(57)【要約】【課題】  一つの振動板で音源の方向を精度よく特定できるマイクロホンを提供する。【解決手段】  マイクロホン１００は、中央部がハウジング１２に支持されており、その中央部の周囲が厚さ方向に変位可能な振動板１６を備える。振動板１６のおもて側には第１電極対群２１、２３が配置されている。振動板１６の裏側には第２電極対群３１、３３と第３電極対群４１、４３が配置されている。各電極対はキャパシタを形成する。コントローラは音波を受ける前に第２、第３電極対群が保持する静電容量が略等しくなるように第１電極対群にバイアス電圧を印加する。これによって、音波を受ける前の振動板の変形を平坦な状態に矯正する。この状態で音波を受ける。音波を受けたときの第２電極対群の静電容量の変化の位相差から音源の方向を特定する。振動板を平坦な状態に矯正してから音源の方向を特定することができるので、音源の方向を精度よく特定することができる。【選択図】  図１
2008147863.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中央部がハウジングに支持されており、その中央部の周囲が厚さ方向に変位可能な振動板と、
一方の電極群が振動板の中央部を囲む複数の位置において振動板の一方の面に固定されており、他方の電極群が夫々に対応する電極にギャップを介して向い合う位置でハウジングに固定されている第１電極対群と、
一方の電極群が振動板の中央部を囲む複数の位置において振動板の他方の面に固定されており、他方の電極群が夫々に対応する電極にギャップを介して向い合う位置でハウジングに固定されている第２電極対群と、
一方の電極群が振動板の中央部を囲む複数の位置であって第２電極対群の一方の電極群より振動板の径方向の内側の位置において振動板の他方の面に固定されており、他方の電極群が夫々に対応する電極にギャップを介して向い合う位置でハウジングに固定されている第３電極対群と、
コントローラを備えており、そのコントローラが、
第１電極対群と第２電極対群と第３電極対群の各電極対に電圧を印加し、
第２電極対群と第３電極対群の夫々の電極対が保持する静電容量を計測し、
振動板が音波を受けていないときに、第２電極対群と第３電極対群の各電極対が保持する静電容量が所定の関係を満たすように第１電極対群の各電極対に印加するバイアス電圧を調整し、
調整されたバイアス電圧を第１電極対群の各電極対に印加した状態で、振動板が音波を受けているときの第２電極対群と第３電極対群の少なくとも一方の電極対群の各電極対が保持する静電容量の変化から、音波が伝播してくる方向を特定することを特徴とするマイクロホン。
【請求項２】
中央部がハウジングに支持されており、その中央部の周囲が厚さ方向に変位可能な振動板と、
一方の電極群が振動板の中央部を囲む複数の位置において振動板の一方の面に固定されており、他方の電極群が夫々に対応する電極にギャップを介して向い合う位置でハウジングに固定されている第１電極対群と、
一方の電極群が振動板の中央部を囲む複数の位置において振動板の他方の面に固定されており、他方の電極群が夫々に対応する電極にギャップを介して向い合う位置でハウジングに固定されている第２電極対群と、
一方の電極群が振動板の中央部を囲む複数の位置であって第２電極対群の一方の電極群より振動板の径方向の内側の位置において振動板の他方面に固定されており、他方の電極群が夫々に対応する電極にギャップを介して向い合う位置でハウジングに固定されている第３電極対群と、
コントローラを備えており、そのコントローラが、
第１電極対群と第２電極対群と第３電極対群の各電極対に電圧を印加し、
第２電極対群と第３電極対群の夫々の電極対が保持する静電容量を計測し、
振動板が音波を受けていないときに、第２電極対群と第３電極対群の各電極対が保持する静電容量が所定の関係を満たすように第１電極対群の各電極対に印加するバイアス電圧を調整し、
振動板が音波を受けているときに、第２電極対群と第３電極対群の少なくとも一方の電極対群の各電極対が保持する静電容量が、振動板が音波を受けていない状態で第１電極対群の各電極対に前記バイアス電圧を印加したときの静電容量を維持する制振用電圧を第１電極対群の各電極対に印加し、
第１電極対群の各電極対に印加する制振用電圧から各電極対の前記バイアス電圧を引いた電圧から、音波が伝播してくる方向を特定することを特徴とするマイクロホン。
【請求項３】
前記所定の関係は、振動板が音波を受けておらず、かつ振動板が略平坦な状態のときに第２電極対群と第３電極対群の各電極対が保持する静電容量が満たす関係であることを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロホン。
【請求項４】
第２電極対群の各電極の面積と、第３電極対群の各電極の面積が略等しいことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のマイクロホン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音波が伝播してくる方向を特定するマイクロホンに関する。音波が伝播してくる方向を特定できるマイクロホンは、特定の方向から伝播する音のみを検出する指向性を有するマイクロホンとしても利用できる。本発明は指向性を有するマイクロホンに関する。
【背景技術】
【０００２】
音波が伝播してくる方向を特定するマイクロホンが開発されている。音波が伝播してくる方向を特定できると、特定の方向から伝播してくる音波のみを受信することができ、指向性を有するマイクロホンが実現できる。音波が伝播してくる方向を特定するマイクロホンに関して、非特許文献１の技術が知られている。
なお本明細書においてマイクロホンとは、音波を受信して電気信号に変換するものだけでなく音波が伝播してくる方向を特定する装置をも含む概念を意味する。
【０００３】
【非特許文献１】Nobutaka ONO, Akihito SAITO, Shigeru ANDO, "Design and Experiments of Bio-mimicry Sound Source Localization Sensor with Gimbal-Supported Circular Diaphragm", Proceeding of The 12th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, Boston June  8-12, 2003, pp. 939-942
【０００４】
非特許文献１のマイクロホンでは、中央部がハウジングに支持された振動板の裏面（音波を受ける面とは反対の面）に４個の電極が貼着されている。４個の電極は、振動板の中央部を囲んで周方向に沿って略等間隔に配置されている。この４個の電極に対向して４個の別の電極がハウジングに固定されている。振動板の裏面に貼着された各電極とこれに対向してハウジングに固定された各電極の間には所定長さのギャップが設けられている。振動板上の各電極とこれに対向するハウジング側の各電極との間には電圧が供給されている。振動板上の各電極とこれに対向するハウジング側の各電極によってキャパシタが形成される。振動板が振動すると振動板上の電極とこれに対向するハウジング側の電極とのギャップ長が変化する。ギャップ長の変化に応じてキャパシタの静電容量が変化する。
ある方向から音波を受けると振動板が振動する。振動板は中央部が支持されているので支持されている中央部の周囲が振動する。振動板の中央部の周囲に生じる振動は一様でなく、振幅の大きい領域と振幅が小さい領域が分布する。その分布は、音波の伝播方向に依存する。分布の経時的変化、即ち位相も音波の伝播方向に依存する。従って、振動板上の各電極とこれに対向するハウジング側の各電極のギャップ長の変化量の分布（位相を含む）は、音波が伝播してくる方向に依存して変化する。即ち、各キャパシタの静電容量の変動量の分布も音波の伝播方向に依存して変化する。従って各キャパシタの静電容量の変動量の分布から音波が伝播してくる方向を特定することができる。なお、以下では、音波が伝播してくる方向を音源の方向と称する。
非特許文献１の技術によると、一つの振動板で音源の方向を特定できる。音源の方向を特定できるマイクロホンを小型化することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一つの振動板で音源の方向を特定するマイクロホンでは、振動板はできるだけ平坦であることが好ましい。平坦な振動板は振動しやすいからである。また、振動板が平坦であると、音源の方向とギャップ長の変化量の分布との対応関係がより精密になるからである。しかしながら、中央部で支持されている振動板は、経時変化等により振動板が変形しやすい。即ち、音波を受けていないときにも振動板が変形したままとなる。また、製造公差や誤差により個々のマイクロホンの振動板には、所定の範囲ではあるものの初期変形を有する。振動板の初期変形は、音源方向を特定する際の精度を低下させる。非特許文献１には、音波を受けていない状態における振動板の変形は考慮されていない。
本願発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、一つの振動板で音源の方向を特定することができるマイクロホンであり、音波を受ける前に振動板を平坦な状態に矯正し、音源の方向を精度よく特定できるマイクロホンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願発明に係るマイクロホンは、振動板、第１電極対群、第２電極対群、第３電極対群、及びコントローラを有する。振動板は、中央部がハウジングに支持されており、その中央部の周囲が厚さ方向に変位可能である。第１電極対群の一方の電極群は、振動板の中央部を囲む複数の位置において振動板の一方の面に固定されており、他方の電極群は、夫々に対応する電極にギャップを介して向い合う位置でハウジングに固定されている。第２電極対群の一方の電極群は、振動板の中央部を囲む複数の位置において振動板の他方の面に固定されており、他方の電極群は、夫々に対応する電極にギャップを介して向い合う位置でハウジングに固定されている。第３電極対群の一方の電極群は、振動板の中央部を囲む複数の位置であって第２電極対群の一方の電極群より振動板の径方向の内側の位置において振動板の他方の面に固定されており、他方の電極群は、夫々に対応する電極にギャップを介して向い合う位置でハウジングに固定されている。コントローラは、第１電極対群と第２電極対群と第３電極対群の各電極対に電圧を印加し、第２電極対群と第３電極対群の夫々の電極対が保持する静電容量を計測する。さらにコントローラは、振動板が音波を受けていないときに、第２電極対群と第３電極対群の各電極対が保持する静電容量が所定の関係を満たすように第１電極対群の各電極対に印加するバイアス電圧を調整する。コントローラは、調整されたバイアス電圧を第１電極対群の各電極対に印加した状態で、振動板が音波を受けているときの第２電極対群と第３電極対群の少なくとも一方の電極対群の各電極対が保持する静電容量の変化から音波が伝播してくる方向を特定する。
【０００７】
第１−第３電極対群の各電極対はキャパシタを形成する。第１電極対群の各電極対が形成するキャパシタ群を第１キャパシタ群と称する。第２電極対群の各電極対が形成するキャパシタ群を第２キャパシタ群と称する。第３電極対群の各電極対が形成するキャパシタ群を第３キャパシタ群と称する。
【０００８】
キャパシタは、電圧を加えるとギャップを狭める方向にクーロン力（静電吸引力）を発生する。本発明では、このクーロン力を利用して、第１キャパシタ群を、音波を受けていない状態における振動板の変形を矯正して平坦に矯正するためのアクチュエータとして利用する。
第２キャパシタ群と第３キャパシタ群は、夫々振動板の中央部を囲む位置に配置されており、第３キャパシタ群は、第２キャパシタ群よりも径方向の内側に配置される。キャパシタは、そのギャップ長と静電容量の間に所定の関係を有する。振動板が変形すると、各キャパシタのギャップ長も変化する。従って、振動板が音波を受けておらず（即ち、振動板が振動しておらず）、かつ振動板が略平坦な状態のときには、第２、第３キャパシタ群の各キャパシタの静電容量の間には所定の関係が成立する。例えば、第２電極対群と第３電極対群の各電極の面積が等しく、振動板が変形しておらず平坦であってギャップ長が等しい場合には、第２、第３キャパシタ群の各キャパシタは略等しい静電容量を保持する関係が成立する。そこで、コントローラは、振動板が音波を受けていないときに、第２、第３キャパシタ群の静電容量の間の関係が上記の所定の関係となるように、第１キャパシタ群の各キャパシタに印加する電圧（バイアス電圧）を調整する。これにより、音波を受けていない状態における振動板の変形を矯正することができる。即ち、振動板を平坦な状態に矯正することができる。バイアス電圧を印加した状態で（即ち、音波を受けなければ振動板が平坦を維持する状態で）、振動板が音波を受けているときの第２、第３キャパシタ群の少なくとも一方のキャパシタ群の静電容量の変化から音源の方向を特定する。音波を受ける前に、振動板を平坦な状態に矯正した上で、音源の方向を特定できる。音源の方向を高精度に特定することができる。振動板が経時変化や製造誤差による変形を有するものであっても、音源の方向を高精度に特定することができる。
なお、振動板が音波を受けておらず、かつ振動板が略平坦な状態のときに第２電極対群と第３電極対群の各電極対が保持する静電容量が満たす関係は、別言すれば、振動板が音波を受けておらず、かつ振動板が略平坦な状態のときに第２電極対群と第３電極対群の各電極対が保持する静電容量の間に成立する関係である。そのような関係は、振動板が略平坦な状態にあることを特定できる関係と換言することもできる。
【０００９】
上記のマイクロホンは、特に、振動板の外周側と内周側にそれぞれ第２キャパシタ群と第３キャパシタ群を配置している。これにより、振動板がその中央部を頂点とする円錐状に変形した場合でも、第２、第３キャパシタ群の静電容量の間の関係が所定の関係となるように第１キャパシタ群の各キャパシタにバイアス電圧を印加することによって、振動板の変形を矯正し、平坦な状態にすることができる。
【００１０】
バイアス電圧を印加することで、音波を受ける前の振動板の変形を矯正することができる。音波を受ける前の振動板の変形を矯正するためのバイアス電圧とそのときの第２又は第３キャパシタの静電容量が求まれば、音源の方向を次のように特定することもできる。振動板が音波を受けているときに、第２キャパシタ群と第３キャパシタ群の少なくとも一方のキャパシタ群の静電容量が、音波を受けていない状態でバイアス電圧を印加したときの静電容量を維持する（即ち、振動板が平坦な状態を維持する）制振用電圧を第１キャパシタ群の各キャパシタに印加する。第１キャパシタ群の各キャパシタに印加した制振用電圧から夫々のキャパシタのバイアス電圧を引いた電圧から音源の方向を特定する。
制振用電圧を印加して音源の方向を特定するマイクロホンは、前述したマイクロホン本体と同じ構造の本体と、次の構造のコントローラによって実現できる。そのコントローラは、第１電極対群と第２電極対群と第３電極対群の各電極対に電圧を印加し、第２電極対群と第３電極対群の夫々の電極対が保持する静電容量を計測する。また、振動板が音波を受けていないときに、第２電極対群と第３電極対群の各電極対が保持する静電容量が所定の関係を満たすように第１電極対群の各電極対に印加するバイアス電圧を調整する。振動板が音波を受けているときに、第２電極対群と第３電極対群の少なくとも一方の電極対群の各電極対が保持する静電容量が、振動板が音波を受けていない状態で第１電極対群の各電極対に前記バイアス電圧を印加したときの静電容量を維持する制振用電圧を第１電極対群の各電極対に印加する。第１電極対群の各電極対に印加する制振用電圧から各電極対の前記バイアス電圧を引いた電圧から、音波が伝播してくる方向を特定する。
前述のマイクロホンが、音波を受ける前の振動板を平坦な状態に矯正してから音源の方向を特定するのに対して、このマイクロホンは、音波を受けている間も振動板が平坦な状態を維持するように制振制御しながら音源方向を特定する。このマイクロホンは、音波を受けている間も振動板が制振制御されているので、大きな振幅の音波を受けることができる。即ち、ダイナミックレンジの広い音源方向特定マイクロホンを実現できる。また、振動板は、音源の方向を特定する際にも制振制御されているので、振動による振動板の疲労劣化を抑制することができる。耐久性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のマイクロホンによると、一つの振動板で音源の方向を特定することができるマイクロホンであり、音波を受けていない状態における振動板の変形を矯正して音源の方向を精度よく特定することができる。
【実施例】
【００１２】
以下図面を用いて本発明に係るマイクロホンの実施例を説明する。
本実施例のマイクロホン１００は、マイクロホン本体１０とコントローラ５０から構成される。まずマイクロホン本体１０の構造を説明する。コントローラ５０については後述する。
図１は、マイクロホン本体１０の模式的断面図である。マイクロホン本体１０は、ハウジング１２と、略円形の振動板１６を備える。図２に、振動板１６をおもて側からみたときの平面図を示す。図３に、振動板１６を裏側からみたときの平面図を示す。図１に示す振動板１６の断面は、図２のＡ−Ａ線に沿ってみたとき、及び図３のＢ−Ｂ線に沿ってみたときの振動板１６の断面を示している。ここで、振動板１６のおもて側とは、図１に示すように、ハウジング１２の開口部１８に面する側であり、音波を受ける側の面をいう。
振動板１６は、その中央部１６ａがハウジング１２に固定されている。振動板１６は、その中央部１６ａの周囲が厚さ方向（図１に示す座標系のＺ方向）に変位可能な可撓性を有している。ハウジング１２のうち、振動板１６の裏面と対向している面をベース面１２ａと称する。ハウジング１２の一部は、ベース面１２ａから振動板１６の周囲を囲んでＺ方向に伸びる壁面を形成している。壁面は、振動板１６の表側で、振動板１６のおもて側の表面の周縁部を囲むように伸びている。ハウジング１２のうち、振動板１６のおもて面と対向している面を周縁カバー面１２ｂと称する。
ハウジング１２は、振動板１６のおもて側で開口部１８を有している。振動板１６は、ハウジング１２の開口部１８を通して伝播してくる音波を受けてＺ方向に振動する。
【００１３】
図２に示すように、振動板１６のおもて面には、平板状の電極２１ａ、２２ａ、２３ａ、２４ａが貼着されている。なお、図１には、電極２１ａと２３ａのみが示されており、電極２２ａ、２４ａの図示を省略している。図２に示すように、電極２１ａ−２４ａは、夫々扇形をなしており、中央部１６ａを囲む複数の位置において振動板１６のおもて面に貼着されている。電極２１ａ−２４ａは、振動板１６の周方向に沿って等間隔に配置されている。
図１に示すように、電極２１ｂが、電極２１ａに対向する位置でハウジング１２の周縁カバー面１２ｂに固定されている。同様に、電極２３ｂが、電極２３ａに対向する位置でハウジング１２の周縁カバー面１２ｂに固定されている。図示を省略しているが、電極２２ｂ、２４ｂが、夫々電極２２ａ、２４ａに対向する位置でハウジング１２の周縁カバー面１２ｂに固定されている。電極２１ａと２１ｂの間、電極２２ａと２２ｂの間、電極２３ａと２３ｂの間、及び、電極２４ａと２４ｂの間にはギャップ長ｄが設けられている。
【００１４】
図３に示すように、振動板１６の裏面には、電極３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａ、４１ａ、４２ａ、４３ａ、及び４４ａが貼着されている。なお、図１には、電極３１ａ、３３ａ、４１ａ、及び４３ａのみが示されており、電極３２ａ、３４ａ、４２ａ、及び４４ａの図示を省略している。図３に示すように、電極３１ａ−３４ａは、夫々扇形をなしており、中央部１６ａを囲む複数の位置において振動板１６の裏面に貼着されている。電極３１ａ−３４ａは、振動板１６の周方向に沿って等間隔に配置されている。また、図３に示すように、電極４１ａ−４４ａは、夫々扇形をなしており、中央部１６ａを囲む複数の位置であって、電極３１ａ−３４ａより振動板１６の径方向の内側の位置において振動板１６の裏面に貼着されている。電極４１ａ−４４ａは、振動板１６の周方向に沿って等間隔に配置されている。
図１に示すように、電極３１ｂ、３３ｂ、４１ｂ、及び４３ｂが、それぞれ電極３１ａ、３３ａ、４１ａ、及び４３ａに対向する位置でハウジング１２のベース面１２ａに固定されている。図示を省略しているが、電極３２ｂ、３４ｂ、４２ｂ、及び４４ｂが、夫々電極３２ａ、３４ａ、４２ａ、及び４４ａに対向する位置でハウジング１２のベース面１２ａに固定されている。夫々対向する電極の間にはギャップ長ｄが設けられている。なお、後述するように、このギャップ長ｄは、振動板１６が音波を受けておらず、かつ、振動板１６が変形していない平坦な状態のときのギャップ長である。
図１−図３に示す通り、電極２１ａと３１ａは、振動板１６を挟んで対向する位置に配置されている。同様に、電極２２ａと３２ａ、電極２３ａと３３ａ、及び電極２４ａと３４ａは、夫々振動板１６を挟んで対向する位置に配置されている。
全ての電極は、同じ面積を有している。
【００１５】
電極２１ａと電極２１ｂは対をなしており、電極２１ａと２１ｂを合わせて電極対２１と称する。電極２１ａと電極２１ｂは、対向して配置されているので、両電極間に電圧を印加すると、電極対２１は所定の静電容量を保持するキャパシタとして機能する。そこで以下では、電極対２１をキャパシタ２１と称する場合がある。同様に、電極３１ａと３１ｂを合わせて電極対３１、或いはキャパシタ３１と称する。他の電極についても同様の呼称を用いる。
夫々のキャパシタを形成する一対の電極は、振動板１６が音波を受けておらず、かつ変形していない平坦な状態のときに、互いに平行となっている。
振動板１６のおもて側に配置された電極対２１、２２、２３、及び２４を総称して第１電極対群２０と称する。電極対２１、２２、２３、及び２４は、夫々キャパシタ２１、２２、２３、２４と称する場合があり、これらのキャパシタ群を総称して第１キャパシタ群２０と称する場合がある。同様に、振動板１６の裏側に配置された電極対３１、３２、３３、及び３４を第２電極対群３０、或いは第２キャパシタ群３０と称する。振動板１６の裏側で第２電極対群３０より径方向の内側に配置された電極対４１、４２、４３、及び４４を第３電極対群４０、或いは第３キャパシタ群４０と称する。
【００１６】
次に、マイクロホンのコントローラ５０について説明する。図４に、コントローラ５０のブロック図を示す。図４に示す「上側電極」は、電極対群２０の各電極のうち、ハウジング１２に固定されている電極（電極２１ｂ、２２ｂ、２３ｂ、及び２４ｂ）を意味する。図４に示す「下側電極」は、電極対群３０と電極対群４０の各電極のうち、ハウジング１２に固定されている電極（電極３１ｂ、３２ｂ、３３ｂ、３４ｂ、４１ｂ、４２ｂ、４３ｂ、及び４４ｂ）を意味する。図４に示す「振動板電極」は、振動板１６に貼着されている全ての電極（電極２１ａ、２２ａ、２３ａ、２４ａ、３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａ、４１ａ、４２ａ、４３ａ、及び４４ａ）を意味する。
【００１７】
コントローラ５０は、容量検出回路５２、制振回路５４、音源方向特定回路５６を備えている。次に、各回路の概要を説明する。後に、コントローラ５０の動作について説明する。
振動板電極と下側電極の各電極は容量検出回路５２と繋がっている。即ち、第２キャパシタ群３０と第３キャパシタ群４０の各キャパシタが容量検出回路５２と繋がっている。なお、振動板電極の各電極は、コントローラ５０のグランドに接地されている。
容量検出回路５２は、第２キャパシタ群３０と第３キャパシタ群４０の各キャパシタに一定の電圧を印加するとともに（即ち、下側電極の各電極に一定の電圧を印加するとともに）、第２キャパシタ群３０と第３キャパシタ群４０の各キャパシタの静電容量を検出する。容量検出回路５２は、検出した静電容量に比例した電圧値を制振回路５４へ出力する。
制振回路５４は、容量検出回路５２が出力した電圧値が一定となるように、各上側電極に対して所定の電圧を印加する。即ち、第２キャパシタ群３０と第３キャパシタ群４０の各キャパシタが保持する静電容量が一定となるように、各上側電極へ所定の電圧を印加する。制振回路５４が出力する電圧値の求め方については後述する。
制振回路５４の出力電圧は、各上側電極に印加されるとともに、音源方向特定回路５６へ入力される。音源方向特定回路５６は、入力された電圧（制振回路５４が各上側電極へ印加する電圧）から、音源の方向を特定する。音源の方向の特定方法については後述する。
【００１８】
次に、コントローラ５０の動作について説明する。
コントローラ５０は、音源の方向を特定する前に、振動板１６が音波を受けていない状態で次の処理を実行する。コントローラ５０は、第１キャパシタ群２０の各キャパシタに印加する電圧を調整することによって、音波を受けていないときの振動板１６の平面を平坦な状態に矯正する。
【００１９】
振動板１６の変形とその矯正について説明する。振動板１６がベース面１２ａに対して平行な状態を基準状態と称する。ここでいう「変形」とは、音波を受けていないときの振動板１６の少なくとも一部が基準状態からずれることを意味する。なお、音波を受けていないときの振動板１６が基準状態からずれていない状態を、振動板１６が平坦な状態にあるという。別言すれば、「振動板１６が平坦な状態」とは、各電極対の一方の電極と他方の電極が平行な状態である。
【００２０】
各電極対の両電極の間のギャップ長ｄは、基準状態における値である。振動板１６の周辺部は、その面と直交する方向（図１のＺ方向）に可撓性を有しているため、振動板１６の中央部１６ａを除く各部位はＺ方向に変位しやすい。振動板１６が音波を受けているときは音圧によって振動板１６の各部位はＺ方向に変位するが、経時変化、あるいはマイクロホンの製造誤差によって、振動板１６の各部位は音波を受けていないときにも変形している場合がある。
各電極対の両電極間のギャップ長が変化すると、各キャパシタが保持する静電容量も変化する。なお、全ての電極は同じ面積を有しているので、各キャパシタのギャップ長が等しく、各キャパシタに印加する電圧も等しいときには、各キャパシタが保持する静電容量は等しくなる。第２キャパシタ群３０と第３キャパシタ群４０の各キャパシタには、容量検出回路５２によって一定の電圧が印加されている。従って、基準状態では、各キャパシタの静電容量は等しい。基準状態（即ち、第２キャパシタ群３０と第３キャパシタ群４０の各キャパシタのギャップ長がｄの状態）のときに、第２キャパシタ群３０と第３キャパシタ群４０の各キャパシタが保持する静電容量をＣとする。
【００２１】
今、図５に示すように、振動板１６が、音波を受けていないときに、Ｘ軸に沿って傾くように変形している場合を考える。このとき、電極対３１のギャップ長はｄより短くなる。なお、振動板１６が傾斜すると、電極対の両電極は平行でなくなり、ひとつの電極対におけるギャップ長も一定でなくなる。ここでいうギャップ長は、夫々の電極対における平均ギャップ長を意味する。
図５に示すように、振動板１６が傾いたときの電極対３１のギャップ長はｄ−Δｄ１である。電極対４１のギャップ長はｄ−Δｄ２である。振動板１６は、その中心部１６ａで支持されているので、振動板１６がＸ軸に沿って傾いた場合、図５の左側でギャップ長が短くなれば図５の右側ではギャップ長が長くなる。電極対３１のギャップ長が（ｄ−Δｄ１）のときは、中央部１６ａを挟んで電極対３１と対象の位置にある電極対３３のギャップ長は（ｄ＋Δｄ１）となる。電極対４１のギャップ長が（ｄ−Δｄ２）のときは、中央部１６ａを挟んで電極対４１と対象の位置にある電極対４３のギャップ長は（ｄ＋Δｄ２）となる。
ギャップ長と静電容量は反比例関係にあるため、ギャップ長が短くなれば静電容量は大きくなる。逆に、ギャップ長が長くなれば静電容量は小さくなる。ギャップ長が（ｄ−Δｄ１）であるキャパシタ３１の静電容量は（Ｃ＋ΔＣ１）となる。同様に、キャパシタ４１の静電容量は（Ｃ＋ΔＣ２）となり、キャパシタ４３の静電容量は（Ｃ−ΔＣ２）となり、キャパシタ３３の静電容量は（Ｃ−ΔＣ１）となる。
上述した通り、振動板１６がＸ軸に沿って傾いている場合には、図５において中心部１６ａの左側に位置するキャパシタ３１、４１の静電容量が増加し、右側に位置するキャパシタ３３、４３の静電容量が減少する。なお、振動板１６がＸ軸に沿って図５とは反対方向に傾いている場合には、図５において中心部１６ａの左側に位置するキャパシタ３１、４１の静電容量が減少し、右側に位置するキャパシタ３３、４３の静電容量が増加する。
【００２２】
キャパシタは、電圧を加えるとギャップを狭める方向にクーロン力（静電吸引力）を発生する。本実施例のマイクロホン１００では、振動板１６のおもて面に配置した第１キャパシタ群を、振動板１６の変形を矯正するアクチュエータとして利用する。図５に示すように、振動板１６がＸ軸に沿って傾斜している場合、コントローラ５０は、第１キャパシタ群のうち、静電容量が増加した右側に配置されたキャパシタ２１に対して電圧を印加する。すると、静電吸引力によって、電極２１ａが電極２１ｂに引き寄せられる。キャパシタ２１のギャップが短くなる。一方、電極２１ａが電極２１ｂに引き寄せられると、振動板１６の中心部１６ａを挟んで電極対２１と対象の位置にある電極対２３の間隔が広がる。電極２３ａと２３ｂのギャップ長が長くなる。キャパシタ２１のギャップが短くなることは即ちキャパシタ３１と４１のギャップ長が広がることを意味する。同様に、キャパシタ２３のギャップ長が広がることは即ちキャパシタ３３と４３のギャップ長が短くなることを意味する。
コントローラ５０は、第２キャパシタ群３０と第３キャパシタ群４０について、中央部１６ａの右側に位置するキャパシタの静電容量と左側に位置するキャパシタの静電容量が等しくなるまで、キャパシタ２１に印加する電圧を上げる。そうすることによって、キャパシタ３１、４１、３３、及び４３の各キャパシタのギャップ長をもとのギャップ長ｄに戻すことができる。即ち、Ｘ軸に沿って傾いた振動板１６をハウジング１２のベース面１２ａに対して平行な状態に矯正することができる。第２キャパシタ群３０と第３キャパシタ群４０の各キャパシタの静電容量が同じ値を保持するようにキャパシタ２１に印加する電圧をバイアス電圧と称する。
振動板１６がＸＹ平面に平行な線に沿って傾いている場合も同様に、第１キャパシタ群２０の所定のキャパシタに所定のバイアス電圧を印加することによって、振動板１６をハウジング１２のベース面１２ａに対して平行な状態に矯正することができる。即ち、振動板１６の変形をもとの基準状態へ矯正できる。より具体的には、第２キャパシタ群３０と第３キャパシタ群４０のキャパシタのうち、静電容量が増加したキャパシタとＺ軸方向からみて重なる位置に配置された第１キャパシタ（第１キャパシタ群２０のいずれかのキャパシタ）へ電圧を印加すればよい。
【００２３】
次に、図６に示すように、振動板１６がその中心部１６ａを頂点として円錐状に変形している場合を考える。換言すれば、振動板１６の周縁部がベース面１２ａに近づく方向に変形している場合を考える。このとき、第２キャパシタ群３０と第３キャパシタ群４０の全てのキャパシタ群のギャップ長が基準状態における長さｄより短くなる。振動板１６の外周側に位置する第２キャパシタ群３０（図６では第２キャパシタ群３０のうちキャパシタ３１と３３が示されおり、キャパシタ３２と３４は図示を省略してある）のギャップ長は（ｄ−Δｄ３）である。このとき、第２キャパシタ群３０の各キャパシタの静電容量は（Ｃ＋ΔＣ３）となる。振動板１６の径方向の内側（内周側）に位置する第３キャパシタ群４０（図６では第３キャパシタ群４０のうちキャパシタ４１と４３が示されおり、キャパシタ４２と４４は図示を省略してある）のギャップ長は（ｄ−Δｄ４）である。このとき、第３キャパシタ群４０の各キャパシタの静電容量は（Ｃ＋ΔＣ４）となる。第２キャパシタ群３０は第３キャパシタ群４０よりも外周側に位置しているので、（ｄ−Δｄ３）＜（ｄ−Δｄ４）である。これを静電容量で表すと（Ｃ＋ΔＣ３）＞（Ｃ−ΔＣ４）となる。
このときは、コントローラ５０は、第１キャパシタ群２０の全てのキャパシタに電圧を印加する。コントローラ５０は、第２キャパシタ群３０の各キャパシタの静電容量と第３キャパシタ群４０の各キャパシタの静電容量が略等しくなるまで、第１キャパシタ群の各キャパシタに印加する電圧を上げる。そうすることによって、円錐状に変形した振動板１６を平坦な状態に矯正することができる。第２キャパシタ群３０の各キャパシタの静電容量と第３キャパシタ群４０の各キャパシタの静電容量が略等しくなるときに第１キャパシタ群の各キャパシタに印加している電圧がバイアス電圧である。
【００２４】
図６とは逆方向に振動板１６が変形した場合、即ち、振動板１６の周縁部がハウジング１２のベース面１２ａから遠ざかる方向に変形している場合には、第１キャパシタ群（第１電極対群）２０と第２キャパシタ群（第２電極対群）３０の機能を逆転させればよい。即ち、第２キャパシタ群３０をアクチュエータとして利用する。第２キャパシタ群３０の各キャパシタにバイアス電圧を印加すると、振動板１６の周縁部は、ハウジング１２のベース面１２ａに近づく方向に変位する。即ち、円錐状に変形した振動板１６をもとの基準状態へ矯正することができる。第２キャパシタ群３０の代わりに第１キャパシタ群２０の静電容量を検出する。コントローラ５０は、第１キャパシタ群２０と第３キャパシタ群４０の各キャパシタの静電容量を検出し、検出した各静電容量が一致するまで第２キャパシタ群３０に印加する電圧を上昇させればよい。そうすることで、振動板１６の周辺部がハウジング１２のベース面１２ａから遠ざかる方向に変形している場合でも、第２キャパシタ群３０の各キャパシタが発生する静電吸引力によって、振動板１２を平坦な状態に矯正することができる。
【００２５】
次に、コントローラ５０が、振動板１６が受ける音波の伝播方向、即ち、音源の方向を特定するときの動作について説明する。コントローラ５０は、前述したバイアス電圧を記憶している。また、コントローラ５０は、バイアス電圧を印加することによって、振動板１６の変形が矯正された状態における第２キャパシタ群３０の各キャパシタの静電容量を記憶している。
音波を受けると振動板１６の各部位は夫々振動する。コントローラ５０は、振動板１６の各部位の振動を抑えるように、第１キャパシタ群２０の各キャパシタへ電圧を印加する。具体的には、第２キャパシタ群３０の各キャパシタの静電容量を記憶された静電容量に一致させる電圧を第１キャパシタ群２０の各キャパシタへ電圧を印加する。第１キャパシタ群２０の各キャパシタへ電圧を印加すると、第１キャパシタ群２０が発生する静電吸引力によって振動板１６の周縁部がおもて側へ引き寄せられ、その結果、第２キャパシタ群３０の各キャパシタの静電容量が変化することは前述の通りである。
第２キャパシタ群３０の各キャパシタの静電容量を記憶された静電容量に一致するときに、第１キャパシタ群２０の各キャパシタへ印加している電圧を制振用電圧と称する。振動板１６の各部位が受ける音圧は経時的に変化するので、制振用電圧も経時的に変化する。第１キャパシタ群２０のそれぞれのキャパシタへ印加する制振用電圧の経時的変化は、それぞれのキャパシタが配置されている位置における振動の経時的変化を表すことになる。
音源方向特定回路５６は、第１キャパシタ群２０の夫々のキャパシタに印加する制振用電圧の値からバイアス電圧の値を差し引く。差し引いた後の電圧を差電圧と称する。制振用電圧には、振動板１６を平坦に矯正するための電圧（バイアス電圧）と、音波による振動板１６の振動を抑制するための電圧が含まれる。従って、差電圧が、基準状態に矯正された振動板１６の各部位の振動の経時的変化を表すものとなる。
音源方向特定回路５６は、第１キャパシタ群２０の各キャパシタに対応する差電圧から音源の方向を特定する。
【００２６】
音源の方向を特定する原理を、図７を参照して簡単に説明する。振動板１６の中心を原点ＯとするＸＺ座標系を図７に示す通り設定する。音源が位置Ｓにあるとする。音源の位置Ｓと座標原点Ｏを結ぶ線とＺ軸のなす角度θが音源の方向である。位置Ｓの音源から伝播する音波によって振動板１６が振動する。振動板１６上の位置Ｐ１における振動をＷ１とし、振動板１６上の位置Ｐ２における振動をＷ２とする。音源の位置Ｓと位置Ｐ１の距離がＬ１であり、音源の位置Ｓと位置Ｐ２の距離がＬ２である。距離Ｌ１とＬ２が異なる場合、位置Ｐ１における振動Ｗ１と位置Ｐ２における振動Ｗ２は異なる位相で振動する。位置Ｐ１における振動Ｗ１と位置Ｐ２における振動Ｗ２の位相差は、音源の位置Ｓの方向に依存する。従って、位置Ｐ１における振動Ｗ１と位置Ｐ２における振動Ｗ２の位相差から、音源の方向（角度θ）を求めることができる。例えば、振動Ｗ１と振動Ｗ２が同位相の場合には、音源の方向はＺ軸の伸びる方向となる。
前述したように、第１キャパシタ群２０の夫々のキャパシタに印加する制振用電圧の値から夫々のキャパシタのバイアス電圧の値を差し引いた差電圧は、基準状態に矯正された振動板１６の各部位の振動の経時的変化を表すものとなる。従って、第１キャパシタ群２０の各キャパシタの差電圧の位相差から音源の方向を特定することができる。
【００２７】
上記実施例のマイクロホン１００は、音源の方向を特定する前に、振動板１６の変形を矯正するためのバイアス電圧を決定する。音源の方向を特定するときには、制振用電圧からバイアス電圧を差し引いた差電圧に基づいて音源の方向を特定する。即ち、音波を受けていない状態における振動板１６の変形の影響を考慮して音源の方向を特定する。これによって、振動板１６が変形しても音源の方向を正確に特定することができる。このことは、音波を受けていない状態における振動板の変形を矯正して音源の方向を特定すると換言できる。
このマイクロホンは、音波を受けているときにも振動板を制振制御するので、振動板が大きく振動することがない。従って、振幅の大きな音波であっても音波が伝播してくる方向を特定することができる。即ち、広いダイナミックレンジを確保することができる。またこのマイクロホンは、振動板が大きく振動することがないので、振動板の疲労劣化を低減できる。
【００２８】
このマイクロホン１００は、差電圧の位相差から音源の方向を特定できる。そこで、差電圧の位相差が特定の位相差に一致するときに、音波を変換した信号を出力するように構成してもよい。特定の位相差は、特定の方向から伝播する音波を意味する。従って、特定の方向から伝播する音波のみを信号として出力するマイクロホンを実現できる。即ち、高い指向性を有するマイクロホンを実現できる。
【００２９】
上記のマイクロホン１００の変形例について説明する。
上記実施例のマイクロホン１００では、制振用電圧からバイアス電圧を差し引いた差電圧から音源の方向を特定した。制振用電圧を印加せずとも次の通り音源の方向を特定することができる。
バイアス電圧を決定したらコントローラ５０はバイアス電圧を各上側電極に印加し続ける。その状態で振動板１６に音波を受ける。バイアス電圧によって平坦な状態に矯正された振動板１６は、音波を受けることによって振動する。第２キャパシタ群３０と第３キャパシタ群の各キャパシタの静電容量は、振動板１６の振動に伴って変化する。第２キャパシタ群３０、或いは第３キャパシタ群４０は、振動板１６の中央を囲む位置に配置されているので、各キャパシタの静電容量の変化の位相は、音源の方向に依存する。従って、第２キャパシタ群３０と第２キャパシタ群４０の少なくとも一方のキャパシタ群の各キャパシタの静電容量の変化の位相差から音源の方向を特定することができる。
【００３０】
第１電極対と第２電極対と第３電極対の各電極対の一方の電極群は、共通の電極であってよい。キャパシタを形成する電極対のうち一方の電極は、グランドとして共通化できるからである。例えば、振動板自体を導電性の材料で形成すると、振動板自体が共通の電極となる。全ての電極対のうち、振動板１６の貼着された電極をひとつの電極で共通化できる。電極の数を低減できる。
第１電極対と第２電極対と第３電極対の各電極対の数は、夫々複数であれば幾つでも良い。
【００３１】
上記の実施例では、振動板を平坦な状態に矯正するためのバイアス電圧は、第２キャパシタ群と第３キャパシタ群の各キャパシタの静電容量が同じ値となる関係を満たすように決定した。これは、各電極対（キャパシタ）の電極が同じ面積であり、かつ、振動板１６が平坦な状態におけるギャップ長が同じだからである。バイアス電圧を決定するための各キャパシタの静電容量が満たすべき関係は上記の関係に限らない。その関係は、振動板が音波を受けておらず、かつ振動板が略平坦の状態のときに第２キャパシタ群３０と第３キャパシタ群４０の各キャパシタの静電容量が満たす関係であればよい。例えば、第２キャパシタ群と第３キャパシタ群の各キャパシタのギャップ長が等しく、第２キャパシタ群の各キャパシタの電極の面積が第３キャパシタ群の各キャパシタの電極の面積の２倍である場合には、満たすべき関係とは次の関係となる。第２キャパシタ群の各キャパシタの静電容量が等しく、第３キャパシタ群の各キャパシタの静電容量が等しく、第２キャパシタ群の各キャパシタの静電容量が、第３キャパシタ群の各キャパシタの静電容量の２倍となる関係である。また、振動板が音波を受けておらず、かつ振動板が略平坦の状態のときに、第２電極対群のギャップ長と第３電極対群のギャップ長が異なる場合には、バイアス電圧を決定するための各キャパシタの静電容量が満たすべき関係も上記例示した関係とは異なる関係となる。総じて言えば、バイアス電圧を決定するための各キャパシタの静電容量が満たすべき関係は、振動板が音波を受けておらず、かつ振動板が基準状態のときに、第２電極対群と第３電極対群の各電極対が保持する静電容量の間に成立する関係である。
【００３２】
発明者らは本願出願前に、ひとつの振動板で音源の方向を精度よく特定できるマイクロホンを開発した。そのマイクロホンと実施例のマイクロホンとの関係を以下で述べる。そのマイクロホンは、上記実施例のマイクロホンにおいて第３電極対群を除いた構造を有している。
第３電極対群（第３キャパシタ群）を有さないマイクロホンでも、振動板を平坦な状態に矯正することは可能である。振動板が平坦な状態における第２キャパシタ群の各キャパシタの静電容量を予め計測しておく。このときの計測値を基準静電容量と称する。音波を受ける前に、第２キャパシタ群の静電容量が基準静電容量に等しくなるように第１キャパシタ群にバイアス電圧を印加する。そうすることによっても、音波を受ける前の振動板の変形を矯正することができる。しかしながら、静電容量の計測値は、例えギャップ長が一定であっても温度等の影響により常に一定の値が計測されるとは限らない。即ち、同じギャップ長であっても、現在計測した静電容量が過去に計測した基準静電容量と一致するとは限らない。一方、実施例のマイクロホンは、振動板の外周側に配置された第２キャパシタ群の静電容量と内周側に配置された第３キャパシタ群の静電容量の相対的な関係に基づいて振動板の変形を矯正する。本実施例のマイクロホンは、同時に計測する第２、第３キャパシタ群の静電容量の相対的関係を利用するため、前述した温度等の影響を受け難い。振動板を精度よく平坦な状態に矯正（制御）することができる。
なお、本願出願前に発明者らが開発したマイクロホンは、特願２００５−１６７７４２号（本願出願時は未公開）に詳しく開示されている。
【００３３】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は、マイクロホン本体の模式的断面図である。
【図２】図２は、振動板をおもて側からみたときの平面図である。
【図３】図３は、振動板を裏側からみたときの平面図である。
【図４】図４は、マイクロホンのコントローラのブロック図である。
【図５】図５は、振動板がＸ軸に沿って傾くように変形している状態を示す図である。
【図６】図６は、振動板が中心部を頂点にして円錐状に変形している状態を示す図である。
【図７】図７は、音源の方向を特定する原理を説明する図である。
【符号の説明】
【００３５】
１００：マイクロホン
１０：マイクロホン本体
１２：ハウジング
１６：振動板
２１、２２、２３、２４、３１、３２、３３、３４、４１、４２、４３、４４：電極対
５０：コントローラ
５２：容量検出回路
５４：制振回路
５６：音源方向特定回路
【図１】
2008147863.tif 000003
【図２】
2008147863.tif 000004
【図３】
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【図４】
2008147863.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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