JP6270625B2 - 可変指向性エレクトレットコンデンサマイクロホン - Google Patents

Description

この発明は、２つのマイクロホンユニットを背中合わせに備えることで、可変指向性の機能を備えたコンデンサマイクロホンに関し、特にコンデンサマイクロホンユニットにエレクトレットを用いると共に、音声信号を不平衡（アンバランス）出力する可変指向性エレクトレットコンデンサマイクロホンに関する。

指向性を可変できるマイクロホンとして、それぞれにカージオイド特性を有するマイクロホンユニットを、前後に背中合わせに配置したものが提案されている。
一般的にコンデンサマイクロホンは、ダイナミックマイクロホンに比較して広帯域の集音に適しており、かつ指向周波数応答に優れている。
このようなコンデンサマイクロホンの特質を活かし、各コンデンサマイクロホンユニットに加える成極電圧を加減することによって可変指向性を実現させたものが、非特許文献１に開示されている。

一方、本件出願人は前記非特許文献１に開示されたコンデンサマイクロホンにおける技術的な課題を解消した可変指向性コンデンサマイクロホンについて、先に特許出願をしており、これは特許文献１に開示されている。
この特許文献１に開示されたコンデンサマイクロホンによれば、非特許文献１に開示されたコンデンサマイクロホンのように、前後の振動板を交流結合することにより生ずる出力感度の低下、Ｓ／Ｎの劣化を防止することができる。

前記した非特許文献１および特許文献１に開示された成極電圧を必要とする２つのコンデンサマイクロホンユニットを用いる場合においては、インピーダンス変換器等の回路を動作させる５〜２０Ｖ程度の直流電源を利用して、６０Ｖ以上の成極電圧をＤＣ−ＤＣコンバータ等により得るように構成する必要がある。
これによれば、コンデンサマイクロホンユニットに前記したＤＣ−ＤＣコンバータ等の付帯的な構成も備える必要があり、コストが上昇することは免れない。

そこで本件出願人は、２つのコンデンサマイクロホンユニットにエレクトレット誘電体膜を用いた可変指向性コンデンサマイクロホンについても特許出願をしており、これは特許文献２に開示されている。
この特許文献２に開示された可変指向性コンデンサマイクロホンによれば、２つのコンデンサマイクロホンユニットの出力を、可変容量コンデンサ（バリコン）によって結合することで、連続的に指向性を変化させることができるマイクロホンを実現させることができる。

Ｍｉｃｈａｅｌ Ｇａｙｆｏｒｄ著「Ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ ｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅ ｗｉｔｈ ｖａｒｉａｂｌｅ ｐｏｌａｒ ｒｅｓｐｏｎｓｅ」 Ｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｈａｎｄｂｏｏｋ（ｐ３２，Ｆｉｇｕｒｅ１．１８）

特開２０１２−６５１４７号公報 特開２００８−１１８２６０号公報

ところで前記した特許文献１には、成極電圧を不要とするエレクトレットコンデンサマイクロホンユニットを用いた可変指向性コンデンサマイクロホンの例についても開示されている。この特許文献１に開示されたエレクトレットコンデンサマイクロホンユニットを用いた例によると、利得が“１”で入出力の位相が反転する位相反転増幅器を備え、利得が“１”で入出力の位相が非反転の非反転増幅器の出力も利用して、これらの出力を選択する位相調整手段が採用されている。したがって前記した位相調整手段を備えることは、その回路構成を複雑にする問題を抱えているため、改良の余地がある。

また、前記した特許文献２に開示された可変指向性コンデンサマイクロホンによると、２つのエレクトレットコンデンサマイクロホンユニットの出力を、可変容量コンデンサ（バリコン）によって結合する構成が採用されているため、外部振動が可変容量コンデンサに加わった場合に静電容量が変化し、これが雑音発生の要因となる。
したがって前記した可変容量コンデンサに作用する外部振動の対策が必要となり、この点で改良の余地がある。

一方、民生用マイクロホンの多くは、その音声信号は回路構成が簡単な不平衡（アンバランス）出力方式を採用しており、これを受ける民生用のミキサー回路もしくは増幅器のマイクロホン入力端子も、その多くは低いコストで実用化できる不平衡入力方式が採用されている。

したがってこの発明は、２つのマイクロホンユニットを前後に背中合わせ状態に配置して指向性を可変するエレクトレットコンデンサマイクロホンの前記した問題点を解消すると共に、音声信号を不平衡（アンバランス）出力する可変指向性エレクトレット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。

前記した課題を解決するためになされたこの発明に係る可変指向性エレクトレットコンデンサマイクロホンの一つの好ましい形態は、第１、第２固定極が互いに非導通状態で背中合わせに対向配置され、前記第１、第２固定極にそれぞれ一定の間隔をおいて第１、第２振動板が前記第１、第２固定極に対向して配置された電気的に独立した第１、第２エレクトレットコンデンサマイクロホンユニットと、前記第１固定極に入力端子が接続された第１インピーダンス変換器と、前記第１インピーダンス変換器の出力端子と第２インピーダンス変換器の入力端子との間に選択的に接続される直流カットコンデンサと、少なくとも第１指向性モードから第３指向性モードを択一的に選択可能な指向性可変スイッチとが備えられ、前記指向性可変スイッチにより第１指向性モードを選択したとき、前記第１インピーダンス変換器の出力端子と前記第２インピーダンス変換器の入力端子との間に前記直流カットコンデンサが直列接続され、前記指向性可変スイッチにより第２指向性モードを選択したとき、前記第１インピーダンス変換器の出力端子に前記第２固定極が接続されると共に、前記第２インピーダンス変換器の入力端子に前記第２振動板が接続され、前記指向性可変スイッチにより第３指向性モードを選択したとき、前記第１インピーダンス変換器の出力端子に前記第２振動板が接続されると共に、前記第２インピーダンス変換器の入力端子に前記第２固定極が接続され、前記第１振動板は常時接地されて、前記第２インピーダンス変換器の出力端子より音声信号の不平衡出力が導出されることを特徴とする。

また，前記した課題を解決するためになされたこの発明に係る可変指向性エレクトレットコンデンサマイクロホンの他の一つの好ましい形態は、第１、第２固定極が互いに非導通状態で背中合わせに対向配置され、前記第１、第２固定極にそれぞれ一定の間隔をおいて第１、第２振動板が前記第１、第２固定極に対向して配置された電気的に独立した第１、第２エレクトレットコンデンサマイクロホンユニットと、前記第１振動板に入力端子が接続された第１インピーダンス変換器と、前記第１インピーダンス変換器の出力端子と第２インピーダンス変換器の入力端子との間に選択的に接続される直流カットコンデンサと、少なくとも第１指向性モードから第３指向性モードを択一的に選択可能な指向性可変スイッチとが備えられ、前記指向性可変スイッチにより第１指向性モードを選択したとき、前記第１インピーダンス変換器の出力端子と前記第２インピーダンス変換器の入力端子との間に前記直流カットコンデンサが直列接続され、前記指向性可変スイッチにより第２指向性モードを選択したとき、前記第１インピーダンス変換器の出力端子に前記第２振動板が接続されると共に、前記第２インピーダンス変換器の入力端子に前記第２固定極が接続され、前記指向性可変スイッチにより第３指向性モードを選択したとき、前記第１インピーダンス変換器の出力端子に前記第２固定極が接続されると共に、前記第２インピーダンス変換器の入力端子に前記第２振動板が接続され、前記第１固定極は常時接地されて、前記第２インピーダンス変換器の出力端子より音声信号の不平衡出力が導出されることを特徴とする。

この場合、前記いずれの形態においても、前記直流カットコンデンサの静電容量が、前記第２エレクトレットコンデンサマイクロホンユニットにおける第２振動板と第２固定極との間の静電容量に等しく設定されていることが望ましい。

そして、好ましい形態においては、前記指向性可変スイッチとして、２連動型の３接点切替えスイッチを好適に利用することができる。

この発明にかかる前記した可変指向性エレクトレットコンデンサマイクロホンによると、第１と第２エレクトレットコンデンサマイクロホンユニットに加えて、第１と第２のインピーダンス変換器、直流カットコンデンサおよび指向性可変スイッチとしての切替スイッチとが備えられる。これにより、音声信号の不平衡出力を実現した可変指向性エレクトレットコンデンサマイクロホンを提供することができる。
したがって、この発明に係る可変指向性エレクトレットコンデンサマイクロホンによると、先に説明した特許文献１に開示された例に比較して、位相反転増幅器などの特別な回路構成を備える必要はなく、回路構成を簡素化させることができる。

また、この発明に係る可変指向性エレクトレットコンデンサマイクロホンによると、先に説明した特許文献２に開示された例に比較して、可変容量コンデンサ（バリコン）を採用することによって生ずる振動による雑音発生の問題を解消することができ、かつ回路構成を簡素化させることにも寄与できる。

この発明に係る可変指向性エレクトレットコンデンサマイクロホンの第１の実施の形態を示すブロック図である。 図１に示す構成において利用されるインピーダンス変換器の一例を示した結線図である。 図１に示す構成において第１指向性モードを選択したときの等価回路図である。 同じく第２指向性モードを選択したときの等価回路図である。 同じく第３指向性モードを選択したときの等価回路図である。 この発明に係る可変指向性エレクトレットコンデンサマイクロホンの第２の実施の形態を示すブロック図である。

この発明にかかる可変指向性エレクトレット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。
図１は、第１の実施の形態を示したものであり、電気的に独立した二つのエレクトレットコンデンサマイクロホンユニットを前後に備えて構成されている。なおこの二つのエレクトレットコンデンサマイクロホンユニットは、矢印０ｄｅｇで示す集音軸側を前側ユニットＵｆと称呼し、反対側を後側ユニットＵｂと称呼する。

そして、前側ユニットＵｆと後側ユニットＵｂを構成する第１と第２の固定極１ｆ，１ｂが互いに非導通状態で背中合わせに配置され、前記第１と第２の固定極１ｆ，１ｂにそれぞれ一定の間隔をおいて第１と第２の振動板２ｆ，２ｂが対向して配置されている。
なお、この実施の形態においては、前記第１と第２の固定極１ｆ，１ｂにおける各振動板２ｆ，２ｂに対峙する面には、それぞれエレクトレット誘電体膜３ｆ，３ｂが備えられて、それぞれバックエレクトレット方式によるエレクトレットコンデンサマイクロホンユニットを構成している。

図１に示すＦ１，Ｆ２は第１と第２のインピーダンス変換器であり、これらは図２に具体的な回路構成で示したように、共に同一の回路構成により形成されている。
すなわち図２に示すように、第１と第２のインピーダンス変換器Ｆ１，Ｆ２には、バイアス回路内蔵型のＦＥＴＱ１が具備されている。そして、ＦＥＴＱ１のドレインには直流動作電源Ｖｄｄが供給され、またソースにはソース抵抗Ｒｓが接続されてソースフォロア回路を構成している。そして、符号ｉｎはインピーダンス変換器の入力端子を示し、符号ｏｕｔはインピーダンス変換器の出力端子を示している。
なお、ＦＥＴＱ１のゲートとソースとの間には、逆並列に接続されたダイオードＤ１，Ｄ２および抵抗Ｒｂが接続されており、これらはＦＥＴＱ１のゲートバイアスを生成するものである。

図１に示すように、第１インピーダンス変換器Ｆ１の出力端子には、直流カットコンデンサＣｂが接続されている。この直流カットコンデンサＣｂは、その他端部が後述する指向性可変スイッチを介して第２のインピーダンス変換器Ｆ２の入力端子に接続される場合において、直流カットの機能を果たす。
これにより、第１インピーダンス変換器Ｆ１の出力端子の直流レベルと、第２インピーダンス変換器Ｆ２の入力端子の直流レベルの相異により発生する機能障害を阻止する機能を果たす。

また、図１に示す符号ＳＷ１，ＳＷ２は、２連動型の３接点切替えスイッチであり、これは第１指向性モードから第３指向性モードを、択一的に選択する指向性可変スイッチとして機能する。
そして、スイッチＳＷ１，ＳＷ２が符号Ｃで示すポジションを選択した場合には、単一指向性（Ｃａｒｄｉｏｉｄ特性）に設定され、またスイッチＳＷ１，ＳＷ２が符号ＢＩで示すポジションを選択した場合には、双指向性（Ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ特性）に設定される。さらにスイッチＳＷ１，ＳＷ２が符号Ｏで示すポジションを選択した場合には、無指向性（Ｏｍｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ特性）に設定される。
これらの選択に基づく指向性の切替え作用は、図３〜図５に基づいて後で説明する。

図１に示すように前側ユニットＵｆを構成する第１固定極１ｆは、第１インピーダンス変換器Ｆ１の入力端子に接続されており、第１インピーダンス変換器Ｆ１の出力端子は、前記した直流カットコンデンサＣｂの一端部に接続されると共に、第１スイッチＳＷ１の可動接点に接続されている。そして、直流カットコンデンサＣｂの他端部は、第２スイッチＳＷ２の固定接点Ｃに接続されている。

前記後側ユニットＵｂを構成する第２固定極１ｂは、第１スイッチＳＷ１の固定接点ＢＩに接続されると共に、第２スイッチＳＷ２の固定接点Ｏに接続されている。
さらに後側ユニットＵｂを構成する第２振動板２ｂは、第１スイッチＳＷ１の固定接点Ｏに接続されると共に、第２スイッチＳＷ２の固定接点ＢＩに接続されている。

また、第２スイッチＳＷ２の可動接点は、第２インピーダンス変換器Ｆ２の入力端子に接続されており、第２インピーダンス変換器Ｆ２の出力端子は、音声信号の出力端子ＯＵＴを構成している。
一方、前側ユニットＵｆを構成する第１振動板２ｆは、接地点ＧＮＤに接続されており、したがってこの実施の形態においては、可変指向性エレクトレットコンデンサマイクロホンの音声信号の出力端子ＯＵＴは、接地点ＧＮＤとの間で不平衡（アンバランス）出力されるように構成されている。

図３〜図５は、前記した図１に示す構成において指向性可変スイッチとしての第１と第２のスイッチＳＷ１，ＳＷ２を、単一指向性Ｃ、双指向性ＢＩ、無指向性Ｏにそれぞれ選択した場合の等価回路図を示している。また、この等価回路図に加えて、前側ユニットＵｆと後側ユニットＵｂによって得られるポーラパターンの加減算の様子を示している。

すなわち、指向性可変スイッチが第１指向性モードである単一指向性Ｃを選択した場合には、図３に示したように第１インピーダンス変換器Ｆ１の出力端子と第２インピーダンス変換器Ｆ２の入力端子との間に、前記した直流カットコンデンサＣｂが直列接続された状態になされる。

この接続構成によると、前側ユニットＵｆによる音声信号が、第１インピーダンス変換器Ｆ１、直流カットコンデンサＣｂ、第２インピーダンス変換器Ｆ２を介して音声信号出力端子ＯＵＴに出力されることになる。
したがって、図３にポーラパターンで示すように前側ユニットＵｆによる音声信号のポーラパターンが、音声信号出力端子ＯＵＴにそのまま出力され、これにより単一指向性の特性を得ることができる。

なお、前記した直流カットコンデンサＣｂは、後側ユニットＵｂを構成する第２振動板２ｂと第２固定極１ｂとの間の静電容量にほぼ等しく設定されていることが望ましい。
すなわち、この種のコンデンサマイクロホンにおける振動板と固定極との間の静電容量は、数十ｐＦ前後であり、前記直流カットコンデンサＣｂの静電容量も同じく数十ｐＦ前後のものが用いられる。

これは、次に説明する図４および図５に記載のように、第１インピーダンス変換器Ｆ１と第２インピーダンス変換器Ｆ２との間に、後側ユニットＵｂによる第２固定極１ｂと第２振動板２ｂとの間の静電容量が挿入される構成に対して、音声信号の伝送系が電気的に等価となるように設定するためである。

次に、指向性可変スイッチが第２指向性モードである双指向特性ＢＩを選択した場合には、図４に示したように前記第１インピーダンス変換器Ｆ１の出力端子に、前記第２固定極１ｂが接続されると共に、前記第２インピーダンス変換器Ｆ２の入力端子に前記第２振動板２ｂが接続される。

この接続構成によると、前側ユニットＵｆによる第１インピーダンス変換器Ｆ１からの信号が、前記第２固定極１ｂに加わる結果、前側ユニットＵｆによる信号から、後側ユニットＵｂによる信号が減算されて音声信号出力端子ＯＵＴに出力されることになる。
したがって、図４にポーラパターンで示すように、前側ユニットＵｆによる信号のポーラパターンから後側ユニットＵｂによる信号のポーラパターンが減算され、これにより双指向性を得ることができる。

さらに、指向性可変スイッチが第３指向性モードである無指向性Ｏを選択した場合には、図５に示したように前記第１インピーダンス変換器Ｆ１の出力端子に、第２振動板２ｂが接続されると共に、前記第２インピーダンス変換器Ｆ２の入力端子に前記第２固定極１ｂが接続される。

この接続構成によると、前側ユニットＵｆによる第１インピーダンス変換器Ｆ１からの信号が、前記第２振動板２ｂに加わる結果、前側ユニットＵｆによる信号に、後側ユニットＵｂによる信号が加算されて音声信号出力端子ＯＵＴに出力されることになる。
したがって、図５にポーラパターンで示すように前側ユニットＵｆによる信号のポーラパターンに後側ユニットＵｂによる信号のポーラパターンが加算され、これにより無指向性を得ることができる。

図６は、この発明にかかる可変指向性エレクトレットコンデンサマイクロホンの第２の実施の形態を示したものである。
この図６に示す例においては、すでに説明した図１に示す例に対して、前側ユニットＵｆにおける第１固定極１ｆと第１振動板２ｆの接続が相互に入れ替わって接続され、また後側ユニットＵｂにおける第２固定極１ｂと、第２振動板２ｂの接続も相互に入れ替わって接続されている。

すなわち、前側ユニットＵｆを構成する第１振動板２ｆが、第１インピーダンス変換器Ｆ１の入力端子に接続されると共に、第１固定極１ｆは接地点ＧＮＤに接続されている。
また、後側ユニットＵｂを構成する第２振動板２ｂは、第１スイッチＳＷ１の固定接点ＢＩに接続されると共に、第２スイッチＳＷ２の固定接点Ｏに接続されている。
さらに後側ユニットＵｂを構成する第２固定極１ｂは、第１スイッチＳＷ１の固定接点Ｏに接続されると共に、第２スイッチＳＷ２の固定接点ＢＩに接続されている。
その他の構成については、図１に示した構成と同一である。

この図６に示す構成によると、矢印０ｄｅｇで示す集音軸が後側ユニットＵｂの正面側になされる点で、図１に示す可変指向性エレクトレットコンデンサマイクロホンと異なるものの、それぞれの指向性の切替え動作は、図３〜図５に示した等価回路図と同様である。また図６に示す構成によると、ポーラパターンの集音軸が図３〜図５に示した例に対して左右に反転することになるが、加減算の様子は図３〜図５に示した例と同様となる。

１ｆ 第１固定極
１ｂ 第２固定極
２ｆ 第１振動板
２ｂ 第２振動板
３ｆ エレクトレット誘電体膜
３ｂ エレクトレット誘電体膜
Ｕｆ 前側ユニット（第１エレクトレットコンデンサマイクロホンユニット）
Ｕｂ 後側ユニット（第２エレクトレットコンデンサマイクロホンユニット）
Ｆ１ 第１インピーダンス変換器
Ｆ２ 第２インピーダンス変換器
Ｃｂ 直流カットコンデンサ
ＳＷ１ 第１スイッチ（指向性可変スイッチ）
ＳＷ２ 第２スイッチ（指向性可変スイッチ）
ＯＵＴ 音声信号出力端子
ＧＮＤ 接地点

Claims (4)

1. 第１、第２固定極が互いに非導通状態で背中合わせに対向配置され、前記第１、第２固定極にそれぞれ一定の間隔をおいて第１、第２振動板が前記第１、第２固定極に対向して配置された電気的に独立した第１、第２エレクトレットコンデンサマイクロホンユニットと、
   前記第１固定極に入力端子が接続された第１インピーダンス変換器と、
   前記第１インピーダンス変換器の出力端子と第２インピーダンス変換器の入力端子との間に選択的に接続される直流カットコンデンサと、
   少なくとも第１指向性モードから第３指向性モードを択一的に選択可能な指向性可変スイッチとが備えられ、
   前記指向性可変スイッチにより第１指向性モードを選択したとき、前記第１インピーダンス変換器の出力端子と前記第２インピーダンス変換器の入力端子との間に前記直流カットコンデンサが直列接続され、
   前記指向性可変スイッチにより第２指向性モードを選択したとき、前記第１インピーダンス変換器の出力端子に前記第２固定極が接続されると共に、前記第２インピーダンス変換器の入力端子に前記第２振動板が接続され、
   前記指向性可変スイッチにより第３指向性モードを選択したとき、前記第１インピーダンス変換器の出力端子に前記第２振動板が接続されると共に、前記第２インピーダンス変換器の入力端子に前記第２固定極が接続され、
   前記第１振動板は常時接地されて、前記第２インピーダンス変換器の出力端子より音声信号の不平衡出力が導出されることを特徴とする可変指向性エレクトレットコンデンサマイクロホン。
2. 第１、第２固定極が互いに非導通状態で背中合わせに対向配置され、前記第１、第２固定極にそれぞれ一定の間隔をおいて第１、第２振動板が前記第１、第２固定極に対向して配置された電気的に独立した第１、第２エレクトレットコンデンサマイクロホンユニットと、
   前記第１振動板に入力端子が接続された第１インピーダンス変換器と、
   前記第１インピーダンス変換器の出力端子と第２インピーダンス変換器の入力端子との間に選択的に接続される直流カットコンデンサと、
   少なくとも第１指向性モードから第３指向性モードを択一的に選択可能な指向性可変スイッチとが備えられ、
   前記指向性可変スイッチにより第１指向性モードを選択したとき、前記第１インピーダンス変換器の出力端子と前記第２インピーダンス変換器の入力端子との間に前記直流カットコンデンサが直列接続され、
   前記指向性可変スイッチにより第２指向性モードを選択したとき、前記第１インピーダンス変換器の出力端子に前記第２振動板が接続されると共に、前記第２インピーダンス変換器の入力端子に前記第２固定極が接続され、
   前記指向性可変スイッチにより第３指向性モードを選択したとき、前記第１インピーダンス変換器の出力端子に前記第２固定極が接続されると共に、前記第２インピーダンス変換器の入力端子に前記第２振動板が接続され、
   前記第１固定極は常時接地されて、前記第２インピーダンス変換器の出力端子より音声信号の不平衡出力が導出されることを特徴とする可変指向性エレクトレットコンデンサマイクロホン。
3. 前記直流カットコンデンサの静電容量が、前記第２エレクトレットコンデンサマイクロホンユニットにおける第２振動板と第２固定極との間の静電容量に等しく設定されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された可変指向性エレクトレットコンデンサマイクロホン。
4. 前記指向性可変スイッチが、２連動型の３接点切替えスイッチにより構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された可変指向性エレクトレットコンデンサマイクロホン。

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