(57)【要約】  本発明は、ＭＥＭＳマイクロフォン（１）に関し、このＭＥＭＳマイクロフォンは、電気信号を出力するためのトランスデューサ素子（２）と、このトランスデューサ素子（２）からの電気信号を受信し、処理された信号を出力するための第１の部分（３）と、この第１の部分（３）からの当該処理された信号を受信し、このＭＥＭＳマイクロフォン（１）の出力信号を出力するための第２の部分（４）と、当該第１の部分（３）のゲイン設定を調整し、当該第２の部分（４）のゲイン設定を調整することができるようになっているゲイン制御部（５）とを備える。さらに本発明のもう１つの態様は、上記ＭＥＭＳマイクロフォン（１）の駆動方法に関し、この方法は上記の第１の部分（３）のゲイン設定を調整するステップと、上記の第２の部分（４）のゲイン設定を調整するステップとを備える。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＥＭＳマイクロフォンであって、
電気信号を出力するためのトランスデューサ素子（２）と、
前記トランスデューサ素子（２）からの前記電気信号を受信して、処理された信号を出力するための第１の部分（３）と、
前記第１の部分（３）からの前記処理された信号を受信し、前記マイクロフォン（１９）の出力信号を出力するための第２の部分（４）と、
前記第１の部分（３）のゲイン設定を調整し、かつ前記第２の部分（４）のゲイン設定を調整することができるようになっているゲイン制御部と、
を備えることを特徴とするＭＥＭＳマイクロフォン。
【請求項２】
請求項１に記載のＭＥＭＳマイクロフォン（１）において、
前記ゲイン設定部（５）は、前記第１の部分（３）のゲイン設定を、前記第２の部分（４）のゲイン設定の調整に対して反比例するように調整できるようになっていることを特徴とするＭＥＭＳマイクロフォン。
【請求項３】
請求項１または２に記載のＭＥＭＳマイクロフォン（１）において、
前記第１の部分（３）は、調整可能なゲイン設定を有するアナログ−デジタルのシグマ−デルタ変調器（１１）を備えることを特徴とするＭＥＭＳマイクロフォン。
【請求項４】
請求項３に記載のＭＥＭＳマイクロフォン（１）において、
前記アナログ−デジタルのシグマ−デルタ変調器（１１）のゲイン設定の調整は、前記アナログ−デジタルのシグマ−デルタ変調器（１１）のフルスケールレンジの変更を含むことを特徴とするＭＥＭＳマイクロフォン。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のＭＥＭＳマイクロフォン（１）において、
前記第１の部分（３）は、調整可能なゲイン設定を有する前置増幅器（９，１０）を備えることを特徴とするＭＥＭＳマイクロフォン。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のＭＥＭＳマイクロフォン（１）において、
前記第２の部分（４）は、調整可能なゲイン設定を有するデジタルのシグマ−デルタ変調器（１３）を備えることを特徴とするＭＥＭＳマイクロフォン。
【請求項７】
請求項６に記載のＭＥＭＳマイクロフォン（１）において、
前記デジタルのシグマ−デルタ変調器（１３）のゲイン設定の調整は、前記デジタルのシグマ−デルタ変調器（１３）のフルスケールレンジの変更を含むことを特徴とするＭＥＭＳマイクロフォン。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載のＭＥＭＳマイクロフォン（１）において、
前記トランスデューサ素子（２）は、２つの電気信号を前記第１の部分（３）に出力するための差動トランスデューサ素子であることを特徴とするＭＥＭＳマイクロフォン。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載のＭＥＭＳマイクロフォン（１）において、
前記ゲイン設定部（５）は、前記第１の部分（３）から出力される前記処理された信号の振幅を測定できるようになっており、前記第１の部分（３）から出力された前記処理された信号の振幅に基づいて、前記第１の部分（３）および前記第２の部分（４）のゲイン設定を調整できるようになっていることを特徴とするＭＥＭＳマイクロフォン。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか１項に記載のＭＥＭＳマイクロフォン（１）において、
前記トランスデューサ素子（２）から出力される前記電気信号を、アナログ信号に変換し、
前記第２の部分（３）は、当該信号を変換して、前記処理された信号がデジタル信号となるようにすることを特徴とするＭＥＭＳマイクロフォン。
【請求項１１】
請求項１０に記載のＭＥＭＳマイクロフォン（１）において、
前記第１の部分（３）から出力される前記処理された信号は、マルチビット信号であり、前記第２の部分（４）は、当該信号をデジタルのシングルビット信号に変換することを特徴とするＭＥＭＳマイクロフォン。
【請求項１２】
ＭＥＭＳマイクロフォン（１）の駆動方法であって、
前記ＭＥＭＳマイクロフォン（１）は、
電気信号を出力するためのトランスデューサ素子（２）と、
前記トランスデューサ素子（２）からの前記電気信号を受信して、処理された信号を出力するための第１の部分（３）と、
前記第１の部分（３）からの前記処理された信号を受信し、前記ＭＥＭＳマイクロフォン（１）の出力信号を出力するための第２の部分（４）と、
ゲイン制御部と、
を備え、
当該方法は、前記第１の部分（３）のゲイン設定の調整のステップと、前記第２の部分（４）のゲイン設定の調整のステップと、を備えることを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法において、
前記第１の部分（３）のゲイン設定の調整は、前記第２の部分（４）のゲイン設定の調整に対して反比例するように行われることを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１２または１３に記載の方法において、
前記ゲイン設定部（５）は、前記第１の部分（３）から出力される前記処理された信号の振幅を測定し、前記第１の部分（３）から出力された前記処理された信号の振幅に基づいて、前記第１の部分（３）および前記第２の部分（４）のゲイン設定を調整することを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法において、
前記振幅が第１の閾値を超えた場合、前記ゲイン制御部（５）は、前記第１の部分（３）のゲイン設定を低下させ、前記第２の部分（４）のゲイン設定を上昇させることを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１４または１５に記載の方法において、
前記振幅が所定の時間に渡り第２の閾値より低く留まっている場合、前記ゲイン制御部（５）は、上記の第１の部分（３）のゲイン設定を上昇させ、上記の第２の部分（４）のゲイン設定を低下させる、ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳマイクロフォンおよびＭＥＭＳマイクロフォンの駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
モバイル機器用のマイクロフォンは、多種多様な外的条件で機能することが期待されている。このため高いＳ／Ｎ比および大きな音圧レベルが要求されている。この音圧レベルは、トランスデューサ素子またはフロンエンド回路がオーバーフローすること無しに、このマイクロフォンが正確に再現できる、最大の音響入力信号である。ＭＥＭＳマイクロフォンに対するさらなる要求は、電力消費の極小化，必要な電源電圧の極小化，およびこのＭＥＭＳマイクロフォンのサイズの極小化である。
【０００３】
本発明の目的は、これらの相反する問題の少なくともいくつかを解決することであり、すなわち大きな音圧レベルを維持しつつ良好なＳ／Ｎ比を提供するＭＥＭＳマイクロフォンを提供することである。さらに本発明の目的は、このようなＭＥＭＳマイクロフォンの駆動方法を提供することである。
【０００４】
上記の目的は、本願請求項１に記載のＭＥＭＳマイクロフォンによって達成される。さらに上記の目的は本願の独立請求項に記載のＭＥＭＳマイクロフォンの駆動方法によって達成される。さらなる特徴、有利な実施形態および応用例が従属項に記載されている。
【０００５】
本発明の１つの態様によれば、ＭＥＭＳマイクロフォンは、電気信号を出力するためのトランスデューサ素子と、当該トランスデューサ素子からの電気信号を受信し、処理された信号を出力するための第１の部分と、この第１の部分からの当該処理された信号を受信し、このＭＥＭＳマイクロフォンの出力信号を出力するための第２の部分と、当該第１の部分のゲイン設定を調整し、当該第２の部分のゲイン設定を調整することができるようになっているゲイン制御部とを備える。
【０００６】
この用語「部分」とは、このＭＥＭＳマイクロフォンの回路段を意味する。１つの部分は、このＭＥＭＳマイクロフォンの１つの区域であってもよい。
【０００７】
具体的には、１つの部分は１つの回路であってよい。したがって１つの部分は電子部品（複数）を備えてよい。詳細には１つの部分は、線形素子（複数）および／または他の部品（複数）、たとえばシグマ−デルタ変調器を備えてよい。さらに１つの部分は、入力ポートと出力ポートとを接続する主経路を備えてよく、上記の部品の少なくとも幾つかは、この主経路に沿って配設されている。
【０００８】
これより、入力信号は、上記の主経路の入力ポートに入力されてよい。さらにこの信号は、上記の部品によって処理されてよい。この処理された信号は、この部分の出力ポートに出力されてよい。この部分の部品によって行われる信号の処理は、この信号の増幅部、この信号のフィルター部、およびアナログ信号からデジタル信号への変換部あるいはこの逆の変換部の内の少なくとも１つを備えてよい。
【０００９】
しかしながら、１つの部分は、全く部品の無い回路であってもよい。代替として、１つの部分は、１つの回路の部分回路であってよい。
【００１０】
１つの好ましい実施形態においては、本発明によるＭＥＭＳマイクロフォンは、上記の第１の部分、上記の第２の部分およびゲイン制御部のみから構成されている信号処理回路を備えてよい。この信号処理部はトランスデューサ素子から出力される信号を受信し、このＭＥＭＳマイクロフォンの処理された出力信号を出力するように設定されていてよい。この処理された出力信号は、フロントエンド回路に入力される１ビットのデジタル信号であってよい。
【００１１】
しかしながら、代替として、このＭＥＭＳマイクロフォンの信号処理回路は、さらなる素子（複数）、または上記の第１の部分，上記の第２の部分および上記のゲイン制御部以外の部分（複数）を備えてもよい。
【００１２】
この第１の部分は、アナログ入力信号を受信し、デジタル信号を出力するように設定された部分であってよい。これに対応して、この第１の部分による電気信号の処理は、アナログ電気信号のデジタル信号への変換を含んでよい。さらにこの第１の部分による電気信号の処理は、この電気信号の増幅を含んでよい。この増幅の程度は、この第１の部分の調整可能なゲイン設定によって規定されてよい。
【００１３】
上記の第２の部分は、デジタル入力信号を受信し、アナログ信号を出力するように設定された部分であってよい。さらにこの第２の部分は、信号を増幅するように設定されていてもよい。ここでこの増幅の程度は、この第２の部分の調整可能なゲイン設定によって規定されてよい。この第２の部分は、マルチビットデジタル信号をシングルビットデジタル信号に変換するように設定されていてもよい。
【００１４】
具体的には第１の部分の調整可能なゲイン設定および第２の部分の調整可能なゲイン設定は、上記のＭＥＭＳマイクロフォンの入力−出力の線形の関係が確立できるように調整されていてよい。これに対応して、トランスデューサ素子から出力される振幅信号は、このＭＥＭＳマイクロフォンの出力信号の振幅と線形な関係になっていてよい。
【００１５】
１つの実施形態においては、ゲイン設定部は、第１の部分のゲイン設定を、第２の部分のゲイン設定の調整に対して反比例するように調整できるようになっている。これよりこの第１の部分のゲイン設定の調整は、常にこれに対応する第２の部分のゲイン設定の調整によって補償される。これによってトランスデューサ素子から供給される信号と上記の出力信号との線形の関係が保証される。
【００１６】
特に、強い信号が検出されると、第１の部分のオーバーフローを避けるために、この第１の部分のゲイン設定は低くされる。この際、このゲイン設定は、高い音圧レベル、たとえば１４０ｄＢに達する音圧が検出できるように調整されてよい。
【００１７】
さらに小さな振幅の信号に対しては、第１の部分のゲイン設定は、小振幅の信号に対しても十分に高いＳ／Ｎ比が保証されるように調整されてよい。具体的にはこの第１の部分は、小振幅の信号に対して良好な線形性が保証されるように、その線形レンジが変更されてよい。ある部分の線形レンジは、その入力と出力の間の線形性が最適化される部分に対応する周波数レンジを与える。第１の部分のゲイン設定を補正することが可能であるので、この第１の部分の線形レンジを大きくすることができる。これによって信号振幅の広いレンジに渡って良好なＳ／Ｎ比が達成される。とりわけ、６６ｄＢより高いＳ／Ｎ比が達成され、またこのＭＥＭＳマイクロフォンは、１４０ｄＢの音圧レベルに耐えることができる。
【００１８】
１つの実施形態においては、第１の部分は、ゲイン設定が調整可能なアナログ−デジタルのシグマ−デルタ変調器を備える。具体的には、このアナログ−デジタルのシグマ−デルタ変調器のゲイン設定の調整は、このアナログ−デジタルのシグマ−デルタ変調器のフルスケールレンジの変更を含む。これに応じて、このアナログ−デジタルのシグマ−デルタ変調器のフルスケールレンジは、小振幅の弱い信号にもあるいは大振幅の強い信号にも合わせることができる。このアナログ−デジタルのシグマ−デルタ変調器のフルスケールレンジは、アナログ−デジタルのシグマ−デルタ変調器が出力信号として出力できる最大の振幅を与える。このフルスケールレンジを超える振幅を有する全ての信号は、デジタル出力の全てのビットが「１」で表わされる。
【００１９】
大振幅の強い信号がある場合には、このアナログ−デジタルのシグマ−デルタ変調器のフルスケールレンジは、このシグマ−デルタ変調器のオーバーフローが避けられるように調整される。小振幅の弱い信号に対しては、このフルスケールレンジは、高いＳ／Ｎ比が保証されるように調整される。以上により、信号の振幅に応じて、このアナログ−デジタルのシグマ−デルタ変調器の感度を調整することができる。
【００２０】
さらに第１の部分は、前置増幅器を備えてよい。この前置増幅器は、ゲイン設定が調整可能であってよい。さらに、この前置増幅器への追加あるいはこの代替として、第１の部分は、他の線形素子を備えてよい。
【００２１】
この前置増幅器は、トランスデューサ素子とアナログ−デジタルのシグマ−デルタ変調器との間に、直列に設けられてよい。
【００２２】
第２の部分は、ゲイン設定が調整可能な、デジタルのシグマ−デルタ変調器を備えてよい。具体的には、このデジタルのシグマ−デルタ変調器のゲイン設定の調整は、このデジタルのシグマ−デルタ変調器のフルスケールレンジの変更を含む。
【００２３】
１つの実施形態においては、トランスデューサ素子は、２つの電気信号を第１の部分に出力するための差動トランスデューサ素子である。この差動トランスデューサ素子は、２つのバックプレートの間に１つの移動可能なダイヤフラム設けられており、この移動可能なダイヤフラムにバイアス電圧が印加される。代替として、この差動トランスデューサ素子は、２つの移動可能なダイヤフラムと１つのバックプレートを備えてよい。差動トランスデューサ素子（複数）は、２つの電気信号を出力し、これによってこの出力された電気信号の感度と信頼性を高められる。しかしながら本発明は、差動トランスデューサ素子を備えたＭＥＭＳマイクロフォンに限定されない。代替として単一の移動可能なダイヤフラムと１つのバックプレートとを備える通常のトランスデューサ素子が用いられてもよい。
【００２４】
１つの実施形態においては、ゲイン設定部は、第１の部分から出力される処理された信号の振幅を測定できるようになっており、測定されたこの振幅に基づいて、第１の部分および第２の部分のゲイン設定を調整できるようになっている。ここでこのゲイン設定部は、トランスデューサ素子によって受信された電気信号が強いか弱いかを推定することができる。強い信号の場合は、第１の部分のオーバーフローあるいはクリッピングを避けるために、この第１の部分のゲイン設定が小さくされる。弱い信号の場合は、良好な感度と良好なＳ／Ｎ比を可能とするために、この第１の部分のゲイン設定が大きくされる。
【００２５】
しかしながら、音響入力信号とＭＥＭＳマイクロフォンの出力信号との線形関係が保証されるように、第２の部分のゲイン設定は、第１の部分のゲイン設定に対して反比例するようにされてよい。
【００２６】
１つの実施形態においては、トランスデューサ素子から出力される電気信号は、アナログ信号であり、さらに第１の部分は、この信号を変換して、処理された信号がデジタル信号となるようにする。このデジタル信号は、シングルビット信号であってもまたマルチビット信号であってもよい。さらに第２の部分は、第１の部分から出力される処理された信号をデジタルのシングルビット信号に変換することができるようになっていてよい。モバイル機器におけるＭＥＭＳマイクロフォンに接続されたフロントエンド回路は、一般的にはシングルビットの入力信号が用いられることになっている。このため信号をシングルビット信号に変換する第２の部分は、このＭＥＭＳマイクロフォンが一般的なフロントエンド回路に適合することを保証するものである。
【００２７】
本発明の第２の態様は、上記で説明したＭＥＭＳマイクロフォンの駆動方法に関する。
【００２８】
特に本発明によるＭＥＭＳマイクロフォンの駆動方法は、上記で説明した全ての構造的および機能的特徴を備えるＭＥＭＳマイクロフォンに関する。これに対応して、このＭＥＭＳマイクロフォンは、以下に説明する方法に関する全ての構造的および機能的特徴を備えていてもよい。
【００２９】
本発明によるＭＥＭＳマイクロフォンの駆動方法は、電気信号を出力するトランスデューサ素子と、このトランスデューサ素子からの電気信号を受信するため、および処理された信号を出力するための第１の部分と、この第１の部分からの処理された信号を受信するため、およびこのＭＥＭＳマイクロフォンの出力信号を出力するための第２の部分と、ゲイン制御部と、を備えるＭＥＭＳマイクロフォンに関する。この方法は、第１の部分のゲイン設定を調整するステップと、第２の部分のゲイン設定を調整するステップとを備える。
【００３０】
第１の部分の設定は、第２の部分のゲイン設定の調整に対して反比例するように、ゲイン制御部によって調整されてよい。この際この第１の部分におけるいかなる調整も、これに対応する第２の部分における反比例した調整によって補償されてよい。これよりこのＭＥＭＳマイクロフォンの入力信号と出力信号との間の線形関係が保証される。
【００３１】
１つの実施形態においては、本方法は、ゲイン制御部が第１の部分から出力される処理された信号の振幅を測定し、この第１の部分から出力される処理された信号の振幅に基づいて、第１の部分のゲイン設定および第２の部分のゲイン設定を調整するステップを備える。
【００３２】
この振幅から、トランスデューサ素子によって受信された音響信号が弱い信号かあるかまたは強い信号であるかが推定することができる。このようにして上記の第１の部分および第２の部分のゲイン設定とフルスケールレンジとが調整され、このマイクロフォンの最大音圧レベルを低下することなく、理想的なＳ／Ｎ比を実現することができる。
【００３３】
１つの実施形態においては、もし振幅が第１の閾値を超えると、ゲイン制御部は、第１の部分のゲイン設定を低下させ、第２の部分のゲイン設定を上昇させる。振幅がこの第１の閾値を超えることは、トランスデューサ素子によって受信された音響信号が強くなってきていることを示している。これに応じてこのゲイン設定部は、このマイクロフォンのオーバーフローが起こる前に調整が行われるようにトリガーを発生してよい。
【００３４】
特にもし振幅が上記の第１の閾値を超えると、ゲイン設定が瞬時に、すなわち所定の待ち時間なしに、補正されてよい。もし振幅がこの第１の閾値を超えると、第１の部分のオーバーフローが、この第１の部分のゲイン設定が瞬時に低下されることが好ましい状態に近くなっている可能性がある。
【００３５】
１つの実施形態においては、もし振幅が所定の時間第２の閾値より低く留まっていると、ゲイン制御部は、第１の部分のゲイン設定を上昇させ、第２の部分のゲイン設定を低下させる。
【００３６】
振幅がこの所定の時間第２の閾値より低く留まっていることは、上記のトランスデューサ素子によって受信された音響信号が弱くなっていることを示している可能性がある。これに応じてゲイン制御部は、Ｓ／Ｎ比が劣化しないようにゲイン設定とフルスケールレンジを調整する。
【００３７】
このためゲイン制御部は、タイマーを備えてよい。このタイマーで測定される所定の時間は、最小の音響信号の周期の約半分より大きくなければならない。さもなければ最小周波数信号のゼロクロスの際に不要なゲイン調整が行われてしまう。この所定の時間は、１〜１００ミリ秒であってよく、好ましくは１０〜５０ミリ秒である。
【００３８】
さらなる特徴、変形例および実施例が、図に関連した例示的な実施形態の以下の説明で明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】ＭＥＭＳマイクロフォンのブロック図を概略的に示す。
【図２】第１の実施形態によるＭＥＭＳマイクロフォンのさらに詳細なブロック図を示す。
【図３】第２の実施形態によるマイクロフォンのブロック図を示す。
【００４０】
図１は、ＭＥＭＳマイクロフォン１のブロック図を概略的に示す。このＭＥＭＳマイクロフォン１は、トランスデューサ素子２，第１の部分３，第２の部分４，およびゲイン制御５を備える。
【００４１】
このトランスデューサ素子２は、音響信号を電気信号に変換するように構成されている。図１に示すＭＥＭＳマイクロフォン１は、移動可能なダイヤフラム６，第１のバックプレート７，および第２のバックプレート８を備えた差動トランスデューサ素子を備える。この移動可能なダイヤフラム６は、上記の２つのバックプレート７，８の間に配設されており、このダイヤフラム６にバイアス電圧が印加される。こうしてこのトランスデューサ素子２は、２つの電気信号を出力する。これらの電気信号のそれぞれは、上記の移動可能なダイヤフラム６と第１のバックプレート７あるいは第２のバックプレート８との間の容量に対応する。
【００４２】
さらに上記の第１の部分３，第２の部分４，およびゲイン制御部５は、このＭＥＭＳマイクロフォン１の信号処理回路を形成する。この信号処理回路は、上記のトランスデューサ素子２から出力される信号を処理し、このＭＥＭＳマイクロフォン１の出力信号を出力するように構成されており、好ましくは出力信号としてシングルビットのデジタル信号を出力するように構成されている。
【００４３】
図１に示す実施形態においては、信号処理回路は、第１の部分３、第２の部分４、およびゲイン制御回路５のみで構成されている。しかしながら代替の実施形態においては、この信号処理回路は、さらに他の部分または部品を備えてよい。
【００４４】
トランスデューサ素子２から出力された２つの電気信号は、第１の部分３に入力される。しかしながら本発明は、差動トランスデューサ素子を備えたＭＥＭＳマイクロフォン１に限定されない。代替として、このＭＥＭＳマイクロフォン１は唯１つの移動可能なダイヤフラム６と１つのバックプレート７を有するトランスデューサ素子３を備えてよく、したがって唯１つの電気信号を第１の部分３に出力する。
【００４５】
とりわけ、この第１および第２の部分３，４は回路であってよい。したがってそれぞれの部分３，４は電子部品（複数）を備えてよい。とりわけそれぞれの部分３，４は、線形素子（複数）および／または他の部品（複数）、たとえばシグマ−デルタ変調器を備えてよい。さらにそれぞれの部分３，４は、入力ポートと出力ポートとを接続する主経路を備えてよく、上記の部品の少なくとも幾つかは、この主経路に沿って配設されている。
【００４６】
これより、入力信号は、上記の主経路の入力ポートに入力されてよい。さらにこの信号は、上記の部品によって処理されてよい。この処理された信号は、部分３，４の出力ポートに出力されてよい。これらの部分３，４の部品によって行われる信号の処理は、信号の増幅、信号のフィルター、およびアナログ信号からデジタル信号への変換あるいはこの逆の変換の内の少なくとも１つを含んでよい。
【００４７】
しかしながら、部分３，４は、全く部品の無い回路であってもよい。代替として、部分３，４は、１つの回路の部分回路であってよい。
【００４８】
第１の部分３はトランスデューサ素子２から出力される電気信号を処理するように構成されている。この電気信号の処理は、アナログ信号のデジタル信号への変換であってよい。この電気信号の処理は、この電気信号の振幅の増幅であってよい。詳細には、パラメータＡ１は、部分３の設定ゲインを表している。この設定ゲインＡ１は、トランスデューサ素子２から出力される信号を第１の部分３が増幅する際の増幅率であってよい。またこの設定ゲインＡ１は、この第１の部分３の線形レンジの設定に対応していてよい。
【００４９】
この第１の部分３から出力される処理された信号は、入力信号として第２の部分４に入力される。この第２の部分４は、上記の処理された信号をさらに処理して、このＭＥＭＳマイクロフォン１の出力信号を出力する。この出力信号は、好ましくはデジタル信号である。好ましくはこの出力信号はデジタルのシングルビット信号である。こうしてこの第２の部分４は、上記の第３の部分３から出力される信号をデジタルのシングルビット信号に変換する処理を行ってよい。さらに、この第２の部分４は、第１の部分３から出力される信号を増幅する処理を行ってよい。
【００５０】
第２の部分４は、調整可能な設定ゲインを有してよい。この設定ゲインは、上記の処理された信号が増幅される際の増幅率であってよい。またこの設定ゲインは、第２の部分のフルスケールレンジの設定であってよい。
【００５１】
第２の部分４の設定ゲインは、パラメータＡ２によって与えられる係数に設定される。パラメータＡ１とＡ２の積は一定となってよい。したがって、この第２の部分４の設定ゲインＡ２は、第１の部分３の設定ゲインＡ１に反比例している。このようにして、この第１の部分３の設定ゲインＡ１のいかなる調整も、第２の部分４において補償され、これによってこのＭＥＭＳマイクロフォン１の入力−出力の線形関係がもたらされる。
【００５２】
換言すれば、パラメータＡ１で与えられる第１の部分３の設定ゲイン、およびパラメータＡ２で与えられる第２の部分の設定ゲインは、これらのパラメータＡ１とＡ２との積が一定となるように補正されるので、上記のパラメータＡ１の設定に関わらず、このＭＥＭＳマイクロフォン１の出力信号は、上記のトランスデューサ素子２で測定された入力信号に比例する。このようにして、の第２の部分４の調整可能な設定ゲインが第１の部分３の設定ゲインにおけるいかなる変化も補償することができるので、この第１の部分３の多様な設定ゲインを選択することができる。
【００５３】
本発明によるＭＥＭＳマイクロフォン１は、さらに上記の第１および第２の部分３，４の設定ゲインを調整することができるようになっているゲイン制御部５を備える。また上記の第１の部分３から出力される処理された信号は、入力パラメータとしてこのゲイン制御部５に入力される。この信号の振幅に基づいて、ゲイン制御部５は、第１および第２の部分３，４の設定ゲインを変更することができるようになっている。このようにこのゲイン制御部５は、第１の部分３と第２の部分４とに接続されている。さらにこのゲイン制御部５は、これらの第１および第２の部分３，４のそれぞれに制御信号を送信できるようになっている。
【００５４】
このゲイン制御部５は、上記の第１の部分３から出力される処理された信号の振幅を測定する。もしこの振幅が第１の閾値を超えると、このゲイン制御部５は上記の第１の部分３のゲイン設定を低下させ、上記の第２の部分４のゲイン設定を上昇させる。
【００５５】
この第１の閾値は、上記の第１の部分３の線形レンジの所定の割合に対応していてよい。たとえばもし上記の処理された信号の振幅がこの第１の閾値を超えると、ゲイン制御部５は、トランスデューサ素子２から第１の部分３に出力される電気信号が、たとえば上記の第１の部分３の線形レンジの７０％に対応する値を超えていると推定してよい。これに対応して、ゲイン制御部５は、第１の部分３のゲイン設定を低下させてよいが、この場合これはこの線形レンジの増加に対応している。
【００５６】
これによってトランスデューサ素子２および第１の部分３のクリッピングが避けられ、すなわち電気信号が上記の線形レンジを超えて、第１の部分３のオーバーフローをもたらすことが避けられる。これによってこのＭＥＭＳマイクロフォン１が最大音圧レベルまで動作することが保証される。詳細にはこのＭＥＭＳマイクロフォン１は、他のどの部分もオーバーフローさせることなしに１４０ｄＢの音圧レベルまで動作可能である。
【００５７】
さらに、もし第１の部分３から出力される上記の処理された信号の振幅が所定の時間に渡って第２の閾値を下回ると、ゲイン制御部５は、第１の部分３のゲイン設定を上昇させ、また第２の部分４のゲイン設定を低下させる。この所定の時間を測定するため、このゲイン制御部５は、図示しないタイマーを備える。この所定の時間は、ミリ秒の範囲であってよく、たとえば１〜１００ミリ秒の範囲である。
【００５８】
もし上記の振幅が、この所定の時間に渡って第２の閾値を下回ると、信号の振幅が低下したと見做され、クリッピングが発生する虞れ無しに上記の第１の部分３のゲイン設定を上昇させてよいと見做される。これにより小振幅の弱い音響信号の場合に、上記の第１の部分３の線形レンジおよびこの第１の部分のゲイン設定が調整されて、十分なＳ／Ｎ比が保証されることが保証される。
【００５９】
第１の部分３は、トランスデューサ素子２から出力される信号をアナログ処理するための素子（複数）を備えてよい。第２の部分４は、信号をデジタル処理するための素子（複数）を備える。この第１の部分３のいかなるゲイン調整も第２の部分４に反比例して行われるので、これらのアナログ素子によって行われるゲイン調整は、第２の部分４でデジタル的に補償される。以上によりこのＭＥＭＳマイクロフォン１から出力される出力信号は、第１および第２の部分３，４のゲイン設定と無関係となる。これによりトランスデューサ素子２から出力される電気信号の振幅と、第２の部分４から出力される電気信号の振幅との線形関係が保証される。
【００６０】
図２は、第１の実施形態によるＭＥＭＳマイクロフォン１のさらに詳細なブロック図を示す。
【００６１】
第１の部分３は、第１および第２の前置増幅器９，１０，アナログ−デジタルのシグマ−デルタ変調器１１，および平均化フィルタ１２を備える。この平均化フィルタ１２は、第１の信号レートを有するシングルビットのデジタル信号を、入力信号と同じレートでマルチビットのデジタル信号に変換する。すべてのシングルビットの入力サンプリングデータに対し、現在のサンプリングデータとこれ以前のｎ−１個の入力サンプリングデータとの平均を計算して出力する。こうしてｎ＋１個のレベルを有する出力信号が出力される。
【００６２】
第３の部分３は、トランスデューサ素子２から出力される信号を処理する。この際この第３の部分は、この信号を、第１の部分の総合ゲイン設定Ａ１によって与えられる増幅係数で増幅する。差動トランスデューサ素子２は、２つの電気信号を出力する。
【００６３】
これらの信号のそれぞれは、前置増幅器９，１０に入力される。これらの第１および第２の前置増幅器９，１０は、平行した経路に配設されている。これらの第１および第２の前置増幅器９，１０はそれぞれ、各々の電気信号を増幅してアナログ出力信号をアナログ−デジタルのシグマ−デルタ変調器１１に出力する。これらの第１および第２の前置増幅器９，１０は、好ましくは両方の経路における信号強度が等しくなるように、同じゲイン設定に設定される。代替として、これらの第１および第２の前置増幅器９，１０は、異なるゲイン設定に設定されてもよい。
【００６４】
しかしながら、１つの代替の実施形態においては、トランスデューサ素子２は、唯１つの電気信号を出力してよい。この場合、第１の部分３は、唯１つの前置増幅器９を備えてよい。
【００６５】
この前置増幅器９は、信号振幅を係数Ａ１PREAMPで増幅する。これらの前置増幅器９，１０のゲイン設定、すなわちこのパラメータＡ１PREAMPは調整可能である。ゲイン制御部５は、これらの第１および第２の前置増幅器９，１０のゲイン設定を調整するように構成されている。
【００６６】
さらに上記のアナログ−デジタルのシグマ−デルタ変調器１１は、上記のトランスデューサ素子２から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換することができるようになっている。このアナログ−デジタルのシグマ−デルタ変調器１１は、フルスケールレンジで調整可能である。パラメータＡ１SDMは、この調整可能なフルスケールレンジの設定を表す。第１の実施形態においては、このアナログ−デジタルのシグマ−デルタ変調器１１は、シングルビットのデジタル出力信号を出力する。この信号は、このアナログ−デジタルのシグマ−デルタ変調器１１と直列に接続された上記の平均化フィルタ１２に入力される。
【００６７】
第１の部分全体のゲイン設定Ａ１は、上記の前置増幅器９，１０のゲインを表すパラメータＡ１PREAMPに比例し、上記のアナログ−デジタルのシグマ−デルタ変調器１１の調整可能なフルスケールレンジを表すパラメータＡ１SDMに比例する。
【００６８】
平均化フィルター１２は、デジタルのマルチビット信号を生成する。このようにして、この平均化フィルター１２は、アナログ−デジタルのシグマ−デルタ変調器１１から出力される信号を所定のビット数ｎに対してサンプリングして、ｎ＋１個のレベルの出力信号を出力する。このデジタルのマルチビット信号は、第２の部分４およびゲイン制御部５に入力される。
【００６９】
このゲイン制御部５は、平均化フィルター１２から出力される出力信号を測定する。この信号に基づいて、ゲイン制御部５は、上記のパラメータＡ１PREAMPを上記の前置増幅器９，１０のゲイン設定に対応して設定し、かつ上記のパラメータＡ１SDMをアナログ−デジタルのシグマ−デルタ変調器１１のフルスケールレンジに対応して設定することにより、第１の部分３の総合ゲイン設定Ａ１が設定できるようになっている。
【００７０】
以上に説明したように、もし上記の平均化フィルター１２から出力される信号が第１の閾値を超えると、第１の部分３のゲイン設定Ａ１が低下されて、この第１の部分３の線形レンジが拡大される。さらに、もし上記の平均化フィルターから出力される信号が第２の閾値が所定の時間に渡って第２の閾値より低く留まっていると、第１の部分３のゲイン設定Ａ１が上昇されて、この第１の部分３の線形レンジは低下される。これら両方の場合で、第２の部分のゲイン設定およびフルスケールレンジは反比例して調整される。
【００７１】
さらに、第２の部分４は、デジタルのシグマ−デルタ変調器１３を備える。このデジタルのシグ−マデルタ変調器１３は、デジタルループフィルター１４と量子化器１５とを備える。さらにこのデジタルのシグマ−デルタ変調器１３は、フィードバック経路１６を備える。
【００７２】
パラメータＡFORWARDは、フォワードゲインを表し、パラメータＡFEEDBACKは、フィードバック経路１６のフィードバックゲインを表す。このフォワードゲインＡFORWARDおよびフィードバックゲインＡFEEDBACKは、第２の部分のゲインＡ２＝ＡFORWARD／ＡFEEDBACKを決定し、１／Ａ２に比例する第２の部分のフルスケールレンジを決定する。
【００７３】
これらのパラメータＡFORWARDおよびＡFEEDBACKは調整可能である。具体的には、これらはゲイン制御部５によって調整される。第２の部分４の総合ゲインＡ２の設定は、これらのパラメータＡFORWARDおよびＡFEEDBACKを設定することによって補正される。以上説明したように、第２の部分４の総合ゲインＡ２は、上記の第１の部分３のパラメータＡ１PREAMPおよびＡ１SDMの設定が変更されるたびに補正される。このようにして第１の部分３のゲイン設定の変化は、第２の部分４のゲイン設定の変化によって補償される。
【００７４】
この第１の部分３のアナログ−デジタルのシグマ−デルタ変調器１１の構成は図２に示されていない。しかしながら、このアナログ−デジタルのシグマ−デルタ変調器１１は、図２に示すデジタルのシグマ−デルタ変調器１３と同様な構成であってよい。
【００７５】
図３は、ＭＥＭＳマイクロフォン１の第２の実施形態を示す。この第２の実施形態は、アナログ−デジタルのシグマ−デルタ変調器１１がマルチビットの出力信号を出力する点で、上記の第１の実施形態と異なっている。このため、平均化フィルター１２は、もはやシングルビットの信号をマルチビットの信号に変換する必要が無い。これ以外は、この第２の実施形態は、第１の実施形態と同じである。
【００７６】
全ての実施形態において、第１の部分３のアナログ−デジタルのシグマーデルタ変調器１１は、スイッチドキャパシタ型かまたは連続型であってよい。さらに、このアナログ−デジタルのシグマ−デルタ変調器１１は、図２に示すようにシングルビット信号を出力してよく、あるいは図３に示すようにマルチビット信号を出力してよい。さらに第２の部分４のデジタルのシグマ−デルタ変調器１３は、シングルビットの出力信号を出力する。ループフィルター１４は、要求されているような１１２ｄＢまで達するシステムダイナミックレンジより大きなダイナミックレンジを達成するために充分に大きな数のビットを有して実装されなければならない。
【符号の説明】
【００７７】
１  −  ＭＥＭＳマイクロフォン
２  −  トランスデューサ素子
３  −  第１の部分
４  −  第２の部分
５  −  ゲイン制御部
６  −  ダイヤフラム
７  −  第１のバックプレート
８  −  第２のバックプレート
９  −  第１の前置増幅器
１０  −  第２の前置増幅器
１１  −  アナログ−デジタルのシグマ−デルタ変調器
１２  −  平均化フィルター
１３  −  デジタルのシグマ−デルタ変調器
１４  −  デジタルループフィルター
１５  −  量子化器
１６  −  フィードバック経路
【図１】
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【図２】
2015530024.tif 000004
【図３】
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【国際調査報告】
2015530024.tif 000006
2015530024.tif 000007