(57)【要約】本発明は、サポート要素（９）、サポート要素（９）に対してＺ軸に沿って振動可能な膜（２）、膜（２）を振動させるためのサポート要素（９）の上で支持される少なくとも１つの圧電作動装置（７）および作動装置（７）を作動するための電子制御ユニット（１１）を備え、聞き取れる波長スペクトル音波を発生し、および／または検出するためのＭＥＭＳ音響変換器、特に、ＭＥＭＳ拡声器および／またはＭＥＭＳマイクロフォンに関する。本発明によれば、ＭＥＭＳ音響変換器は、制御ユニット（１１）が膜振動に依存するセンサー信号（３７）を提供できる方法による少なくとも１つの位置センサー（１９）を特徴づける。さらに、制御ユニット（１１）は機能的自己テストのため、ゆがみ減少のため、ダメージ保護のため、および／または動作変化の補正のため、センサー信号（３７）は、解析されることができ、および／または制御ユニット（１１）に蓄積された参照信号（８）と一致させることができ、ならびに作動装置（７）は解析結果（３５）および／または補正結果（３４）を考慮することにより制御された方法において作動されることができるように設計される。
2018533315.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
聞き取れる波長スペクトルの音波を発生させ、および／または検出するためのＭＥＭＳ音響変換器、特にＭＥＭＳ拡声器および／またはＭＥＭＳマイクロフォンであって、
サポート要素（９）と、
Ｚ軸に沿ってサポート要素（９）に対して振動できる膜（２）と、
前記膜（２）を検出するための前記サポート要素（９）の上で支持される少なくとも１つの圧電作動装置（７）と、
前記作動装置（７）を作動するための電子制御ユニット（１１）と、
膜振動に依存するセンサー信号（３７）を提供することができる前記制御ユニット（１１）による少なくとも１つの位置センサー（１９）と、を備え、
前記制御ユニット（１１）が解析結果（３５）を得るために前記センサー信号（３７）を解析し、および／または補正結果（３４）を得るために、それと前記制御ユニット（１１）に蓄えられた参照信号（８）を一致させ、および
前記解析結果（３５）および／または前記補正結果（３４）を考慮することにより、制御された方法において、前記作動装置（７）を作動することにより、
前記制御ユニット（１１）が、機能的自己テストプロセス、ゆがみ減少プロセス、ダメージ保護プロセスおよび／または動作変化の補正のための補正プロセスを実行するように、前記制御ユニットが設計されることを特徴とするＭＥＭＳ音響変換器。
【請求項２】
前記制御ユニット（１１）が、特に１つの周波数範囲において、前記センサー信号（３７）の少なくとも１つの信号値および／または経時的信号連続を解析し、および／または一致させることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ音響変換器。
【請求項３】
前記機能的自己テストプロセスの間、前記実際センサー信号（３７）の解析を通じて、前記制御ユニット（１１）が前記ＭＥＭＳ音響変換器の実際標準動作（３８）を決定することを特徴とする請求項１または２に記載のＭＥＭＳ音響変換器。
【請求項４】
前記自己テストプロセスの実行のために、参照作動装置信号（４８）に依存するターゲットセンサー信号（４２）が、制御ユニット（１１）に蓄えられ、それは前記ＭＥＭＳ音響変換器のターゲット標準動作を反映することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のＭＥＭＳ音響変換器。
【請求項５】
機能的自己テストプロセスの間、前記制御ユニット（１１）はターゲット振動を発生させる前記参照作動装置信号（４８）とともに前記作動装置（７）を作動し、
実際振動に依存する前記実際センサー信号（３７）と前記ターゲットセンサー信号（４２）を一致させ、
前記実際センサー信号（３７）と前記ターゲットセンサー信号（４２）のずれを決定し、および／または
検出されたずれの事象についてエラーメッセージを発することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のＭＥＭＳ音響変換器。
【請求項６】
前記ゆがみ減少プロセスの間、ゆがみの事象において、前記制御ユニット（１１）は実際センサー信号（３７）の解析を通じてＭＥＭＳ音響変換器の非線形振動（４３）を決定することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のＭＥＭＳ音響変換器。
【請求項７】
前記ゆがみ減少プロセスの間、前記制御装置ユニット（１１）は、決定された前記非線形振動（４３）を少なくとも部分的に減らす補正作動装置信号（４９）とともに、前記作動装置（７）を作動する請求項１〜６のいずれかに記載のＭＥＭＳ音響変換器。
【請求項８】
前記ダメージ保護プロセスの間、前記制御ユニットは前記実際センサー信号（３７）の解析を通じてＭＥＭＳ音響変換器の最大振動（４４）を決定する請求項１〜７のいずれかに記載のＭＥＭＳ音響変換器。
【請求項９】
前記ダメージ保護プロセスを実行するために、予備値（４５）が、特に、前記ＭＥＭＳ変換器が少なくともダメージなしで操作されることができるまでの最大許容予備値レベルとともに、前記制御ユニット（１１）に蓄えられることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のＭＥＭＳ音響変換器。
【請求項１０】
前記ダメージ保護プロセスの間、過負荷を検出するために、前記制御ユニット（１１）は、第１振動に依存する前記実際センサー信号（３７）と前記最大許容予備値（４５）を一致させる、および／または、
前記予備値（４５）の超過において、前記第１振動に減らされた第２振動を発生させる減少作動装置信号（３９）とともに前記作動装置（７）を作動することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のＭＥＭＳ音響変換器。
【請求項１１】
前記ダメージ保護プロセスの間、および／または前記補正プロセスの間、前記制御ユニット（１１）は、前記実際センサー信号（３７）の解析を通じて、前記ＭＥＭＳ音響変換器の実際固有周波数を決定することを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のＭＥＭＳ音響変換器。
【請求項１２】
前記ダメージ保護プロセスおよび／または補正プロセスの間、前記制御ユニット（１１）は、前記実際固有周波数（４６）を決定するための作動装置信号（５０）の解析とともに前記作動装置（７）を作動し、および／または、
前記周波数範囲の間、前記実際固有周波数（４６）を特定する最大値を決定することを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のＭＥＭＳ音響変換器。
【請求項１３】
前記ダメージ保護プロセスおよび／または補正プロセスの実行のために、参照固有周波数（４７）が前記制御ユニット（１１）に蓄えられていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載のＭＥＭＳ音響変換器。
【請求項１４】
前記ダメージ保護プロセスの間、および／または前記補正プロセスの間、前記制御ユニット（１１）は前記蓄積された参照固有周波数とともに決定された前記ＭＥＭＳ音響変換器の前記実際固有周波数（４６）と一致させ、および／または、
ずれにおいて、新しい参照固有周波数（４７）として決定された前記実際固有周波数（４６）を蓄えることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載のＭＥＭＳ音響変換器。
【請求項１５】
前記新しい参照固有周波数（４７）を考慮して前記制御ユニット（１１）は前記作動装置（７）を作動し、一方、検出された動作変化の補正のために、これは好ましくは、補正作動装置信号（４９）とともに起きることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載のＭＥＭＳ音響変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サポート要素、特に膜サポートフレーム、Ｚ軸に沿ってサポート要素に対して振動可能な膜、膜を振動させるためのサポート要素の上で支持される少なくとも１つの圧電作動装置および作動装置を作動するための１つの電子制御ユニットを備え、聞き取れる波長スペクトルにおける音波を発生するおよび／または検出するためのＭＥＭＳ音響変換器、特にＭＥＭＳ拡声器および／またはＭＥＭＳマイクロフォンに関する。
【０００２】
用語“ＭＥＭＳ”はマイクロ電子機械システムを意味する。そのようなシステムは特に、わずかな取り付けスペースしかない電子装置に取り付けられる。既知のＭＥＭＳ拡声器の性能は大部分が理想的な環境条件に依存している。小さな衝撃または温度もしくは気圧などの他の環境影響でさえ、システムの性能に有害な効果を与え得る。さらに、経年効果がそのようなＭＥＭＳ音響変換器の性能に負の影響を与え得る。しかしながら、そのようなＭＥＭＳ拡声器に対する今日の要求は、外部の影響が変化したとしても、長期間少なくとも一貫した音質を必要とする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の課題は、従来技術より知られている不利な点が取り除かれることができるＭＥＭＳ拡声器を提供することであり、特に、従来技術より知られているＭＥＭＳ拡声器と比較してより長い耐用年数、向上された性能および／または向上された音質を特徴づけるＭＥＭＳ拡声器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
課題は独立請求項１の特徴を有するＭＥＭＳ拡声器により達成される。
【０００５】
聞き取れる波長スペクトルにおける音波を発生するおよび／または検出するためのＭＥＭＳ音響変換器、特にＭＥＭＳ拡声器および／またはＭＥＭＳマイクロフォンが提供される。ＭＥＭＳ音響変換器はサポート要素およびＺ軸に沿ってサポート要素に対して振動可能な膜を特徴づける。この点において、サポート要素はサポートフレームでもよい。Ｚ方向における音波を発生するおよび／または検出するためにサポートフレームに対して振動できるように、膜が膜は好ましくは、サポートフレームのくぼみにかかっている。さらに、ＭＥＭＳ音響変換器は、膜を振動させるためのサポート要素の上で支持される少なくとも１つの圧電作動装置を備える。この点において、圧電作動装置は好ましくはカンチレバーとして設計される。したがって、その２つの端の１つはしっかりとサポート要素に取り付けられるが、一方、自由端はＺ方向に振動可能である。作動装置が振動させられる際、膜が同時にＺ軸に振動させられるように、サポート要素に対して自由に動くことができる他端により、作動装置は好ましくは、サポート構造を経由して膜に間接的に接続される。圧電作動装置は好ましくは少なくとも１つの圧電層を備える。
【０００６】
さらに、ＭＥＭＳ変換器は作動装置を作動するために電子制御ユニットを備える。さらに、ＭＥＭＳ音響変換器は少なくとも１つの位置センサーを特徴づける。これにより、Ｚ軸に沿った膜の位置または振動が間接的におよび／または直接的に検出されることができる。位置センサーは好ましくは圧電の、圧力抵抗性の、および／または静電容量のセンサーである。位置センサーの方法により、制御ユニットは膜振動に依存したセンサー信号を提供することができる。
【０００７】
制御ユニットは電気的に少なくとも１つの作動装置および位置センサーに接続されている。さらに、制御ユニットは機能的自己テストまたは機能的自己テストプロセスを実行するために設計される。そうすることにおいて、ＭＥＭＳ音響変換器、特に、作動装置、位置センサーおよび／または膜などのその個々の部品が適切に機能するか否かのテストがある。さらに、制御ユニットはゆがみの減少またはゆがみの減少プロセスを行うために設計される。この点において、作動装置の適切な作動を通して、制御ユニットは、音声出力において、ＭＥＭＳ音響変換器のゆがみを防ぎ、または少なくとも減らす。さらに、制御ユニットはダメージの保護、または、ＭＥＭＳ音響変換器の動作部品（それは、特に、作動装置、位置センサーおよび／または膜）が過負荷および過負荷の結果のダメージから保護されるダメージ保護プロセスを実行するために設計される。さらに、制御ユニットは、特に補正が経年効果および／または外的影響により引き起こされるＭＥＭＳ音響変換器の動作変化を与えるために提供される補正プロセスを実行するために設計される。機能的自己テストプロセス、ゆがみ減少プロセス、ダメージ保護プロセスおよび／または補正プロセスを実行することができるようにするために、制御ユニットはセンサー信号が、解析結果を得るために解析されることができるおよび／または制御ユニットに蓄積された参照信号との比較結果を得るために一致されることができる。したがって、制御ユニットはセンサー信号を解析し、および／または参照信号とそれを一致させる。例えば、ＭＥＭＳ音響変換器の固有周波数などのＭＥＭＳ音響変換器の性質は実際センサー信号の解析を通して
決定されることができる。さらに、例えば、センサー信号の非線形振動は
特定されることができる。
【０００８】
参照信号とセンサー信号を一致させることにより、ずれが検出されると、ＭＥＭＳ音響変換器の動作変化が検出されることができる。そのような動作変化は、例えば、外的影響、特に温度および／または圧力変化により引き起こされ得る。同様に、しかしながら、経年効果、特に作動装置の圧電層も動作において変化を引き起こし得る。このようにして、圧電性能が減らされる外的影響または経年効果により、圧電係数は０に近づき得る。結果として、時間の経過における参照電圧において、圧電作動装置は絶えず低い力と、その結果としての膜の絶え間ない小さな隆起を引き起こし得る。
【０００９】
さらに、そのような一致を通じて、放たれた音響のゆがみを引き起こすＭＥＭＳ音響変換器の非線形振動も特定されることができる。しかしながら、ＭＥＭＳ変換器の動作部品へのダメージを引き起こし得る過負荷もそのような解析および／またはそのような一致により特定されることができる。
【００１０】
ＭＥＭＳ音響変換器へのダメージを避けることができるように、および一貫して高いレベルにおいて音響品質を確保することができるように、解析結果および／または比較結果を考慮して、作動装置が制御された方法において作動されることができ、または制御ユニットによる制御された方法において作動されるように、外的影響および経年効果を独立して、制御ユニットも設計される。したがって、例えば、作動装置はこれからはより高い電圧において操作されることができ、経年による能力低下、または外的影響により引き起こされる能力低下の検出をする。したがって、圧電作動装置は能力低下の補償をするより高い電圧とともに、これにおいて、操作される。しかしながら、圧電作動装置は、検出された過負荷および／またはゆがみによる低下された電圧とともに操作されることもできる。要するに、したがって、前述の説明により設計された制御ユニットを有するＭＥＭＳ音響変換器はより耐久性のある方法において、および／または一貫して高い音響品質のより長い期間において操作されることができるに違いない。
【００１１】
制御ユニットの方法により、少なくとも１つの信号値が解析されることができ、および／または参照値と一致されることができるならば、それは有利な点である。さらに、または、代わりに、もしセンサー信号の経時的な信号の連続が解析されることができ、および／または参照信号の連続と一致されることができるならば、それも有利な点である。これは、好ましくは、タイムウィンドウおよび／または定義された周波数範囲の間に起こることができる。動作変化を調節でき、および／または過負荷を確認することができる機能テストを実行できるようにするために、このようにして、少なくとも１つの個々の信号値を解析しおよび／または参照値とそれを一致させることは特に有利な点である。さらに、非線形振動は特に、ゆがみを減少するための信号カーブの解析および／または一致により、決定されることができる。
【００１２】
機能的自己テストおよび／または動作変化の調節のために、もしも、位置センサーから制御ユニットに伝達された実際センサー信号の解析を通じて、ＭＥＭＳ音響変換器の実際標準動作が決定されることができるように、制御ユニットが設計されるならば、それは有利である。その点において、特に、ＭＥＭＳ音響変換器の初期スタートアップの間、決定された、そのような実際標準動作は、制御ユニットのメモリーに参照標準動作として蓄えられることができる。ＭＥＭＳ音響変換器の新しい動作変化が新しい一致を通して検出されることができる方法により、第一段階において検出されるそのような実際の標準動作は、その際、新しい参照信号または新しいターゲット標準動作を形成する。
【００１３】
機能的自己テストのために、もしも、参照作動装置信号に依存しているターゲットセンサー信号が制御ユニットに蓄えられているならば、それも有利である。そのようなターゲットセンサー信号は、したがって、ＭＥＭＳ音響変換器のターゲット標準動作を反映する。
【００１４】
機能的自己テストのために、もしも、作動装置が、膜のターゲット振動を引き起こす、または発生させる参照作動装置信号とともに作動されることができるように、制御ユニットが設計されていれば、それも有利である。参照作動装置信号とのこの作動の後、もしも、実際振動に依存する実際センサー信号がターゲットセンサー信号に一致されることができれば、それは有利である。さらに、もしも、制御ユニットがそのような一致に基づくターゲットセンサー信号からの実際センサー信号のずれを決定できれば、それは有利である。さらに、または代りに、もしも、制御ユニットが、ずれを検知した際に、エラーメッセージを発する、および／または、それをより高いオーダーの制御ユニットに報告すれば、それは有利である。結果として、ＭＥＭＳ音響変換器は好ましくは、それが的確に操作しているか独立にチェックすることができる。もしも、これがその場合でなければ、もしも、その時から作動装置の作動の上で、制御ユニットが電子装置の調節を通じたそのような動作変化を補正するように、制御ユニットが設計されていれば、それは有利である。
【００１５】
さらに、もしも、制御ユニットがセンサーによって検出された際に自動的に機能的自己テストを実行できるように、制御ユニットが設計されていれば、それは有利である。そのような事象は特に、特定のシステムの開始、センサーにより検出された外的な衝撃またはセンサーにより検出されたＭＥＭＳ音響変換器の動作変化である。
【００１６】
機能的自己テストにおいて、もしも、制御ユニットが少なくともエラー、特に作動装置のダメージ、膜ダメージおよび／または音響出力開口部の障害の２つのタイプを区別することができるように、制御ユニットが設計されていれば、それは有利である。この方法において、ターゲットとされた対策は少なくとも部分的に特定されたエラーを補正するために、前もって始められることができる。
【００１７】
後述において、ゆがみの減少を減少するための制御ユニットの有利な実施形態が焦点を当てられる。したがって、もしも、ＭＥＭＳ音響変換器の非線形振動が、実際センサー信号の解析を通じて決定されることができるように、ゆがみの減少のための制御ユニットが設計されるならば、有利である。この目的において、センサー信号の経時的な信号連続が好ましくは解析される。ゆがみはそのような特定された非線形振動を通じて検出されることができる。
【００１８】
ゆがみの減少のために、もしも、作動装置が、決定された非線形振動を少なくとも部分的に低下させる補正作動装置信号とともに作動されることができるならば、それは有利である。結果として、ＭＥＭＳ音響変換器の音質は向上されることができる。
【００１９】
ダメージの保護を実行するために、制御ユニットは好ましくは、後述の説明にしたがって設計されることが好ましい。したがって、もしも、膜の最大振動が、実際センサー信号、特に少なくとも１つの信号値の高さの解析を通じて決定されることができるように制御ユニットが設計されれば、それは有利である。結果として、すでに起きている、または今にも起りそうなＭＥＭＳ音響変換器の動作部品の過負荷が確実に特定されることができる。
【００２０】
ダメージの保護のために、もしも、最大許容予備値レベルを有する予備値が制御ユニットに蓄えられていたら、それも有利である。この点において、予備値またはその予備値高さは、ＭＥＭＳ音響変換器が少なくともダメージなしで操作されることができるまでのＺ軸に沿った最大許容振動を定義する。
【００２１】
なお、もしも、過負荷を検出するために、第１振動に依存する実際センサー信号、特に、少なくとも１つの個々の信号値が最大許容予備値に一致されることができるように、ＭＥＭＳ音響変換器のダメージ保護のための制御ユニットが設計されていれば、それは有利である。さらに、もしも、予備値が超えられる際に、制御ユニットが特定の、特に減らされた、第１振動に減らされた第２振動を発生する作動装置信号とともに作動装置を作動できるようにするために、制御ユニットが設計されていれば、それは有利である。この方法において、ＭＥＭＳ音響変換器の動作部分が、あまりにも強く振動させられるために、それらがダメージを受けることが、有利に避けられることができる。
【００２２】
制御ユニットの後述の説明は、ＭＥＭＳ音響変換器のダメージ保護および／または動作変化の補正にとって、特に有利である。したがって、この目的において、もしも、ＭＥＭＳ音響変換器の実際固有周波数が実際センサー信号の解析を通じて決定されることができるように、制御ユニットが設計されれば、それは有利である。この点において、実際固有周波数は、ＭＥＭＳ音響変換器の現在の動作を表す性質を表す。さらに、時間のタームにおいて、とても長い固有周波数の範囲における作動の事象において、実際固有周波数に関する知識は、ＭＥＭＳ音響変換器へのダメージを避けることができるようにするために必要である。
【００２３】
もしも、解析信号、特にノイズ信号が実際固有周波数を決定するために制御ユニットに蓄えられていれば、それは有利である。解析信号は、好ましくは、ＭＥＭＳ音響変換器の共振周波数の下の周波数の範囲内において好ましくは拡張する。
【００２４】
この点において、もしも、作動装置が解析信号とともに作動されることができるように、および／または最大特定実際固有周波数が周波数範囲内において決定できるようにできるように、実際固有周波数を決定するための制御ユニットが設計されていれば、それはさらに有利である。結果として、ＭＥＭＳ音響変換器の実際固有周波数は素早く、単純な方法で決定されることができる。
【００２５】
ダメージの保護および／または動作変化の補正のために、もしも、参照固有周波数が制御ユニットに蓄えられたら、それは有利である。
【００２６】
さらに、もしも、決定されたＭＥＭＳ音響変換器の実際固有周波数が蓄積された参照固有周波数と一致されることができるように、ダメージ保護および／または動作変化の補正のための制御ユニットが設計されれば、それはこの点において有利である。
【００２７】
さらに、または代りに、参照固有周波数からの実際固有周波数のずれにおいて、もしも、決定された実際参照固有周波数が新しい参照固有周波数として蓄えられることができるならば、それも有利である。
【００２８】
この点において、もしも、作動装置の作動が、新しい参照固有周波数を考慮して行われるように、ダメージ保護および／または動作変化の補正のための制御ユニットが設計されていれば、それは有利である。したがって、新しく決定された、および蓄積された参照固有周波数はその際、過負荷を避けるために、時間のタームにおいて減らされている方法における新しい固有周波数の範囲におけるＭＥＭＳ音響変換器を作動するために、考慮に入れられる。さらに、新しい蓄積された参照固有周波数は時間の経過における付加的な動作変化を特定するために用いられる。
【００２９】
好ましくは、機能的自己テストプロセス、ゆがみ減少プロセス、ダメージ保護プロセスおよび／または補正プロセスのフレームワーク内における個々の、またはあらゆる組み合わせの、前記プロセスの特徴を実行するように、制御ユニットは設計される。
【００３０】
前記説明にしたがったＭＥＭＳ音響変換器のための作業プロセスも提案されるが、一方、前記特徴、特に制御ユニットの操作モードの点において、個々にまたはあらゆる組み合わせにおいて存在してもよい。さらに、特に、機能的自己テストのための、ゆがみ減少のための、ダメージ保護および／または動作変化の補正のための作業プロセスが提案されており、一方、そのようなプロセスの少なくとも１つが、前述の説明にしたがって設計されている。なお、ここにおいて、特定されたプロセスの特徴は個々にまたはあらゆる組み合わせにおいて存在してもよい。
【００３１】
したがって、膜の振動に依存したセンサー信号が少なくとも１つの位置センサーを経由して検出され、センサー信号は制御ユニットに伝えられ、制御ユニットはセンサー信号を解析し、および／または、それと制御ユニットに蓄えられた参照信号を一致させ、解析結果および／または比較結果を考慮に入れることによる制御された方法において作動装置を作動する、機能的自己テストのための、ゆがみ減少のための、ダメージ保護のための、および／または動作変化の補正のための、特に、ＭＥＭＳ音響変換器プロセスが提案されている。前記説明にしたがって、プロセスはＭＥＭＳ音響変換器とともに実行されるが、ＭＥＭＳ音響変換器、特にその制御ユニットは、機能的自己テストプロセス、ゆがみ減少プロセス、ダメージ保護プロセスおよび／または補正プロセスを実行する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
本発明のさらなる有利な点は、以下の実施形態に説明される。以下、示される：
【図１】本発明の一実施形態にしたがったＭＥＭＳ拡声器の透視断面図、
【図２】集約された位置センサーを有する圧電作動装置の実施形態の概略上面図、
【図３】集約された位置センサーを有する圧電作動装置の第２実施形態の概略上面図、
【図４】集約された位置センサーを有する圧電作動装置の第２実施形態の概略側面図、
【図５】圧力抵抗性位置センサーを有する圧電作動装置の第３実施形態の概略上面図、
【図６】静電容量位置センサーを有する圧電作動装置の第４実施形態の概略上面図および
【図７】ＭＥＭＳ変換機の操作モードを説明する制御ユニット、作動装置および位置センサーの間の情報の流れの概略図
【００３３】
図の下記説明において、様々な要素の間の関係を定義するために、図において示される物質の場所の参照とともに、上、下、上方、下方、上に、下に、左、右、垂直および水平などの相対的な用語が用いられる。そのような用語は、図において示される装置および／または要素の位置からのずれている変化が起きてもよいことは自明である。したがって、例えば、図の参照において逆に示されている装置および／または要素の方向の場合において、図の後述の説明において“上”として特定されている特徴は今、“下”に配置されている。このようにして、相対的な用語は、以下に説明される個々の装置および／または要素の間の相対的な関係のより単純な説明のために単独で用いられる。
【００３４】
図１はＭＥＭＳ音響変換器の第１実施形態を示し、それは好ましくはＭＥＭＳ拡声器１として設計される。代りに、これは、ＭＥＭＳマイクロフォンとしても設計されることができる。
【００３５】
ＭＥＭＳ拡声器１は聞き取れる波長スペクトルの音波を生じるように設計される。この目的において、ＭＥＭＳ拡声器１は、膜２と膜キャリア３を有する。膜２はその縁エリア４において、膜キャリア３と接続され、膜キャリア３に対してＺ軸に沿って振動することができる。この点において、Ｚ軸は、本質的に、膜２に対して垂直に拡張している。補強要素５は膜２の底部において配置されている。
【００３６】
ＭＥＭＳ拡声器１はさらに、膜２、膜２に連結されたリフティング構造６、および少なくとも１つの圧電作動装置７を特徴づける。作動装置７はリフティング構造６を経由して膜２を可動なようにＺ方向に接続している。膜キャリア３は圧電作動装置７のキャリア基質９に配置されている。圧電作動装置７は膜２の下および／または本質的にそれに平行に配置されている。膜２を振動させるため、圧電作動装置７はリフティング構造６の一定方向のまたは二方向のリフティング動作を引き起こすために設計される。電気信号を音響感知音波に変換するために、それは、膜２とともに働く。圧電作動装置７または圧電作動装置構造は、事情に応じて、膜２と違う向きのキャリア基質９の側に配置される。
【００３７】
さらに、ＭＥＭＳ拡声器１はプリント回路基板１０を備える。電子制御ユニット１１、特にＡＳＩＣは、プリント回路基板１０に完全に埋め込まれている。このようにして、制御ユニット１１は、完全に包まれている。制御ユニットに加えて、電気抵抗および／またはＩ／Ｏ接触などの追加受動部品１２はプリント回路基板１０に埋め込まれることができる、および／またはそれに配置されることができる。ＭＥＭＳ拡声器１および、特に圧電作動装置７はさらに図示されていない電気的な接触を備える制御ユニット１１に接続されている。このようにして、圧電作動装置７を通じて、膜サポート３に対して音エネルギーを発生するために、膜２は振動状態に置かれるように、ＭＥＭＳ拡声器１は、制御ユニット１１を経由して作動されることができる、または操作されることができる。圧電作動装置７はこの点においてカンチレバー１３として設計される。したがって、それは、固定留め端および自由振動端を有する。
【００３８】
図１によれば、ＭＥＭＳ拡声器１は、ハウジング１４に配置される。ハウジング１４は上部ハウジング部分１５および下部ハウジング部分１６を備える。上部ハウジング部分１５は音響入力／出力開口部１８を有する音響−伝導チャンネル１７を形成する。これは、ＭＥＭＳ拡声器１の外側表面の側面に配置される。ハウジング１４は特に、膜２に対するさらなる保護を提供する、それが環境に対してそれをカバーするように。
【００３９】
ＭＥＭＳ拡声器１は少なくとも１つの位置センサー１９を特徴づける。位置センサー１９は、膜振動に依存するセンサー信号を有する電子制御ユニット１１を提供するように設計される。制御ユニット１１は、センサー信号に基づき制御された方法において、作動装置７を作動するように設計される。この目的において、位置センサー１９は圧電の、圧力抵抗性のおよび／または静電容量のセンサーでもよい。位置センサー１９は少なくとも部分的に作動装置７、特にカンチレバー１３に集約される。
【００４０】
図１に示す実施形態において、位置センサー１９は図に示される後の実施形態の通りに設計されてもよい。したがって、図２に示された実施形態による位置センサー１９および圧電作動装置７は、共通の圧電層４１（図２参照）により形成される。圧電層４１は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）から形成される。少なくとも一つの領域は、２つの作動装置領域２１が互いに距離を置いて配置されているセンサー領域２０である。センサーおよび作動装置領域２０，２１は、電気的に互いに隔離されている。センサーおよび作動装置の要求が異なってもよいため、異なる性質を備える異なる圧電素材の組み合わせも考えられる。この点において、センサー領域２０は、ＰＺＴから作られることができ、作動装置領域２１は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から作られることができる。
【００４１】
図２によれば、センサー領域２０は２つの作動装置領域２１の間に配置され、カンチレバーの縦方向に対称的に拡張する。作動装置領域２１は完全に、センサー領域２０に対して互いに離れている。センサー領域２０および作動装置領域２１はカンチレバーの縦方向において同じ長さを特徴づける。領域の条件において、２つの作動装置領域２１はセンサー領域２０よりも長い。
【００４２】
膜１が作動装置７を経由して振動された際、Ｚ方向におけるその位置または振動は位置センサー１９の方法により、事情に応じて、検出される。この点において、リフティング構造６の振動のおよその割合である圧電効果を経由して発生された電圧は、作動装置電極を経由して感知され、それに応じて評価される。この検出された入力信号に基づいて、事情に応じて、制御ユニット１１は膜２の実際の位置または実際の振動を決定する。そのようにすることにおいて、接続要素２２の弾性のある振動特徴は重視される。接続要素２２は位置センサー１９とリフティング構造６を接続する。そのような検出された膜２の実際の位置の機能として、制御ユニット１１は膜の望ましいターゲット位置および／またはそれに依存する電子出力信号を決定する。出力信号はそれに従って膜２を振動させる作動装置７に伝えられる。振動動作の間および／またはその終わりにおいて、位置センサー１９を経由して、膜２の実際の位置は、もう一度検出され、もしも、適切であれば、前の説明に従った環境条件にもう一度調節される。
【００４３】
すでに上記で説明したように、図２は集約された位置センサー１９を備える圧電作動装置７の第１実施形態の概略上面図を示す。この点において、圧電作動装置７は、センサー領域２０により互いに離されている２つの作動装置領域２１を特徴づける。領域２０、２１はともに、ＰＺＴにより形成される。しかしながら、他の圧電素材は考えられる。広い部分が作動装置に用いられ、狭い領域のみがセンサーに用いられるということも考えられる。この点において、センサー領域２０は、作動領域２１から電気的に隔離されている。非対称の作動によるリフティング構造６の望ましくない傾きを避けるため、作動装置およびセンサー領域２１，２０は互いに反対のペアとして配置されるべきである。
【００４４】
図３および４はそれぞれ、位置センサー１９を備える圧電作動装置７の第２実施形態の概略上面図を示す。この点において、圧電位置センサー１９は、特にＡｌＮにより作られた第１圧電層２３により図４にしたがって形成される。圧電作動装置７は特にＰＺＴにより作られた第２圧電層２４により形成される。２つの層は互いに電気的に隔離されており、Ｚ軸に対して一つは他の上に配置される。
【００４５】
図３によれば、第１圧電層２３は多数のセンサー領域２０に細分される。センサー領域２０は互いに分離され、および／または電気的に隔離されている。図３に示される実施形態において、カンチレバーの横方向において間隔が開けられた方法により配置されている３つのセンサー領域２０が形成される。特に、これは、等距離でなされる。第２圧電層２４はカンチレバー１３に延びる作動装置領域２１を特徴づける。少なくとも上面において、そのような作動装置領域２１はカンチレバー１３の全体の表面に渡って延びている。２つの作動装置領域２１はカンチレバーの縦方向において同じ長さを特徴づける。しかしながら、センサー領域２０はカンチレバーの縦方向全体に延びず、その一部に渡っているということも考えられる。図示しないが、そのような場合において、カンチレバーの長さの違いは他の作動装置領域により形成される。
【００４６】
図４に示すように、圧電層２３，２４は共に、サポート層２５により支持された積層を形成する。サポート層２５はプリント回路基板１０に接続されている。示される実施形態において、位置センサー１９を形成する第１圧電層２３は、第２圧電層２４、特に作動装置７の上に配置される。しかしながら、第１圧電層２３は圧電作動装置７の下にも配置されることができる。
【００４７】
図５は、集約された位置センサー１９を備える圧電作動装置７の第３実施形態の概略上面図を示す。これにおいて、位置センサー１９は、特に電源線２６を通じて圧力抵抗性に形成される。電源線２６は圧電作動装置７のサポート層２５のイオン・インプランテーションにより形成される。
【００４８】
電源線２６は第１電気接触２７から第２電気接触２８に延びている。２つの電気接触２７，２８は好ましくは作動装置７の固定留め端２９の領域に配置される。電源線２６はＵ型に形成され、第１縦方向部分３０および第２縦方向部分３１を特徴づける。第１縦方向部分３０は第１電気接触２７からカンチレバー１３へ延びており、カンチレバーの縦方向の開始である。横断部分３２から第２縦部分３１は延びており、カンチレバーの縦方向の開始であり、一方、カンチレバー１３から第２電気接触２８に出るように、横断部分３２はカンチレバーの横方向に延びている。まさに記載した方法により、本ケースにおいては４つのそのような電気抵抗器３３が形成される。抵抗器３３はお互いに異なり、ホイートストン測定ブリッジが形成される方法により制御ユニット１１に接続される。
【００４９】
これにおいて、電源線２６、特に抵抗器３３は、膜振動の結果による圧力変化の結果として起きる変形に作用する。抵抗器３３は制御ユニット１１により検出され評価される抵抗における変化とともにそれに加えて作用する。
【００５０】
図６は集約された静電容量位置センサー１９を備える圧電作動装置７の第４実施形態の概略上面図である。静電容量位置センサー１９はくぼみを特徴づけ（さらに詳細に図示しない）、各延長部が配置されている。各延長部はＺ軸方向に動くことができる。示された実施形態において、くぼみはフレーム３６に配置され、延長部はカンチレバー１３に配置される。カンチレバー１３もＺ方向に振動可能である。それに比べて、フレーム３６は固定されており、好ましくはキャリア基質９により形成される。しかしながら、くぼみがカンチレバー１３に形成されており、延長部がフレーム３６に形成されることも考えられる。くぼみは２つの内表面を特徴づけるが、内表面の少なくとも１つは第１測定電極として設計される。延長部は第２測定電極または誘電体として設計される。この方法においては、電気コンデンサーが形成される。
【００５１】
作動装置７による膜２の作用の結果として、カンチレバー１３の延長部も振動される。その上に、各延長部と各対応するくぼみの間の距離が増加する。その結果、２つの測定電極の距離または第１測定電極と誘電体の間の距離も、事情に応じて、増加する。容量はまさにこの距離により決定されるので、制御ユニット１１は振動による容量の変化を検出する。この静電容量センサー信号の機能として、制御された方法（図１も参照）において膜２を作用するために、作動装置７は制御された方法において作動されることができる。
【００５２】
図７は、特に前述の説明において、ＭＥＭＳ拡声器１および／またはＭＥＭＳマイクロフォンとして設計されたＭＥＭＳ音響変換器の操作方法を概略的に示す。これにおいて、ＭＥＭＳ音響変換器は、サポート要素または膜サポート３において、事情に応じて、Ｚ方向の振動可能方法において搭載される膜２を備える。さらに、ＭＥＭＳ音響変換器は圧電作動装置７および位置センサー１９を備える。同様に、これらは制御ユニット１１に電気的に接続される。
【００５３】
機能的なテストを実行するように、ゆがみを減らすために、ＭＥＭＳ音響変換器へのダメージを避けるように、および／またはＭＥＭＳ音響変換器の動作変化を認識し、および補正するように、制御ユニット１１は設計される。この目的において、制御ユニット１１は、それが実際センサー信号３７を解析が可能なように、および／またはそれが制御ユニット１１に蓄積された参照信号８とそれを一致させることが可能なように、設計される。さらに、作動装置７が、実際センサー信号３７および／または比較結果の解析を通じて決定されることができる解析結果３５を考慮に入れた制御された方法において作動されることができるように、制御ユニット１１は設計される。
【００５４】
機能的自己テストのために、または、機能的自己テストプロセス（比較円形要素３７，４２，４８）の実行のために、ＭＥＭＳ音響変換器は、したがって、参照作動装置信号４８とともに、作動装置７を作動することができる。制御ユニット１１のメモリーユニットにおいて、ターゲットセンサー信号４２は、参照作動装置信号４８に依存する膜２のターゲット振動を表す参照信号８として蓄えられる。参照作動装置信号４８を有する作動装置７の方法による膜２の作動を通して、これは振動される。振動は、実際センサー信号３７を制御ユニット１１に伝える位置センサー１９により検出される。実際センサー信号は実際標準動作３８を表し、および／またはＭＥＭＳ音響変換器の実際標準動作３８の決定に役立つ。実際／ターゲット一致の機構の間において、制御ユニット１１は実際センサー信号３７と蓄積されたターゲットセンサー信号４２を比較する。その比較結果３４が２つの信号の間の相違を生じなければ、ＭＥＭＳ音響変換器は正確に操作している。もしそうでなければ、制御ユニット１１は、操作の誤った方法を認識している。特に、システムの開始の間または外的干渉の後、上記の機能的ユニット自己テストまたはそのような機能的自己テストプロセスは制御ユニット１１により自動的に実行されることができる。
【００５５】
さらに、制御ユニット１１は、それが、入ってくる実際センサー信号３７の解析が可能なように設計される。解析結果３５として、制御ユニット１１は特に、ＭＥＭＳ音響変換器の最大振動４４、実際固有周波数４６および／または非線形振動４３を決定することができる。さらに、制御ユニット１１は、特にメモリーにおいて、予備値４５および／または参照固有周波数４７を蓄える。
【００５６】
ゆがみ減少またはゆがみ減少プロセスの機構の間において（六角形要素４３，４９を参照）、制御ユニット１１はしたがって、実際センサー信号３７の解析を通じて、膜２の非線形振動４３を検出できる。そのような非線形振動は出された音声のゆがみの証拠である。実際センサー信号３７の解析および／または一致において、制御ユニットは特に、少なくとも１つの各信号値および／または経時信号連続を用い、特に、センサー信号の１つの周波数範囲の間である。
【００５７】
この特定されたゆがみの補正ができるようにするために、検出された非線形振動４３を少なくとも部分的に減らす補正作動装置信号４９とともに作動装置７が作動されることができるように、制御ユニット１１はさらに、設計される。結果として、膜２は非ゆがみ振動領域に再び引き戻されることができる。
【００５８】
膜２、作動装置７および／または位置センサー１９の過負荷によるダメージを防ぐためのダメージ保護プロセスの実行のために、制御ユニット１１はさらに、最初に、実際センサー信号３７の解析を通して、および予備値４５の一致を通して、それが対応する過負荷を特定できるように（四角要素３９，４４，４５を参照）、設計される。したがって、予備値４５は、ＭＥＭＳ変換器がダメージなしで少なくとも操作されることができるまでの最大許容予備値レベルを定義する。
【００５９】
最大振動４４および予備値４５の一致を通して、制御ユニット１１は、過負荷が今にも起りそう、またはすでに起きているかを決定することができる。最大振動４４が予備値４５を超えるすぐ前または、それがそれを超えたすぐ後に、制御ユニット１１は減らされた作動装置信号３９とともに作動装置７を作動する。したがって、前の作動装置信号と比較された際に減らされたそのような作動装置信号３９は、膜２の第１振動に減らされた第２振動を引き起こす。結果として、動かされたＭＥＭＳ部品の過負荷が有利に避けられることができる。
【００６０】
さらに、ＭＥＭＳ音響変換器の実際固有周波数４６の識別は、ダメージの保護またはダメージ保護プロセスの実行に有利である。事情に応じて、同じことがＭＥＭＳ音響変換器の動作変化の補正または補正プロセスの実行に適用される（三角要素４６，４７，４９を参照）。
【００６１】
実際固有周波数４６を分析的に決定するために、解析作動装置信号５０が制御ユニット１１のメモリーユニットに蓄えられる。これは好ましくは、ＭＥＭＳ音響変換器の共振周波数未満の１つの周波数範囲に拡張するノイズ信号からなる。作動装置７は、この解析作動装置信号５０とともに作動される。周波数範囲の間の最大値を決定できるようにするために、位置センサー１９によりフィードバックされた実際センサー信号３７は、制御ユニット１１により解析される。この最大値は、その際に、ＭＥＭＳ音響変換器の実際固有周波数を特定する。制御ユニット１１はその際に、蓄積された参照固有周波数４７とともに解析的に決定された実際固有周波数の一致を通じて、それは、固有周波数への変化を決定することができる。
【００６２】
ゆがみが検出された際、もしも、新しい固有周波数（すなわち実際固有周波数４６）が新しい参照固有周波数４７として制御ユニット１１のメモリーに蓄えられたら、それは、ダメージの保護に有利である。ＭＥＭＳ音響変換器に対するダメージを防ぐために、これは、固有周波数の範囲における時間の限られた期間の間のみ特に励起されてもよい。膜２のさらなる作動の上において、制御ユニット１１は、その際、新しい参照固有周波数４７を考慮し、したがって、時間制御された方法において、そのような周波数範囲において、膜２を作動する。
【００６３】
さらに、しかしながら、ＭＥＭＳ音響変換器の固有周波数のそのような変化は、外的影響、特に圧力もしくは温度変化、または経年効果の結果でもよい。ＭＥＭＳ音響変換器のそのような動作変化を補正するために、固有周波数の分析的に決定された変化において、実際固有周波数４６は新しい参照固有周波数４７として蓄えられ、これからは作動装置７の作動において考慮されれば、したがって、それも有利である。この目的において、制御ユニット１１は対応する補正作動装置信号４９とともに作動装置７を作動する。
【００６４】
この発明は図示され、説明された実施形態に限定されない。特許請求の範囲の目的内の変形、特徴の単なる組み合わせは、可能である、たとえ、それらが、図示された、および示された異なる実施形態であっても。
【符号の説明】
【００６５】
１  ＭＥＭＳ拡声器
２  膜
３  膜キャリア
４  縁領域
５  リフォーミング要素
６  リフティング構造
７  作動装置
８  蓄積された参照信号
９  キャリア基質
１０  回路基板
１１  制御ユニット
１２  追加受動要素
１３  カンチレバー
１４  ハウジング
１５  上方ハウジング部分
１６  下方ハウジング部分
１７  音響−伝導チャンネル
１８  音響入力／出力開口部
１９  位置センサー
２０  センサー領域
２１  作動装置領域
２２  接続要素
２３  第１圧電層
２４  第２圧電層
２５  サポート層
２６  電源線
２７  第１電気接触
２８  第２電気接触
２９  固定留め端
３０  第１縦方向部分
３１  第２縦方向部分
３２  横方向部分
３３  抵抗器
３４  補正結果
３５  解析結果
３６  フレーム
３７  実際センサー信号
３８  実際標準動作
３９  減少作動装置信号
４０  ＡＳＩＣ
４１  共通圧電層
４２  ターゲットセンサー信号
４３  非線形振動
４４  最大振動
４５  予備値
４６  実際固有周波数
４７  参照固有周波数
４８  参照作動装置信号
４９  補正作動装置信号
５０  解析作動装置信号
【図１】
2018533315.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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