エレクトレットコンデンサマイクロフォンの完全ガイド

エレクトレットコンデンサマイクロフォン（ECM）は、音声を捉えるための古典的かつ堅牢なソリューションであり、幅広い用途において信頼性と適応性を提供します。 MEMSマイクロフォンは、統合しやすい設計とコンパクトなフットプリントにより注目を集めていますが、ECMは、多様な取り付け構成、幅広い指向性パターン、音響的な汎用性により、電子設計において依然として重要な役割を果たしています。

この記事では、ECMの動作原理を検証し、その内部回路や指向性応答（広範囲の周囲音を捉える無指向性パターンから、特定の音源に焦点を当てた単一指向性構成まで）を探ります。 また、適切な部品の選択に役立つ重要な性能指標（感度、信号対ノイズ比（SNR）、周波数応答など）についてもご紹介します。

エレクトレットコンデンサマイクロフォンの基礎

エレクトレットコンデンサマイクロフォン（ECM）は、キャパシタマイクロフォンとも呼ばれ、エレクトレット（永久的に帯電または分極された強誘電材料）を使用して動作します。 エレクトレットの高電気抵抗と化学的安定性により、埋め込まれた電荷は数百年間、大幅に減衰することなく維持されます。 「エレクトレット」という用語は、「静電」と「磁石」を組み合わせたもので、静電荷が材料に埋め込まれるプロセスを反映しています。 これは、磁気領域を整列させることによって磁石が作られるのと同様に、エレクトレット内の静電荷を整列させることで実現されます。

この固有の特性は、マイクロフォンの設計において大きな利点となります。 従来のコンデンサマイクロフォンでは、マイクロフォンを動作させるための外部分極電圧が必要ですが、エレクトレットコンデンサマイクロフォンでは、埋め込まれた静電荷により、その必要性がなくなります。 この簡素化により、回路設計の複雑さが軽減され、ECMは小型で低電力の用途でも効率的に機能できるようになるため、さまざまなオーディオシステムにとって魅力的な選択肢となります。

エレクトレットコンデンサマイクロフォンの動作原理は、ダイアフラムがコンデンサの1つのプレートとして機能し、バックプレートがもう1つのプレートとして機能するというものです。 音波がダイアフラムを振動させると、ダイアフラムとバックプレートの間の距離が変化し、静電容量に変化が生じます。 これらの変化は、静電容量の式によって決まります。

C = Q / V

ここで、式の要素は次のとおりです。

• Q = クーロン単位の電荷（エレクトレットに埋め込まれた電荷により一定に保たれます）
• C = ファラッド単位の静電容量
• V = ボルト単位の電位差

ダイアフラムの動きにより静電容量（C）が変化すると、コンデンサ全体に反比例する電圧（V）の変化が生じ、音の振動に対応する電気信号が生成されます。

この変化する電圧は、その後、マイクロフォン内の電界効果トランジスタ（FET）に供給され、信号を増幅して伝送を向上させます。 出力段のDCブロッキングコンデンサは、不要なDCオフセットを除去し、出力がクリーンなオーディオ信号となるようにします。 このようにシンプルかつ効果的な設計により、ECMはさまざまな電子アプリケーションで音を捉えるための信頼できる選択肢となっています。

図1：ECMの動作原理。（画像提供：Same Sky）

エレクトレットコンデンサマイクロフォンの典型的な構造には、いくつかの主要なコンポーネントが含まれています。

• 不織布：音を通しながら、ほこりから保護
• ケース：内部部品を収めて保護
• 極性リング：ダイアフラムに適用されたエレクトレット材料
• ダイアフラム：音に反応して振動し、静電容量を変化
• スペーサー：ダイアフラムとバックプレートの距離を維持
• バックプレート：コンデンサの固定電極を形成
• ベース：構造的なサポートを提供
• 銅リング：導電性と電気的接続を確保
• PCB：信号増幅用のFETやその他の回路を搭載

ECMの分解構造と組み立て構造を下の図に示します。

図2：ECMの分解図。（画像提供：Same Sky）

図3：ECMの組み立て図。（画像提供：Same Sky）

ECMの指向性または極性パターン

エレクトレットコンデンサマイクロフォンには、さまざまな指向性または極性パターンがあり、異なる方向からの音をどのように捉えるかを定義しています。 指向性は重要な仕様であり、アプリケーションや使用要件に基づいて選択する必要があります。 最も一般的なECMの指向性パターンは、無指向性（図4）、単一指向性（図5）、ノイズキャンセリング（図6）です。

図4：無指向性極性パターン。（画像提供：Same Sky）

無指向性マイクロフォンは、あらゆる方向から音を捉えるため、ボーカリストのグループの録音や電話会議などの用途に最適です。 音のピックアップパターンは通常、図で表され、0°はマイクロフォンの前面を表し、音の強度は0°から360°まで放射状にプロットされます。 汎用性が高い反面、これらのマイクロフォンには欠点があります。それは、目的の音と周囲のノイズを区別できないため、環境音を拾って増幅してしまうことが多いことです。

図5：単一指向性極性パターン。（画像提供：Same Sky）

単一指向性マイクロフォンは、主に1方向からの音を捉えるように設計されており、話し声やキーボードのクリック音、紙をめくる音などの不要なバックグラウンドノイズを低減します。 このため、目的の音源を分離することが重要な音声やスピーチの用途に最適です。 図5は、180°のオフ軸で広範囲のピックアップと最大拒否を持つ最も一般的な単一指向性パターンを示しています。

図6：ノイズキャンセリング極性パターン。（画像提供：Same Sky）

ノイズキャンセリングマイクロフォン（双方向性マイクロフォン）は、希望する音源に焦点を合わせながら周囲のノイズを除去するように設計されており、ノイズの多い環境に最適です。 これらのマイクロフォンには、少なくとも2つのサウンドポートがあります。1つは目的の音に向けられ、もう1つはより遠くのノイズに向けられます。 近距離の音はダイヤフラムに大きな圧力勾配を生み出し、目的の音声をより正確に捉えることができます。 近接効果は、前面ポートに近い音に対してはフラットな周波数応答を確保するように調整されますが、他の角度からの音は中音域と低音域で大幅なロールオフが発生します。 一般的な用途としては、コールセンター、ヘリコプター用ヘッドセット、レーシングカードライバー用通信システムなどがあります。

ECMの主な仕様

ECMの指向性以外に、部品の選択時に留意すべきパラメータがいくつかあります。

• 感度低下：マイクロフォンの電源電圧が低下すると、ゲインが失われます。
• 感度：マイクロフォンがどの程度音を検出するかを測定します。 感度が高いと、増幅を少なくしてより静かな音や遠くの音を捉えることができ、ノイズを低減できます。 この特性は、音楽録音やノイズの多い環境での使用など、さまざまな用途に最適なマイクロフォンを決定するのに役立ちます。
• 信号対ノイズ比（SNR）：マイクロフォンが捉えたバックグラウンドノイズに対する目的の音（音声、音楽など）の比率を表し、全体的な音声の明瞭度を示します。
• 取り付けスタイル：PCBピン、コネクタ付きまたはコネクタなしのワイヤリード、および端子タイプは、ECM取り付けの最も一般的な構成です。 端子構成はさらに、リフローはんだ対応面実装、または手はんだ付け用はんだパッドとして定義できます。

まとめ

エレクトレットコンデンサマイクロフォンは、正確な音のキャプチャと多様な指向性機能を提供し、現代のオーディオ技術において不可欠なツールであり続けています。 その信頼性と適応性により、多様な用途に欠かせないものとなっています。また、その動作と主要な仕様を理解することで、ユーザーはニーズに合った適切なマイクロフォンを選択することができます。 Same Skyの幅広いマイクロフォン製品と、カスタムソリューション向けのオーディオ設計サービスをご覧ください。