专利名称：电磁话筒的制作方法
技术领域：
本发明涉及一个话筒。
在现有技术中，我们知道一个话筒电动力学或电静力学地检测在声波作用下发生振动的一个振动膜的位移以便将它变换成电信号，或者用一条激光束光学地检测振动膜的位移。
在美国专利No．6，014，239和No．4，479，265中已经提出了用一条激光束光学地检测振动膜的位移的话筒，其中将一条激光束辐射到振动膜上，用光检测器测量被反射的光束并将反射光束变换成电信号。
本发明要解决的问题一个用一个半导体激光器的话筒有一个检测位移而不需导线的优点，但是它需要一个精确的调整装置，精确地调整半导体激光器和振动膜之间的距离并需要许多光学要素，从而导致一个复杂的结构。进一步，因为附着在一个振动膜表面上的东西引起光的反射特性的变化，所以使话筒的特性恶化。特别在湿度很高的情形中可能使光的接收和发射成为不可能，从而使话筒停止工作。进一步，因为激光束是光，所以仅用一个集成逻辑电路不可能直接测量频率或相位。
用根据光速恒定原理测量一个光程差推导出波长的方法进行一条激光束的频率的测量。然而，这种测量方法的精度较低并需要一个尺寸较大的测量装置。此外，光程的测量是不容易的。因此，如果用一条激光束在长时期内使一个话筒能稳定地工作是困难的。
本发明提供一个有一个简单结构的话筒，它解决了上面提到的诸问题，所述的话筒不需用一条导线来检测一个振动膜的位移。
根据本发明的话筒装备有一个在接收到一个声波时发生振动并反射一个频率低于1012Hz的电磁波的振动膜，一个接收和发射电磁波，将电磁波辐射到振动膜和接收被振动膜反射的电磁波的装置，和一个测量诸振动膜信号的装置，该装置测量由接收和发射电磁波的装置接收的电磁波的诸信号。由振动膜反射的电磁波的频率和振幅的测量能将振动膜的位移变换成诸电信号。
图1是一个表示本发明的基本结构的方框图。
图2是用在本发明中的振荡器的一个电路图。
图3是一个表示一个在振动膜和一个天线之间的距离与振荡频率的关系的特性曲线图。
图4是一个表示一个在振动膜和一个天线之间的距离与电压振幅的关系的特性曲线图。
图5是处理逻辑电路的一个方框电路图。
图6是一个当一个振动膜接收一个声波时一个接收和发射电磁波的装置输出的振荡频率的诸信号的图。
图7是一个表示当振动膜接收到一个声波时一个处理逻辑电路输出的脉冲数的差的诸信号的图。
图8是一个表示振动膜的位移与振动频率的关系的特性曲线的图。
图9是一个消除畸变的功能。
图10是一个表示用在本发明中的平面电感和振动膜的安排的一个例子的图。
图11是一个表示用在本发明中的平面电感和振动膜的安排的另一个例子的图。
图12是一个表示一块用在本发明中的为了固定平面电感的绝缘平板的图。
图13是一个表示第一和第二个输出的图。
图14是一个表示根据本发明的总的特性曲线的一个例子的图。
图15是一个表示根据本发明的总的特性曲线的另一个例子的图。
现在参照一个如图1所示的方框图，对根据本发明的话筒的一个基本结构进行描述。
如图1所示，本发明的话筒1装备有一个振动膜2，振动膜2在声波3的作用下发生振动并反射一个频率低于1012Hz但是优先地频率在108到1010Hz的范围内的电磁波。
将一个由一个在0℃电阻率低于20×10-6｛Ωcm｝的导电材料或一个附着在一个绝缘膜上的在0℃电阻率低于20×10-6｛Ωcm｝的导电材料组成的振动膜用作振动膜2。
更特别的是，我们优先使用一个如Al或金的导电膜或一个其上附着所述的导电膜的振动膜。
进一步，在话筒1的接收和发射电磁波的装置4上装有一个天线6。从天线6向振动膜2辐射电磁波，和用天线6接收被振动膜2反射的电磁波。将被天线6接收的电磁波从接收和发射电磁波的装置4输出到处理逻辑电路5。通过用处理逻辑电路5测量电磁波的频率和振幅，将振动膜的位移变换成诸电信号。然后，使移动振动膜2放在接收和发射电磁波的装置4的天线6附近大约0．1到0．5mm处。
在有所述的结构的话筒1中，所述的振动膜因空气振动，如一个声波3而振动。当由所述的接收和发射电磁波的装置4产生的电磁波向所述的振动膜辐射并接收到一个来自振动膜2的反射波时，由所述的接收和发射电磁波的装置4产生的电磁波的频率和振幅与振动膜2的位移相对应地发生变化。
即，如果振动膜2受到位移，则在振动膜2和天线6之间的距离x发生变化。对距离x的变化作出响应，由接收和发射电磁波的装置4产生的诸信号的频率和振幅也发生变化。这种情形如图3和4所示。图3表示x-f特性曲线，它代表在振动膜2和天线6之间的距离x与接收和发射电磁波的装置4产生的诸信号的频率f的关系。这里，x是在振动膜2和天线6之间的距离。f是接收和发射电磁波的装置4产生的诸信号的频率。如图3所示，当距离x较短时这个频率较高，而当距离x较长时这个频率较低。如图4所示，当距离x较短时所述的电压振幅较小，而当距离x较长时所述的电压振幅较大。当振动膜2因声波而振动时，振动膜2和天线6之间的距离x发生变化，并且距离x的变化与接收和发射电磁波的装置4产生的诸信号的频率和电压振幅的变化相对应。所以，从图3和4显见能将振动膜2的振动作为由接收和发射电磁波的装置4产生的诸信号的频率或电压振幅的变化检测出来。
现在，如图1所示，我们以它的顺序描述在结构的方框图中的每一个构成要素。
首先，我们较详细地说明所述的接收和发射电磁波的装置4。如图2所示，接收和发射电磁波的装置4装备有一个CMOS(互补型金属氧化物半导体)放大器9，所述的放大器9由一个P信道MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)7和一个N信道MOSFET 8组成，所述的电感10连接在所述的CMOS放大器的输入端和输出端之间。所述的平面电感10形成一个正反馈环路，从而整个地形成一个振荡器11。平面电感10起着一个发射和接收电磁波的天线的作用。我们将在后面对平面电感进行描述。
当所述的振荡器11处在一个稳定的状态中和振荡频率较高时，从所述的平面电感10向所述的平面电感10附近的空间注入电磁能，并向所述的振动膜辐射电磁波(图1)。当振动膜反射电磁波和平面电感10接收到反射的电磁波时，振动膜和平面电感10电磁地连接起来。即，如果在振动膜2和平面电感10之间的距离x发生变化，则平面电感的电感和电容等效地发生变化。另一方面，因为电感10形成一个正反馈环路，从而整个地构成一个振荡器11，所以振荡器11的振荡频率和电压振幅受到平面电感10的电感和电容的影响。因此，用处理逻辑电路5测量振荡器11的振荡频率和电压振幅(图1)，从而可以在将振动膜2的位移变换成诸电信号的基础上实现话筒装置1。
现在，我们说明由振荡器11将振动膜2的位移变换成诸电信号的工作。
通过在P信道MOSFET 7的漏极D和N信道MOSFET 8的源极S之间存在静电电容C，将构成振荡器11的CMOS放大器9的门G静电地连接起来。这个静电电容C的作用是允许在CMOS放大器9的输入端和输出端之间产生相位差。下文中，我们将由于这个相位差引起的诸信号的延迟时间称为门延迟时间TG。又，当电能流入平面电感10时，也在两端发生相位差。下文中，我们将由于这个相位差引起的诸信号的延迟时间称为电感延迟时间TL。
于是，在CMOS放大器9的输入端和输出端之间产生诸信号的总的延迟时间(TG+TL)，如果我们建造了放大器9并且使放大器9保持几乎恒定的工作状态，则从总的延迟时间中，用它的电路结构确定所述的延迟时间TG。另一方面，因为平面电感10和振动膜2电磁地连接起来，所以与在平面电感10和振动膜2之间的距离x的变化相对应，延迟时间TL发生变化。
如果这个延迟时间TL发生变化，则振荡器的诸输出信号的频率和振幅也发生变化。这些变化与振动膜2的振动状态相对应。为了通过使这些变化较大来增加检测的灵敏度，只要增加特定的电导率就足够了。为了增加特定的电导率，我们优先地用特定的导电材料如Al或金做振动膜2。
下面，为了构成诸声波信号，我们测量所述的振荡器11的诸输出信号的频率和振幅。优先地，用一个脉冲计数器测量频率。现在，参照图5给出解说。
当实际上从所述的振荡器11的平面电感10向所述的振动膜辐射电磁波时，如果所述的振荡器11接收到电磁波，则它的输出变成一个从数拾MHz到数拾GHz的脉冲波，并且它的波形是一个脉冲的形状。所述的处理逻辑电路5装备有一个时钟信号发生器12，它以一个石英振荡器的振荡频率作为标准频率，石英振荡器产生一个短周期T1时钟和一个长周期T2时钟。这里，T1＜＜T2。
所述的振荡器11的一个输出端装备有一个短周期脉冲计数器13和一个长周期脉冲计数器14，所述的短周期脉冲计数器13对在短周期T1中的脉冲数N1进行计数，所述的长周期脉冲计数器14对在长周期T2中的脉冲数N2进行计数。所述的短周期脉冲计数器13和长周期脉冲计数器14的一个输出端装备有一个脉冲数的差的变换器15，它进行脉冲数的差N=(N1×T2／T1)-N2的运算。
现在，我们较详细地对所述的脉冲数的差进行说明。图6表示声波的波形被变换成振荡器11的振荡频率的变化。在图6中，水平轴T表示时间，垂直轴f表示振荡频率，f0表示在没有声波的情形中振荡器11的振荡频率。振荡器11的振荡频率在接收声波时随时间而变化，在没有声波的情形中主要在频率f0附近增加或减少。测量这个振荡频率的方法是在一个短周期T1和长周期T2的一个抽样周期中选通来自振荡器11的诸输出信号，计算在短周期T1中的脉冲数N1和在长周期T2中的脉冲数N2。这里，我们设置在T1＜＜T2的条件下T2=1sec。N1／T1，脉冲数N1被短周期T1除，等于在短周期T1的平均频率。N2／T2，脉冲数N2被长周期T2除，等于在比频率长得多的长周期T2的平均频率，因为声波每秒振动数拾次或更多，所以在没有声波的情形中N2／T2等于振荡频率f0。如从上面提到的内容显然可见的那样，N1／T1主要在N2／T2附近增加或减少。所以，由声波引起的振动膜的位移与N1／T1-N2／T2成正比关系。这里，将脉冲数的差定义为N1×T2／T1-N2。如果选通来自振荡器11的诸输出信号并用短周期脉冲计数器13和长周期脉冲计数器14对脉冲数N1和脉冲数N2进行计数，则(N1×T2／T1)每次抽样时都在脉冲数N2附近随时间变化。所以，如果找到脉冲数的差=(N1×T2／T1)-N2，则脉冲数的差表示声波的波形。
进一步，所述的脉冲数的差的变换器15是一个对(N1×T2／T1)-N2进行运算的电路。例如，给定T1=10-6秒和T1=1秒，它表示(N1×106)-N2，这是由一个减法电路构成的。
在所述的脉冲数的差的变换器15的一个输出端，装备有一个功能调整器16。在所述的功能调整器16的一个输出端，装备有一个并-串联变换器17，D／A(数字／模拟)变换器18，一个集成电路19和一个平联的脉冲输出终端20，所述的并-串联变换器17将诸并联的脉冲列变换成诸模拟信号，而所述的集成电路对所述的D／A变换器18的输出进行积分。
由所述的时钟信号发生器12产生的短周期T1的一个时钟脉冲与抽样一个波形的抽样频率f1相对应，并有T1=1／f1。长周期T2的一个时钟脉冲是一个与短周期T1的时钟脉冲比较足够长的时间，通常将它设置在大约0．1或数秒。
偶尔，在脉冲数的差N中包括由于x-f的非线性的特性曲线引起的畸变。这里，x-f的特性曲线的一个代表性的例子如图8所示。x是在振动膜2和天线6之间的距离。f是振荡器11输出的诸信号的频率，它与N相对应。这个x-f的特性曲线是从实际的测量数据得到的。如图8所示，如果振动膜被位移，则根据x-f的特性曲线频率f主要在工作点附近变化。因为x-f的特性曲线是非线性的，所以在将振动膜被的位移变换成频率变化的过程中发生畸变。为了调整畸变，将x-f的特性曲线表示为一个被变换成一个线性函数的一个函数的形状。
将x-f的特性曲线的一个函数形状设置为f=F(x)，并将线性函数设置为f=G(x)=ax+b。这里，a和b都是常数。为了将x-f的特性曲线变换成线性函数，如果我们能找到一个满足H(F(x)=G(x)的函数H(x)就足够了。通过用一个由DSP(数据信号处理器)或一个逻辑电路组成的功能调整器16进行的操作能制定出这个函数H(x)。
在图9中，以一条虚线表示的f=F(x)代表以一个函数形式表示的实际测量到的x-f的特性曲线。以一条实线表示的f=G(x)代表一条直线，而G(x)是用H(x)变换F(x)得到的函数。在图5中，从逻辑电路5的脉冲数的差的变换器15输出的脉冲数的差包括函数f=F(x)的畸变。为了调整畸变，能由功能调整器16用H(x)变换脉冲数的差。
因为所述的功能调整器16的输出变成与振动膜的位移对应的并联的数字数据，所以为了输出与串联的数字数据相同的数据，我们用并-串联变换器17的输出。又，当用模拟输出时，用D／A变换器18和积分器19得到模拟信号。
如上面提到的，能用一个由一个常规的逻辑电路组成的计数器计算电磁波的频率。所以，能使测量电路整个地变成一个集成电路，因此能够提供一个结构简单，重量轻，价格低，能在长时间中稳定工作的话筒。进一步，频率的计算使得到数字形式的诸测量值成为可能，因此能提供一个有优良的灵敏度或分辨率并适合于整体数字化的最佳话筒。
下面，对既用作天线又用作所述的接收和发射电磁波的装置4的环路的平面电感的结构进行说明(图1)。平面电感有两类结构单一的平面电感和推挽式平面电感。
如图10所示，单一型平面电感10是通过将一个圆的螺旋线圈10b网印在一块绝缘平板10a的任意一个表面上形成的。
于是，将所述的单一型平面电感10安排得接近振动膜2的任意一边。
当将这个单一型平面电感10用作一个天线时，振动膜2的位移x和所述的振荡器11的诸输出信号的频率f的关系包括诸非线性成分，如图8所示。为了消除这种非线性关系，如下面指出的，优先采用推挽式平面电感。
如图11所示，在推挽式平面电感中，将一个第一个平面电感10A和一个第二个平面电感10B安排在接近振动膜2的两个表面的地方，所述的第一个电感10A与一对环形的绝缘平板10a，10a＇的任意一个表面的一条周线在一起形成诸螺旋线圈10b和10b＇。
又，如图12所示，诸环形的绝缘平板10a和10a＇分别有作为一条波路径的诸孔10c和10c＇。
将所述的振动膜2支持并固定在一个环形的固定框架24的一个中心部分。所述的第一和第二个平面电感10A和10B分别固定在环形的固定框架24的一个上或下表面上。即，将振动膜，第一个平面电感和第二个平面电感安排在等距离的地方。
在图11中，当一个声波从任何一个绝缘平板10a的孔10c进入使振动膜振动和振动膜受到振动时，声波从另一块绝缘平板10a＇的孔10c＇逸出。在这种类型的平面电感中，当振动膜振动时，在振动膜2和各个平面电感之间的距离发生变化，所以能够从诸平面电感中的任何一个得到振动膜位移的诸信号。如果通过操作使这样得到的诸信号合成起来，则能够实现一个没有诸畸变信号的话筒。下面，我们说明一个合成两个信号的方法。
首先，我们说明输出所述的两个信号的方法。
作为电路的一种结构，由一个与所述的第一个平面电感连接的放大器形成一个第一个振荡器，和由一个与所述的第二个平面电感连接的放大器形成一个第二个振荡器。
类似地如图5所示，从第一个振荡器输出的脉冲数和从第二个振荡器输出的脉冲数是由第一和第二个处理逻辑电路的诸脉冲计数器进行计数的，第一和第二个处理逻辑电路是分别与第一和第二个振荡器相对应地形成的。又，第一和第二个输出是从分别与第一和第二个处理逻辑电路的诸脉冲计数器相对应地形成的脉冲数的差的变换器输出的。如果两个平面电感的x-f特性曲线是一样的，则因为将振动膜，第一个平面电感和第二个平面电感安排在等距离的地方，所以第一和第二个输出如图13所示。如从图13了解到的那样，当振动膜位在比没有声音的情形中的位置更接近第一个平面电感的位置上时，和如果第一个输出的诸脉冲的差是Np1和第二个输出的诸脉冲的差是Np2，则有Np1＞Np2。当振动膜位在比没有声音的情形中的位置更接近第二个平面电感的位置上时，则有Np1＜Np2。这里，因为大的脉冲数的差导致较高的灵敏度，所以切换第一个输出和第二个输出使它成为总输出。即，如图14所示，当振动膜位在比没有声音的情形中的位置更接近第一个平面电感的位置上时，我们用是第一个输出的脉冲数的差Np1，而当振动膜位在比没有声音的情形中的位置更接近第二个平面电感的位置时，我们用是第二个输出的脉冲数的差Np2。即，图14中的一个实线部分变成一个总输出。以这种方式，与单一电感的情形比较我们能够得到一个线性输出。代替切换，我们能将与第一和第二个输出的诸输出相对应的脉冲数的差的变换器的输出简单地相加和平均，形成总输出。
如果将与第一和第二个输出简单地相加和平均，则总输出的特性曲线如图15所示。又在这种情形中，整个特性曲线变成几乎是线性的。
除了平面电感的圆螺旋结构外，如果采用一个多角螺旋结构也能得到相同的效果。
如上面提到的那样，我们描述了本发明的话筒的结构和诸组成要素。本发明的话筒提供了一个能用于较广阔的领域，如移动电话，卡拉OK和助听器中的话筒。
因为我们用频率低于1012Hz的电磁波代替一条激光束，所以根据本发明的话筒能用由一个常规的逻辑电路组成的计数器计算脉冲数。能将测得的电磁波频率的变化用作诸输出信号。所以，能将测量装置整个地做成一个集成电路，从而我们能提供一个重量轻和能长时期稳定工作的话筒。
权利要求
1．一个电磁话筒，它包括(1)一个在一个表面上接收声波和在另一个表面上接收电磁波的振动膜；(2)一个用于输出被振动膜反射的电磁波的发射-接收装置；(3)一个用于计算从计数器输出的脉冲数的计数器；(4)一个用于接收从计数器输出的脉冲数的处理逻辑电路，其中电磁波的频率低于1012Hz。
2．一个根据权利要求1的话筒，其中振动膜是由一个在0℃电阻率低于20×10-6｛Ωcm｝的导电材料组成的。
3．一个根据权利要求1的话筒，其中振动膜是由一个附着在一个绝缘膜上的在0℃电阻率低于20×10-6｛Ωcm｝的导电材料组成的。
4．一个根据权利要求1的话筒，其中振动膜是由一个Al膜或金膜形成的。
5．一个根据权利要求1的话筒，所述的接收和发射电磁波的装置由一个形成一个起着一个天线作用的反馈环路的平面电感以及接收所述的电磁波并将所述的电磁波辐射到所述的振动膜上的振荡器和一个其中所述的平面电感连接到反馈环路的振荡器组成。
6．一个根据权利要求5的话筒，其中将平面电感安排得接近振动膜的诸表面中的任何一个表面。
7．一个电磁话筒，它包括(1)一个在一个表面上接收声波和在两个表面上都接收电磁波的振动膜；(2)一个用于输出被振动膜反射的电磁波的发射-接收装置；(3)一个用于计算从发射-接收装置输出的脉冲数的计算器；(4)一个用于接收从计数器输出的脉冲数的处理逻辑电路，其中电磁波的频率低于1012Hz。
8．一个根据权利要求7的话筒，其中所述的振动膜是由一个在0℃电阻率低于20×10-6｛Ωcm｝的导电材料组成的。
9．一个根据权利要求7的话筒，其中所述的振动膜是由一个附着在一个绝缘膜上的在0℃电阻率低于20×10-6｛Ωcm｝的导电材料组成的。
10．一个根据权利要求7的话筒，其中所述的振动膜是由一个Al膜或金膜形成的。
11．一个根据权利要求7的话筒，其中接收和发射电磁波的装置包括形成一个起着一个天线作用的反馈环路的一个第一个平面电感和一个第二个平面电感以及接收所述的电磁波辐射并将所述的电磁波辐射到所述的振动膜的振荡器；和一个第一个振荡器和一个第二个振荡器，其中第一个平面电感和第二个平面电感分别与一个反馈环路连接。
12．一个根据权利要求11的话筒，其中分别将第一个平面电感安排得接近所述的振动膜的两个表面中的任何一个表面和将所述的第二个平面电感安排得接近所述的振动膜的另一个表面。
全文摘要
本发明提供一个有一个简单的为了检测一个振动膜的位移不需要一条导线的结构的话筒。该话筒装备有一个在任何一个表面上接收声波和在另一个表面上接收电磁波的振动膜2,一个接收和发射被振动膜反射的电磁波的装置4,一个计算从接收和发射电磁波的装置输出的脉冲数的计数器,和一个计算从计数器输出的脉冲数的处理逻辑电路5。通过用处理逻辑电路计算被振动膜反射的电磁波的频率和振幅将振动膜的位移变换成电信号。
文档编号H04R19/00GK1291067SQ0011991
公开日2001年4月11日 申请日期2000年6月30日 优先权日1999年7月1日
发明者赤松则男, 多田薰 申请人:青井电子株式会社, 赤松则男