JP2016519907A - 複数モータｍｅｍｓデバイスの差動出力 - Google Patents

Abstract

音響装置は、第１のダイヤフラム及び第１のバックプレートを含む第１のＭＥＭＳモータと、第２のダイヤフラム及び第２のバックプレートを含む第２のＭＥＭＳモータとを備える。第１のＭＥＭＳモータには第１の電気極性でバイアスがかけられ、第２のＭＥＭＳモータには第２の電気極性でバイアスがかけられ、第１の電気極性と第２の電気極性は、極性が逆である。第１のＭＥＭＳモータにおいて、受け取った音響エネルギを表す第１の信号が生成され、第２のＭＥＭＳモータにおいて、受け取った音響エネルギを表す第２の信号が生成される。第１の信号と第２の信号との間の差分を表す差動出力信号を取得する。差動出力信号を取得して、第１のＭＥＭＳモータと第２のＭＥＭＳモータとの間の同相ノイズを除去する。【選択図】図１

Description

（関連出願）
本発明は、米国特許法第１１９条（ｅ）の定めによる２０１３年４月１０日出願の仮出願番号６１８１０３８７「複数モータＭＥＭＳデバイスの差動出力」の優先権を主張するものであり、その開示内容全体は引用により本明細書に組み込まれている。

（技術分野）
本出願はＭＥＭＳデバイスに関し、より具体的には、差動増幅器を利用するＭＥＭＳデバイスに関する。

これまで微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）のマイクロホンが用いられてきた。これらのデバイスは、バックプレート（チャージプレート）及び他の構成要素を含む。作動時、音響エネルギがダイヤフラムを動かし、これによってデバイスの出力部に電気信号が発生し、この信号は、受け取った音響エネルギに相当する。

一般に、これらのマイクロホンは、増幅器又はＭＥＭＳ構成要素から取得した信号をさらに処理する他の回路を使用する。いくつかの例として、ＥＭＳデバイスから差信号を取得する差動増幅器が使用される。

これらの用途において、信号対ノイズ比（ＳＮＲ）が高いことが望ましく、高ＳＮ比はシステムのノイズが少ないことを意味する。しかしながら、高ＳＮ比を実現することは難しい。例えば、種々のノイズ源（例えば、２つの例を挙げると電源ノイズ及びＲＦノイズ）が存在する場合が多い。差動増幅器を使用するシステムでは、差動対からの各信号を減算することで、相関（同相）ノイズ並びに増大する信号対ノイズ比を低減することが可能である。

従来のシステムにおいて、ノイズを打ち消す種々の試みは、ほとんどの場合、失敗に終わっていた。その結果、ユーザは、従来のシステムに対して不満をもっている。

本開示をより完全に理解するために、以下の詳細な説明及び添付の図面を参照すべきである。

本発明の種々の実施形態による、外部差動段への２つのチップ上の２つのシングルエンド入力を有するシステムのブロック図である。 本発明の種々の実施形態による、反転型モータの外部差動段への２つのチップ上のシングルエンド入力を有するシステムのブロック図である。 本発明の種々の実施形態による、内部差動段への単一のチップ上のシングルエンド入力を有するシステムのブロック図である。 本発明の種々の実施形態による、反転型モータの内部差動段への１つのＡＳＩＣ上のシングルエンド入力を有するシステムのブロック図である。

当業者であれば、各図の要素は、簡略化及び明瞭化のために示されていることを理解できるはずである。さらに特定のアクション及び／又はステップは、特定の発生順で記載されるか又は示されているが、当業者であれば、このようなシーケンスに関する限定性は実際には必要ないことを理解できるはずである。また、本明細書で用いる用語及び表現は、明細書で特定の意味を明記しない限りにおいて、対応するそれぞれの調査及び検討領域に関してこのような用語及び表現に一致する、通常の意味をもつことを理解できるはずである。

本アプローチは、同相ノイズ及び／又は他の種類のノイズを除去又は実質的に低減するＭＥＭＳマイクロホン構成を提供する。「同相ノイズ」は、差動段の入力を供給する両方のデバイスに共通のノイズを意味する。同相ノイズは、各デバイスの間で同相なのでデバイスから発生した意図された信号とは異なる。本アプローチは、単一又は複数基材（例えば、集積回路）上に提供することができ、特定のユーザ又は特定のシステム要件に適合するようなっている。

これらのアプローチを単一の基材又は集積回路上に提供する場合、一般に同相ノイズの除去には劣るが、これによって統合された増幅器及びマイクロホン組立体を提供できるので、単一の基材又は集積回路上に提供されないアプローチに比べて経済的かつユーザーフレンドリである。

いくつかの態様において、各ＭＥＭＳデバイスは、差動信号を提供するために一緒に使用される。１つのＭＥＭＳデバイスのチャージプレートは上部に、ダイヤフラムは下部に配置又は置くことができ、チャージプレートには正バイアスが供給される。もしくは、同じＭＥＭＳデバイスのチャージプレートは下部に、ダイヤフラムは上部に配置することができ、ダイヤフラムには負バイアスが供給される。これらの２つの構成は、上部にダイヤフラム、下部にチャージプレートを有し、ダイヤフラムに正のバイアスがかけられた第２のＭＥＭＳデバイスに対して１８０度位相がずれた同じ信号を供給する。

前述のように、ＭＥＭＳモータは、１つの基材（例えば、集積回路又はチップ）上に配置することができる。本明細書で用いる場合、「バイアス」は、バックプレートに対するダイヤフラムの電気的バイアス（正又は負）と定義される。「ＭＥＭＳモータ」は、一定のＤＣバイアス／チャージの下で作動する柔軟なダイヤフラム／バックプレート組立体を意味する。

ここで図１を参照すると、システム１００は、第１のＭＥＭＳデバイス１０２（第１のダイヤフラム１０６と、第１のバックプレート又はチャージプレート１０８とを含む）及び第２のＭＥＭＳデバイス１０４（第２のダイヤフラム１１０と、第２のバックプレート又はチャージプレート１１２を含む）を備える。本明細書のダイヤフラム及びチャージプレートは、当業者には公知の一般的なＭＥＭＳデバイスに使用されており、本明細書ではより詳細に説明しないこととする。

ＭＥＭＳデバイス１０２及び１０４の出力は、第１の集積回路１１４及び第２の集積回路１１６に供給される。１つの実施例では、集積回路は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣＳ）とすることができる。これらの集積回路は、受信信号の増幅等の種々の処理機能を実行する。

集積回路１１４及び１１６は、第１の前置増幅回路１１８及び第２の前置増幅回路１２０を含む。前置増幅回路１１８及び１２０の目的は、一般に対象の帯域幅で高インピーダンスソースである、容量性トランスデューサに対する非常に高いインピーダンスインタフェースを提供することである。

集積回路１１４及び１１６の出力は、外部差動段１２２（集積回路１１４及び１１６からの２つの信号の差分を取得する差分加算器１２４を含む）に送られる。１つの実施例において、外部差動段１２２は、マイクロホン基部ＰＣＢ上の集積回路又はユーザが提供する外部ハードウェアのいずれかである。

第１のダイヤフラム１０６には正電位が供給され、第２のダイヤフラム１１０には負電位が供給される。これによってリード線１２６及び１２８にはグラフ１５０及び１５２に示す差動信号が生じる。これらのグラフの差動信号は、本明細書の他の場所で説明するように、位相が互いに約１８０度ずれている。差動段１２２の出力１３０は、信号１２７及び１２９の差分でありグラフ１５４に示されている。

全体システムの同相ノイズは、差動段１２２で除去される。同相ノイズは、図１の実施例では両ＭＥＭＳモータの間、及び両ＡＳＩＣの間に発生する。グラフから分かるように、出力１３０では高いＳＮＲが得られ、前述のように、同相ノイズが著しく低減されるか又は除去される。これらの態様の両方は、システム性能を改善する。図１の実施例において、同相ノイズ成分が互いに減算されるので、同相ノイズは著しく低減されるか又は除去される。位相差が０度なので、差動増幅器は、同相信号の一部又は全てを除去することができる。

ここで図２を参照すると、システム２００は、第１のＭＥＭＳデバイス２０２（第１のダイヤフラム２０６と、第１のバックプレート又はチャージプレート２０８とを含む）、及び第２のＭＥＭＳデバイス２０４（第２のダイヤフラム２１０と、第２のバックプレート又はチャージプレート２１２とを含む）を備える。ＭＥＭＳデバイス２０２及び２０４の出力は、第１の集積回路２１４及び第２の集積回路２１６に供給される。１つの実施例では、集積回路は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣＳ）とすることができる。これらの集積回路は、受信信号の増幅等の種々の処理機能を実行する。

集積回路２１４及び２１６は、第１の前置増幅回路２１８及び第２の前置増幅回路２２０を含む。前置増幅回路２１８及び２２０の目的は、一般に対象の帯域幅で高インピーダンスソースである、容量性トランスデューサに対する非常に高いインピーダンスインタフェースを提供することである。各集積回路２１４及び２１６の間の相違点は、ダイヤフラム／バックプレートの幾何学的配置である（すなわち、一方の集積回路２１４又は２１６は、「上下逆」であり、負バイアスを用いることなく１８０度の位相差が生じる）。

集積回路２１４及び２１６の出力は、外部差動段２２２（集積回路２１４及び２１６からの２つの信号の差分を取得する差分加算器２２４を含む）に送られる。

第１のダイヤフラム２０６には正電位が供給される。第２のバックプレート２１２には正電位が供給される。これによりリード線２２６及び２２８には、グラフ２５０及び２５２に示す差動信号が生じる。図１の実施例と比較して、この第２のダイヤフラム及び第２のバックプレートは、機械的に反転している。これにより、位相が互いに約１８０度ずれている信号が生じる。差動段２２２の出力２３０は、信号２２７及び２２９の差分でありグラフ２５４に示されている。

全体システムの同相ノイズは、差動段２２２で除去される。同相ノイズは、図２の実施例では両ＭＥＭＳモータの間、及び両ＡＳＩＣの間に発生する。グラフから分かるように、出力２３０では高いＳＮＲが得られ、前述のように、同相ノイズが著しく低減されるか又は除去される。これらの態様の両方は、システム性能を改善する。図２の実施例において、同相ノイズ成分が互いに減算されるので、同相ノイズは著しく低減されるか又は除去される。位相差が０度なので、差動増幅器は、同相信号の一部又は全てを除去することができる。

ここで図３を参照すると、システム３００は、第１のＭＥＭＳデバイス３０２（第１のダイヤフラム３０６と、第１のバックプレート又はチャージプレート３０８とを含む）及び第２のＭＥＭＳデバイス３０４（第２のダイヤフラム３１０と、第２のバックプレート又はチャージプレート３１２を含む）を備える。ＭＥＭＳデバイス３０２及び３０４の出力は、第１の集積回路３１４に供給される。１つの実施例では、集積回路は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣＳ）とすることができる。この集積回路は、受信信号の増幅等の種々の処理機能を実行する。

集積回路３１４は、第１の前置増幅回路３１８及び第２の前置増幅回路３２０を含む。前置増幅回路３１８及び３２０の目的は、一般に対象の帯域幅で高インピーダンスソースである、容量性トランスデューサに対する非常に高いインピーダンスインタフェースを提供することである。

前置増幅器３１８及び３２０の出力は、前置増幅器からの２つの信号の差分を取得する差分加算器２２４に送られる。

第１のダイヤフラム３０６には正電位が供給される。第２のダイヤフラム３１０には負電位が供給される。これによりリード線３２６及び３２８には、グラフ３５０及び３５２に示す差動信号が生じる。ＡＳＩＣ３１４からの出力３３０は、信号３２７及び３２９の差分でありグラフ３５４に示されている。

図３のシステムの同相ノイズは、加算器３５４によって除去される。同相ノイズは、図３の実施例では２つのＭＥＭＳモータの間に発生する。グラフから分かるように、出力３３０では高いＳＮＲが得られ、前述のように、同相ノイズが著しく低減されるか又は除去される。これらの態様の両方は、システム性能を改善する。図３の実施例において、同相ノイズ成分が互いに減算されるので、同相ノイズは著しく低減されるか又は除去される。位相差が０度なので、差動増幅器は、同相信号の一部又は全てを除去することができる。

ここで図４を参照すると、システム４００は、第１のＭＥＭＳデバイス４０２（第１のダイヤフラム４０６と、第１のバックプレート又はチャージプレート４０８とを含む）及び第２のＭＥＭＳデバイス４０４（第２のダイヤフラム４１０と、第２のバックプレート又はチャージプレート４１２を含む）を備える。ＭＥＭＳデバイス４０２及び４０４の出力は、第１の集積回路４１４に供給される。１つの実施例では、集積回路は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣＳ）とすることができる。この集積回路は、受信信号の増幅等の種々の処理機能を実行することができる。

集積回路４１４は、第１の前置増幅回路４１８及び第２の前置増幅回路４２０を含む。前置増幅回路の目的は、一般に対象の帯域幅で高インピーダンスソースである、容量性トランスデューサに対する非常に高いインピーダンスインタフェースを提供することである。前置増幅器４１８及び４２０の出力は、前置増幅器からの２つの信号の差分を取得する差分加算器４２４に送られる。

第１のダイヤフラム４０６には正電位が供給される。第２のバックプレート４１２には正電位が供給される。これによりリード線４２６及び４２８には、グラフ４５０及び４５２に示す差動信号が生じる。ＡＳＩＣ４１４からの出力４３０は、信号４２７及び４２９の差分でありグラフ４５４に示されている。

図４のシステムの同相ノイズは、ＡＳＩＣ４１４によって除去される。同相ノイズは、図４の実施例では２つのＭＥＭＳモータの間に発生する。グラフから分かるように、出力４３０では高いＳＮＲが得られ、前述のように、同相ノイズが著しく低減されるか又は除去される。これらの態様の両方は、システム性能を改善する。図４の実施例において、同相ノイズ成分が互いに減算されるので、同相ノイズは著しく低減されるか又は除去される。位相差が０度なので、差動増幅器は、同相信号の一部又は全てを除去することができる。

本明細書には、本発明を実施するための本発明者が知る最良の形態を含む、本発明の好ましい実施形態が記載されている。説明された実施形態は、単に例示目的であり、本発明を限定しないことを理解されたい。

１００ システム
１０２ 第１のＭＥＭＳデバイス
１０４ 第２のＭＥＭＳデバイス
１０６ 第１のダイヤフラム
１０８ 第１のバックプレート
１１０ 第２のダイヤフラム
１１２ 第２のバックプレート
１１４ 集積回路
１１８ 前置増幅回路
１２０ 前置増幅回路
１２２ 外部差動段
１２４ 差分加算器
１２６ リード線
１２７ 信号
１２８ リード線
１２９ 信号
１３０ 出力

Claims (12)

1. 音響装置であって、
   第１のダイヤフラム及び第１のバックプレートを含み、音響エネルギを表す第１の差動信号を生じる、第１のＭＥＭＳモータと、
   第２のダイヤフラム及び第２のバックプレートを含み、音響エネルギを表す第２の差動信号を生じる、第２のＭＥＭＳモータと、
   前記第１のＭＥＭＳモータに接続され、前記第１の差動信号から第１の前段増幅信号を生成する第１の前置増幅回路と、
   前記第２のＭＥＭＳモータに接続され、前記第２の差動信号から第２の前置増幅信号を生成する第２の前置増幅回路と、
   前記第１の前置増幅回路及び前記第２の前置増幅回路に接続され、前記第１の前置増幅信号と前記第２の前置増幅信号との間の差分を取得するように構成された差動段と、
   を備え、
   第１の差動バイアス電圧が、前記第１のダイヤフラムと前記第１のバックプレートとの間に付与されて第１の第１の差動信号を生じ、第２の差動電圧が、前記第２のダイヤフラムと前記第２のバックプレートとの間に付与されて前記第２の差動信号を生じるようになっており、
   前記第１のＭＥＭＳモータと前記第２のＭＥＭＳモータとの間の同相ノイズが前記差動段で除去される、
   音響装置。
2. 正電位が前記第１のダイヤフラムに印加され、負電位が前記第２のダイヤフラムに印加される、請求項１に記載の装置。
3. 正電位が前記第１のダイヤフラムに印加され、正電位が前記第２のバックプレートに印加される、請求項１に記載の装置。
4. 前記第１の前置増幅器及び前記第２の前置増幅器は、別個の集積チップに設けられる、請求項１に記載の装置。
5. 前記第１の前置増幅器及び前記第２の前置増幅器は、同じ集積チップに設けられる、請求項１に記載の装置。
6. 前記第１のＭＥＭＳモータと前記第２のＭＥＭＳモータとの間の同相ノイズは、位相ずれが約０度である、請求項１に記載の装置。
7. 前記第１の差動信号及び前記第２の差動信号は、位相ずれが約１８０度である、請求項１に記載の装置。
8. 第１のダイヤフラム及び第１のバックプレートを含む第１のＭＥＭＳモータと、第２のダイヤフラム及び第２のバックプレートを含む第２のＭＥＭＳモータとを備えた音響装置を作動させる方法であって、
   前記第１のＭＥＭＳモータに第１の電気極性のバイアスをかけると共に、前記第２のＭＥＭＳモータに前記第１の電気極性とが逆の極性の第２の電気極性のバイアスをかける段階と、
   前記第１のＭＥＭＳモータにおいて、受け取った音響エネルギを表す第１の信号を生成する段階と、
   前記第２のＭＥＭＳモータにおいて、受け取った音響エネルギを表す第２の信号を生成する段階と、
   前記第１の信号と前記第２の信号との間の差分を表す差動出力信号を取得する段階と、
   を含み、
   前記差動出力信号を取得して、前記第１のＭＥＭＳモータと前記第２のＭＥＭＳモータとの間の同相ノイズを除去する、
   方法。
9. 正電位が前記第１のダイヤフラムに印加され、負電位が前記第２のダイヤフラムに印加される、請求項８に記載の方法。
10. 正電位が前記第１のダイヤフラムに印加され、正電位が前記第２のバックプレートに印加される、請求項８に記載の方法。
11. 前記第１のＭＥＭＳモータと前記第２のＭＥＭＳモータとの間の同相ノイズは、位相ずれが約０度である、請求項８に記載の方法。
12. 前記第１の差動信号及び前記第２の差動信号は、位相ずれが約１８０度である、請求項８に記載の方法。

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