンは、コンデンサマイクロフォンの一種であり、音圧を受けて振動する可動電極と音圧を受けても静止状態を保つ固定電極とをギャップを介して平行に配置し（それによってコンデンサを形成し）、可動電極の振動に応じた静電容量の変化を電圧信号つまり音響電気変換信号として取り出すようにしている。一般的に、MEMSマイクロフォンの音響電気変換素子またはMEMSマイクロフォン素子は、音波を直接受ける表側の固定電極に多数の孔（開口）を形成し、それらの孔を通過した音の圧力によって内側の可動電極を振動させる仕組みになっており、可動電極の背後に音響共振器を形成する空洞（バックチャンバー）を一体に有している。

MEMSマイクロフォンは、エレクトレット方式のコンデンサマイクロフォン（ＥＣＭ）とは異なり、電極間の静電容量に電荷を蓄えるには、ＤＣ（直流）バイアス電圧の印加を必要とする。通常は、可動電極にＤＣバイアス電圧が印加され、固定電極より音響電気変換信号が取り出される。MEMSマイクロフォン素子より出力された音響電気変換信号は、初段のアンプまたはプリアンプに入力され、そこでインピーダンス変換を受け、所定の利得で増幅される。この場合、プリアンプの入力端子とグランド電位との間に寄生容量が存在する。MEMSマイクロフォン素子の静電容量は非常に小さいので、それに比して寄生容量が相当大きい場合は、マイク感度を下げる原因にもなる。このため、プリアンプの寄生容量は可及的に小さいのが望ましい。

一方、MEMSマイクロフォンにおいて、プリアンプの入力端子と基準電位（通常グランド電位）との間に接続されるバイアス用のクランプ素子としては、高い抵抗値と短時間での安定性を求められることから、アンチ・パラレル・ダイオード・ペア（ＡＰＤＰ）が多く用いられている。ＡＰＤＰは、一対のダイオードがそれぞれの極性を互いに逆向きにして並列に接続される回路である。これら一対のダイオードのうち、逆方向に印加される一方のダイオードは、降伏電圧以下の信号電圧に対して高抵抗として働く。順方向に印加される他方のダイオードも、オン電圧以下の信号電圧に対しては高抵抗として作用する。

特開２０１３−８５０２５

一般に、MEMSマイクロフォンのメジャーな感度はおおよそ-40[dBV/Pa]近辺である。たとえば、マイク感度-42dBVは、１パスカルの音の圧力に対してマイクロフォンより-42dBV=7.9mVrmsの信号電圧が出力されることを意味する（ただし、プリアンプの増幅率は１（利得０dB）と仮定する）。ここで、基準となる１パスカルの圧力は、94dBVsplの音圧レベルに相当し、人が大声で会話するときの音量である。もちろん、マイクの基本性能として、高い感度だけでなく、良好な音質特性も求められることに関しては、MEMSマイクロフォンも例外ではない。

ところが、従来のコンデンサマイクロフォン（特にMEMSマイクロフォン）においては、日常的にめずらしくない大きめ（たとえば124dBVspl以上）の音圧を入力すると、出力信号に歪が生じて音質特性（特に再現性）が著しく低下することが問題となっている。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、相当大きめの音圧を入力しても歪まない再現性に優れた音信号を出力できるコンデンサマイクロフォンおよびそれに用いるマイク回路を提供する。

本発明の第１の観点におけるマイク回路は、ギャップを介して向かい合って配置される可動電極および固定電極を有し、入力する音圧に応じた前記可動電極および前記固定電極間の静電容量の変化を第１の信号に変換するコンデンサ型のマイクロフォン素子に電気的に接続され、前記第１の信号に対して一定の信号処理を行うマイク回路であって、入力端子が前記マイクロフォン素子の出力端子に接続される第１の増幅回路と、前記第１の増幅回路より出力される第２の信号の振幅値を監視し、前記第２の信号の振幅値が所定の監視値を超えた時に前記第１の信号に対して相対的に低い振幅値と逆位相の波形を有する第３の信号を前記可動電極または前記固定電極のいずれかに印加し、前記第２の信号の振幅値が前記監視値を超えない時は前記第３の信号を前記可動電極または前記固定電極のいずれにも印加しない振幅制御回路とを有する。

また、本発明の第１の観点におけるマイクロフォンは、ギャップを介して向かい合って配置される可動電極および固定電極を有し、入力する音圧に応じた前記可動電極および前記固定電極間の静電容量の変化を第１の信号に変換するコンデンサ型のマイクロフォン素子と、入力端子が前記マイクロフォン素子の出力端子に接続される第１の増幅回路と、前記第１の増幅回路より出力される第２の信号の振幅値を監視し、前記第２の信号の振幅値が所定の監視値を超えた時に前記第１の信号に対して相対的に低い振幅値と逆位相の波形を有する第３の信号を前記可動電極または前記固定電極のいずれかに印加し、前記第２の信号の振幅値が前記監視値を超えない時は前記第３の信号を前記可動電極または前記固定電極のいずれにも印加しない振幅制御回路とを有する。

上記第１の観点におけるマイク回路またはマイクロフォンにおいては、第１の増幅回路より出力される第２の信号の振幅値が監視値を超えていない時は、振幅制御回路よりマイクロフォン素子に第３の信号は供給されない。これにより、マイクロフォン素子で音響電気変換により生成された第１の信号がそのまま第１の増幅回路に入力される。しかし、第２の信号の振幅値が監視値を超えた時は、振幅制御回路の働きにより、マイクロフォン素子で生成された音響電気変換により生成された第１の信号に振幅制御回路からの第３の信号を足し合わせた和信号が第１の増幅回路に入力され、負帰還がかけられる。

本発明の第２の観点におけるマイク回路は、ギャップを介して向かい合って配置される可動電極および固定電極を有し、入力する音圧に応じた前記可動電極および前記固定電極間の静電容量の変化を第１の信号に変換するコンデンサ型のマイクロフォン素子に電気的に接続され、前記第１の信号に対して一定の信号処理を行うマイク回路であって、入力端子が前記マイクロフォン素子の出力端子に接続される第１の増幅回路と、前記第１の増幅回路より出力される第２の信号の振幅値を監視し、前記第２の信号の振幅値が所定の監視値を超えた時に前記第１の信号に対して相対的に低い振幅値と逆位相の波形を有する第３の信号を前記可動電極または前記固定電極のいずれかに印加する振幅制御回路とを有し、前記第１の増幅回路の入力端子と基準電位との間にバイアス用のクランプ素子が接続され、前記クランプ素子はアンチ・パラレル・ダイオード・ペアであり、前記監視値は、前記第１の増幅回路に入力される信号の振幅値が前記アンチ・パラレル・ダイオード・ペアのオン電圧に達しないうちに前記第２の信号の振幅値が達するレベルに設定される。
上記構成のマイク回路においては、第１の増幅回路の入力端子と基準電位との間に接続されるクランプ素子がアンチ・パラレル・ダイオード・ペアで構成される。このアンチ・パラレル・ダイオード・ペアは、オン電圧以下の信号電圧に対して高抵抗として働く。そして、第１の増幅回路より出力される第２の信号の振幅値が監視値を超えた時は、振幅制御回路の働きにより、マイクロフォン素子で生成された音響電気変換により生成された第１の信号に振幅制御回路からの第３の信号を足し合わせた和信号が第１の増幅回路に入力され、負帰還がかけられる。上記監視値は第１の増幅回路に入力される信号の振幅値がアンチ・パラレル・ダイオード・ペアのオン電圧に達しないうちに第２の信号の振幅値が達するレベルに設定されているので、第１の増幅回路に入力される信号がクランプ素子でクリップされることはない。

本発明の第３の観点におけるマイク回路は、ギャップを介して向かい合って配置される可動電極および固定電極を有し、入力する音圧に応じた前記可動電極および前記固定電極間の静電容量の変化を第１の信号に変換するコンデンサ型のマイクロフォン素子に電気的に接続され、前記第１の信号に対して一定の信号処理を行うマイク回路であって、入力端子が前記マイクロフォン素子の出力端子に接続される第１の増幅回路と、前記第１の増幅回路より出力される第２の信号の振幅値を監視し、前記第２の信号の振幅値が所定の監視値を超えた時に前記第１の信号に対して相対的に低い振幅値と逆位相の波形を有する第３の信号を前記可動電極または前記固定電極のいずれかに印加する振幅制御回路とを有し、前記振幅制御回路は、前記第１の増幅回路より出力された前記第２の信号を正または負の利得で増幅する第２の増幅回路を有する。
また、本発明の第３の観点におけるマイクロフォンは、ギャップを介して向かい合って配置される可動電極および固定電極を有し、入力する音圧に応じた前記可動電極および前記固定電極間の静電容量の変化を第１の信号に変換するコンデンサ型のマイクロフォン素子と、入力端子が前記マイクロフォン素子の出力端子に接続される第１の増幅回路と、前記第１の増幅回路より出力される第２の信号の振幅値を監視し、前記第２の信号の振幅値が所定の監視値を超えた時に前記第１の信号に対して相対的に低い振幅値と逆位相の波形を有する第３の信号を前記可動電極または前記固定電極のいずれかに印加する振幅制御回路とを有し、前記振幅制御回路は、前記第１の増幅回路より出力された前記第２の信号を正または負の利得で増幅する第２の増幅回路を有する。

上記第３の観点におけるマイク回路またはマイクロフォンにおいては、第１の増幅回路より出力される第２の信号の振幅値が監視値を超えた時は、振幅制御回路の働きにより、マイクロフォン素子で生成された音響電気変換により生成された第１の信号に振幅制御回路からの第３の信号を足し合わせた和信号が第１の増幅回路に入力され、負帰還がかけられる。この場合、振幅制御回路は、第２の増幅回路によって負帰還の利得制御を行うことができる。

本発明のコンデンサマイクロフォンまたはマイク回路によれば、上記のような構成および作用により、相当大きな音圧を入力しても歪まない音声信号を出力することが可能であり、再現性に優れた良好な音質特性が得られる。

本発明の基本構成を示すブロック図である。本発明の一実施形態におけるコンデンサマイクロフォンの構成を示すブロック図である。上記コンデンサマイクロフォンに用いられるMEMSマイクロフォン素子の要部の構成を模式的に示す図である。上記MEMSマイクロフォン素子より出力される音響電気信号の波形を模式的に示す図である。上記コンデンサマイクロフォンに含まれる制御部の一構成例を示すブロック図である。上記コンデンサマイクロフォンに含まれる可変減衰器および反転増幅器の利得特性を示す図である。上記コンデンサマイクロフォンにおける主たる作用を模式的に説明するための図である。上記コンデンサマイクロフォンにおける主たる作用を模式的に説明するための図である。上記コンデンサマイクロフォンにおける主たる作用を模式的に説明するための図である。上記コンデンサマイクロフォンにおいてシミュレーションによって得られた各部の波形を示す図である。一変形例における振幅制御回路の要部の構成を示すブロック図である。別の変形例における振幅制御回路の要部の構成を示すブロック図である。

［基本構成］
図１に示すように、本発明のコンデンサマイクロフォンは、基本的な構成要素として、コンデンサ型のマイクロフォン素子１０と、このマイクロフォン素子１０に電気的に接続されるマイク回路１２とを有する。

マイクロフォン素子１０は、コンデンサ型の音響電気変換素子として構成されており、音圧に応じた可動電極および固定電極間の静電容量の変化を電圧信号または音響電気変換信号（第１の信号）ｍｓに変換する。マイク回路１２は、マイクロフォン素子１０で生成される音響電気変換信号ｍｓに対して一定の信号処理（たとえば、インピーダンス変換、増幅、振幅制御、アナログ−ディジタル変換、ノイズ除去処理の中の１つ以上）を行う。マイク回路１２は、少なくとも初段の増幅回路またはプリアンプ１４と振幅制御回路１６とを有する。

プリアンプ１４は、その入力端子がマイクロフォン素子１０の出力端子に接続され、マイクロフォン素子１０からの電圧信号またはプリアンプ入力信号ＡＳに対して、高インピーダンスから低インピーダンスへのインピーダンス変換を行うとともに、一定の利得（通常は０dB以上）で信号増幅を行う。

振幅制御回路１６は、プリアンプ１４より出力される電圧信号またはプリアンプ出力信号（第２の信号）ＭＳの振幅値を監視し、その振幅値が所定の監視値Ｋを超えた時に音響電気変換信号ｍｓに対して相対的に低い振幅と逆位相（極性反転）の波形を有する電圧信号または逆相信号（第３の信号）ｃｓ_-をマイクロフォン素子１０の片側の電極（好ましくは出力端子側の電極と反対側の電極）に印加するようになっている。

より詳細には、プリアンプ出力信号ＭＳの振幅値が監視値Ｋを超えていない時は、振幅制御回路１６よりマイクロフォン素子１０に逆相信号ｃｓ_-は供給されない。したがって、マイクロフォン素子１０で生成された音響電気変換信号ｍｓがそのままプリアンプ入力信号ＡＳとしてプリアンプ１４に入力される。しかし、プリアンプ出力信号ＭＳの振幅値が監視値Ｋを超えた時は、マイクロフォン素子１０で生成された音響電気変換信号ｍｓに振幅制御回路１６からの逆相信号ｃｓ_-を足し合わせた和信号（ｍｓ＋ｃｓ_-）がプリアンプ入力信号ＡＳとしてプリアンプ１４に入力されるようになっている。

本発明の基本構成によれば、マイクロフォン素子１０が相当大きな（たとえば124dBVspl以上の）音圧を入力し、その音圧に対応した相当大きな振幅を有する音響電気変換信号ｍｓを生成しても、マイクロフォン素子１０の中または回りで音響電気変換信号ｍｓに振幅制御回路１６からの逆相信号ｃｓ_-が減算の形態で加えられることにより、音響電気変換信号ｍｓと同じ位相であって、波形が殆ど歪まずに振幅値が一定レベル以下に止まるプリアンプ入力信号ＡＳが得られる。これにより、プリアンプ１４より出力されるプリアンプ出力信号ＡＳの波形も歪まない。

バイアス用の電源回路１８は、マイクロフォン素子１０がエレクトレット（永久電荷蓄積部材）を有しない場合に、電極間に一定の電荷を蓄えるためのＤＣバイアス電圧ＢＶをマイクロフォン素子１０のいずれか片方の電極に印加する。マイクロフォン素子１０がエレクトレットを有する場合は、電源回路１８を省くことも可能である。

［実施形態の構成］

図２に、本発明の好適な一実施形態におけるコンデンサマイクロフォンの構成を示す。この実施形態におけるマイクロフォン素子１０は、MEMSマイクロフォン素子２０であり、半導体基板上にウエハプロセスを用いてモノリシックに形成された可動電極２０ａと固定電極２０ｂとを有している。

バイアス用の電源回路１８は、チャージポンプ回路２２を有し、通常は可動電極２０ａにＤＣバイアス電圧ＢＶを印加する。一般に、チャージポンプ回路は、電荷を蓄積する複数のコンデンサの接続状態（直列／並列）を一定の周期で切り替えて入力電圧を昇圧する小型で安価なＤＣ／ＤＣコンバータであるが、出力電圧にスイッチングのリップルを含みやすい。この電圧リップルは、MEMSマイクロフォン素子２０を介してプリアンプ１４に伝わりやすい。この実施形態では、チャージポンプ回路２２の出力電圧を抵抗２４とコンデンサ２６とからなるローパス・フィルタ２８に通して、ＤＣバイアス電圧ＢＶから電圧リップルを除去するようにしている。

図３に、MEMSマイクロフォン素子２０の要部の構成を示す。図示のように、MEMSマイクロフォン素子２０は、音圧を受けると振動する膜状の可動電極２０ａと振動しない剛性の固定電極２０ｂとをエアギャップを介して平行に配置し、コンデンサを形成している。音波を直接受ける表側の固定電極２０ｂには多数の孔２８が形成され、それらの孔２８を通過した音の圧力によって内側の可動電極２０ａが振動して、静電容量の変化が電圧信号つまり音響電気変換信号ｍｓに変換される。

より詳細には、可動電極２０ａが固定電極２０ｂに接近する方向に振れると、静電容量が増大する方向に変化して、音響電気変換信号ｍｓの信号電圧が低下する方向に変化する。そして、可動電極２０ａの接近がピーク値に達した時に、音響電気変換信号ｍｓの信号電圧が極小になる。直後に可動電極２０ａが固定電極２０ｂから離れる方向に振れると、静電容量が減少する方向に変化して、音響電気変換信号ｍｓの信号電圧が上昇する方向に変化する。そして、可動電極２０ａの離間がピーク値に達した時に、音響電気変換信号ｍｓの信号電圧が極大になる。これ以降も、入力される音圧の波形に応じて上記のような音響電気変換のサイクルを繰り返す。

通常、固定電極２０ｂとグランド電位との間には、高い抵抗値を有するクランプ素子３０が接続される。MEMSマイクロフォン素子２０内で上記のようにして生成される音響電気変換信号ｍｓは、可動電極２０ｂとクランプ素子３０との間のノードＮから零ボルトを基準とする交流信号として取り出される。

図４は、ある時点ｔ_sからMEMSマイクロフォン素子２０に音が入った場合にノードＮに得られる音響電気変換信号ｍｓの波形を模式的に示す。時点ｔ_s以前のノードＮは零ボルト付近の電位に保持（クランプ）されている。

なお、図３および図４では、振幅制御回路１６からの逆相信号ｃｓ_-がMEMSマイクロフォン素子２０に供給されない場合を仮定している。振幅制御回路１６からの逆相信号ｃｓ_-がMEMSマイクロフォン素子２０に供給される場合は、音響電気変換信号ｍｓに逆相信号ｃｓ_-が時間軸上で足し合わされる。

再び図２において、MEMSマイクロフォン素子２０の出力端子側の固定電極２０ｂは、たとえば演算増幅器またはＭＯＳトランジスタで構成されるプリアンプ１４の入力端子に接続されている。プリアンプ１４の入力端子とグランド電位との間には、クランプ素子３０としてＡＰＤＰが接続されている。このＡＰＤＰ３０は、それぞれの極性を互いに逆向きにして並列に接続される一対のダイオード３０ａ，３０ｂによって構成されている。

両ダイオード３０ａ，３０ｂには、MEMSマイクロフォン素子２０からのプリアンプ入力信号ＡＳの電圧が印加される。ここで、プリアンプ入力信号ＡＳの極性が正の時は、一方のダイオード３０ａにプリアンプ入力信号ＡＳの電圧が順方向に印加され、他方のダイオード３０ｂにプリアンプ入力信号ＡＳの電圧が逆方向に印加される。この場合、ダイオード３０ａはオン電圧Ｖ_F（通常数１００ミリボルト）以下の信号電圧に対して高抵抗として働き、ダイオード３０ｂは降伏電圧Ｖ_A（通常数ボルト）以下の信号電圧に対して高抵抗として働く。反対に、プリアンプ入力信号ＡＳの極性が負の時は、一方のダイオード３０ａにプリアンプ入力信号ＡＳの電圧が逆方向に印加され、他方のダイオード３０ｂにプリアンプ入力信号ＡＳの電圧が順方向に印加される。この場合、ダイオード３０ａは降伏電圧Ｖ_A以下の信号電圧に対して高抵抗として働き、ダイオード３０ｂはオン電圧Ｖ_F以下の信号電圧に対して高抵抗として働く。

別の見方をすれば、プリアンプ入力信号ＡＳの電圧が正の極性でオン電圧Ｖ_Fを超える時は、ダイオード３０ａが導通して、プリアンプ入力信号ＡＳがオン電圧Ｖ_Fでクリップされる。また、プリアンプ入力信号ＡＳの電圧が負の極性でその絶対値がオン電圧Ｖ_Fを超える時は、ダイオード３０ｂが導通して、プリアンプ入力信号ＡＳがオン電圧Ｖ_Fでクリップされる。そのときは、プリアンプ入力信号ＡＳの波形が歪み、プリアンプ１４より発生されるプリアンプ出力信号ＭＳの波形も歪む。特に、MEMSマイクロフォン素子２０の場合は、コンデンサ容量がｐＦオーダで極小さいため、ＡＰＤＰ３０で少しでも電流のリークが生じると、信号波形が大きく歪んでしまう。

この実施形態では、後に詳細に説明するように、MEMSマイクロフォン素子２０が相当大きな（たとえば124dBVspl以上の）音圧を入力し、その音圧に対応した相当大きな振幅値を有する音響電気変換信号ｍｓを生成しても、振幅制御回路１６の働きによりＡＰＤＰ３０の導通には至らないようにして、プリアンプ入力信号ＡＳないしプリアンプ出力信号ＭＳの波形が歪まないようにしている。

この実施形態における振幅制御回路１６は、可変減衰器３２、反転増幅器３４、およびスイッチ３６と、それらの利得（または減衰率）あるいはオン／オフ状態を制御する制御部３８とを有している。

可変減衰器３２は、プリアンプ１４からのプリアンプ出力信号ＭＳを入力し、たとえば電圧制御方式またはディジタル方式により、プリアンプ出力信号ＭＳを制御部３８から指示された可変の減衰率で減衰させ、プリアンプ出力信号ＭＳに対して相対的に低い振幅値を有する同位相の減衰信号ｃｓ₊を生成する。反転増幅器３４は、たとえば演算増幅器またはＣＭＯＳインバータを有し、可変減衰器３２からの減衰信号ｃｓ₊を制御部３８から指示される通常０dB以上の可変利得または固定の利得で増幅するとともに、減衰信号ｃｓ₊の極性を反転して逆相信号ｃｓ_-を生成する。スイッチ３６は、たとえばトランジスタまたはトランスミッションゲートからなり、制御部３８の制御の下でプリアンプ出力信号ＭＳの振幅値（ピーク値）が監視値Ｋ以下の時はオフ状態を保ち、プリアンプ出力信号ＭＳの振幅値（ピーク値）が監視値Ｋを超えた時にオン状態に切り替わるようになっている。

制御部３８は、図５に示すように、好適な一構成例として、エンベロープ回路４１、誤差増幅器４２、基準電圧発生回路４４、利得制御部４６および出力制御部４８を有している。エンベロープ回路４１は、プリアンプ１４からのプリアンプ出力信号ＭＳを入力し、たとえば信号ＭＳの上側ピーク値を結ぶトップエンベロープ（上側包絡線）表すトップエンベロープ信号ＴＥ_MSを生成する。誤差増幅器４２は、エンベロープ回路４１からのトップエンベロープ信号ＴＥ_MSと基準電圧発生回路４４からの監視値Ｋに対応する基準電圧Ｖ_Kとを入力し、その差分または誤差を表す誤差信号ＥＲを生成する。

基準電圧発生回路４４より与えられる基準電圧Ｖ_Kは、ＡＰＤＰ３０のオン電圧Ｖ_Fに関連した値に設定される。すなわち、MEMSマイクロフォン素子２０において生成される音響電気変換信号ｍｓの振幅値がオン電圧Ｖ_Fを超えるレベルまで増大するときは、プリアンプ入力信号ＡＳの振幅値がＡＰＤＰ３０のオン電圧Ｖ_Fに到達するよりも手前の段階でプリアンプ出力信号ＭＳの振幅値が基準電圧Ｖ_Kに到達するように設定される。一例として、プリアンプ１４の増幅率が１（0dB）、ＡＰＤＰ３０のオン電圧Ｖ_Fが300mVrmsである場合は、Ｖ_K＝240〜260mVrmsに設定されてよい。

別の実施例として、図示省略するが、プリアンプ出力信号ＭＳの下側ピーク値を結ぶボトムエンベロープ（下側包絡線）表すボトムエンベロープ信号ＢＥ_MSを生成するようにエンベロープ回路４１を構成するとともに、負極性の基準電圧−Ｖ_Kを発生するように基準電圧発生回路４４を構成しても、同様の誤差信号ＥＲを得ることが可能である。

利得制御部４６は、誤差増幅器４２より出力される誤差信号ＥＲの極性と絶対値（誤差量）を監視し、誤差信号ＥＲの極性が正の時、つまりトップエンベロープ信号ＴＥ_MSの電圧レベルが基準電圧Ｖ_K以下の時は、可変減衰器３２および反転増幅器３４に対する利得制御を休止する。

しかし、誤差信号ＥＲの極性が負になると、つまりトップエンベロープ信号ＴＥ_MSの電圧レベルが基準電圧Ｖ_Kを超えた時は、利得制御部４６が動作し、可変減衰器３２および／または反転増幅器３４に対してその超過分を零に近づける方向に負帰還の利得制御を行う。

この利得制御において、利得制御部４６は、誤差（超過）量｜ＥＲ｜が一定範囲内にあるうち（つまり、音響電気変換信号ｍｓの振幅値が監視値Ｋの２倍以下であるうち）は、反転増幅器３４の利得を固定したまま、可変減衰器３２の減衰率を可変に制御する。この場合、図６の（ａ）に示すように、誤差（超過）量｜ＥＲ｜が大きいほど、それに反比例して可変減衰器３２の減衰率を小さくする（それによって減衰信号ｃｓ₊の振幅を大きくする）利得制御が行われる。

そして、可変減衰器３２の減衰率を零まで下げても負帰還の利得制御が更に必要であるとき（つまり、音響電気変換信号ｍｓの振幅値が監視値Ｋの２倍を超えるとき）は、可変減衰器３２の減衰率を零に保持したまま、反転増幅器３４の利得を正の範囲で可変に制御する。この場合は、図６の（ｂ）に示すように、誤差（超過）量｜ＥＲ｜が大きいほど、それに比例して反転増幅器３４の増幅率を増大させる（それによって減衰信号ｃｓ₊の振幅を大きくする）利得制御が行われる。

出力制御部４８は、誤差信号ＥＲの極性が正の時、つまりエンベロープ信号ＴＥ_MSの電圧レベルが基準電圧Ｖ_K以下の時は、スイッチ３６をオフ状態に制御し、誤差信号ＥＲの極性が負の時、つまりトップエンベロープ信号ＴＥ_MSが基準電圧Ｖ_Kを超えた時に、スイッチ３６をオン状態に制御する。振幅制御回路１６よりオン状態のスイッチ３６を介して出力される逆相信号ｃｓ_-は、カップリングコンデンサ４０を通ってMEMSマイクロフォン素子２０の可動電極２０ａに印加される。カップリングコンデンサ４０は、ＤＣ的には振幅制御回路１６をMEMSマイクロフォン素子２０およびバイアス用電源回路１８から遮断する。

なお、振幅制御回路１６からの逆相信号ｃｓ_-をMEMSマイクロフォン素子２０の出力端子（ノードＮ）側の電極（固定電極）２０ｂに印加する構成も可能である。しかしながら、MEMSマイクロフォン素子２０のコンデンサ容量はｐＦオーダで極小さいため、出力端子側で音響電気変換信号ｍｓに逆相信号ｃｓ_-を重ね合わせる場合は、カップリングコンデンサ４０等の影響で音響電気変換信号ｍｓないしプリアンプ入力信号ＡＳの波形が乱されるおそれがある。したがって、上記のように振幅制御回路１６よりMEMSマイクロフォン素子２０に供給する逆相信号ｃｓ_-は、出力端子（ノードＮ）側の電極２０ｂと対向する電極２０ａに印加する構成が好ましい。

［実施形態の作用］

図７Ａ〜図７Ｃを参照して、この実施形態における主要な作用（特に振幅制御回路１６の作用）を説明する。なお、図７Ａ〜図７Ｃでは、プリアンプ１４の増幅率を１（利得０dB）と仮定している。したがって、プリアンプ入力信号ＡＳ（図示省略）は、プリアンプ出力信号ＭＳと実質的に同じ振幅および波形を有している。

MEMSマイクロフォン素子２０の受ける音圧がそれほど大きくない時は、図７Ａに示すように、プリアンプ出力信号ＭＳの振幅値またはトップエンベロープ信号ＴＥ_MSのレベルが監視値ＫのレベルＶ_Fより低いところに収まっている。この場合、振幅制御回路１６より逆相信号ｃｓ_-は出力されない。振幅制御回路１６内では、誤差増幅器４２より出力される誤差信号ＥＲの極性が正であるため、利得制御（振幅制御）は行われず、スイッチ３６もオフ状態に保持される。

この時、MEMSマイクロフォン素子２０からは、入力した音圧に対応する音響電気変換信号ｍｓがそのまま出力される。そして、音響電気変換信号ｍｓがそのままプリアンプ入力信号ＡＳ（ｍｓ）としてプリアンプ１４に入力される。この場合、プリアンプ入力信号ＡＳ（ｍｓ）の振幅値はＡＰＤＰ３０のオン電圧Ｖ_Fよりも十分低いので、クリップされることはない。したがって、プリアンプ１４の出力端子には歪みのないプリアンプ出力信号ＭＳが得られる。

MEMSマイクロフォン素子２０の受ける音圧が大きいと、図７Ｂに示すように、MEMSマイクロフォン素子２０で生成される音響電気変換信号ｍｓの振幅値も大きくなる。そうすると、プリアンプ入力信号ＡＳ（ｍｓ）の振幅値が大きくなり、プリアンプ出力信号ＭＳの振幅値も大きくなる。そして、相当大きな（たとえば124dBVspl以上の）音圧がMEMSマイクロフォン素子２０に入力され、音響電気変換信号ｍｓつまりプリアンプ入力信号ＡＳ（ｍｓ）の振幅値がＡＰＤＰ３０のオン電圧Ｖ_Fよりは低い一定値（プリアンプ１４の増幅率が１の場合は監視値Ｋ）を超えると、プリアンプ出力信号ＭＳの振幅値が監視値ＫのレベルＶ_Fを超える。

すると、振幅制御回路１６内では、誤差増幅器４２より出力される誤差信号ＥＲの極性が正から負に変わって、負帰還の利得制御（振幅制御）が開始され、スイッチ３６がオン状態に切り替わる。すなわち、上述したような利得制御部４６、可変減衰器３２および反転増幅器３４の働きにより、音響電気変換信号ｍｓに対して相対的に低い振幅と逆位相（極性反転）の波形を有する逆相信号ｃｓ_-が生成され、この逆相信号ｃｓ_-がオン状態のスイッチ３６およびカップリングコンデンサ４０を通ってMEMSマイクロフォン素子２０に供給される。これにより、MEMSマイクロフォン素子２０においては、入力した音圧ないし静電容量の変化に応じて生成される音響電気変換信号ｍｓに振幅制御回路１６からの逆相信号ｃｓ_-が重なり合う。こうして、MEMSマイクロフォン素子２０の出力端子またはノードＮには、音響電気変換信号ｍｓに逆相信号ｃｓ_-が足し合わされたもの、つまり音響電気変換信号ｍｓから減衰信号ｃｓ₊を差し引いたものに相当する電圧信号（ｍｓ＋ｃｓ_-）がプリアンプ入力信号ＡＳとして得られる。この場合も、プリアンプ入力信号ＡＳ（ｍｓ＋ｃｓ_-）の振幅値はＡＰＤＰ３０のオン電圧Ｖ_Fよりも低いので、クリップされることはない。したがって、プリアンプ１４の出力端子には歪みのないプリアンプ出力信号ＭＳが得られる。

図７Ｂおよび図７Ｃに示すように、プリアンプ出力信号ＭＳの振幅値が監視値ＫのレベルＶ_Fを超えているときは、MEMSマイクロフォン素子２０で生成される音響電気変換信号ｍｓの振幅値が大きくなるにつれて、逆相信号ｃｓ_-の振幅が大きくなり、結果としてプリアンプ入力信号ＡＳ（ｍｓ＋ｃｓ_-）の振幅値が監視値ＫのレベルＶ_Fを少し超えるレベルに止まってＡＰＤＰ３０のオン電圧Ｖ_Fには達しないように制御される。

図８に、上記実施形態について本発明者が実施したシミュレーションで得られた音響電気変換信号ｍｓ、逆相信号ｃｓ_-およびプリアンプ入力信号ＡＳの信号波形を示す。このシミュレーションでは、プリアンプ１４の増幅率を１（利得0dB）、振幅制御回路１６内の監視値Ｋ（Ｖ_K）を０．２ボルトに設定し、音響電気変換信号ｍｓの振幅値を零（ゼロ）から一定の勾配で０．４ボルト以上のレベルまで漸次的に増大させたときの各波形をオシロスコープで観察した。信号波形には正弦波を用いた。

図示のように、プリアンプ入力信号ＡＳ（つまりプリアンプ出力信号ＭＳ）の振幅値が監視値Ｋ（０．２ボルト）に達した時点（約4.2msec）から逆相信号ｃｓ_-の振幅が立ち上がる。この逆相信号ｃｓ_-の振幅値は、時間の経過と共に音響電気変換信号ｍｓの振幅値に比例して増大している。それによって、音響電気変換信号ｍｓの振幅値がますます増大しても、プリアンプ入力信号ＡＳ（ひいてはプリアンプ出力信号ＭＳ）の振幅値は監視値Ｋ（０．２ボルト）付近に抑えられている。

［他の実施形態または変形例］

上記した実施形態における振幅制御回路１６は、個別の可変減衰器３２および反転増幅器３４を備えた。しかし、可変減衰器３２および反転増幅器３４を、図９に示すような演算増幅器５０を用いる１つの反転増幅器５５で置き換えることも可能である。この場合、反転増幅器５５の利得は、入力抵抗５２の抵抗値Ｒ₅₂と負帰還抵抗５４の抵抗値Ｒ₅₄との比（Ｒ₅₄／Ｒ₅₂）で与えられる。入力抵抗５２および負帰還抵抗５４の少なくとも一方には、たとえば電圧制御方式またはディジタル方式により抵抗値を可変に制御できる可変抵抗を用いてよい。

別の変形例として、図１０に示すように、プリアンプ１４が反転増幅回路である場合は、可変減衰器３２の後段に非反転増幅器５６を設けてよい。なお、非反転増幅器５６を可変減衰器３２の前段に設ける構成も可能である。同様に、図５の回路において、反転増幅器３４を可変減衰器３２の前段に設ける構成や、スイッチ３６またはそれに相当する機能を可変減衰器３２と反転増幅器３４との間あるいはプリアンプ１４と可変減衰器３２との間に設ける構成も可能である。

本発明は、上記実施形態のようにMEMSマイクロフォンおよびそれに用いるマイク回路に好適に適用できるが、広くは任意の方式のコンデンサマイクロフォンおよびそれに用いるマイク回路に適用可能である。

１０コンデンサ型マイクロフォン素子
１２マイク回路
１４初段アンプ（プリアンプ）
１６振幅制御回路
１８バイアス用電源回路
２０ MEMSマイクロフォン素子
２８ローパス・フィルタ
３０アンチ・パラレル・ダイオード・ペア（ＡＰＤＰ）
３２可変減衰器
３４反転増幅器
３６スイッチ
３８制御部
４０カップリングコンデンサ

Claims

ギャップを介して向かい合って配置される可動電極および固定電極を有し、入力する音圧に応じた前記可動電極および前記固定電極間の静電容量の変化を第１の信号に変換するコンデンサ型のマイクロフォン素子に電気的に接続され、前記第１の信号に対して一定の信号処理を行うマイク回路であって、
入力端子が前記マイクロフォン素子の出力端子に接続される第１の増幅回路と、
前記第１の増幅回路より出力される第２の信号の振幅値を監視し、前記第２の信号の振幅値が所定の監視値を超えた時に前記第１の信号に対して相対的に低い振幅値と逆位相の波形を有する第３の信号を前記可動電極または前記固定電極のいずれかに印加し、前記第２の信号の振幅値が前記監視値を超えない時は前記第３の信号を前記可動電極または前記固定電極のいずれにも印加しない振幅制御回路と
を有するマイク回路。
ギャップを介して向かい合って配置される可動電極および固定電極を有し、入力する音圧に応じた前記可動電極および前記固定電極間の静電容量の変化を第１の信号に変換するコンデンサ型のマイクロフォン素子に電気的に接続され、前記第１の信号に対して一定の信号処理を行うマイク回路であって、
入力端子が前記マイクロフォン素子の出力端子に接続される第１の増幅回路と、
前記第１の増幅回路より出力される第２の信号の振幅値を監視し、前記第２の信号の振幅値が所定の監視値を超えた時に前記第１の信号に対して相対的に低い振幅値と逆位相の波形を有する第３の信号を前記可動電極または前記固定電極のいずれかに印加する振幅制御回路と
を有し、
前記第１の増幅回路の入力端子と基準電位との間にバイアス用のクランプ素子が接続され、
前記クランプ素子はアンチ・パラレル・ダイオード・ペアであり、前記監視値は、前記第１の増幅回路に入力される信号の振幅値が前記アンチ・パラレル・ダイオード・ペアのオン電圧に達しないうちに前記第２の信号の振幅値が達するレベルに設定される、マイク回路。
前記可動電極または前記固定電極のいずれか一方に前記第１の増幅回路の入力端子が接続され、他方に前記振幅制御回路からの前記第３の信号がカップリングコンデンサを介して印加される、請求項1または請求項２に記載のマイク回路。
ギャップを介して向かい合って配置される可動電極および固定電極を有し、入力する音圧に応じた前記可動電極および前記固定電極間の静電容量の変化を第１の信号に変換するコンデンサ型のマイクロフォン素子に電気的に接続され、前記第１の信号に対して一定の信号処理を行うマイク回路であって、
入力端子が前記マイクロフォン素子の出力端子に接続される第１の増幅回路と、
前記第１の増幅回路より出力される第２の信号の振幅値を監視し、前記第２の信号の振幅値が所定の監視値を超えた時に前記第１の信号に対して相対的に低い振幅値と逆位相の波形を有する第３の信号を前記可動電極または前記固定電極のいずれかに印加する振幅制御回路と
を有し、
前記振幅制御回路は、前記第１の増幅回路より出力された前記第２の信号を正または負の利得で増幅する第２の増幅回路を有する、マイク回路。
ギャップを介して向かい合って配置される可動電極および固定電極を有し、入力する音圧に応じた前記可動電極および前記固定電極間の静電容量の変化を第１の信号に変換するコンデンサ型のマイクロフォン素子と、
入力端子が前記マイクロフォン素子の出力端子に接続される第１の増幅回路と、
前記第１の増幅回路より出力される第２の信号の振幅値を監視し、前記第２の信号の振幅値が所定の監視値を超えた時に前記第１の信号に対して相対的に低い振幅値と逆位相の波形を有する第３の信号を前記可動電極または前記固定電極のいずれかに印加し、前記第２の信号の振幅値が前記監視値を超えない時は前記第３の信号を前記可動電極または前記固定電極のいずれにも印加しない振幅制御回路と
を有するマイクロフォン。
ギャップを介して向かい合って配置される可動電極および固定電極を有し、入力する音圧に応じた前記可動電極および前記固定電極間の静電容量の変化を第１の信号に変換するコンデンサ型のマイクロフォン素子と、
入力端子が前記マイクロフォン素子の出力端子に接続される第１の増幅回路と、
前記第１の増幅回路より出力される第２の信号の振幅値を監視し、前記第２の信号の振幅値が所定の監視値を超えた時に前記第１の信号に対して相対的に低い振幅値と逆位相の波形を有する第３の信号を前記可動電極または前記固定電極のいずれかに印加する振幅制御回路と
を有し、
前記振幅制御回路は、前記第１の増幅回路より出力された前記第２の信号を正または負の利得で増幅する第２の増幅回路を有する、マイクロフォン。
前記可動電極または前記固定電極のいずれか一方に前記第１の増幅回路の入力端子が接続され、他方に前記振幅制御回路からの前記第３の信号がカップリングコンデンサを介して印加される、請求項５または請求項６に記載のマイクロフォン。
前記第１の増幅回路の入力端子と基準電位との間にバイアス用のクランプ回路が接続される、請求項５〜７のいずれか一項に記載のマイクロフォン。