カーボンマイクロフォン

カーボンマイクロフォンは、音を電気信号に変換する「電気音響変換器」の一種です。その構造は比較的シンプルで、炭素の粒子を間に詰めた2枚の金属製プレートから成り立っています。マイクロフォン、マイクロホン、マイクといった呼び方や、カーボン、炭素、炭素型といった表記の揺れが見られます。

動作原理

音を受け取る側のプレートは非常に薄く作られており、音の波を受けて振動する「振動板（ダイアフラム）」として機能します。この振動板が揺れることで、挟み込まれたカーボン粒子にかかる圧力が変化します。カーボン粒子は圧力が大きくなると互いに密着し、電気抵抗が低下する性質を持っています。このプレート間には常に直流電流が流れており、抵抗値の変動が電流を変化させる（変調する）ことで、音波の圧力変化を電気的な信号として再現します。

電話機に使用されるカーボンマイクの場合、生成された変調電流はそのまま電話線を介して交換局へ送られます。一方、PA（Public Address）設備などで使用される際には、得られた電流信号をオーディオアンプで増幅してから利用します。

特徴と歴史

カーボンマイクロフォンは、周波数応答範囲が狭く、電気的なノイズが発生しやすいという欠点があります。しかし、構造が単純で製造コストが低く抑えられること、そして特別な増幅回路なしに比較的大きな出力信号が得られるという大きな利点がありました。

1920年代に真空管を用いたアンプが登場する以前は、実用的なレベルの高いオーディオ信号を得るための手段は、実質的にカーボンマイクしか存在しませんでした。その特性、特にコストの低さと出力の強さは、黎明期の電話システムと非常に相性が良く、1980年代頃まで電話機用のマイクとして広く普及しました。現在でも、旧来のアナログ電話サービス（POTS）網では、カーボンマイクを備えた電話機をそのまま使用することが可能です。

電話以外の分野では、より高性能なマイクへの移行が比較的早く進みました。初期のAMラジオ放送では、電話機向けの送話器を流用したカーボンマイクが使われましたが、狭い周波数帯域と高いノイズレベルが問題となり、1920年代後半には他の方式に取って代わられました。しかし、安価なPA機器や軍事・アマチュア無線といった用途では、その後も数十年にわたって利用が続きました。

発明の経緯

長距離での音声通信を初めて可能にしたマイクの一つは、軽接触式のカーボンマイクでした。当時、「トランスミッタ（送話器）」と呼ばれていたこの技術は、1878年頃にイギリスのデイビッド・エドワード・ヒューズ、アメリカのエミール・ベルリナー、そしてトーマス・エジソンによって、それぞれ独立して開発されたとされています。

エジソンは1877年半ばに最初の関連特許を取得しましたが、ヒューズはそれよりも数年早く、多くの人の前で完成したカーボンマイクを実際に動作させて見せていました。このため、多くの歴史家はヒューズを真の発明者とみなしています。

ヒューズの装置では、ゆるやかに詰められたカーボン粒子が用いられていました。音波による振動板の動きが粒子にかかる圧力を変化させ、それに応じてカーボンの抵抗が変動することで、音信号を比較的正確に電気信号として再現しました。また、「マイクロフォン」という言葉自体もヒューズが生み出したものです。彼は自身が発明した装置を王立協会で公開し、音箱の中で昆虫が立てるわずかな音を増幅して聞かせました。エジソンとは異なり、ヒューズは自らの発明に特許を求めず、世界にその技術を惜しみなく提供しました。

一方、アメリカではエジソンとベルリナーの間で、特許権を巡る長い法廷闘争が繰り広げられました。最終的に連邦裁判所は、「音声伝送においてエジソンがベルリナーよりも先行しており、特に送話器にカーボンを用いることは、議論の余地なくエジソンの発明である」との判決を下し、エジソンに全面的に権利を認めました。ベルリナーの特許は無効とされました。

カーボンマイクは、現代のマイクロフォン技術の直接的な祖先であり、電話、放送、そしてレコード産業の発展に不可欠な役割を果たしました。特にエジソンが1886年に開発した、無煙炭粉末を用いたボタン型カーボンマイクは、その単純な構造、低コスト、優れた耐久性から、1890年代から1980年代にかけて電話機に広く採用されました。

増幅器としての応用

カーボンマイクは、マイクロフォンとしての機能に加え、増幅器としても利用できる特性を持っていました。この増幅作用は、初期の電話リピータ（中継器）で重要な役割を果たしました。これは、真空管による増幅技術が普及するまで、長距離電話回線での信号減衰を補う唯一の実用的な方法でした。これらのリピータは、磁気式の受話器（電気信号を機械的な振動に変える装置）をカーボンマイクに機械的に連結した構造をしていました。

他の多くのマイクロフォンが電圧信号を生成するのに対し、カーボンマイクは外部から供給される直流電流を音信号に応じて変調して出力します。これにより、元の信号よりも大きなパワーを持つ信号を得ることが可能です。この特性を利用し、前述のリピータでは、弱い受信信号をこの構成で「増幅」して次の区間へ送り出すことができました。

より高い利得と優れた音質を持つ真空管が増幅器として登場すると、このようなカーボン式リピータはほとんど使われなくなりました。しかし、真空管が一般的になった1930年代以降も、補聴器のような小型・携帯型のオーディオ機器ではカーボン増幅器が使用され続けました。例えば、ウェスタン・エレクトリック社製の65A型カーボン増幅器は、直径約30mm、高さ約10mm、重さ40g未満というコンパクトさで、真空管増幅器が必要とする大型の電池や電源を必要としないという利点がありました。1950年代には、補聴器用のカーボン増幅器も小型の真空管に置き換わり、その後すぐにトランジスタがその役割を担うようになりました。しかし、ニッチな用途向けに現在でもカーボン増幅器が製造・販売されています。

カーボンマイクの増幅作用は、フィードバックによる発振によって簡単に実証できます。古い形式の燭台型電話機などで、イヤホンをカーボンマイク（送話器）に近づけるとキーキーという発振音が聞こえるのは、この増幅作用によって音声信号がループし、発振しているためです。

初期無線通信での利用

黎明期のAMラジオ送信機において、カーボンマイクは無線信号に音声情報を乗せる（音声変調を行う）役割を担っていました。レジナルド・フェッセンデンが1906年に行った最初期の長距離音声伝送実験では、アレキサンダーソン・オルタネータからの連続波を、水冷式のカーボンマイクを通して直接送信アンテナに送ることで変調を行いました。その後、真空管発振器を用いたシステムでは、カーボンマイクの出力を利用して、発振管や出力管のバイアス電圧を変調することで信号に変調をかけていました。

現代における用途

先進国においては主流から外れたカーボンマイクですが、第三世界の旧来型電話網や、特定のニッチな分野で現在も使用され続けています。例えば、シュア社の104c型マイクロフォンは、既存の多くの機器との互換性があることから今なお需要があります。

他の方式のマイクロフォンと比較した際の主な利点は、別途増幅器やバッテリーを必要とせず、非常に低い直流電圧からでも比較的高いレベルの音声信号を生成できる点です。外部から電源が供給されているため、カーボンマイク自体が「パワーゲイン（電力利得）」を生み出すことができます。これを簡単に示す実験として、電池、カーボンマイク、イヤホンを直列に接続し、マイクロフォンとイヤホンを接触させてみてください。システムが発振するのは、ループ全体のパワーゲインが1を超えているためです。

特に長い電話回線を介した遠隔地への通信では、導線の電気抵抗による直流電圧降下が問題となることがあります。多くの現代的な電子電話機は動作に3V以上の電圧を必要とするため、このような状況では機能しなくなることがしばしばあります。しかし、カーボン送話器を備えた電話機は、供給電圧が1Vを大きく下回っても動作し続けることができます。電子電話機は、電圧が一定レベルを下回ると突然停止する「クリフ効果」を示すのに対し、カーボン電話機は共同電話線などでも、複数の電話機が同時に使用された場合に音量は低下するものの、完全に機能が停止することはありません。

さらに、鉱業や化学工業といった安全性に高い注意が求められる分野では、ライン電圧が高いと火花が発生し爆発を引き起こす危険があるため、低電圧で動作するカーボンマイクが広く利用されています。また、カーボン式の電話システムは、落雷による過渡電圧や核爆発に伴う電磁パルス（EMP）といった外部からの強い電気的な衝撃にも耐性があるため、重要な軍事施設の予備通信システムとしても使用され続けています。

もう一度検索