JP2009246635A - コンデンサーマイクロホンユニットおよびコンデンサーマイクロホン - Google Patents

Abstract

【課題】音響系を含む制御系に用いるのに適したコンデンサーマイクロホンユニットを得るために、例えば、１ｋＨｚ以下というような比較的低い周波数帯で用いるのに適し、高い周波数帯域の信号レベルをフィルタによって減衰させることを不要とする。
【解決手段】音波を受けて振動する振動板３と、振動板３と対向させて配置され振動板３とともにコンデンサーを構成する対向電極４と、ハウジング１内に振動板３と対向電極４を保持する絶縁ホルダ５と、対向電極４の背面側に形成されている前側空気室８１と、絶縁ホルダ５の背面側に形成されている後ろ側空気室８２と、絶縁ホルダ５に形成されていて前側空気室８１と後ろ側空気室８２を連通する音響端子５１と、音響端子５１に付加された音響抵抗部材９と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、コンデンサーマイクロホンユニットおよびコンデンサーマイクロホンに関するもので、特に、音響系を含む制御系に用いるのに適したものである。

音響系を含む制御系にマイクロホンを用いる場合がある。例えば、ノイズキャンセルシステム、ノイズキャンセルヘッドホンなどに用いられるアクティブ（能動）・ノイズ・コントロールはその一つである。また、主としてスピーカシステムに用いられるモーショナルフィードバック（ＭＦＢ）もその一つである。このような、電気音響変換器であるマイクロホンを用いた制御系では、音波の伝播速度が遅いことから、可聴周波数帯域では主に１ｋＨｚ以下の比較的低い周波数帯で用いられる。

上記制御系は主として音圧制御に用いられることから、無指向性コンデンサーマイクロホンが用いられる。無指向性コンデンサーマイクロホンの制御方式は弾性制御方式であり、主要な周波数帯域での周波数応答は平坦で、位相回転も極めて少ない、というのがその理由である。一般的には、上記無指向性コンデンサーマイクロホンとして、市販の無指向性エレクトレットコンデンサーマイクロホンユニットが用いられる。しかしながら、小口径のエレクトレットコンデンサーマイクロホンユニットの場合、周波数応答は良好であるが、有効面積が小さく、浮遊容量が大きいことから、固有雑音の等価音圧レベルが高い、すなわち、Ｓ／Ｎ比が悪い、という問題がある。

上記の問題を解消するために、振動板の後部にある空気室の容積を大きくして感度を高くすることが考えられる。しかし、かかる構成によれば、感度が向上する反面、高域共振周波数が低い周波数になることから、位相回転の問題で制御系の安定性が損なわれ、制御系の発振などが発生しやすいという難点がある。また、１ｋＨｚ以上の周波数まで平坦な周波数応答が得られることから、１ｋＨｚ以下の比較的低い周波数帯で用いるためには、高い周波数の信号レベルを電気的にフィルタで低下させる必要がある。

図５は、音響系を含む制御系に用いられる単一無指向性コンデンサーマイクロホンユニットの従来例を示す。図５において、円筒形状のユニットケース１は前端（図５において左端）に内向きのフランジ１１を有する。ユニットケース１内には、その前端側から順に、振動板ホルダ２、振動板３、スペーサ（図示を省略）、対向電極４、絶縁ホルダ５、固定板７が嵌められている。振動板３は例えば樹脂製の薄膜からなり、音波を受けることによって振動する。振動板ホルダ２はリング状の部材で、このホルダ２の後面に、振動板３が適宜の張力をもってその周縁部が固着されている。振動板３と対向電極４の間には上記スペーサが介在してこのスペーサの厚さ分の空間が生じている。振動板３または対向電極４はこれらの対向面にエレクトレット素子すなわち半永久的に電荷を蓄えた高分子化合物による薄層が形成され、振動板３と対向電極４とでコンデンサーを構成している。

固定板７は、絶縁ホルダ５の後面から後方に伸びて固定板７に嵌まっている筒部５２を前方に押し、絶縁ホルダ５は対向電極４、上記スペーサ、振動板３、振動板リング２を順に前方に押し、振動板リング２をユニットケース１の内向きフランジ１１に押し付けている。この状態で固定板７がユニットホルダ１の後端開口部内周に嵌められて固定され、各構成部材が上記の順にユニットケース１内に固定されている。絶縁ホルダ５の筒部５２には円柱状の引き出し電極６が挿入され、引き出し電極６の前端が対向電極４に当接して対向電極４と電気的に一体につながり、振動板３と対向電極４とで構成される上記コンデンサーの一方の端子を構成している。振動板３は、振動板ホルダ２を介してユニットホルダ１と電気的につながっていて、ユニットホルダ１は上記コンデンサーの他方の端子を構成している。対向電極４には適宜数の孔が形成されていて、これらの孔は音響端子４１を構成している。この音響端子４１は、振動板３と対向電極４との間に形成されている隙間と、対向電極４と絶縁ホルダ５の前面との間に形成されている空気室８とを連通させている。

周知のとおり、振動板３が音波を受けて振動すると、振動板３と対向電極４とで構成されるコンデンサーの容量が変化し、ＦＥＴなどからなるインピーダンス変換回路を含む電気回路を経て電圧の変化による音声信号が出力される。ここで、振動板３に加わる音圧をＰ_０、振動板３のスティフネスをｓ_０、振動板３の質量をｍ_０、振動板３と対向電極４との間に形成されている狭い隙間の抵抗をｒ_０、対向電極４と絶縁ホルダ５の前面との間に形成されている空気室８のスティフネスをｓ_１とすると、上記コンデンサーマイクロホンユニットは、図６に示すように、Ｐ_０に対し、ｍ_０、ｓ_０、ｒ_０、ｓ_１が直列に接続されたのと等価となる。

図７は上記従来のコンデンサーマイクロホンユニットの周波数応答すなわち周波数に対する出力のレベルの実測値を示す。図７（ａ）は実測時のイメージを示しており、スピーカから周波数を変えながら一定の音圧の音波を発生させ、これを所定距離離れた位置に設置したコンデンサーマイクロホンで受けて電気信号に変換し、その出力レベルを測定した。測定した結果を図７（ｂ）に示す。図７（ｂ）において、「０°」の曲線は、図７（ａ）に示すようにマイクロホンをスピーカに正対させて測定して得られた曲線、「９０°」の曲線はマイクロホンを図７（ａ）において紙面と平行な面内で９０°回転させ測定して得られた曲線、「１８０°」の曲線は、マイクロホンを図７（ａ）において１８０°回転させて測定して得られた曲線をそれぞれ示す。１８０°で使用することは考えられないが、参考までに測定してその結果を示している。図７（ｂ）に示すとおり、また、これを後述の本願発明の実施例にかかるコンデンサーマイクロホンの実測値と比較すれば明らかなとおり、低周波数帯での出力レベルが低下傾向にある。

前述のとおり、音響系を含む制御系では、主に１ｋＨｚ以下の比較的低い周波数帯で用いられるが、上記従来のコンデンサーマイクロホンユニットによれば、１ｋＨｚ以下の低い周波数帯での出力レベルが低下傾向にあるため、音響系を含む制御系のセンサとして好ましいものではない。よって、前述のように、高い周波数の信号レベルをフィルタで電気的に低下させる必要がある。

音響系を含む制御系に無指向性コンデンサーマイクロホンを用いた例が、特許文献１および特許文献２に記載されている。特許文献１記載のものはバイオリン類から音をピックアップするために無指向性コンデンサーマイクロホンを用いたものである。特許文献２記載のものは、車両のガラス破損時に生ずる急激な負圧を検出する圧力センサとして無指向性コンデンサーマイクロホンを使用したものである。これらの特許文献は、無指向性コンデンサーマイクロホンの使用例として挙げたもので、本願発明の技術内容とは無関係である。

本発明と技術的に関連のある先行技術として、特許文献３および特許文献４記載の発明がある。特許文献３記載の発明は、コンデンサーマイクロホンユニットを、対向状態に設けた一対の音波入り口を備えたケーシング内に収納し、上記一対の音波入り口に対応する外部連通路の一方にこの連通路を開閉するスイッチを設け、このスイッチの開閉操作によって、指向性と無指向性とを選択的に可変とした携帯電話用マイクロホンに関するものである。
特許文献４記載の発明は、振動板と対向する対向電極（バックプレート）の背部と外部とを連通する通路を形成し、この通路に、例えばボルトをねじ込んで、このボルトのねじ込み量を変えることによって上記通路の音響インピーダンスを変えるといった調整機構を設けてなるエレクトレットコンデンサーマイクロホンユニットに関するものである。

特開２００７−３１００４２号公報 特開２００５−１２８６２０号公報 特開平１０−２９０４９１号公報 特開平６−３３９１８２号公報

特許文献３記載の発明は、騒音の多い場所でより明瞭な通話を可能とするとともに公共の場所で小声での通話を可能にするために、マイクロホンユニットを、指向性のあるものと、指向性を持たないものとに切り替えることを可能にしたものであって、本願発明のように、音響系を含む制御系に用いるのに適したコンデンサーマイクロホンユニットを得るというものではない。
特許文献４記載の発明は、無指向性のエレクトレットコンデンサーマイクロホンユニットにおいて、個々のマイクロホンユニットにおける音響インピーダンス特性のばらつきを所定の特性に容易に調整できるようにするために、対向電極の背部と外部とを連通する通路の音響インピーダンスを調整する機構を設けたものであって、本願発明のように、音響系を含む制御系に用いるのに適したコンデンサーマイクロホンユニットを得るというものではない。

本発明は、音響系を含む制御系に用いるのに適したコンデンサーマイクロホンユニットを得るために、例えば、１ｋＨｚ以下というような比較的低い周波数帯で用いるのに適し、高い周波数帯域の信号レベルをフィルタによって減衰させる必要のないコンデンサーマイクロホンユニットおよびこれを用いたコンデンサーマイクロホンを提供することを目的とする。
本発明はまた、感度および周波数応答を変えることができるコンデンサーマイクロホンユニットおよびこれを用いたコンデンサーマイクロホンを提供することを目的とする。

本発明は、音波を受けて振動する振動板と、振動板と対向させて配置され上記振動板とともにコンデンサーを構成する対向電極と、ハウジング内に上記振動板と対向電極を保持する絶縁ホルダと、上記対向電極の背面側に形成されている前側空気室と、上記絶縁ホルダの背面側に形成されている後ろ側空気室と、上記絶縁ホルダに形成されていて前側空気室と後ろ側空気室を連通する音響端子と、上記音響端子に付加された音響抵抗部材と、を備えていることを最も主要な特徴とする。

コンデンサーマイクロホンユニットにおいて、対向電極の背面側に空気室を形成することは普通に行われているが、本発明は、これに加えて上記空気室の後ろ側に別の空気室を形成し、絶縁ホルダに形成した音響端子を介して前側の空気室と連通させている。つまり、対向電極の背面側に音響端子を介して連通した複数の空気室が形成されていることになる。後ろ側空気室を付加することによって、対向電極の背面側の空気室が実質的に拡大され、例えば、１ｋＨｚ以下というような比較的低い周波数帯の周波数応答が向上し、音響系を含む制御系用として望ましい特性のコンデンサーマイクロホンユニットを得ることができる。それのみでなく、本願発明によれば、絶縁ホルダの音響端子に付加されている音響抵抗を適宜の値のものに変更可能であり、これによって周波数応答特性を変えることができる。また、後ろ側空気室の容量を可変とすることにより、周波数応答特性を調整することもできる。

以下、本発明にかかるコンデンサーマイクロホンユニットおよびコンデンサー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において、円筒形状のユニットケース１は前端（図１において左端）に内向きのフランジ１１を有する。ユニットケース１内には、その前端側から順に、振動板ホルダ２、振動板３、スペーサ（図示を省略）、対向電極４、絶縁ホルダ５、固定板７が嵌められている。振動板３は例えば樹脂製の薄膜からなり、音波を受けることによって振動する。振動板ホルダ２はリング状の部材で、このホルダ２の後面に、振動板３が適宜の張力をもってその周縁部が固着されている。振動板３と対向電極４の間には上記スペーサが介在してこのスペーサの厚さ分の空間が生じている。スペーサは、薄い膜状の絶縁体を、振動板ホルダ２の寸法にほぼ合わせて打ち抜くなどの加工法によってリング状に形成されている。スペーサは薄いため、図面上では明確な描写はされていない。振動板３または対向電極４はこれらの対向面にエレクトレット素子すなわち半永久的に電荷を蓄えた高分子化合物による薄層が形成され、振動板３と対向電極４とでコンデンサーを構成している。

絶縁ホルダ５はその背面中央から後方に伸びた筒部５２を一体に有している。固定板７は、絶縁ホルダ５の上記筒部５２に嵌まって絶縁ホルダ５と一体的に結合されている。固定板７は、絶縁ホルダ５の上記筒部５２を前方に押し、絶縁ホルダ５は対向電極４、上記スペーサ、振動板３、振動板リング２を順に前方に押し、振動板リング２をユニットケース１の内向きフランジ１１に押し付けている。この状態で固定板７がユニットホルダ１の後端開口部内周に嵌められて固定され、各構成部材が上記の順にユニットケース１内に位置決めされて固定されている。絶縁ホルダ５の筒部５２には円柱状の引き出し電極６が挿入され、引き出し電極６の前端が対向電極４に当接して対向電極４と電気的に一体につながり、振動板３と対向電極４とで構成される上記コンデンサーの一方の端子を構成している。振動板３は、振動板ホルダ２を介してユニットホルダ１と電気的につながっていて、ユニットホルダ１は上記コンデンサーの他方の端子を構成している。

上記対向電極４には適宜数の孔が形成されていて、これらの孔は音響端子４１を構成している。この音響端子４１は、振動板３と対向電極４との間に形成されている隙間と、対向電極４と絶縁ホルダ５の前面との間に形成されている空気室８１とを連通させている。対向電極４の背面側には、上記空気室８１のほかに空気室８２が形成されていて、この実施例の一つの特徴的な構成になっている。以下、上記空気室８１を「前側空気室」、空気室８２を「後ろ側空気室」という。

前側空気室８１は、絶縁ホルダ５の前面側に凹陥部が形成されることにより形成されている。対向電極４には複数の孔からなる音響端子４１が形成されていて、上記前側空気室８１は、上記音響端子４１を通じて、振動板３と振動板ホルダ２との間に形成されている隙間と連通している。上記後ろ側空気室８２は、絶縁ホルダ５の背面側に形成されている。絶縁ホルダ５には、前側空気室８１と後ろ側空気室８２を連通する複数の孔が形成されていて、これらの孔は音響端子５１を構成している。絶縁ホルダ５の背面側には、上記各音響端子５１を塞ぐ態様で音響抵抗部材９が添えられている。音響抵抗部材９は、マイクロホンユニットの製造過程において、またはメンテナンス時に、適宜の音響抵抗値を有するものに交換可能である。

前記固定板７はハウジング１の後端開口部内周に嵌められ、この固定板７には、前述のように、絶縁ホルダ５の筒部５２が固定板７を貫通した態様で一体に嵌められている。後ろ側空気室８２は、ハウジング１の内周面と絶縁ホルダ５と固定板７により区画されて形成されている。ハウジング１に対する固定板７の相対位置関係を調整可能にすることにより、後ろ側空気室８２の容積ないしは容量を調整し、後述の周波数応答特性を調整することができるようになっている。固定板７は例えばプリント配線基板で構成してもよいし、固定板７にプリント配線基板を固着してもよい。プリント配線基板には、図示されないＦＥＴなどを含むインピーダンス変換回路などを組み込むことができる。上記インピーダンス変換回路は、振動板３と対向電極４とで構成されるコンデンサーで電気音響変換された音声信号の出力インピーダンスを低インピーダンスに変換して出力する。

以上説明したコンデンサーマイクロホンユニットの実施例によれば、低い周波数帯域においては、対向電極３の背部に直列的に複数の空気室８１，８２を設け、音響回路の構成を、上記複数の空気室８１，８２が音響抵抗９を介して直列的に接続された構成にしたため、低い周波数帯域では複数の空気室８１，８２の容積を合わせた容積で作動することから、低い周波数帯域での感度を向上させることができる。高い周波数帯域に対しては、振動板３に近い側の空気室８１だけで動作するため、高い周波数帯域の感度は相対的に低くなる。

図２は上記実施例の等価回路を示す。図２において、Ｐ_０は振動板３に加わる音圧を、ｓ_０は振動板３のスティフネスを、ｍ_０は振動板３の質量を、ｒ_０は振動板３と対向電極４との間に形成されている狭い隙間の抵抗を、ｓ_１は対向電極４と絶縁ホルダ５の前面との間に形成されている空気室８１のスティフネスを、ｒ_１は音響抵抗９の抵抗値を、ｓ_２は後ろ側空気室８２のスティフネスをそれぞれ示している。図２を、図６に示す従来例の等価回路と比較すれば明らかなように、ｒ_１とｓ_２からなる直列回路がｓ_１に対し並列的に接続された回路構成になっている。つまり、等価回路においても、前側空気室８１が音響抵抗を介して後ろ側空気室８２と並列的に付加された形になっている。

図２に示す等価回路において、高域の周波数の音波については、破線の矢印Ａで示すように、空気室８１のスティフネスｓ_１のみが動作するが、高域の周波数の音波については、破線の矢印Ｃで示す空気室８１のスティフネスｓ_１と破線の矢印Ｂで示す空気室８２のスティフネスｓ_２の両者が動作するため、前述のとおり、低い周波数帯域での感度が向上し、高い周波数帯域の感度は相対的に低くなる。図３は、コンデンサーマイクロホンユニットの周波数応答すなわち周波数に対する出力のレベルの実測値を、本発明の上記実施例の場合と前記従来例の場合とを比較して示す。曲線Ｘが本発明の上記実施例の場合、曲線ＹとＺが従来例の場合で、曲線Ｙは０°すなわちマイクロホンを測定用スピーカに正対させた場合、曲線Ｚはマイクロホンを９０°回転させた場合の測定値を示す。

図４は、コンデンサーマイクロホンユニットの周波数応答を無指向性成分のみについて実測した結果を、本発明の上記実施例の場合と前記従来例の場合とを比較して示す。曲線Ｘ_０が本発明の上記実施例の場合、曲線Ｚが従来例の場合である。測定用スピーカに対しマイクロホンを９０°回転させた態様で測定した。後ろ側空気室８２を付加したことによって、５ｋＨｚ付近から１ｋＨｚ付近まで音波の周波数が低下するに従い、６ｄＢ／ｏｃｔ程度の割合で感度が向上し、５００Ｈｚ以下ではほぼフラットになっている。図３および図４に示す曲線から明らかなように、本発明の上記実施例によれば、低い周波数帯域での感度が向上していることが明らかであり、音響系を含む制御系の音波センサとして好適であることが分かる。

なお、図３、図４、図７に示す曲線は、いずれも直径１０ｍｍの単一指向性マイクロホンユニットを用いた実測値である。固有雑音はマイクロホンユニットの音響抵抗が発生する抵抗雑音とインピーダンス変換器を構成するＦＥＴが発生する雑音であり、前側空気室８１に後ろ側空気室８２を追加しただけでは固有雑音のレベルは変化しない。このことから、低域周波数帯においては、感度が向上した分Ｓ／Ｎ比が改善されたことになる。また、低域周波数帯において感度が向上することにより、相対的に高域周波数帯の周波数応答が低くなることから、電気回路によるフィルタ回路が不要になる利点がある。

図示の実施例では、対向電極４の背後の空気室が、前側空気室８１と後ろ側空気室８２の二つの空気室からなっているが、対向電極４の背後の空気室は複数であればよく、三つでも、四つでも、それ以上でもよい。これらの空気室は、音響抵抗を介して相互に連通する。前記音響抵抗部材９は、マイクロホンユニットの製造工程またはメンテナンス時に適宜の音響抵抗値のものに交換することにより、周波数応答特性を調整することができる。

本発明にかかるコンデンサーマイクロホンは、図１に示すコンデンサーマイクロホンユニットをマイクロホンケースに組み込み、さらに、回路基板、マイクロホンコネクタなどを組み込むことによって得ることができる。

本発明にかかるコンデンサーマイクロホンユニットの実施例を示す縦断面図である。 上記実施例の音響等価回路図である。 マイクロホンユニットの周波数応答について示すもので、（ａ）は周波数応答の測定態様を示すモデル図、（ｂ）は上記実施例にかかるマイクロホンユニットと従来のマイクロホンユニットの周波数応答特性を比較して示す特性線図である。 マイクロホンユニットの無指向性成分の周波数応答について示すもので、（ａ）は測定態様を示すモデル図、（ｂ）は上記実施例にかかるマイクロホンユニットと従来のマイクロホンユニットの周波数応答特性を比較して示す特性線図である。 従来のコンデンサーマイクロホンユニットの例を示す縦断面図である。 上記従来例の音響等価回路図である。 従来のコンデンサーマイクロホンユニットの周波数応答について示すもので、（ａ）は周波数応答の測定態様を示すモデル図、（ｂ）は周波数応答特性を示す特性線図である。

符号の説明

１ ユニットケース
２ 振動板ホルダ
３ 振動板
４ 対向電極
５ 絶縁ホルダ
６ 引き出し電極
７ 固定板
８ 空気室
９ 音響抵抗部材
４１ 音響端子
５１ 音響端子
８１ 前側空気室
８２ 後ろ側空気室

Claims (11)

1. 音波を受けて振動する振動板と、
   上記振動板と対向させて配置され上記振動板とともにコンデンサーを構成する対向電極と、
   ハウジング内に上記振動板と対向電極を保持する絶縁ホルダと、
   上記対向電極の背面側に形成されている前側空気室と、
   上記絶縁ホルダの背面側に形成されている後ろ側空気室と、
   上記絶縁ホルダに形成されていて前側空気室と後ろ側空気室を連通する音響端子と、
   上記音響端子に付加された音響抵抗部材と、を備えているコンデンサーマイクロホンユニット。
2. 前側空気室は、絶縁ホルダの前面側に凹陥部が形成されることにより形成されている請求項１記載のコンデンサーマイクロホンユニット。
3. 前側空気室は、対向電極に形成されている音響端子を通じて振動板と振動板ホルダとの間に形成されている隙間と連通している請求項１記載のコンデンサーマイクロホンユニット。
4. ハウジングの前端部には内向きのフランジが形成されていて、絶縁ホルダは上記フランジに向かって対向電極を押している請求項１記載のコンデンサーマイクロホンユニット。
5. ハウジングの後端開口部には固定板が嵌められ、この固定板には絶縁ホルダが一体に嵌められている請求項１記載のコンデンサーマイクロホンユニット。
6. ハウジングの内周面と絶縁ホルダと固定板によって後ろ側空気室が形成されている請求項５記載のコンデンサーマイクロホンユニット。
7. 音響抵抗部材は、音響抵抗値が異なるものに交換可能である請求項１記載のコンデンサーマイクロホンユニット。
8. 後ろ側空気室は一つの空気室からなる請求項１記載のコンデンサーマイクロホンユニット。
9. 後ろ側空気室は複数の空気室からなり、各後ろ側空気室は音響端子を介して連通している請求項１記載のコンデンサーマイクロホンユニット。
10. 固定板はハウジングに対して位置調整可能であり、位置調整によって後ろ側空気室の容量を調整可能である請求項５記載のコンデンサーマイクロホンユニット。
11. マイクロホンケース内にコンデンサーマイクロホンユニットが組み込まれてなるコンデンサーマイクロホンであって、上記コンデンサーマイクロホンユニットは請求項１乃至１０のいずれかに記載されているコンデンサーマイクロホンユニットであるコンデンサーマイクロホン。

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