(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板(12)上に作製された可撓性ダイヤフラム(14)と、該ダイヤフラム(14)に動作可能に接続された電子素子(16)(18)(20)(22)とを具えており、
ダイヤフラム(14)は、基板(12)上に作製され、該基板から解放されるマイクロマシンド・メッシュ(43)と、該メッシュ(43)をシールする材料からなる層とを具えており、
マイクロマシンド・メッシュ(43)は、サーペンチン形状のばね(50)を含んでいる音響トランスデューサ。
【請求項２】
サーペンチン形状のばね(50)は、複数の長アーム(52)と短アーム(54)が交互に配置された構成である請求項１の音響トランスデューサ。
【請求項３】
長アーム(52)の各々の最も長い辺は、長さが約５０μｍよりも短い請求項２の音響トランスデューサ。
【請求項４】
隣接する長アーム間の最大間隔は約３μｍである請求項２又は３の音響トランスデューサ。
【請求項５】
マイクロマシンド・メッシュ(43)は複数のセル(48)を含んでおり、各セル(48)は、複数のサーペンチン形状のばね(50)から構成される請求項１乃至４の何れかの音響トランスデューサ。
【請求項６】
基板(12)は、セラミック、ガラス、シリコン、印刷回路基板及びシリコン・オン・インシュレータ半導体デバイスからなる群から選択される請求項１乃至５の何れかの音響トランスデューサ。
【請求項７】
ダイヤフラム(14)はｘ−ｙ面内に作製され、ｚ方向に自由に動くことができるように基板(12)によって支持される請求項１乃至６の何れかの音響トランスデューサ。
【請求項８】
ダイヤフラム(14)は、空気圧の変化によってダイヤフラム(14)が動くことができるように、基板(12)によって支持されている請求項１乃至７の何れかの音響トランスデューサ。
【請求項９】
ダイヤフラム(14)は、電気信号で作動したときに動くことができるように、基板(12)によって支持されている請求項１乃至８の何れかの音響トランスデューサ。
【請求項１０】
ダイヤフラム(14)をバイアスするための電圧源を具えている請求項１乃至９の何れかの音響トランスデューサ。
【請求項１１】
可撓性ダイヤフラム(14)のアレイを形成する追加のダイヤフラムをさらに具えている請求項１乃至１０の何れかの音響トランスデューサ。
【請求項１２】
ダイヤフラム(14)は、空気圧の変化によってダイヤフラム(14)が動くことができるように、基板(12)によって支持されており、電子素子(20)はダイヤフラム(14)の動きを検知し、その動きを電気信号に変換する請求項１乃至１１の何れかの音響トランスデューサ。
【請求項１３】
ダイヤフラム(14)は、電子素子(18)が電気信号をダイヤフラム(14)に加えることができるように、基板(12)によって支持されており、ダイヤフラム(14)は電気信号を音響波に変換する請求項１乃至１２の何れかの音響トランスデューサ。
【請求項１４】
電子素子は、ダイヤフラム(14)に連結されて、ダイヤフラム(14)を電気入力で作動させる入力回路(16)(18)を具えている請求項１乃至１３の何れかの音響トランスデューサ。
【請求項１５】
入力手段(16)(18)は、デジタル信号プロセッサ(ＤＳＰ)(16)を含んでおり、該プロセッサは、入力デジタル音声信号を受信するための第１入力端子と、ダイヤフラム(14)の位置変化を表すデジタルフィードバック信号を受信するための第２入力端子と、第１出力端子とを有し、ＤＳＰ(16)は、第１出力端子にて、入力デジタル音声信号からのデジタル差信号とデジタルフィードバック信号を供給するようにしており、入力手段(16)(18)は、パルス幅変調器(18)を含んでおり、該変調器(18)は、第１出力端子に連結されて、デジタル差信号を受信するための入力端子と、ダイヤフラム(14)に連結された出力端子とを有している請求項１乃至１４の何れかの音響トランスデューサ。
【請求項１６】
パルス幅変調器(18)は、デジタル差信号を１ビットパルス幅変調(ＰＷＭ)信号に変換し、パルス幅変調器(18)は、その出力端子を経由して１ビットＰＷＭ信号を電気入力としてダイヤフラム(14)へ送る請求項１５の音響トランスデューサ。
【請求項１７】
電子素子は、ＤＳＰ(16)及びダイヤフラム(14)に連結されたフィードバック回路(20)(22)をさらに具えており、前記フィードバック回路(20)(22)は、デジタルフィードバック信号を発生する請求項１５又は１６の音響トランスデューサ。
【請求項１８】
入力デジタル音声信号、デジタルフィードバック信号及びデジタル差信号は、パルスコード変調(ＰＣＭ)信号である請求項１７の音響トランスデューサ。
【請求項１９】
フィードバック回路(20)(22)は、ダイヤフラム(14)に連結されたセンス増幅器(20)と、該センス増幅器(20)及び前記ＤＳＰ(16)との間で連結されたアナログ−デジタル変換器(22)を含んでいる請求項１７又は１８の音響トランスデューサ。
【請求項２０】
センス増幅器(20)は圧力センサーを含んでいる請求項１９の音響トランスデューサ。
【請求項２１】
圧力センサーは、ＣＭＯＳ ＭＥＭＳマイクロホンを含んでいる請求項２０の音響トランスデューサ。
【請求項２２】
センス増幅器(20)は位置センサーを含んでいる請求項２１の音響トランスデューサ。
【請求項２３】
ＤＳＰ(16)は、音響インピーダンスを測定するために試験周波数掃引を出力するように構成され、ＤＳＰ(16)は、測定された音響インピーダンスを考慮に入れて、この音響インピーダンスの補正を行なう請求項１５乃至２２の何れかの音響トランスデューサ。
【請求項２４】
基板(12)、ＤＳＰ(16)、パルス幅変調器(18)、センス増幅器(20)、及びアナログ−デジタル変換器を担持するハウジング(10)をさらに具えている請求項１９乃至２３の何れかの音響トランスデューサ。
【請求項２５】
ＤＳＰ(16)、パルス幅変調器(18)、センス増幅器(20)、及びアナログ−デジタル変換器(22)は、基板(12)上に作製される請求項２４の音響トランスデューサ。
【請求項２６】
基板(12)は、ダイヤフラム(14)の下の位置に形成されて、基板(12)を貫通する背面孔(60)を含んでいる請求項１乃至２５の何れかの音響トランスデューサ。
【請求項２７】
音声を再生する方法であって、基板(12)上に作製され、該基板(12)が第１面を画定する可撓性ダイヤフラム(14)を静電的にバイアスし、電気音声入力信号をダイヤフラムム(14)に供給して、ダイヤフラム(14)を第１面と直交する方向に動かすこと、を含んでおり、
ダイヤフラム(14)は、基板(12)上に作製されて、該基板(12)から解放されるマイクロマシンド・メッシュ(43)と、該メッシュ(43)をシールする材料からなる層とを具えており、マイクロマシンド・メッシュ(43)は、サーペンチン形状のばね(50)を含んでいる方法。
【請求項２８】
ダイヤフラム(14)に現われる音響インピーダンスを、周囲空気圧又はダイヤフラム(14)を取り囲む他のあらゆる音響媒体によって測定し、測定された音響インピーダンスを考慮に入れて、この音響インピーダンスを補正することをさらに含んでいる請求項２７の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
本発明は、広い意味において、音響トランスデューサに関し、より具体的には、マイクロ・エレクトロ・メカニカルシステム(ＭＥＭＳ)を用いて作製されたデジタル音声トランスデューサに関する。
【０００２】
【関連技術の説明】
電気音響トランスデューサは、音波を電気信号に変換し、また電気信号を音波に変換する。一般的に知られている電気音響又は音声トランスデューサは、マイクロホンとスピーカを含んでおり、これらは近代の電子通信のあらゆる分野で数多く適用されている。例えば、電話機は、相手側と話をしたり聞くことができるように、マイクロホンとスピーカの両方を含んでいる。代表的なマイクロホンは、その近傍での空気圧の変化を、その出力での電気信号の対応する変化に変換する電気機械トランスデューサである。代表的なスピーカは、その近傍での空気圧の変化により、その入力での電気音声信号を、その出力で発生した音波に変換する電気機械トランスデューサである。
【０００３】
関連する代表的な電気音響トランスデューサは、連続的に製造される。換言すれば、スピーカとマイクロホンは、分離した異なる要素から製造され、多くの組立工程を伴う。例えば、カーボンマイクロホンを製造するには、可動の金属ダイヤフラム、カーボンの顆粒、金属ケース、基体構造及びダストカバー(ダイヤフラム上の)を必要とする。コーン型移動コイルのスピーカは、誘導性音声コイル、永久磁石、金属及びペーパコーン組立体などを必要とする。それゆえ、大容積の音声トランスデューサを製造する上でコスト的な利点は殆んどない。さらに、関連する電気音響トランスデューサの性能は、分離した構成要素の性能の変動により、例えば室温の変化や、組立工程の変化によって制限される。分離した構成要素の材質や製作者の違いによってもまた、得られた音声トランスデューサの性能に影響を及ぼす。
【０００４】
米国特許第４５５５７９７号は、入力としてデジタル音声信号を受信する(一般的には、従来のスピーカに入力されるアナログ音声信号とは反対である)ハイブリッドスピーカシステムを開示しており、直列に接続された部分に細分された音声コイルを介して、該システムから可聴音を生成する。ボイスコイル部分は、デジタル音声入力言語における対応ビットの値によって選択的に短絡される。しかしながら、音声コイルは、製造されるスピーカ毎に正確に細分されなければならない。さらにまた、分けられた音声コイルの各部分は、デジタル音声入力における最下位ビット順に正確なインパルスを与えるために、機械的スピーカ構造の一部として正確に配置される必要がある。音声コイルの分離的性質は、前述した典型的なスピーカの製造及び性能に関連する問題、例えば一貫性、コスト及び品質等に影響を及ぼす。音声コイルは、性能の一貫性を確保するために、製造が同一おの要素で連続的に作らればならない。それゆえ、分離した音声コイルを組み込んだ装置を商業的に製作するには、その複雑性や、コイル製造及び使用の一部として要求される精度を考えると、あまり利益がないかもしれない。
国際公開公報第ＷＯ９４／３００３０号は、音響源又は受信機として用いられる微細構造(microstructure)を開示している。デバイスは、窒化シリコンメンブレンを支持するプレート、又はフィンガーとプレートの間に形成された層から構成される。デバイスをカットして窓を形成することもできる。窓の位置及び配置については、微細構造の周波数応答に合わせて選択することができる。
国際公開公報第ＷＯ９３／１９３４３号は、夫々の支持領域で支持された複数の検知要素を有するマイクロメカニカル・センサーを開示している。検知要素は、互いに略同じであり、各検知要素は、その支持領域から離れる方向に延びる細長い外向き脚と、外向き脚と略平行で支持領域の方へ延びる戻り脚とを具えている。形状が略同じ検知要素を開示されたように配備することにより、薄膜応力の影響は最小化される。
【０００５】
さらにまた、ソリッドステート圧電膜が超音波トランスデューサとして用いられている。しかしながら、超音波周波数は、人間の耳には聞こえない。超音波トランスデューサの近くの空気は、可聴音を作り出すのに十分に大きくないかもしれない。
【０００６】
それゆえ、この分野では、製造コストがより安く、大きさがより小さい電気音響トランスデューサが要請されている。音声トランスデューサの性能を均一なものにし、例えば周囲温度の変動のような外的パラメータへの依存性をより少なくするには、分離した要素を用いることなくソリッドステート電気音響トランスデューサを作ることが望ましい。イヤホンをより軽量にするために、デジタル音声入力を可聴音波に直接変換できる音響トランスデューサに対する要請もある。さらにまた、その他の音声処理回路と一体化できる電気音響トランスデューサを作ることが望ましい。
【０００７】
本発明は、基板に作製された可撓性ダイヤフラムを提供する。可撓性ダイヤフラムは、基板に作製されたマイクロマシンド・メッシュ(micromachined mesh)から作られる。メッシュが解放される(released)と、可撓性ダイヤフラムを形成するために、材料の層が、メッシュをシールするのに用いられる。
本発明は、基板上に作製され、材料の層でシールされたマイクロマシンド・メッシュによって形成されたダイヤフラムとを含む音響トランスデューサであって、ダイヤフラムは、電気音声入力で作動したとき、音声周波数音響波を発生させるように構成された音響トランスデューサを提供するものである。
【０００８】
本発明はまた、可撓性ダイヤフラムを作る方法を提供するものである。この方法は、基板の上に層を形成し、該層からマイクロマシンド・メッシュを形成し、メッシュをシールすることを含んでいる。
【０００９】
本発明は、これまでの電気音響トランスデューサと比べて、実質的な進歩をもたらすものである。本発明は、これまでの音響トランスデューサと比べて、より安価に製造できるという利点がある。本発明の音響トランスデューサは、デジタル音声入力信号を直接音波に変換する。本発明はまた、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム(ＭＥＭＳ)を用いて電気音響トランスデューサを基板に組み付けることにより、これまでの音声トランスデューサと比べて、サイズを小さくできるという利点がある。デジタル信号プロセッサ、センス増幅器、アナログ−デジタル変換器及びパルス幅変調器などの追加の音声回路を、単一シリコンチップ上の音響トランスデューサと一体化することもでき、これにより非常に高品質の音声再生が得られる。周波数応答における非線形性(non-linearity)及びひずみ(distorsion)は、オンチップの負フィードバック回路で修正されるので、音品質の実質的な向上が達成される。本発明の音響トランスデューサは、音響インピーダンスを変えるために、オンザフライ補償ができるので、広範囲に亘る音響負荷に対して実質的なフラット周波数応答が確実に行える。
【００１０】
【望ましい実施例の詳細な説明】
本発明のさらなる利点については、添付の図面を参照した以下の詳細な説明により、より良く理解されるであろう。
図１を参照すると、本発明に係る音響トランスデューサの回路要素をカプセル化するハウジング(10)を示している。図１の実施例において、ハウジング(10)の中に入れられた音響トランスデューサは、受信したデジタル音声入力を、可聴音に変換するマイクロスピーカユニットである。後で説明するように、ハウジング(10)のマイクロスピーカは、デジタル音声入力(どんな音声源であってもよく、例えばコンパクトディスクプレーヤなど)から、直接可聴音を作り出す。一実施例において、ハウジング(10)のマイクロスピーカは、アナログ音声入力(図１に示すデジタル入力に代えて)を受信し、そのアナログ入力から可聴信号を発生する。他の実施例(図１に示されていない)として、ハウジング(10)は、音波を受信し、該音波を電気信号に変換するマイクロホンユニットをカプセル化してもよい。その場合、ハウジング(10)からの出力は、回路設計者の所望により、アナログ又はデジタルのどちらの形態であってよい。
【００１１】
図２は、図１のハウジング(10)内にカプセル化された種々の回路要素の実施例を示している。図２に示す音響トランスデューサは、マイクロマシンド・メンブレンを基板(12)上に作成することによって形成されたダイヤフラム(14)を含むマイクロスピーカユニットである。基板(12)は、例えば後で説明するバッチ式製造に用いられる基板のように、さいの目形(die)のより大きな基板であってよい。図２に示す音響トランスデューサユニットは一体的構造であるから、以下の説明において、「ハウジング」「マイクロスピーカユニット」「マイクロスピーカ」の用語については、簡素化のために同じ符号(10)を用いている。換言すれば、図２のハウジング(10)は、音声処理回路と、後記する基板(12)上に作製されたダイヤフラム(14)から形成されるマイクロスピーカユニット(又はマイクロスピーカ)を含む単一の物理的カプセル体を意味することがあり、またその逆に、マイクロスピーカユニット(10)(又はマイクロスピーカ(10))は、集積回路(基板(12)、マイクロマシンド・ダイヤフラム(14)、及び追加の音声処理回路を具える)と、その集積回路ユニットをカプセル化するハウジングを含む物理的構造を意味することもある。さらにまた、「ハウジング」なる語は、マイクロスピーカユニットの外部物理的構造だけを意味し、マイクロマシンド・ダイヤフラム(14)、及びその外部物理的構造内にカプセル化されたその他の集積回路を意味しないこともある。
【００１２】
ダイヤフラム(14)は、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム(ＭＥＭＳ)技術を用いて、基板(12)上に作製される。図２に示す実施例において、ダイヤフラム(14)に対するマイクロマシンド・メンブレンは、ＣＭＯＳ(相補形金属酸化膜半導体)  ＭＥＭＳメンブレンである。ＣＭＯＳ  ＭＥＭＳ製造技術は、ダイヤフラム(14)を作製するのに用いられるもので、その一般的な説明を簡単に後記する。ＣＭＯＳ  ＭＥＭＳの製造方法は、当該分野で広く知られており、数多くの先行技術文献に記載されている。一実施例として、米国特許第５７１７６３１号(１９９８年２月１０日発行)及び米国特許出願第０８/９４３６６３号(１９９７年１０月３日出願、１９９９年５月２０日特許査定)に記載されたＣＭＯＳ  ＭＥＭＳ技術を用いて作ることができ、これら書類の内容については、それらの全体に対して、引用を以て本願への記載加入とする。
【００１３】
マイクロマシニングは、一般的に、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム(ＭＥＭＳ)として知られるデバイスを製造するための半導体処理技術を用いることを意味し、その製造技術として、例えば、フォトリソグラフィー、電気メッキ、スパッタリング、蒸着、プラズマエッチング、ラミネーション、スピン又はスプレーコーティング、拡散(diffusion)、その他の微細加工技術などのプロセスを含むものである。一般的に、公知のＭＥＭＳ製造方法は、薄膜成膜技術及びエッチング技術を用いることにより、基板層から、ＣＭＯＳ材料などの材料を、所望の構造が得られるまで連続的に追加又は除去することを含んでいる。
【００１４】
前述の如く、ＭＥＭＳ製造技術の多くは、半導体産業に由来している。それゆえ、基板上に構造体を形成するのに、半導体製造のために開発された方法、例えばパターニング、膜作成(deposition)、エッチングなどの方法を用いることできる。例えば、真空蒸着、スピンコーティング、浸漬コーティング、スクリーン印刷などの種々の膜作成技術を、ダイヤフラム(14)の作製において、基板(12)上へのＣＭＯＳ層の薄膜作成に用いることができる。薄膜の層は、例えば湿式又は乾式の表面エッチングにより除去されることができ、基板の部分は、例えば湿式又は乾式のバルクエッチングにより除去されることができる。
【００１５】
マイクロマシンド・デバイスは、典型的には、バッチ式によって基板上へ作製するることができる。デバイスの基板上への作製が完了すると、ウエハーは、例えばさいの目状に切断され、個々のＭＥＭＳを多数含むデバイスが形成される。個々のデバイスは次にパッケージされ、デバイスはより大きなシステム及び要素に電気的に接続される。例えば、図２に示す実施例はそのような単一デバイスの１つであり、基板(12)は、個々のマイクロスピーカユニットの集合体のバッチ式作製に用いられるより大きな基板の切断された一部である。個々のデバイスは、例えば、リードフレーム、チップキャリヤその他代表的なパッケージに対する半導体ダイと同じ要領にてパッケージされる。ＭＥＭＳデバイスの外部パッケージングに用いられる方法もまた、半導体製造に用いられる方法とほぼ同様である。それゆえ、一実施例において、本発明はバッチ式製造技術を用いて、ＣＭＯＳ  ＭＥＭＳダイヤフラムのアレイを共通の基板(12)上に作製することである。
【００１６】
基板(12)は非導電性材料であってよく、その材料として、例えばセラミック、ガラス、シリコン、印刷回路基板の他、シリコン・オン・インシュレータ(ＳＯＩ)半導体に用いられる材料が挙げられる。一実施例において、マイクロマシンド・デバイス(14)には、例えば、表面及びバルクマイクロマシニングを含むバッチ式マイクロマシニング加工技術により、基板(12)が一体に形成される。基板(12)は、例えば単結晶シリコンウエハーのようなウエハー上で最も下にある材料の層である。それゆえ、ＭＥＭＳデバイスは、一般的には、マクロスケールの比較対象物(counterparts)と同じ原理によって機能する。しかしながら、ＭＥＭＳデバイスは、それらマクロスケールの比較対象物と比べて、ＭＥＭＳデバイスのスケールの点で減少しているから、構造、設計及びコストの点で利点を有する。さらに、ＭＥＭＳ技術に適用可能なバッチ式作製技術により、単位当たりコストの有意的な低下を実現することができる。これは、例えば、高品質で頑丈で小サイズのソリッドステートＭＥＭＳダイヤフラム(14)を、イヤホン用として、信頼性をもって大量に製造し、製造コストの実質的低減を達成できるので、消費者の電子的アプリケーションにおいて特に有用である。
【００１７】
前述したように、ＭＥＭＳデバイスは、単一ウエハー上で多くの独立要素を処理することにより、１回のバッチ処理で同時に数多く作ることができるという望ましい特徴を有している。現在のアプリケーションにおいて、数多くのＣＭＯＳ  ＭＥＭＳダイヤフラム(14)を、単一シリコン基板(12)の上に形成することができる。このように、数多くのダイヤフラム(14)(それゆえ、マイクロスピーカ又はマイクロホン)を１回のバッチ処理で作ることができるので、これまで連続的に作られていた音声トランスデューサと比べて、コストの節約になる。
【００１８】
前述したように、単位当たりのコスト低減の他に、ＭＥＭＳ作製技術は、マクロスケールの比較対象物と比べて、ＭＥＭＳデバイスの相対的サイズを小さくすることができる。それゆえ、ＭＥＭＳ技術に基づいて製造された音響トランスデューサ(マイクロスピーカ又はマイクロホン)は、ダイヤフラム(14)をより小さくでき、該ダイヤフラムは、拡散層の厚さ減少によって、応答時間がより速くなる。後記するように、本発明に係る電気音響トランスデューサは、例えばイヤホン又は音声記録用のマイクロホンのような様々な用途に最適である。
【００１９】
マイクロスピーカユニット(10)は、図２に示すＣＭＯＳ  ＭＥＭＳダイヤフラム(14)と共に基板(12)の上に配備された追加の音声回路をさらに含んでいる。音声回路は、デジタル信号プロセッサ(ＤＳＰ)(16)、パルス幅変調器(ＰＷＭ)(18)、センス増幅器(20)及びアナログ−デジタル(Ａ/Ｄ)変換器(22)を含むこともできる。この周辺回路の全ては、拡散、マスキング、エッチング、及び導電性をもたらすためのアルミニウム又は金を用いた金属配線技術(metallization)を含む周知の集積回路形成技術を用いて、基板(12)上に作製することができる。
【００２０】
図２のマイクロスピーカ(10)は、外部ピン(24)でデジタル音声入力を受信する。外部ピン(24)は、例えばアルミニウムから作られ、マイクロスピーカユニットの部品として供される。外部ピン(24)は、例えばコンパクトディスクプレーヤユニット(図示せず)上に設けられた出力ジャックの中へ挿入され、デジタル音声入力信号を受信する。これにより、マイクロスピーカ(10)は、デジタルフォーマット、例えば当該分野で知られている数多くのＰＣＭ(パルスコード変調)フォーマットの１つのフォーマットで音声信号を直接受信する。デジタル音声入力信号は、例えばコンパクトディスクプレーヤのような外部音声源からのデジット(digits)(音声成分を含む)の流れである。ＤＳＰ(16)は、ピン(24)で外部で音声信号に対する入力と、Ａ/Ｄ変換器(22)からのデジタルフィードバック信号に対する入力の２つの入力を有するように構成される。
【００２１】
デジタルフィードバック信号は、電気機械トランスデューサとしても機能するセンス増幅器(20)によって作り出される。センス増幅器(20)は、例えば加速度計又は位置センサーとして提供されてもよく、マイクロマシンド・ダイヤフラム(14)の実際の動きを、その出力で対応するアナログ信号に変換する。或いはまた、センス増幅器(20)は、例えばマイクロホン(又は圧力センサー)及びアナログ増幅器の組合せとして提供されてもよい。センス増幅器(20)内の圧力センサー又は位置センサー(電気機械トランスデューサとして機能する)は、ＣＭＯＳ  ＭＥＭＳ技術を用いて作ることもできる。センス増幅器(20)の出力に現れるメンブレン動作のアナログ信号又はフィードバック信号は、Ａ/Ｄ(アナログ−デジタル)変換器回路(22)の中へ供給され、そこからデジタルフィードバック信号が作り出される。一実施例において、デジタルフィードバック信号は、ＤＳＰ(16)内で処理する信号を簡素化するために、デジタル音声入力と同じＰＣＭフォーマットである。ＤＳＰの内部では、Ａ/Ｄ変換器(22)からのデジタルフィードバック信号は、ピン(24)でのデジタル音声入力信号と比較され、その差は、ピン(24)でのデジット(つまりピン(24)でのデジタル音声入力)の直後に、外部ピン(24)に現れる次の音声入力から減算される。この負のフィードバック動作は、ＤＳＰ(16)の出力でデジタル音声差信号を生成し、該信号はパルス幅変調器ユニット(18)へ供給される。一実施例において、デジタル音声差信号もまた、回路内の他のデジタル信号、例えば、Ａ/Ｄ変換器(22)からのデジタルフィードバック信号及びピン(24)でのデジタル音声入力信号と同じフォーマットにある。
【００２２】
ＰＷＭ(18)は、デジタル音声差信号を受信し、１ビットのパルス幅変調された出力を生成する。単一ビットの出力パルスの幅は、デジタル音声差信号のエンコーディングに依存する。ＰＷＭ(18)からの１ビットパルス幅変調された出力は、このようにして、その中に、ピン(24)で入力されＤＳＰ(16)に現れる音声情報と、全ての非直線性に対して修正されたアルバイト(albeit)と、ダイヤフラム(14)からの出力に存在しセンス増幅器(20)で測定されたひずみとを搬送する。
【００２３】
ＰＷＭ(18)からのパルス幅変調された出力ビットは、ローパスフィルターを通すことなく、音声再生のためのＣＭＯＳ  ＭＥＭＳダイヤフラム(14)へ直接適用される。マイクロマシンによるダイヤフラム(14)の慣性力(inertia)により、ローパスフィルターの処理とデジタル−アナログ変換のために追加の電子回路を必要とすることなく、ダイヤフラム(14)は、積分器(ダイヤフラム(14)内で内部キャパシタによって符号表示される)として作用することができる。このように、ダイヤフラム(14)は、アナログフィルター(１ビットパルス幅変調された入力のローパスフィルターを行なう)と、ＰＷＭ(18)から受信したデジタル１ビットパルス幅変調音声入力からの可聴音を生成する電気音響トランスデューサとして作用する。
【００２４】
図３Ａ乃至図３Ｄを参照して後述するように、ダイヤフラム(14)は、ＰＷＭ(18)からの１ビットパルス幅変調音声入力の幅に比例して、ｚ方向(ダイヤフラム(14)がｘ−ｙ平面内に含まれていると仮定したとき)に振動する。ダイヤフラム(14)の振動により、隣接する空気中に可聴音波が作り出され、ピン(24)でのデジタル音声入力は、外部の使用者に対して可聴となる。前述したように、ピン(24)で与えられたデジタル音声入力に応答してダイヤフラム膜が振動すると、その振動はセンス増幅器(20)及びＡ/Ｄ変換器(22)を含むフィードバックネットワークを用いて、検知され、ＤＳＰ(16)へ報告される。共通のシリコン基板上で音声ドライバ回路(ＰＷＭ(18)とＤＳＰ(16)を具える)とフィードバック回路(センス増幅器(20)とＡ/Ｄ変換器(22)を含む)が一体化するので、ダイヤフラム(14)の正確な監視とフィードバックが可能となり、それゆえ、音声出力における全ての非線形性とひずみの修正が可能となる。
【００２５】
このように、マイクロスピーカ(10)は、基板(12)に作製された中間デジタル−アナログ変換回路(例えばローパスフィルター回路)を追加することなく、デジタル音声入力信号を、音響出力に直接変換するデジタル音響トランスデューサとして機能する。例えば、ポータブルＣＤ(コンパクトディスク)プレーヤに適用する場合、マイクロスピーカユニット(10)は、一般的にはＣＤプレーヤの中に含められるヘッドホン増幅器チップ及びＤ/Ａ(デジタル−アナログ)変換器チップと置き換えられる。デジタル入力のひずみの大きさは、従来の電気機械トランスデューサよりも数オーダ小さいので、マイクロスピーカ(10)は、そのデジタル入力から非常に高品質の音声を作り出すことができる。それゆえ、マイクロスピーカ(10)は、オーディオマニア用イヤホン、補聴器、携帯式を含む電話受信機などの音声再生ユニットに用いることができる。
【００２６】
ピン(24)での音声入力がアナログ(前述したデジタルに代えて)であるとき、ＤＳＰユニット(16)、パルス幅変調器(18)及びＡ/Ｄ変換器(22)を省くことにより、簡素化された構造のマイクロスピーカユニット(10)を用いることができる。この実施例において、センス増幅器(20)のアナログ出力は、外部音声源からのアナログ音声入力と共に、アナログ差動増幅器(図示せず)へ直接送られる。差動増幅器(difference amplifier)の出力は、アナログ増幅器の出力をダイヤフラム(14)へ送信する前に、追加のアナログ増幅器(図示せず)を通じて、ピン(24)のアナログ入力へ加えられる。
【００２７】
マイクロスピーカユニット(10)はその他にも、種々の音響インピーダンスに対して、「オンザフライ(on-the fly)」、つまりリアルタイムで又は動的に補償を行なうことができる。周囲環境が異なると、電気音響トランスデューサに作用する負荷が異なることは知られている。例えば、マイクロスピーカユニット(10)が使用者の耳に連結されているとき、耳と、耳に隣接するハウジング(10)の表面との間が密着していると、ダイヤフラムに及ぼす音響負荷に影響を与え、ダイヤフラム(14)の周波数応答を変化させることがある。他の例として、電話(電話機にスピーカが内蔵されている)で話をするとき、耳と電話機との間で様々な量のリークが起こることは知られている。一実施例において、音響負荷が変動する状態の改善は、マイクロスピーカユニット(10)が最初に駆動され、その後、所定の間隔、例えば、連続するデジタル音声入力ビットの２つの流れの間隔で駆動されると直ちに、オンチッププログラム制御を用いて、試験周波数スイープが発生するようにＤＳＰを構成することにより達成される。
【００２８】
試験周波数は、一般的には、可聴周波数範囲にある。所望の音声成分信号は、音響インピーダンスのオンザフライ補償のために、試験周波数信号として用いられる。試験周波数スイープが送られる毎に、ＤＳＰ(16)は、フィードバックネットワークの補助を受け、試験周波数に応答してダイヤフラムの振動及び動きを監視すると共に、周囲の空気圧又はダイヤフラムを囲むその他音響媒体によってダイヤフラム(14)へ送られる音響インピーダンスを測定する。ＤＳＰ(16)は、音響インピーダンスの測定値を考慮して、この音響インピーダンス(又は負荷)の補償を行ない、広範囲の音響負荷に亘って、ダイヤフラム(14)によるフラット周波数応答が確実に行われるので、高品質音声再生のための負荷感応型音響トランスデューサを作り出すことができる。
【００２９】
ハウジング(10)(図２に示すＣＭＯＳ  ＭＥＭＳダイヤフラム(14)を有する音声回路を含む)は、プラスチック又はセラミックなどの非導電性材料から作られた一般的な集積回路のハウジングであってよい。ハウジング(10)と基板(12)が両方ともセラミックから作られる場合、マイクロマシンによるダイヤフラム(14)、集積された音声処理回路及びハウジング(10)は、バッチ式に作製され、バッチ式に結合されることにより、密閉パッケージされた装置が作られる。一実施例において、マイクロマシンド・ダイヤフラム(14)を電気磁気干渉から保護するために、ハウジング(10)の全体又は一部分を、例えば金属のような導電性材料から作っている。どの場合にも、ハウジング(10)は、音の放出(マイクロスピーカの場合)又は音の入力(マイクロホンの場合)が可能となるように、適当な開口又は孔を有している。
【００３０】
一実施例において、ＣＭＯＳ  ＭＥＭＳダイヤフラム(14)は、追加の音声処理回路を設けることなく、単一シリコンチップとして製造される。換言すれば、図２に示されるように、全体が単一基板と共に完全に一体化された回路構成は形成されない。しかしながら、音声処理回路(ＰＷＭ(18)、ＤＳＰ(16)、Ａ/Ｄ変換器(22)及びセンス増幅器(20)を含む)の残部は、異なるシリコンチップとして製造される。これらの２つのシリコンチップは、次に、分離した音響トランスデューサチップ上で結合され、ハウジングの中にカプセル化されて、図２に示されるものと同じ様に、完全なマイクロスピーカユニットを作ることができる。
【００３１】
さらに他の実施例において、ＣＭＯＳ  ＭＥＭＳダイヤフラム(14)だけがハウジング(10)の中でカプセル化されて作製される。音声回路の残部は、ハウジングに配備された単一経路に外部接続され、マイクロマシンド・ダイヤフラム(14)はハウジング(10)外部の音声回路と電気的に接続される。外部回路は、分離した要素から作ることもできるし、一体化された形態であってもよい。ハウジング(10)のパッケージングとして、例えば、ボールグリッドアレイ(ＢＧＡ)パッケージ、ピングリッドアレイ(ＰＧＡ)パッケージ、デュアル・インライン・パッケージ(ＤＩＰ)、小型(small outline)パッケージ(ＳＯＰ)、又は小型のＪ字型リードパッケージ(ＳＯＪ)などであってよい。この中で、ＢＧＡは、他のパッケージングに比べて、信号リード線の長さをかなり短くすることができるので、信号リード線の長さに関連するキャパシタンス効果を低減することにより、より高い周波数におけるＣＭＯＳ  ＭＥＭＳダイヤフラム(14)の性能全体を向上させることができる利点がある。
【００３２】
或いはまた、ＣＭＯＳ  ＭＥＭＳダイヤフラム(14)(追加の音声処理回路を含まず)を、基板(12)のストレッチ上に作ることもできる。作製後、基板(12)を、例えばウエハーつまり基板を切断するときのように、数多くのダイヤフラム(14)に切断される。次に所望のカプセル化を行なうことができる。さらに他の実施例として、マイクロスピーカユニット(10)(各ユニットはＣＭＯＳ  ＭＥＭＳダイヤフラム(14)及び前述した周辺音声回路を含む)を、単一基板(12)の上に作製することもできる。次に、各々のマイクロスピーカユニット(10)を実装する所望のウエハーが切断され、各マイクロスピーカユニット(10)のカプセル化が実行される。
【００３３】
ダイヤフラム(14)は、マイクロホン用のダイヤフラムとして用いられ、空気圧の変化は、ダイヤフラムの出力におけるアナログ電気信号の対応する変化に変換される。その場合、図２の基板と同じ基板上に作製された音声回路(ユニット(16)(18)(20)(22))はなくてもよい。その代わりに、ダイヤフラムに衝突する音声周波数音響波によるダイヤフラムの動きに応答して変動するダイヤフラムのキャパシタンスを検出するための検出機構を、基板(12)の上に作製することができる。ダイヤフラムのキャパシタンスの変化は、検出機構を通じて、ダイヤフラムに印加されたアナログ電気信号の対応する変化に変換される。一般的なマイクロホン処理回路、例えばアナログ増幅器及び／又はＡ/Ｄ変換器は、ダイヤフラム(14)と可変キャパシタンス検出機構(図示せず)と共に、基板(12)の上に作製される。説明は、簡素化又は簡略化のために、ここでは、マイクロマシンド・ダイヤフラム(14)をデジタルスピーカユニットに適用した場合についてのみ行なう。しかしながら、以下の説明についても前述の説明と同様、マイクロホン用のＣＭＯＳ  ＭＥＭＳダイヤフラム(14)にも適用されることは理解されるべきである。
【００３４】
図３Ａは、マイクロスピーカ及びマイクロホンのダイヤフラム用として、マイクロマシン構造メッシュのレイアウト(40)の一例を示している。レイアウト(40)は、ＣＭＯＳ  ＭＥＭＳ作製方法を用いて基板(12)に形成されたダイヤフラム(14)の詳細な構造を示している。前述したように、音響トランスデューサを作製するために用いられる本発明の方法は、基板(12)を形成すること、及び、マイクロマシンド・メンブレンの少なくとも１つの層を基板(レイアウト(40)によって表される)の上に作成することにより、基板(12)上にダイヤフラム(14)を形成することを含んでいる。しかしながら、レイアウト(40)は単なる例示にすぎず、また縮尺通りに描かれていない。また、レイアウト(40)は、マイクロマシンド・ダイヤフラム(14)だけに対するもので。図２のダイヤフラム(14)と一体化された音声回路は、図３Ａにおいてレイアウト(40)の一部として示されていない。
【００３５】
前述したように、可聴音を発生させるには、ダイヤフラム近傍での空気移動を大きくする必要がある。大きなＣＭＯＳマイクロマシン構造は、２層以上のＣＭＯＳ材料から形成することができる。しかしながら、ＣＭＯＳ  ＭＥＭＳの大きな構造体は、ＣＭＯＳ構造の層の相違による応力の違いにより、製造中に(ｚ方向に)カールする。金属層と酸化物層は、一般的には、熱膨張係数が異なっているので、これらの層は、処理／膜作成温度から室温に冷却された後、異なる応力を有することになる。ＣＭＯＳメンブレンのｚ方向へのカーリング(curling)は、後記するように、レイアウト(40)のメッシュにサーペンチンばね(serpentine spring)を用いることにより最小化される。さらにまた、レイアウト(40)のメッシュ構造は、ｘ−ｙ平面と同一に作られているので、作製工程における冷却段階中でのダイヤフラム構造の「バックリング(buckling)」又は全体的な収縮(shrinkage)(ｘ−ｙ平面内)を避けることができる。
【００３６】
図３Ｂは、図３Ａのマイクロマシン構造メッシュの拡大図である。図３Ｂの底部(42)は、ＣＭＯＳ  ＭＥＭＳ作製方法を用いて作製したメッシュ構造の幾つかを拡大して示している。上部(44)は、異なるメンブレン長さを有する異なるメッシュ構造(43)の拡大図である。例えば、メンブレン(43A)(43B)(43C)は、異なる数の部材を有しており、各部材は長さが異なっている。しかしながら、レイアウト(40)(及び、ひいてはダイヤフラム(14))は、底部(42)の中の拡大図によって示されるメッシュ(43B)と同様な数多くのメッシュで作製される。
【００３７】
図３Ｃは、図３Ｂに示されるメッシュ(43A)の構造を詳細に示す図である。マイクロマシンド・メッシュ(43A)は、数多くのサーペンチンＣＭＯＳばね部材からなるファブリックを用いて形成される。このような微細機械サーペンチンばね部材(50)の１つが、図４に示されている。大きなマイクロマシンド・ダイヤフラム(14)の(ｚ方向の)カーリングは、ダイヤフラム・メンブレンを短い部材から作ることによって実質的に少なくすることができ、カーリングによって生ずる傾斜は、方向変化を頻繁に行なうことによってほぼなくすことができる。サーペンチンばね部材(50)は、図４に示されるように、長いアーム(52)と短いアーム(54)を交互に用いることによってこの条件を満たすことができる。
【００３８】
図示のメッシュ(43A)は、４つの単位セル(48)から構成され、各単位セルは、４つのサーペンチンばね部材を有している。各々の単位セルは、図３Ｃに示されるｘ−ｙ面において四角の形状であってよい。或いはまた、単位セル(48)の形状は、最終レイアウト(40)の形状に応じて、矩形、正方形、円形等の異なる形状の組合せであってよい。例えば、幾つかの単位セルはレイアウト(40)の中央部が矩形であるのに対し、その他の単位セルはレイアウトの縁部に沿う正方形状であってよい。図３Ａ乃至図３Ｃのメッシュ構造は、ダイヤフラムのレイアウト(40)を含むｘ−ｙ平面に沿って存在するものと考えられる。単位セル(48)の長いアーム(52)と短いアーム(54)の各アームは、ダイヤフラムがＰＷＭ(18)からパッケージ幅変調音声信号を受信すると、ｚ軸に沿って移動する。図３Ａに示す実施例(及び図３Ｂの拡大図)において、メンブレンレイアウト(40)の縁部(又は境界部)にあるそれら単位セル(48)の外縁部(46)は固定されるので、それゆえ振動しない。これは、実際の使用中、ダイヤフラム・メンブレンを適所に保持するのに望ましい。しかしながら、境界部以外のその他全ての単位セル(48)の外縁部(46)は固定されていないので、自由に振動することができる。しかしながら、外縁部(46)を共通する隣接ユニットセルが反対向きのトルクを及ぼすから、全ての単位セルの外縁部(46)を平均すると、かなり平坦な儘である。
【００３９】
図３Ｄは、図３Ｃに示されたメッシュ(43A)における単位セル(48)のＭＥＭＣＡＤカールシミュレーションを示している。長アーム(52)と短アーム(54)の各アームの形状は、単位セル(48)の三次元図に示される矩形の箱である。これらの矩形箱状又は棒状の部材の全ては、ＣＭＯＳ  ＭＥＭＳ作製工程中に接合され、ダイヤフラム(14)を形成する。図示の最大カーリング(図３Ｄの三次元シミュレーションにおいて白色領域として示される)は、単位セル部材をサーペンチンばねで作製することにより、実質的に短くなっている(平均約０.７μｍ)。外縁部(46)(単一の単位セル(48)のシミュレーションに対してだけ固定されている)は、図３Ｄでは見えないが、その理由は、外縁部(変位の大きさを表す底部のインジケータの中で黒色で表される)ではカーリングは殆んどないからである。一般的に、製造工程中のカーリングによって生ずるＣＭＯＳダイヤフラム構造の粗さ(roughness)は、ＣＭＯＳダイヤフラム膜に対してサーペンチンばね部材を用いると、約２μｍ以下に抑えられる。
【００４０】
図４は、図３Ｂのメッシュ(43B)における個々のサーペンチンばね部材(50)の三次元図を示している。図３Ｂに示されるように、このような各サーペンチンばね部材は、より大きなメッシュ構造に対する基本構造ユニットである。数多くのサーペンチンばね部材は、対応する長アーム(52)を通じて接合され、稠密にパックされた単位セルのネットワークを形成し、これにより、図３Ｂの底部(42)の拡大図に示されるメッシュを形成することができる。メッシュの大きさ、個数、隣接するメッシュ間のギャップ、メッシュ中の隣接部材間のギャップ、メッシュの幅及び長さ等のファクターについては、設計上の事項である。
【００４１】
図３Ａのレイアウト(40)の場合、バネ(50)において、隣接する長アーム(52)(52)間のギャップ、長アームと短アームとの幅、長アームと短アームの個数については、ＭＥＭＳ作製工程によって作られる最終ダイヤフラムにおける(ｚ方向の)カールに及ぼす影響を調べるために、カールシミュレーション工程中で変化させる。例えば、一実施例(試験目的のみ)において、長アームと短アームの幅、及び長アーム間のギャップは、ダイヤフラム(14)のダイの縁部近傍のメッシュの場合、(所望されるカールに応じて)０.９、１.６又は３.０μｍの組合せである。この試験実施例において、ダイヤフラム(14)の中央の大きな、四角形状のメッシュは、１.４４１６ｍｍ×１.４４１６ｍｍである。この中央メッシュを構成する長アームと短アームの各アームの幅は１.６μｍであり、この中央メッシュにおける各々の長アーム間のギャップもまた１.６μｍである。しかしながら、実際のイヤホン又は商業用マイクロスピーカでは、ＣＭＯＳ  ＭＥＭＳダイヤフラム(14)のサーペンチンばねは、長アームと短アームの幅を第１の固定寸法とし、長アーム間のギャップを第２の固定寸法とすることができる。
【００４２】
例えば、ＭＯＳＩＳ(金属酸化物半導体実装システム)の方法を用いて作製し、ＣＭＯＳ ＭＥＭＳダイヤフラム(14)を解放した後、１層又は２層以上のシーラント、例えばポリアミド(パイラリンが望ましい)を、ＣＭＯＳ ＭＥＭＳダイヤフラム構造の上に作成し、気密構造のダイヤフラムを作製する。シーラントは所望される厚さに応じて、過剰のものをエッチングで取り除く。隣接する２つの長アーム間のギャップは、作製工程中に制御可能であるから、その下にあるシリコン基板(シーラント形成のために)のエッチング速度に及ぼすギャップの影響は容易に観察することができる。さらにまた、設計者は、シーラントが(基板(12)の方へ)ドリップする前及び積層の後に、どれくらいの大きさのギャップ(隣接する長アーム(52)(52)間)が許容されるかを確認することができる。それゆえ、シーラントの粘度は、このような「ドリッピング(dripping)」を制御する上で重要なファクターである。他の実施例において、解放された(released)ＣＭＯＳ ＭＥＭＳダイヤフラム構造は、Ｋａｐｔｏｎ(登録商標)膜(又は他の同様なラミネーション膜)を、ＭＥＭＳダイヤフラムのダイの頂部に作成することにより積層化される。また、ラミネーション膜は、ＣＭＯＳダイヤフラム・メンブレンの所望される最終厚さに応じて、エッチングにより部分的に取り除くことができる。
【００４３】
サンプル用ＭＥＭＳダイヤフラムユニットに関する数学的挙動のモデリング
下記の説明では、測定される量が少ない次元に基づいた単位系を使用する。したがって、「質量」はナノグラム(ｎｇ)で測定され、「長さ」はミクロンメータ(μｍ)で測定され、「時間」はマイクロセカンド(μｓ)で測定され、電荷はピコクーロン(ｐＣ)で測定される。
【００４４】
下記の量は上記の「基準」単位を使用して導かれる。「力」[＝(質量×長さ)／(時間)2]はマイクロニュートン(μＮ)で測定され、「エネルギー」[＝力×距離]はピコジュール(ｐＪ)で測定され、「圧力」[＝力／面積]及びヤング率はメガパスカル(ＭＰａ)で測定され、「密度」[＝質量／体積]はｎｇ／(μｍ)3で測定され、「電位」[＝エネルギー／電荷]はボルト(Ｖ)で測定され、「キャパシンタンス」はピコファラッド(ｐＦ)で測定され、「抵抗」[＝電圧／電流]はメガオーム(ＭΩ)で測定され、「電流」[＝電荷／時間]はマイクロアンペア(μＡ)で測定され、「角周波数」はラジアン／マイクロセカンド＝ｒａｄ／μｓで測定され、「音圧レベル」[＝２０ログ(圧力／Ｐ0)]は基準圧力Ｐ0＝２０μＰａを用いてデシベル(ｄＢ)で測定される。単位表示されていない量は、上記の量から導かれた単位を有するものとされることがある。
【００４５】
下記の定数は関連計算において使用される。標準状態での「空気の密度」(ρair)＝１.２×１０-6、「音速」(ｃ)＝３４３、「空気の音響インピーダンス」[＝(空気密度)×(音速)]＝４１２×１０-6、「空気の粘度」[＝力／面積／(速度勾配)](μair)＝１.８×１０-5、「シリコンの密度」(ρS1)＝２.３×１０-3、「ポリイミドの密度」(ρpoly)＝１.４×１０-3、ポリイミドのヤング率(Ｅ)＝３０００、ポリイミドのポアソン数(ｖ)＝０.３、「自由空間の透過性」(ε0)＝８.８５×１０-6ｐＦ／μｍ、「外耳道内における空気の音響コンプライアンス」[外耳道の容積を２ｃｍ3と仮定する]＝(容積)／(ρair×ｃ2)＝１.４×１０-13である。
【００４６】
下記の基本的音響公式は、電気回路と同じように使用される。ここで、「音響抵抗」(Ｒ)＝(ρm×ｃ)／Ａであって、Ａは音波を搬送する媒体「ｍ」の管の断面積であり、「音響インダクタンス」(Ｌ)＝(ρm×ｌ)／Ａであって、Ａは音波を搬送する媒体「ｍ」及び長さ「ｌ」の管の断面積であり、「音響コンプライアンス」(Ｃ)(電気キャパシタンスと同様)は＝(容積)／(ρair×ｃ2)であって、「容積」は音波を伝える管内の空気の容積を表し、「容積速度」(電流と同様)(Ｕ)＝ｐ／Ｚであって、「ｐ」は圧力(ＡＣ又は信号接地に対する電位差と同様)、「Ｚ」は単位が[ｎｇ／(μｓ×μｍ4]の「音響インピーダンス」である。
【００４７】
次に図５を参照すると、これは、使用者の耳に配置された本発明のＭＥＭＳダイヤフラム(14)を示す断面図である。前述の如く、ダイヤフラム・メンブレン(14)を気密構造とするために、該メンブレンの上に作成されたシーラント(例えばポリイミド)を有している。ここで、図５に示すように、メンブレン厚さ「ｔ」は厚さ６ミクロンのポリイミドの層である。完全な組立体(即ちダイヤフラム(14)と基板(12))の横断面(図５の紙面の中)は四角形の形状である。ダイヤフラム(14)は、音声再生のための有効領域は四角形の形状であって、この四角形の各辺の長さ「ａ」＝１.８５ｍｍである。基板(12)の厚さは５００μｍであり、ダイヤフラム膜は、その下にある基板(12)から約１０μｍの距離(ｄ)の位置で吊り下げられており、図５に示す基板とダイヤフラムとの間にギャップ(62)を形成している。
【００４８】
図示の基板(12)は、その背面(即ち、使用者とは反対側の面)に通気用の孔(60)を有している。一実施例において、基板(12)は２以上の孔(図５には示されていない)を有しており、該孔は、その背面、例えば「ａ」を辺とする正方形に等しい領域に亘って拡がっている。これら背面側の孔は、ハウジング(例えばイヤホン)が外耳道に挿入されるとき、ダイヤフラムのハウジング上に、音声伝達用の外耳道に面する方向に設けられるどんな孔とも異なっている。本計算によれば、単一の背面孔(60)(複数の背面孔の如何に拘わらず)の領域は、ダイヤフラム(14)のメンブレン領域全体の１／４に等しいと推定される。
【００４９】
図５に示す構成において、例えば、電池その他の電力源がダイヤフラムを励磁するときのように、メンブレンに電位差(又はバイアス)が加えられるとき、ダイヤフラム・メンブレン(14)は、基板(12)の方へ(即ち、ｚ方向)(ギャップ(62)の内部で)静電気で引かれる。本実施例において、ＤＣバイアス電圧は９.９ボルトである。ダイヤフラム(14)は、ＡＣ音声信号(例えば図２中の１ビットＰＷＭ信号)が存在しない場合、基板(12)の方向に引かれた儘であるが、受信した電気音声信号に応答してｚ方向に移動する。ＡＣ音声信号は、ＤＣバイアス電圧に重ね合わされたピーク値振幅(peak-to-peak)は５ボルトである。
【００５０】
マイクロスピーカユニット(基板(12)とダイヤフラム(14)を含む)は、図５に示されるように、メンブレンが外耳道に面するように使用者の耳の中に配置される。マイクロスピーカユニットはイヤホン(耳栓)として製造されるから、例えばコンパクトディスクプレーヤで音楽を聴くとき、使用者は耳の中へイヤホンを挿入することができる。理想的には、最高のヒヤリング性能が得られるのは、ダイヤフラム(14)の４箇所の全ての縁部と、これらダイヤフラムの縁部を取り囲む耳の皮膚との間で、ぴったりと(気密状態で)フィットした場合である。しかしながら、現実には、フィッティング状態の不完全さによる音漏れが生じることになる。したがって、計算によれば、音漏れ領域は完全なダイヤフラム(14)の表面(２ｍｍ平方)の周囲(＝８ｍｍ)に等しい断面を有すると考えられ、それは周囲の漏れギャップ約０.２ｍｍ(これもまた計算のために仮定された)によって乗算されたものである。
【００５１】
ダイヤフラム・メンブレン(或いは単に「メンブレン」)(14)の周波数応答を計算するには、真空中のメンブレン(14)の挙動(不減衰のバネ質量系と同様)及びその周囲の音響挙動を考慮に入れることが望ましい。適用されたＤＣバイアス及び適用されたＡＣ信号強度の場合、メンブレン(14)は、電流源(図６に示される電気的等価モデルの中で)として扱われ、それは駆動周波数と同様、その間に生じる電圧差に依存している。この挙動は、メンブレン(14)を、(一方向に向かう)正弦波電気力(sinusoidal electrical forces)と、２つの面の圧力差で生じる経験力(experiencing forces)(同じ方向、例えばｚ方向)とによって駆動するバネ質量系として記載する式にまとめることができる。正弦波電気力に基づいた計算モデルは、パルス(例えば図２の１ビットＰＷＭ音声信号)がダイヤフラム・メンブレンに加えられるとき、パルスは１又はそれより多くの正弦波周波数を有しているから、ダイヤフラムの挙動をかなり正確に表すことができる。ニュートンの運動の第２法則を利用したバネ質量系などに関する周波数領域(frequency-domain)の関係式は下記の通りである。
−ｍω2ｙ＝−ｋｙ−(ｐ'−ｐ)Ｓ＋ｆ                      (１)
なお、式(１)において、「ｍ」は質量、「ω」は角周波数、「ｙ」はメンブレンの変位(内向きの変位、即ち外耳道から離れるか又はギャップ(62)へ入る場合は正の値、外向きの変位、即ち外耳道に向かう場合は負の値)、「ｋ」はメンブレンが図５のギャップ(62)の中間点へ変位するときの有効バネ定数、「ｐ'」はギャップ(62)におけるメンブレン(14)と基板(12)との間の空気圧力、「ｐ」は外耳道内の空気圧力、「Ｓ」はメンブレンの断面積(＝ａ2)、「ｆ」はメンブレン(14)と基板(12)との間に作用した静電気力である。式(１)は、或いはまた、[(質量×加速)＝メンブレンの静電気力＋圧力差により生ずる力＋電気力]のように表されることができる。式(１)において、「ｙ」、「ｐ」、「ｐ'」及び「ｆ」はいずれもフェイザー量(phasor quantities)である。さらに着目されることは、音の波長は最も高い音声周波数を除く全ての場合において外耳道の一般的長さより非常に長いから、最も高い音声周波数を除く全ての場合において、圧力「ｐ」は外耳道全体で均一なものと取り扱われる。
【００５２】
次に図６を参照すると、図５に示された配置構成の音響ＲＣモデルが示されている。背面孔(複数であってよい)(60)と周辺部の漏れの両方についての音響イナータンスは、音声周波数では無視してよいことが示されている。前述のように、ここでの分析はメンブレンを真空中のバネ質量系として利用している。それゆえ、バネ質量系を減衰させるために抵抗を導入することが必要である。(空気圧による)有意的な力は、ダイヤフラムによって感知されるように、抵抗は、ダイヤフラム(14)の表面の近くにあるのが望ましい。そのような抵抗の一つは、基板(12)の背面孔(60)と、該背面孔(60)に最も近いダイヤフラム(14)の表面との間のギャップ(62)の中で作られる空気抵抗である。
【００５３】
図６において、「Ｒ1」は背面孔(60)(複数であってよい)により、ダイヤフラム表面へ与えられた音響抵抗であり、「Ｃ1」はギャップ(62)内部に閉じ込められた空気のコンプライアンス(即ち、幅「ｄ」のギャップ内の空気)である。同様に、「Ｒ2」はダイヤフラム組立体(即ち、図５中のダイヤフラム(14)及び基板(12))の周辺部における漏れの音響抵抗であり、「Ｃ2」は外耳道内の空気のコンプライアンスである。外耳道は、端部が閉じたシリンダーを、シリンダ内のピストンとして作用するダイヤフラム(14)(有効音響寸法は「ａ」)をもって形成するものとして観察されることもできる。(音声入力により)ダイヤフラム(14)が動くと、空気圧が振動し、それゆえ、使用者は生じた音声音を認識することができる。
【００５４】
音響抵抗Ｒ1の一方の端部は、図６では接地されているが、(背面(60)の)抵抗Ｒ1のメンブレン側への圧力ｐ'は、背面孔(60)の他方の側(即ち、ダイヤフラムと基板とのギャップ(62)から離れる方の側)に対して、周囲空気から作用するいかなる圧力よりも実質的に大きいからである。同様に、音響漏れ抵抗Ｒ2の一方の端部も接地された状態が表されている。前述の如く、ダイヤフラム(14)の偏り「ｙ」は、ダイヤフラムが基板(12)の方(即ち、外耳道から離れる方向)へ移動するとき、正の値をとる。しかしながら、図６で電流源としてモデル化された容積速度「Ｕ」は、それとは反対に、空気が外耳道の中へ移動するときに、容積速度「Ｕ」は正の値となる。したがって、「ｊωｙ(周波数領域内でのメンブレンの速度)」と「Ｕ」は、図６では符号が反対となる。
【００５５】
容積速度「Ｕ」と変位量「ｙ」とは、Ｕ＝−ｊωＳｙ／３という関係を有している。１／３のファクターは、ダイヤフラム・メンブレンが変位するときのダイヤフラムの形状を考慮したものである。上記の如く、「ｙ」はｆ、ｐ及びｐ'に依存する。図６から、ｐ及びｐ'の値は次のように与えられる。
【００５６】
【数１】
0004987201.tif 000002
【００５７】
式(１)(２)(３)について、作用力ｆを音圧レベル(即ち、ｐ及びｐ')に到達させるための解を得るには、コンピュータプログラム(例えば、Ｍａｐｌｅ(商標名)のワークシートプログラム)を用いて行なうことができる。しかしながら、それは依然として、印加電圧(ＡＣ入力の場合ては文字「ｖ」、ＤＣバイアスの場合は「Ｖ」として表される)、有効質量(「ｍ」)及びバネ定数(「ｋ」)に対するｆの関係を見つけることである。加えられた力ｆは、小信号に対しては、ＡＣ音声入力「ｖ」に比例し、下記式で表される。
【００５８】
【数２】
0004987201.tif 000003
なお、式(４)中、Ｆ＝ｋ1ｙ＋ｋ3ｙ3(力「Ｆ」は偏り「ｙ」の関数として表される)であって、また次の式としても表される。
【００５９】
【数３】
0004987201.tif 000004
【００６０】
なお、式(５)において、Ｆは印加されたＤＣバイアス電圧Ｖに対する偏り「ｙ」での静電気力である。下記のＭａｐｌｅ(商標名)ワークシートの計算において、「Ｆ」、「ｙ」及び「Ｖ」の値は、夫々、ｆ0、ｙ0及びＶ0と称され、それらは作用位置に対する値であることを示す。さらにまた、ｙ0＝ｄ／２(但し「ｄ」は図５に示されるギャップの幅を表す)と推定される。換言すると、メンブレン(14)は、基板−メンブレンの間のギャップ(62)の中央にある位置の周辺で作用を受ける。したがって、ｆ0はメンブレンを位置ｙ0にもっていくために必要な静電気力を表し、Ｖ0は力ｆ0を生成するのに必要な静電気電位差である。
【００６１】
作用位置ｙ0における有効バネ定数「ｋ」は、力Ｆ(即ち、Ｆ＝ｋ1ｙ＋ｋ3ｙ3)に対する上記式から計算され、次のとおり与えられる。
【００６２】
【数４】
0004987201.tif 000005
【００６３】
式(６)において、ｋ1及びｋ3の値は、例えば「Ｒｏａｒｋの応力と歪みに関する公式集」等のハンドブックから得ることができる。正方形プレート(即ち、ダイヤフラム・メンブレン(14)の形状)に対しての簡単な式はないが、ｋ1及びｋ3の値は、次の式を用いることにより、縁部が固定された半径Ｒの円形メンブレンに対する値から推定することができる。
【００６４】
【数５】
0004987201.tif 000006
【００６５】
式(７)において、「Ｅ」は(ポリイミドに対する)ヤング率を表し、「ｖ」(ｎｕ)は(ポリイミドの)ポアソン数である。式(７)の半径「Ｒ」を「ａ／２」(即ち、外耳道へ入れられる正方形形状メンブレン表面の１辺の長さの半分)で置き換えることにより、正方形メンブレンの挙動をモデリングする際、ｋ1及びｋ3に対して合理的な近似を行なうことができる。得られた式は次の通りである。
【００６６】
【数６】
0004987201.tif 000007
【００６７】
【数７】
0004987201.tif 000008
【００６８】
メンブレン(14)の有効質量がメンブレンの総質量より幾分少ないのは、位置「ｙ」を決定するメンブレンの中央部での位置変化が、縁部(即ち、図３Ｃの拡大図に示される縁部(46))近傍の領域よりも大きいからである。メンブレンの有効質量の推定値は次の式で表される。
【００６９】
【数８】
0004987201.tif 000009
【００７０】
式(１０)において、ρpolyはポリイミドの濃度、「ｔ」はメンブレンの厚さ(図５に示されている)、「Ｓ」は音響目的のためのメンブレン(14)の有効面積である(＝ａ2＝(１.８５ｍｍ)2)。
【００７１】
前述の式及びパラメータは、数学的計算のソフトウェアパッケージ(例えば前記のＭａｐｌｅ(商標)ワークシートプログラム)に入力され、様々な値(例えばＲ1、Ｃ1、Ｒ2等に関する値)が計算され、メンブレン周波数応答及び可聴周波数範囲における変位量が決定され、プロットされる。Ｍａｐｌｅ(商標)ワークシートを用いて実行された計算を以下に示す。
【００７２】
Ｍａｐｌｅ(商標名)ワークシートによる計算
メンブレンパラメータの特定：
>再起動
>a:=1850; t=6; E:3000; v:=0.3; ρpoly=1.4x10-3
>S:=a2; メンブレンの面積
S:=3422500
ギャップ間隔、(平衡位置から測定した)作用位置を特定
>d:=10; y0:=d/2=5;
【００７３】
メンブレンをy0まで引き下げるのに必要な力：
【数９】
0004987201.tif 000010
【００７４】
>f0:=k1y0+k3y03
f0:=118.7680107
メンブレンをy0まで引き上げるのに必要なバイアス電圧を検索：
>ε0=8.85x10-6; 真空の透磁率(permeability)
【００７５】
【数１０】
0004987201.tif 000011
【００７６】
ＤＣバイアス電圧に重ね合わされた信号(ＡＣ音声入力)の振幅を特定
>v:=5(ピークツウピーク)
【００７７】
電気的信号によって発生した力の振幅を計算
【数１１】
0004987201.tif 000012
【００７８】
有効質量を計算；ファクターとして１／３を推定
【数１２】
0004987201.tif 000013
【００７９】
作用位置における有効バネ定数を計算
>k:=k1+3k3yo2;
k:=35.89047913
【００８０】
推定された共振周波数(単位：ヘルツ)(計算不要)
【数１３】
0004987201.tif 000014
【００８１】
>p':=-UZ1;p:=UZ2; 容積速度及び音響インピーダンスに関する圧力は、メンブレン特性、駆動力及びメンブレンの両面への圧力の関数として、振幅フェイザーを得る。
【００８２】
変位に関するＵ(容積速度)を得る
【数１４】
0004987201.tif 000015
【００８３】
>y:=solve(expr,y);(expr,y)を解く
【数１５】
0004987201.tif 000016
【００８４】
外耳道、装置内部のインピーダンス
【数１６】
0004987201.tif 000017
【００８５】
音響パラメータ：デバイスコンプライアンス、抵抗、外耳道コンプライアンス、リーク抵抗
>ρair=1.2x10-6; c:=343; 空気密度、音速
【数１７】
0004987201.tif 000018
【００８６】
０ｄＢの定義
>p0:=2x10-11;
【００８７】
メンブレンの変位量、外耳道の圧力、デバイスの内圧の振幅を得る
>yamp:=evalc(abs(y));pamp:=evalc(abs(p));p'amp:=evalc(abs(p'));
【００８８】
【数１８】
0004987201.tif 000019
【００８９】
【数１９】
0004987201.tif 000020
【００９０】
【数２０】
0004987201.tif 000021
【００９１】
1/μS中のωを周波数(単位：ヘルツ)に変換
>ω:=2π(周波数)(10-6);
ω:=(0.628318)x10-5x(周波数)
【００９２】
>with(plots):semilogplot(20log10(pamp/p0); 外耳道内部での片対数グラフ
>semilogplot(yamp, freq=10..40000); メンブレンの振幅(d/2を越えることができない)
【００９３】
前記の数学的計算から得られた結果を、図７及び図８にプロットしている。図７は可聴周波数の範囲に応答したＭＥＭＳダイヤフラムの位置変化を示すグラフであり、図８は本発明に係るＣＭＯＳ ＭＥＭＳダイヤフラム(14)の周波数応答を示す片対数グラフである。前述の如く、図７のｙ軸はメンブレンの変位量をミクロン単位で表しており、図８のｙ軸は２０μＰａを基準とする(外耳道内の)音圧レベルをデシベル(ｄＢ)で表している。両図において、ｘ軸は周波数をヘルツ単位で表している。
【００９４】
前述の記載は、マイクロスピーカ又はマイクロホンに使用することのできる電気音響トランスデューサの構成及び性能のモデリングについて説明したものである。音響トランスデューサは、ＣＭＯＳ ＭＥＭＳ(マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム)作製方法を用いて、単一チップとして製造されており、従来の音響トランスデューサと比べて、より安価に製造される。本発明による音響トランスデューサは、デジタル音声入力信号を、音波に直接変換する。音響トランスデューサを構成するＣＭＯＳ部材をサーペンチンばねから構成しているので、製造時のカーリング(メンブレン部材の)を小さくすることができる。また、音響トランスデューサのサイズは従来の音響トランスデューサと比べて小さくすることができる。また、デジタル信号プロセッサ、センス増幅器、アナログ−デジタル変換器及びパルス幅変調器を含む追加の音声回路を、単一シリコンチップ上で音響トランスデューサと一体化することができるから、非常に高品質の音再生が得られる。周波数応答の非線形性とひずみは、オンチップの負フィードバックで修正され、音質の実質的な改善がもたらされる。本発明の音響トランスデューサは、音響インピーダンスを変化させるためのオンザフライ補償が可能であり、それによって、広範囲に亘る音響負荷についてほぼフラットな周波数応答を確実に得ることができる。
【００９５】
本発明の幾つかの望ましい実施例について説明してきたが、当該分野の専門家であれば、本発明の利点の一部又は全部を得る上で、それら実施例に対して、様々な変更、改変及び改造をなし得ることは明らかであろう。それゆえ、本発明は、請求の範囲によって規定される本発明の範囲及び精神から逸脱することなく行われるそのような変更、改変及び改造も包含するものと解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の音響トランスデューサのハウジングカプセル化回路要素を示す図である。
【図２】  図１のハウジング内でカプセル化された種々の回路要素の一実施例を示す図である。
【図３】  図３ＡはＣＭＯＳ  ＭＥＭＳマイクロスピーカ及びマイクロホンダイヤフラムについて、マイクロマシン構造メッシュのレイアウトの一例を示す図であり、図３Ｂは図３Ａのマイクロマシン構造メッシュの詳細図であり、図３Ｃは図３Ｂに示されるメッシュの構造詳細を示す図であり、図３Ｄは図３に示すメッシュにおける単位セルのＭＥＭＣＡＤカールのシミュレーションを示す図である。
【図４】  図３Ｂのメッシュにおける個々のサーペンチンばね部材の三次元図である。
【図５】  使用者の耳に配置された本発明のＭＥＭＳダイヤフラムの断面図である。
【図６】  図５に示す構成の音響ＲＣモデルを示す図である。
【図７】  本発明のＣＭＯＳ  ＭＥＭＳダイヤフラムの周波数応答を示す片対数グラフである。
【図８】  音声周波数範囲に応答してＭＥＭＳダイヤフラムが動くことを示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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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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【図８】
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