(57)【要約】【課題】周囲温度が変化しても同入力レベルの入力信号の場合にマイクロホンユニットの出力レベルの変動を抑える。【解決手段】マイクロホンユニットの反転増幅回路１２は、反転入力端子にＭＥＭＳマイクロホン１５から出力されたアナログ電気信号が入力され、非反転入力端子には直流バイアス電圧が印加される演算増幅器２３と、演算増幅器の出力端子と反転入力端子との間に接続された帰還抵抗１７と、帰還抵抗に並列に演算増幅器の出力端子と反転入力端子との間に直列接続された帰還コンデンサ１８，１９と、帰還コンデンサの間を互いに接続するノードに一方の端子が接続され、他方の端子が基準電位に維持される直流バイアス抵抗２５と、帰還コンデンサの間を互いに接続するノードに一方の電極が接続され、他方の電極には温度センサ１３の電圧信号が印加された可変容量ダイオード２０と、を備える。【選択図】図２
2012090224.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音をアナログ電気信号に変換するマイクロホンと、
前記マイクロホンから出力された前記アナログ電気信号を所定の利得で反転増幅して出力する反転増幅回路と、
周囲の温度に応じた電圧信号を生成する温度センサと、を備え、
前記反転増幅回路は、
反転入力端子、非反転入力端子及び出力端子を備え、当該反転入力端子には前記マイクロホンから出力された前記アナログ電気信号が入力され、当該非反転入力端子には直流バイアス電圧が印加される演算増幅器と、
前記演算増幅器の出力端子と反転入力端子との間に接続された帰還抵抗と、
前記帰還抵抗に並列に前記演算増幅器の出力端子と反転入力端子との間に直列に接続された第１の帰還コンデンサ及び第２の帰還コンデンサと、
前記第１の帰還コンデンサと前記第２の帰還コンデンサとの間を互いに接続するノードに一方の端子が接続され、かつ他方の端子が基準電位に維持される直流バイアス抵抗と、
前記第１の帰還コンデンサと前記第２の帰還コンデンサとの間を互いに接続するノードに一方の電極が接続され、かつ他方の電極には前記温度センサから出力された前記電圧信号が印加される可変容量素子と、を備え、
前記反転増幅回路の総合利得Ｇは、
Ｇ＝｛Ｃ１×（Ｃ２＋Ｃ４）／（Ｃ２×Ｃ３）｝＋（Ｃ１／Ｃ２）
Ｃ１：前記マイクロホンの容量
Ｃ２：前記第１の帰還コンデンサの容量
Ｃ３：前記第２の帰還コンデンサの容量
Ｃ４：前記可変容量素子の容量
で表されるマイクロホンユニット。
【請求項２】
前記可変容量素子は可変容量ダイオードである、請求項１に記載のマイクロホンユニット。
【請求項３】
前記可変容量素子はＭＯＳ容量である、請求項１に記載のマイクロホンユニット。
【請求項４】
前記温度センサは、電源とグランドとの間に電流源とダイオードとが直列に接続され、前記電流源と前記ダイオードとの間を互いに接続するノードの電圧に基づいて前記電圧信号を生成するように構成されている、請求項１に記載のマイクロホンユニット。
【請求項５】
前記反転増幅回路及び前記温度センサが１つのＩＣチップに集積化されている、請求項１に記載のマイクロホンユニット。
【請求項６】
前記マイクロホンは、ＭＥＭＳマイクロホンである、請求項１に記載のマイクロホンユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロホンユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロホンは、音（弾性体を伝播する弾性波）を電気信号に変換するセンサであり、その変換方式の違いにより圧電型、動電型、静電型等に分類される。なお、携帯電話やＩＣレコーダ等の小型化や薄型化が要求される携帯機器においては、静電型のＥＣＭ（Electret Condenser Microphone）やＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems)マイクロホンが一般的に採用される。
【０００３】
ところで、マイクロホンの特性の一つとして周囲の温度変化に弱いことが知られている。例えば、ＭＥＭＳマイクロホンにおいて通常の会話程度の音圧レベルである９４ｄＢＳＰＬ（Sound Pressure Level）が集音される場合には、ＭＥＭＳマイクロホンから出力されるアナログ電気信号の電圧レベルは、常温（約２０℃）の際に約２０ｍＶｐｐ（Peak to Peak）で安定しているが、−４０℃から９０℃までの広範囲の温度変化に対しては約１５〜３０ｍＶｐｐ（Peak to Peak）の変動が生じている。このように、通常の会話を集音して再生する場合に、周囲の温度変化に応じて音のレベルが変動するという問題がある。
【０００４】
そこで、周囲の温度変化に対するマイクロホンの音響特性を改善するために、例えば特許文献１、２に記載された技術が提案されている。
【０００５】
特許文献１では、絶縁基板による電気基板、背極基板、振動膜支持枠の３部材を基本構成とし、この３部品に電極膜、エレクトレット層、振動膜等を一体化したものを積層してエレクトレットマイクロホンを構成しており、前記３部材に同一部材を使用することにより、周囲の温度の変化に対する音響特性を改善させる工夫がされている。
【０００６】
特許文献２では、サーミスタをマイクロホンモジュールに内蔵し、周囲の温度の変化に追従して出力レベルを調整することが提案されている。以下、図面により説明する。
図１５は特許文献２の図１に示された従来のマイクロホンユニットの構成を示す回路図である。図１５に示すマイクロホンユニット５０は、マイクロホン５１と、演算増幅器５３を用いて構成されたプリアンプ５４と、を備えている。
【０００７】
マイクロホン５１の出力端は、演算増幅器５３の非反転入力端子と接続されている。また、演算増幅器５３の出力端は、音声信号を取り出すための出力端子５５に接続されており、かつ帰還抵抗５６を介して演算増幅器５３の反転入力端子にも接続されている。演算増幅器５３の反転入力端子は、帰還抵抗５６と同様にプリアンプ５４の利得を決定するための可変抵抗５８を介して所定の端子５９に接続されている。これらのマイクロホンユニット５０の基本構成に加えて、帰還抵抗５６の両端にはサーミスタ５７からの信号線が接続されており、これによりプリアンプ５４全体の利得を決定するための演算増幅器５３の帰還抵抗が構成されている。
【０００８】
この構成により、周囲の温度が高くなれば、帰還抵抗５６に並列接続されたサーミスタ５７の抵抗値が低くなり、温度上昇によるマイクロホンユニット５０の感度上昇を抑えるようにプリアンプ５４の利得が自動的に調整されることになる。一方、周囲の温度が低くなれば、サーミスタ５７の抵抗値が高くなり、温度低下によるマイクロホンユニット５０の感度低下を抑えるようにプリアンプ５４の利得が自動的に調整される。なお、マイクロホンユニット５０の初期感度は、製造段階等で可変抵抗５８によって常温で規定感度範囲となるように予め調整される。また、マイクロホンユニット５０の温度特性は、可変抵抗５８及びサーミスタ５７の各抵抗値によって調整される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−３４５０８７号公報
【特許文献２】特開２００８−２５６４３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１のＥＣＭでは、電気回路基板、背極基板及び振動膜支持枠の３部材に同一の材料を使用することで周囲の温度変化に対する音響特性の改善を期待しているが、実際にどの程度改善されているのか明らかではなく、具体性や実現性に乏しいという問題がある。また、上記３部材に同一の材料を使用したところで、ＥＣＭから出力されるアナログ電気信号は周囲の温度変化に対して依然として変化するが、特許文献１には当該アナログ電気信号の温度特性を改善するための具体的な構成について記載も示唆もされていない。
【００１１】
特許文献２のマイクロホンユニットでは、製造工程に起因したマイクロホン自体の初期感度や温度特性のばらつきと、プリアンプ５４の利得を決定する帰還抵抗５６、サーミスタ５７、及び可変抵抗５８の各抵抗値のばらつきと、の２つが主な要因となって、マイクロホンユニット５０から出力されるアナログ電気信号に関して温度特性のばらつきが発生するものと考えられる。
【００１２】
特許文献２のマイクロホンユニットでは、製造工程に起因したマイクロホン自体のばらつきを考慮して、可変抵抗５８をマイクロホンユニット５０に予め内蔵しておき、製造段階において可変抵抗５８によってマイクロホンユニット５０の初期感度が常温で規定感度範囲内となるように予め調整されている。しかし、この初期感度の調整は煩雑であり、その調整に要する工程の分、製造コストが高くなるという問題がある。
【００１３】
また、特許文献２のマイクロホンユニットでは、マイクロホンユニット５０から出力されるアナログ電気信号の温度特性を改善すべくプリアンプ５４の利得を調整するために、同一種類ではない２種類以上の抵抗（帰還抵抗５６、サーミスタ５７、可変抵抗５８）をマイクロホンユニット５０に内蔵している。これらの抵抗については個々に特有の温度特性のばらつきがあるので、プリアンプ５４の利得、ひいてはマイクロホンユニット５０の出力の温度特性に関する画一的な調整は煩雑かつ困難であるという問題がある。さらに、仮にマイクロホンユニット５０のプリアンプ５４を含む周辺回路を集積化した場合、その集積回路の中で同一種類ではない２種類以上の抵抗の温度特性のばらつきは顕著となるため、上記の問題がより一層顕著となる。
【００１４】
本発明は、上記のような従来の課題を解決するためになされたものであり、周囲の環境、特に周囲の温度が変化しても、同入力レベルの入力信号が入力された場合には出力レベルの変動が抑えられるように構成された小型のマイクロホンユニットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の課題を解決するために本発明に係るマイクロホンユニットは、音をアナログ電気信号に変換するマイクロホンと、前記マイクロホンから出力された前記アナログ電気信号を所定の利得で反転増幅して出力する反転増幅回路と、周囲の温度に応じた電圧信号を生成する温度センサと、を備え、前記反転増幅回路は、反転入力端子、非反転入力端子及び出力端子を備え、当該反転入力端子には前記マイクロホンから出力された前記アナログ電気信号が入力され、当該非反転入力端子には直流バイアス電圧が印加される演算増幅器と、前記演算増幅器の出力端子と反転入力端子との間に接続された帰還抵抗と、前記帰還抵抗に並列に前記演算増幅器の出力端子と反転入力端子との間に直列に接続された第１の帰還コンデンサ及び第２の帰還コンデンサと、前記第１の帰還コンデンサと前記第２の帰還コンデンサとの間を互いに接続するノードに一方の端子が接続され、かつ他方の端子が基準電位に維持される直流バイアス抵抗と、前記第１の帰還コンデンサと前記第２の帰還コンデンサとの間を互いに接続するノードに一方の電極が接続され、かつ他方の電極には前記温度センサから出力された前記電圧信号が印加される可変容量素子と、を備え、前記反転増幅回路の総合利得Ｇは、
Ｇ＝｛Ｃ１×（Ｃ２＋Ｃ４）／（Ｃ２×Ｃ３）｝＋（Ｃ１／Ｃ２）
Ｃ１：前記マイクロホンの容量
Ｃ２：前記第１の帰還コンデンサの容量
Ｃ３：前記第２の帰還コンデンサの容量
Ｃ４：前記可変容量素子の容量
で表されるものである。
【００１６】
この構成によれば、温度センサから出力される電圧信号に基づいて可変容量素子の容量が制御されることによって、マイクロホンへの入力信号のレベルが同じでも、周囲の温度が変化した場合に、マイクロホンから出力されるアナログ電気信号のレベルが変化することを補償できる。換言すると、周囲の環境変化、特に周囲の温度が変化しても、同入力レベルの入力信号が入力された場合には出力レベルの変動が抑えられるように構成されたマイクロホンユニットを提供できる。
【００１７】
上記の構成において、前記可変容量素子は可変容量ダイオードである、としてもよい。
【００１８】
この構成によれば、可変容量ダイオードのアノード−カソード間電圧を可変させることでその容量を可変させるので、可変容量素子を容易かつ少ない部品で実現できる。
【００１９】
上記の構成において、前記可変容量素子はＭＯＳ容量である、としてもよい。
【００２０】
この構成によれば、ＭＯＳ容量のゲート−基板間電圧を可変させることでその容量を可変させるので、可変容量素子を容易かつ少ない部品で実現できる。
【００２１】
上記の構成において、前記温度センサは、電源とグランドとの間に電流源とダイオードとが直列に接続され、前記電流源と前記ダイオードとの間を互いに接続するノードの電圧に基づいて前記電圧信号を生成するように構成されている、としてもよい。
【００２２】
この構成によれば、温度センサを容易かつ少ない部品で実現できる。
【００２３】
上記の構成において、前記反転増幅回路及び前記温度センサが１つのＩＣチップに集積化されている、としてもよい。
【００２４】
この構成によれば、より小型なマイクロホンユニットを提供できる。
【００２５】
上記の構成において、前記マイクロホンは、ＭＥＭＳマイクロホンである、としてもよい。
【００２６】
この構成によれば、より小型なマイクロホンユニットを提供できる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、周囲の環境、特に周囲の温度が変化しても、同入力レベルの入力信号が入力された場合には出力レベルの変動が抑えられるように構成された小型のマイクロホンユニットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は本発明の第１の実施の形態に係るマイクロホンユニットの構成を示す回路図である。
【図２】図２は図１に示したマイクロホン用増幅装置の詳細な構成を示す回路図である。
【図３】図３は図１に示した温度センサの詳細な構成を例示する回路図である。
【図４】図４は一般的なチャージアンプ回路の動作原理の概念図である。
【図５】図５は図２に示したマイクロホン用増幅装置の動作原理の概念図である。
【図６】図６は図１に示したＭＥＭＳマイクロホンの出力の温度特性を示すグラフである。
【図７】図７は図３に示したダイオードのアノード−カソード間電圧の温度特性を示すグラフである。
【図８】図８は一般的な可変容量ダイオードのアノード−カソード間電圧に応じた容量比の変化を示すグラフである。
【図９】図９は９４ｄＢＳＰＬ相当を集音した時における図１に示すマイクロホンユニットの出力レベルの温度変化を示すグラフである。
【図１０】図１０は本発明の第２の実施の形態に係るマイクロホンユニットの構成を示す回路図である。
【図１１】図１１は図１０に示した温度センサの詳細な構成を示す回路図である。
【図１２】図１２は一般的なＰＭＯＳのゲート−基板間への印加電圧と容量比との関係を示すグラフである。
【図１３】図１３は９４ｄＢＳＰＬ相当を集音した時における図１０に示すマイクロホンユニットの出力レベルの温度変化を示すグラフである。
【図１４】図１４は本発明の第３の実施の形態に係るマイクロホンユニットの構成を示す回路図である。
【図１５】図１５は従来のマイクロホンユニットの構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下、全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
（第１の実施の形態）
[マイクロホンユニットの構成]
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るマイクロホンユニットの構成を示す回路図である。
【００３０】
同図に示すマイクロホンユニット１００は、開口部１１、電源端子２、グランド端子９及び出力端子５が設けられた筐体４内に、ＭＥＭＳマイクロホン１５及びマイクロホン用増幅装置１４を組み込んで構成される。マイクロホン用増幅装置１４は、反転増幅回路１２及び温度センサ１３を備えている。なお、反転増幅回路１２及び温度センサ１３は、同製造プロセス技術を利用して1つのＩＣチップに集積化されている。
【００３１】
電源端子２を通じて筐体４内に電源電圧が供給され、グランド端子９を通じて筐体４内における基準電位が定められる。開口部１１は周囲の音を集音するために設けられており、この開口部１１を通じて集音された音はＭＥＭＳマイクロホン１５によってアナログ電気信号に変換される。つまり、ＭＥＭＳマイクロホン１５は、開口部１１から集音された音をアナログ電気信号に変換する音検出センサである。ＭＥＭＳマイクロホン１５の出力側は、マイクロホン用増幅装置１４の入力端子１６を介して反転増幅回路１２の入力端と接続される。反転増幅回路１２の出力端はマイクロホン用増幅装置１４の出力端子２２を介して出力端子５と接続される。温度センサ１３から出力される電圧信号は反転増幅回路１２の制御入力となる。
【００３２】
[マイクロホン用増幅装置の詳細な構成]
図２は、図１に示したマイクロホン用増幅装置１４の詳細な構成を示す回路図である。
マイクロホン用増幅装置１４が具備する反転増幅回路１２は、演算増幅器２３を用いた負帰還反転増幅器として構成されている。演算増幅器２３は、その非反転入力端子には直流バイアス電源２４が接続され、その反転入力端子にはＭＥＭＳマイクロホン１５が接続されている。また、演算増幅器２３の出力端子と反転入力端子との間には帰還抵抗１７が設けられる。帰還抵抗１７は演算増幅器２３の直流バイアス用として設けられた抵抗である。さらに、演算増幅器２３の出力端子と反転入力端子との間には、帰還抵抗１７と並列と接続されるように、帰還コンデンサ１８及び帰還コンデンサ１９が直列に設けられている。
【００３３】
帰還コンデンサ１８と帰還コンデンサ１９との間には、直流バイアス抵抗２５の一方の端子と可変容量ダイオード２０のアノードとが接続されている。なお、可変容量ダイオード２０のカソードは温度センサ１３の電圧信号の出力端と接続され、直流バイアス抵抗２５の他方の端子はグランドと接続される。直流バイアス抵抗２５は、帰還コンデンサ１８と帰還コンデンサ１９との間を互いに接続するノードの電位を任意の電位に固定するための直流バイアス用として設けられた抵抗である。なお、マイクロホン用増幅装置１４を１つのＩＣチップに集積化する際のチップ面積を抑制するために、帰還抵抗１７及び直流バイアス抵抗２５をＭＯＳ抵抗（ＭＯＳＦＥＴのソースとドレインとの間の抵抗）にすることが好ましい。
【００３４】
[温度センサの詳細な構成]
図３は、図１に示した温度センサ１３の詳細な構成を例示する回路図である。
【００３５】
温度センサ１３は、電源３４とグランドとの間に直列に接続された電流源３３及びダイオード２６と、電流源３３とダイオード２６のアノードとの間を互いに接続するノードの電圧が印加される負帰還反転増幅器２９と、によって構成されている。
【００３６】
電流源３３は、その入力側が電源３４に接続されており、その出力側からダイオード２６に向けて順方向電流を供給する。なお、電流源３３は、温度及び電源電圧の変化により実質的に電流値が変化しないことが好ましい。
【００３７】
ダイオード２６は、そのカソードがグランドと接続されており、そのアノードが電流源３３の出力側と接続されている。さらに、ダイオード２６のアノードは、入力抵抗３２を介して演算増幅器２８の反転入力端子と接続されている。つまり、演算増幅器２８の反転入力端子には、ダイオード２６のアノード−カソード間電圧が印加される。演算増幅器２８の出力端子は、温度センサ１３から出力される電圧信号の出力端子である電圧信号端子３０と接続されるとともに、負帰還反転増幅器２９の利得を決定する帰還抵抗３１を介して演算増幅器２８の反転入力端子に接続されている。
【００３８】
なお、入力抵抗３２及び帰還抵抗３１は同一種類の同製造プロセス技術を利用して製造することが好ましい。それによって、入力抵抗３２及び帰還抵抗３１の各抵抗値のばらつき、ひいては負帰還反転増幅器２９の利得のばらつきを低減できる。演算増幅器２８の非反転入力端子は直流バイアス電源２７と接続される。なお、直流バイアス電源２７は、周囲の温度変化により直流バイアス電圧が実質的に変化しない直流電源であることが好ましい。
【００３９】
以上の構成により、ダイオード２６のアノード−カソード間電圧の温度特性の傾き（ｍＶ／℃）を利用して、温度センサ１３から出力される電圧信号の温度特性の傾きを制御できる。換言すると、温度センサ１３は、検出した周囲の温度を、ダイオード２６のアノード−カソード間電圧の温度特性に応じた電圧信号として出力するように構成されている。
【００４０】
[マイクロホン用増幅装置の動作]
以下では、図４、図５を用いて、図２に示したマイクロホン用増幅装置１４の動作を説明する。
【００４１】
図４は一般的なチャージアンプ回路の動作原理の概念図である。なお、図４に示すチャージアンプ回路は、図２に示す反転増幅回路１２の構成から、帰還コンデンサ１９、直流バイアス抵抗２５、可変容量ダイオード２０及び直流バイアス電源２４を省略したものとする。
【００４２】
ＭＥＭＳマイクロホン１５の容量をＣ１と表し、帰還コンデンサ１８の容量をＣ２と表す。ＭＥＭＳマイクロホン１５の両端に電圧Ｖ１が印加された場合に蓄積される電荷量Ｑ１はＣ１×Ｖ１である。ここで、電荷量Ｑ１の電荷は、演算増幅器２３の反転入力端子に移動して、演算増幅器２３の反転入力端子の電圧がΔＶだけ上昇するものとする。すると、演算増幅器２３の出力電圧Ｖは、次式で表される。
【００４３】
Ｖ＝−Ａ×ΔＶ  ・・・（式１）
なお、Ａは、演算増幅器２３の利得を表している。
【００４４】
帰還コンデンサ１８の両端の電圧Ｖ２及び蓄積される電荷量Ｑ２は、それぞれ次式で表される。
【００４５】
Ｖ２＝−（１＋Ａ）×ΔＶ  ・・・（式２）
Ｑ２＝Ｑ１
＝−（１＋Ａ）×Ｃ２×ΔＶ  ・・・（式３）
（式３）を変形して得られるΔＶに関する式を（式１）に代入すると、次式が得られる。
Ｖ＝−{Ａ／（１＋Ａ）}×（Ｑ２／Ｃ２）  ・・・（式４）
なお、演算増幅器２３の利得は、通常の“１”よりも十分高く、“１０００”以上である。よって、（式４）は、次式のように近似できる。
【００４６】
Ｖ＝−Ｑ１／Ｃ２
＝−（Ｃ１×Ｖ１）／Ｃ２  ・・・（式５−１）
Ｖ／Ｖ１＝−Ｃ１／Ｃ２  ・・・（式５−２）
従って、図４に示すチャージアンプ回路の総合利得Ｇ（＝Ｖ／Ｖ１）は、次式で表されるとおり、ＭＥＭＳマイクロホン１５の容量Ｃ１と帰還コンデンサ１８の容量Ｃ２との比で決定されることが分かる。
【００４７】
Ｇ＝−Ｃ１／Ｃ２  ・・・（式６）
本発明は、上記のチャージアンプ回路の動作原理を利用して、ＭＥＭＳマイクロホン１５の温度特性を補償するものである。
【００４８】
図５は図２に示したマイクロホン用増幅装置１４の動作原理の概念図である。
【００４９】
ＭＥＭＳマイクロホン１５の容量をＣ１と表し、帰還コンデンサ１８の容量をＣ２と表し、帰還コンデンサ１９の容量をＣ３と表し、可変容量ダイオード２０の容量をＣ４と表す。ＭＥＭＳマイクロホン１５の両端に電圧Ｖ１が印加された場合に蓄積される電荷量Ｑ１はＣ１×Ｖ１である。この電荷量Ｑ１の電荷は、帰還コンデンサ１８に移動して蓄積されるので、帰還コンデンサ１８に蓄積される電荷量Ｑ２について次式が成立する。
【００５０】
Ｑ２＝Ｑ１
＝Ｃ１×Ｖ１  ・・・（式７）
帰還コンデンサ１８に蓄積される電荷量Ｑ２はＣ２×Ｖ２であるから、（式７）は次式に変形される。
【００５１】
Ｖ２／Ｖ１＝Ｃ１／Ｃ２  ・・・（式８）
従って、（式８）から、帰還コンデンサ１８と帰還コンデンサ１９とを互いに接続するノードＮにおける利得はＣ１／Ｃ２となる。
【００５２】
次に、ノードＮと出力電圧Ｖとの間の関係を説明する。
【００５３】
帰還コンデンサ１８に蓄積された電荷量Ｑ２はＣ１×Ｖ１であり、可変容量ダイオード２０に蓄積された電荷量Ｑ４はＣ４×Ｖ４であり、帰還コンデンサ１９に蓄積された電荷量Ｑ３はＣ３×Ｖ３である。なお、電荷量Ｑ３は電荷量Ｑ２と電荷量Ｑ４との和である。
可変容量ダイオード２０の両端にかかる電圧Ｖ４は、帰還コンデンサ１８の両端にかかる電圧Ｖ２とノードＮの基準電位（直流バイアス抵抗２５の他方の端子の電位）との電位差である。交流信号のみで考えると、次式が成立する。
【００５４】
Ｖ４＝Ｖ２  ・・・（式９）
従って、電荷量Ｑ３について次式が成立する。
【００５５】
Ｑ３＝Ｑ２＋Ｑ４
＝Ｃ２×Ｖ２＋Ｃ４×Ｖ２
＝（Ｃ２＋Ｃ４）×Ｖ２  ・・・（式１０）
一方、（式７）より、電圧Ｖ２は（Ｃ１／Ｃ２）×Ｖ１で表される。従って、（式１０）は、次式に変形できる。
【００５６】
Ｑ３＝（Ｃ２＋Ｃ４）×（Ｃ１／Ｃ２）×Ｖ１  ・・・（式１１）
電荷量Ｑ３はＣ３×Ｖ３であるから、（式１１）は次式に変形できる。
【００５７】
Ｖ３／Ｖ１＝｛Ｃ１×（Ｃ２＋Ｃ４）｝／（Ｃ２×Ｃ３）  ・・・（式１２）。
ここで、交流信号のみで考えると、出力電圧ＶはＶ２＋Ｖ３であるから、マイクロホン用増幅装置１４の総合利得Ｇ（＝Ｖ／Ｖ１）は、次式で表される。
Ｇ＝｛Ｃ１×（Ｃ２＋Ｃ４）／（Ｃ２×Ｃ３）｝＋（Ｃ１／Ｃ２）  ・・・（式１３）
となる。
【００５８】
（式１３）から、可変容量ダイオード２０の容量Ｃ４を可変させることによって、マイクロホン用増幅装置１４の総合利得Ｇを可変できることが分かる。つまり、この原理を利用することで、ＭＥＭＳマイクロホン１５の温度特性を補償することができる。
[温度特性補償の一例]
図６は、図２に示すＭＥＭＳマイクロホン１５の温度特性を示すグラフである。このグラフは、ＭＥＭＳマイクロホン１５が９４ｄＢＳＰＬ（Sound Pressure Level）相当を集音した場合のものである。同図によれば、ＭＥＭＳマイクロホン１５の出力信号の電圧レベルは、２７℃では約２０ｍＶｐｐ（Peak to Peak）程度であるが、−４０℃では約１６ｍＶｐｐまで減少し、９０℃では約２５ｍＶｐｐまで増加していることが分かる。このように、ＭＥＭＳマイクロホン１５の温度特性は、正の傾きを持った一次直線（又は一次曲線）として近似される。
【００５９】
図７は、図３に示す温度センサ１３のダイオード２６のアノード−カソード間電圧の温度特性を示すグラフである。同図によれば、温度変化に対するアノード−カソード間電圧の傾きは約−２（ｍＶ／℃）になることが分かる。ここで、負帰還反転増幅器２９の利得、すなわち、入力抵抗３２と帰還抵抗３１との比を例えば“１”にすると、温度センサ１３から出力される電圧信号の温度特性の傾きは約＋２（ｍＶ／℃）になる。よって、図６に示したＭＥＭＳマイクロホン１５の温度特性と同様に、温度センサ１３から出力される電圧信号の温度特性は正の傾きを持った一次直線として近似される。なお、利得を決定するための入力抵抗３２と帰還抵抗３１との比は、ＭＥＭＳマイクロホン１５の出力信号の温度変化に対応するように決定すればよい。
【００６０】
図８は、一般的な可変容量ダイオードのアノード−カソード間電圧に応じた容量比の変化を示すグラフである。このグラフから、図２に示す可変容量ダイオード２０のアノード−カソード間電圧を可変させることで、可変容量ダイオード２０のアノード−カソード間容量を可変させることが分かる。本発明は、アノード−カソード間電圧に応じて可変容量ダイオード２０の容量Ｃ４が変化するという特性を利用して、マイクロホン用増幅装置１４の総合利得Ｇを温度の変化に応じて可変させることで、ＭＥＭＳマイクロホン１５の温度特性を補償するものである。
【００６１】
温度センサ１３の電圧信号端子３０は可変容量ダイオード２０のカソードに接続されている。図７に示すように、可変容量ダイオード２０のカソードに印加される電圧は温度に追従して変化するので、可変容量ダイオード２０の容量Ｃ４は温度に追従して変化する。このことは、（式１３）における可変容量ダイオード２０の容量Ｃ４を可変させることと同義であり、可変容量ダイオード２０の容量Ｃ４を可変させることでマイクロホン用増幅装置１４の総合利得Ｇを可変できる。従って、可変容量ダイオード２０の容量Ｃ４は、ＭＥＭＳマイクロホン１５の出力信号の温度変化に対応するように決定すればよい。
【００６２】
図９は、９４ｄＢＳＰＬ相当を集音した時における図１に示すマイクロホンユニットの出力レベルの温度変化を示すグラフである。実線は図１に示すマイクロホンユニットの出力レベルを示し、破線は従来のマイクホンユニットの出力レベルを示している。このグラフにより、従来のマイクホンユニットの出力レベルは、−４０℃〜９０℃の温度範囲において約４ｄＢＶの変化が生じることが分かる。一方、図１に示すマイクロホンユニットは、同温度範囲において出力レベルが−４２ｄＢＶに近い値で安定していることが分かる。つまり、温度変化に対するＭＥＭＳマイクロホン１５の出力レベルの変化を補償できていることが分かる。
【００６３】
[変形例]
図１に示す構成では、ＭＥＭＳマイクロホン１５を採用しているが、ＥＣＭを採用してもよい。
【００６４】
図１に示す構成では、電源端子２及びグランド端子９は個別に設けられているが、同製造プロセス技術を利用して一つの端子に共通化してもよい。
【００６５】
図２に示す構成では、温度センサ１３から出力される電圧信号を可変容量ダイオード２０のカソードと接続しているが、温度センサ１３から出力される電圧信号を直流バイアス抵抗２５の他方の端子に接続し、かつ可変容量ダイオード２０のカソードをグランドに接続してもよい。
【００６６】
図２に示す構成では、演算増幅器２３を用いて反転増幅回路１２を構成しているが、差動増幅器を用いて反転増幅回路１２を構成してもよい。
【００６７】
図３に示す構成に限らず、温度センサ１３は、例えばサーミスタを用いて構成してもよい。
【００６８】
（第２の実施の形態）  
[マイクロホンユニットの構成]
本発明の第２の実施の形態では、ゲート−基板間電圧を変化させると容量が変化するＭＯＳ容量の特性を利用して、マイクロホン用増幅装置の総合利得を可変させて、ＭＥＭＳマイクロホンの出力の温度特性を補償するものである。以下では、本実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明するが、第１の実施の形態と同箇所の説明は省略する。
【００６９】
図１０は、本発明の第２の実施の形態に係るマイクロホンユニットの構成を示す回路図である。図２に示すマイクロホンユニットの構成と相違する点は、可変容量ダイオード２０をＭＯＳＦＥＴのゲート−基板間容量であるＭＯＳ容量３５に置き換えた点と、温度センサ１３の構成が異なる点である。
【００７０】
帰還コンデンサ１８と帰還コンデンサ１９との間には、直流バイアス抵抗２５の一方の端子とＭＯＳ容量３５の基板とが接続されている。なお、ＭＯＳ容量３５のゲートは温度センサ１３から出力される電圧信号と接続される。直流バイアス抵抗２５の他方の端子はグランドと接続される。なお、マイクロホン用増幅装置１４を集積化する際に、帰還抵抗１７及び直流バイアス抵抗２５をＭＯＳ抵抗にすることで、ＩＣチップの面積を抑制できる。
【００７１】
[温度センサの詳細な構成]
図１１は、図１０に示した温度センサ１３の詳細な構成を示す回路図である。
温度センサ１３は、電源３４とグランドとの間に直列に接続された電流源３３及びダイオード２６と、演算増幅器２８から成る非反転増幅器３８と、によって構成されている。ダイオード２６は、そのカソードはグランドに接続されており、そのアノードは電流源３３の出力及び演算増幅器２８の非反転入力端子に接続されている。演算増幅器２８の出力端子は、非反転増幅器３８の利得を決定する帰還抵抗３６を介して演算増幅器２８の反転入力端子に接続されている。演算増幅器２８の反転入力端子は、非反転増幅器３８のゲインを決定する抵抗３７を介して直流バイアス電源２７に接続されている。
【００７２】
上記の構成により、ダイオード２６のアノード−カソード間電圧の温度特性の傾き（ｍＶ／℃）を利用して、温度センサ１３から出力される電圧信号の温度特性の傾きの大小を調整可能となる。
【００７３】
なお、非反転増幅器３８の利得（すなわち、帰還抵抗３６と抵抗３７との比）を、ＭＥＭＳマイクロホン１５の出力信号の温度変化に対応するように決定すればよい。また、抵抗３７及び帰還抵抗３６は、同製造プロセス技術を利用して製造することで、抵抗３７及び帰還抵抗３６の絶対値ばらつきを低減でき、非反転増幅器３８の利得ばらつきを低減できる。
【００７４】
[温度特性補償の一例]
図１２は、一般的なＰＭＯＳのゲート−基板間への印加電圧と容量比との関係を示すグラフである。このグラフから、ＰＭＯＳのゲート−基板間への印加電圧を可変させることで、ＰＭＯＳのゲート−基板間容量を可変できることが分かる。なお、図１１に示すように、温度センサ１３から出力される電圧信号はＭＯＳ容量３５のゲートと接続される。ＭＯＳ容量３５のゲートへの印加電圧は温度に応じて変化するために、ＭＯＳ容量３５の容量も温度に応じて変化する。これは、（式１３）において可変容量ダイオード２０の容量Ｃ４が変化することと同義である。つまり、本発明のマイクロホン用増幅装置１４の総合利得Ｇが変化することになり、ＭＯＳ容量３５の容量をＭＥＭＳマイクロホン１５の出力信号の温度変化に対応するように決定すればよい。
【００７５】
図１３は、９４ｄＢＳＰＬ相当を集音した時における図１０に示すマイクロホンユニットの出力レベルの温度変化を示すグラフである。実線は本実施の形態に係るマイクロホンユニットの出力レベルを示し、破線は従来のマイクホンユニットの出力レベルを示している。このグラフにより、従来のマイクホンユニットの出力レベルは−４０℃〜９０℃の温度範囲においては、約４ｄＢの変化している。一方、本実施の形態に係るマイクロホンユニットは、同温度範囲において出力レベルが−４２ｄＢＶに近い値に安定化しており、ＭＥＭＳマイクロホン１５の温度変化に対する出力信号のレベル変化を補償して、一定の出力レベルを実現していることがわかる。
【００７６】
[変形例]
本発明の第１の実施の形態と同様の変形例が考えられる。
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態では、第１、第２の実施の形態におけるマイクロホン用増幅装置１４の動作原理を利用し、マイクロホン用増幅装置１４の総合利得Ｇをトリミングして、マイクロホンユニット１００の出力レベルのばらつきを抑えるものである。以下では、本発明の第３の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明するが、第１及び第２の実施の形態と同箇所の説明は省略する。
【００７７】
図１４は、本発明の第３の実施の形態に係るマイクロホンユニットの構成を示す回路図である。図２、図１０に示すマイクロホンユニットの構成と相違する点は、可変容量ダイオード２０又はＭＯＳ容量３５をコンデンサ３９、スイッチ４０及び直流バイアス電源４１に置き換えた点と、トリミング手段４２が更に設けられた点とである。
【００７８】
帰還コンデンサ１８と帰還コンデンサ１９との間には、直流バイアス抵抗２５の一方の端子とコンデンサ３９の一方の電極とが接続されている。なお、コンデンサ３９の他方の電極はスイッチ４０の一方の固定接点部と接続されている。スイッチ４０の他方の固定接点部は直流バイアス電源４１を介してグランドと接続されている。該他方の固定接点部を支点として動作するスイッチ４０の可動片部はトリミング手段４２によって制御される。つまり、スイッチ４０は、トリミング手段４２によってオンオフ制御される。
【００７９】
トリミング手段４２は、ＲＡＭ（Random Access Memory）４３と、読み出し専用メモリであるＰ−ＲＯＭ（Programmable Read Only Memory）４４と、固有値設定回路４５と、を備えている。固有値設定回路４５は、読み出し又は書き込み可能となるようにＲＡＭ４３及びＰ−ＲＯＭ４４と接続されており、また、オン、オフの制御が可能となるようにスイッチ４０と接続されている。
【００８０】
以下、マイクロホン用増幅装置１４におけるトリミング方法について説明する。
【００８１】
集音時のＭＥＭＳマイクロホン１５の出力信号のレベルにはばらつきがあり、マイクロホン用増幅装置１４の総合利得Ｇを、個々のＭＥＭＳマイクロホン１５の出力信号のレベルに応じてトリミングする。この結果、マイクロホンユニットの出力レベルのばらつきを抑えられる。
【００８２】
本発明では、ＲＡＭ４３又はＰ−ＲＯＭ４４に予め適切なデータ値を予め格納しておく。そして、固有値設定回路４５はＲＡＭ４３又はＰ−ＲＯＭ４４に格納されたデータ値を読み出して固有値に変換し、この変換した固有値に基づいてスイッチ４０のオン、オフを制御するためのスイッチ制御信号をスイッチ４０に出力する。これにより、マイクロホン用増幅装置１４の総合利得ＧがＲＡＭ４３又はＰ−ＲＯＭ４４に格納させるデータ値によって制御される。換言すると、ＲＡＭ４３又はＰ−ＲＯＭ４４に予め適切なデータ値を格納しておくことで、ＭＥＭＳマイクロホン１５の出力信号のレベルのばらつきをトリミングできる。
【００８３】
例えば、マイクロホンユニットの出力レベルがその標準値（例えば、９４ｄＢＳＰＬ相当の入力時における出力レベルを−４２ｄＢＶとする。）に最も近くなる最適値を測定して、その測定した最適値をＲＡＭ４３に格納しておく。しかし、ＲＡＭ４３は電源供給が断たれると一旦格納したデータ値を保持できないので、電源供給が断たれてもデータ値を保持可能な読み出し専用メモリ、例えば、数回書き込み可能であるＰ−ＲＯＭ４４が設けられている。つまり、ＲＡＭ４３に格納したデータ値をＰ−ＲＯＭ４４の方にも格納しておく。これにより、電源供給が断たれた後に再度電源供給した場合に、９４ｄＢＳＰＬ相当の入力時の出力レベルを−４２ｄＢＶに近い状態に維持することが可能となる。
【００８４】
図１４では、マイクロホン用増幅装置１４の総合利得Ｇは、スイッチ４０のオン時における総合利得Ｇ１、又はスイッチ４０のオフ時における総合利得Ｇ２となる。なお、総合利得Ｇ１又は総合利得Ｇ２のどちらの時にマイクロホンユニットの出力レベルが−４２ｄＢＶに近いか否かでＲＡＭ４３に格納させるデータ値を決定すればよい。なお、コンデンサ３９、スイッチ４０及び直流バイアス電源４１の組合せ数を増やすことで、マイクロホン用増幅装置１４の総合利得Ｇの範囲が広くなるとともに分解能が高くなるので、マイクロホンユニットの出力レベルのばらつきを適切に抑えることができる。
【００８５】
なお、マイクロホン用増幅装置１４及びトリミング手段４２は、同製造プロセス技術を利用して、１つのＩＣチップに集積化することが可能であり、より小型で出力レベルのばらつきを抑えたマイクロホンユニットを提供できる。
【００８６】
上記の説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明は、周囲の環境変化、特に周囲の温度変化に対応する必要があるマイクロホンユニットにとって有益である。
【符号の説明】
【００８８】
１００…マイクロホンユニット
１１…開口部
１２…反転増幅回路
１３…温度センサ
１４…マイクロホン用増幅装置
１５…ＭＥＭＳマイクロホン
１６…入力端子
１７…帰還抵抗
１８…帰還コンデンサ（第１の帰還コンデンサ）
１９…帰還コンデンサ（第２の帰還コンデンサ）
２…電源端子
２０…可変容量ダイオード
２２…出力端子
２３…演算増幅器
２４…直流バイアス電源
２５…直流バイアス抵抗
２６…ダイオード
２７…直流バイアス電源
２８…演算増幅器
２９…負帰還反転増幅器
３０…電圧信号端子
３１…帰還抵抗
３２…入力抵抗
３３…電流源
３４…電源
３５…ＭＯＳ容量
３６…帰還抵抗
３７…抵抗
３８…非反転増幅器
３９…コンデンサ
４…筐体
４０…スイッチ
４１…直流バイアス電源
４２…トリミング手段
４３…ＲＡＭ
４４…ＲＯＭ
４５…固有値設定回路
５０…マイクロホンユニット
５１…マイクロホン
５３…演算増幅器
５４…プリアンプ
５５…出力端子
５６…帰還抵抗
５７…サーミスタ
５８…可変抵抗
５９…端子
９…グランド端子
【図１】
2012090224.tif 000003
【図２】
2012090224.tif 000004
【図３】
2012090224.tif 000005
【図４】
2012090224.tif 000006
【図５】
2012090224.tif 000007
【図６】
2012090224.tif 000008
【図７】
2012090224.tif 000009
【図８】
2012090224.tif 000010
【図９】
2012090224.tif 000011
【図１０】
2012090224.tif 000012
【図１１】
2012090224.tif 000013
【図１２】
2012090224.tif 000014
【図１３】
2012090224.tif 000015
【図１４】
2012090224.tif 000016
【図１５】
2012090224.tif 000017