JP6631821B2 - マイクロフォンの校正方法及びマイクロフォン - Google Patents

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Description

本発明は、マイクロフォンの校正方法及びマイクロフォンに関する。
特に、本発明は、所定のカットオフ周波数を有するように、マイクロフォンの感度を校正することを可能とする方法に関する。カットオフ周波数は、下限周波数(LLF)とも称される。カットオフ周波数を下回る周波数では、マイクロフォンの感度は、著しく低下する。特に、標準周波数における感度に対して、マイクロフォンの感度が、3dB又は、他の所定の量の低下がある周波数を、マイクロフォンのカットオフ周波数と定義することができる。
マイクロフォンの感度は、所定の入力音圧に応答して、マイクロフォンから出力されるアナログ出力電圧又はディジタル出力値の振幅として定義することができる。その感度及びカットオフ周波数は、あらゆるマイクロフォンの重要な仕様である。
MEMS変換素子の製造における、ほとんど不可避であるプロセスばらつきを鑑みると、マイクロフォンのカットオフ周波数を制御することは、非常に挑戦的なことである。特に、変換素子のカットオフ周波数は、通気口の直径により、ほぼ決定される。原理的には、より大きな通気口を用いることにより変換素子のカットオフ周波数のばらつきは減少させることが可能である。しかしながら、より大きな直径を有する通気口は、信号―雑音比の低下をもたらす。
本発明の目的は、マイクロフォンの校正の改良を可能とする方法を提供するところにある。他の目的として、改良されたマイクロフォンを供給するところにある。
これらの目的は、請求項1による方法により、及び第2の独立請求項によるマイクロフォンにより解決される。
マイクロフォンを構成する方法は、変換素子及びASICが提供されることを備える。当該方法は、所定のカットオフ周波数におけるマイクロフォンの感度が、標準周波数におけるマイクロフォンの感度と対して、所定の低下量を示すようにASICの周波数特性を校正するステップを備える。
本願の基本的な着想は、変換素子のカットオフ周波数のばらつきとして観察される、ほとんどの不可避な製造ばらつきを、ASICの周波数特性を校正することにより相殺できるというものである。この方法は、明確に定義された所定のカットオフ周波数を有するようなマイクロフォンの校正を可能とする。概して、マイクロフォンのカットオフ周波数は、変換素子の周波数応答及びASICの周波数応答のカスケード接続により決定されうる。ここでの、変換素子及びASICの両方はハイパスフィルターとして機能してよい。
所定の低下量は、3dB±0.2dBの低下としてもよい。標準周波数は、マイクロフォンの応答範囲の中心周波数、例えば1kHz、としてよい。
変換素子は、MEMSデバイスであってよい。
「ASICの周波数特性」とは、ASICの周波数応答、又はASICの感度と称してもよい。周波数特性は、所定の入力信号に応答してASICから提供される、出力電圧の周波数依存性として表現されてよい。カットオフ周波数を下回る周波数では、周波数特性は、その感度が著しく低下する。
同様に、変換素子の周波数特性及びマイクロフォンの周波数特性も定義することができる。マイクロフォンの周波数特性は、変換素子の周波数特性及びASICの周波数特性により決定される。このように、ASICの周波数特性により校正することにより、変換素子の周波数特性のバラツキを相殺できる。それにより、本方法は、たとえ、各々のマイクロフォンが異なる周波数特性を有する変換素子を備えているとしても、ASICの校正がこれらの差異を相殺することができるので、同一の周波数特性を有するマイクロフォンを製造することを可能とする。
ASICの周波数特性は、標準周波数におけるマイクロフォンの感度と所定のカットオフ周波数におけるマイクロフォンの感度との差異が、所定の低下量と等しくなるまで、そのASICの周波数特性を、逐次近似法アルゴリズムにより段階的に調整することで、校正されてよい。特に、当該差異は、0.2dBの許容誤差限度以内の、所定の低下量と等しくてよい。
この逐次近似法アルゴリズムの使用は、ASICの微調整に対して非常に効果的な方法であることが証明されている。特に、カットオフ周波数が所定の目標値に収束するまで、ASICの校正及び微調整をすることができる。
逐次近似法アルゴリズムにおいては、標準周波数におけるマイクロフォンの感度と所定のカットオフ周波数におけるマイクロフォンの感度との差異が算出される。そして、ASICの周波数特性は、算出された差異に基いて調整され、その情報はルックアップテーブルに格納される。ルックアップテーブルの使用は、校正プロセスを著しく促進する助けとなる。特に、ほとんどの場合、ルックアップテーブルに格納された値は必要な調整に関する精確な情報を伝え得るので、一つの校正ステップは、ASICの周波数特性を調整するのに十分である。
ASICは可変ハイパスフィルターを備えていてもよく、その可変ハイパスフィルターのカットオフ周波数を調整することにより、ASICの周波数特性が校正されてよい。ハイパスフィルターは、トランジスタを備えるパッシブ又はアクティブフィルターであってよい。可変ハイパスフィルターは、ハイパスフィルターのカットオフ周波数を修正可能な一つ以上の調整部品を備えてもよい。
算出された差分が所定の低下量を下回るとき、可変ハイパスフィルターのカットオフ周波数を低下させてよく、算出された差分が所定の低下量を上回るとき、可変ハイパスフィルターのカットオフ周波数を上昇させてよい。この可変ハイパスフィルターのカットオフ周波数の低下又は上昇に応じて、マイクロフォンのカットオフ周波数が所定の値に設定されるまで、段階的な近似法アルゴリズムの各ステップが繰り返されてよい。そこでは、ハイパスフィルターのカットオフ周波数が低下すると、ASICのカットオフ周波数も低下し、ハイパスフィルターのカットオフ周波数が上昇すると、ASICのカットオフ周波数も上昇する結果となる。
本方法の最後のステップにおいて、ASICの周波数特性の設定は、不揮発性メモリに格納されることであってよい。不揮発性メモリは、ワンタイムプログラマブルデバイスであってよい。このように、校正する方法は、製造プロセスの最後のステップの一期間だけで実行されるので、マイクロフォンを使用している顧客は、ASICの周波数特性の設定を変更しなくてよい。
本発明の更なる態様によれば、変換素子及びASICを備えるマイクロフォンが提供される。そこで、ASICは可変ハイパスフィルターを備え、マイクロフォンは可変ハイパスフィルターの設定情報を格納する不揮発性メモリを更に備える。この格納された情報は、所定のカットオフ周波数におけるマイクロフォンの感度が、標準周波数におけるマイクロフォンの感度に対して、所定の低下量を示すように、可変ハイパスフィルターを設定することができる。
このように、マイクロフォンは、明確に定義された周波数特性を有する。所定のカットオフ周波数を有することは、例えば、風により生じる低周波雑音が信号を歪ませるアプリケーションにとって重要である。風の雑音が通常有する低周波数は、マイクロフォンの所定のカットオフ周波数を選択したときに、カットオフ又は少なくとも著しく低下させられる範囲にある。更に、マイクロフォンのカットオフ周波数を高精度で定義可能なこともまた、一つ以上のマイクロフォンを用いるアプリケーションにとって重要である。そのようなアプリケーションでは、各々のマイクロフォンが同じ周波数特性を持つことが、通常必要とされるためである。
又、変換素子が、カットオフ周波数を定義してよく、ASICが、カットオフ周波数を有してもよい。変換素子及びASICの各々のカットオフ周波数がマイクロフォンの所定のカットオフ周波数より低くてもよい。
ハイパスフィルターは、そのカットオフ周波数を10Hzから50Hzの間の値に合わせ込み可能なように構成されてよい。変換素子は、カットオフ周波数を40Hzから80Hzの間と、定義してよい。
ASICは、前置増幅器を備えてよい。可変ハイパスフィルターは、その前置増幅器の中に統合されてよい。そのようなASICの設計では、可変ハイパスフィルターがASIC内の信号チェーンの先頭部に近接する位置にあります。
これは、ASICにより占有される面積に関して優位性がある。特に、そのような設計は、サイズやコストを節約する助けになる。
又、ASICは、前置増幅器と第2の増幅器を備えてよく、そこでは、可変ハイパスフィルターが、前置増幅器と第2の増幅器との間に配置される。そのようなASICの設計では、マイクロフォンの信号チェーンの終端部の方向に可変ハイパスフィルターが位置する。この設計は、信号―雑音比の観点で優位性がある。特に、可変ハイパスフィルターは雑音を導入しやすいので、その雑音を前置増幅器で増幅しないことを確実にするために、可変ハイパスフィルターは前置増幅器より後ろに配置される。
更に、ASICは、前置増幅器及びシグマーデルタ変換器を備えてよく、そこでは、可変ハイパスフィルターが、前置増幅器及びシグマーデルタ変換器の間に配置される。この設計もまた、信号―雑音比の観点で優位性がある。
以下に、本願の発明が、図面を参照して更に詳細に記載される。
は、マイクロフォンの概略図である。 は、マイクロフォンの周波数特性を示す図である。 は、低い周波数におけるマイクロフォン、変換素子、及びASICの周波数特性を示す図である。 は、マイクロフォンを校正する方法のフローチャートを示す図である。
図1は、マイクロフォン1の概略図を示す。マイクロフォン1は、MEMS変換素子2及びASIC3(ASIC = application specific integration circuit)を備える。変換素子2は、音響信号を電気信号に変換する構成である。この電気信号はASIC3内に供給される。ASIC3は、その電気信号を処理する構成である。例えば、ASIC3は、前置増幅器、第2の増幅器、及び、例えばシグマーデルタ変換器のようなアナログーディジタル変換器を備える。前置増幅器及び第2の増幅器は、それぞれの入力信号を増幅する構成である。アナログーディジタル変換器は、アナログ入力信号をディジタル出力信号に変換する構成である。
図2は、図1に示されたマイクロフォン1の周波数特性を示す。音響入力信号の周波数が横軸に示され、それぞれの周波数におけるマイクロフォン1の感度が縦軸に示される。感度とは、マイクロフォンが音響入力信号を電気信号に変換する能力を示す。縦軸は対数目盛で与えられる。図2に示されるグラフSmic(f)もまた、マイクロフォンの周波数応答として示される。
マイクロフォン1の感度Smic(f)は、変換素子2の感度SMEMS(f)にASIC3の感度SASIC(f)を乗算した積と合致する。
mic(f)=SMEMS(f)×SASIC(f)
図2からわかるように、マイクロフォン1の感度Smic(f)は周波数に依存する。下限周波数(LLF)として示されるカットオフ周波数fLLFを下回る周波数では、マイクロフォン1の感度Smic(f)は著しく低下する。そのカットオフ周波数fLLFは図2に図示される。このカットオフ周波数fLLFは、下記の等式を満たす周波数で定義される。
mic(fstandard)−Smic(fLLF)=Δ
mic(fstandard)は、標準周波数におけるマイクロフォンの感度を与える。この標準周波数fstandardは、例えば1kHzとすることができる。一般に、標準周波数fstandardは、マイクロフォン1の応答帯域の中心に位置する周波数とされる。又、標準周波数fstandardは、マイクロフォン1が高い感度を持つ周波数とされる。Δはマイクロフォンの感度の所定の低下量を与える。この所定の低下量Δは、3dB±許容誤差とすることができる。ここで、許容誤差は0.2dBであってよい。
図3は、低周波数における、マイクロフォン1、変換素子2、及びASIC3それぞれの周波数特性を示す。それぞれの入力信号の周波数は横軸に示されている。対応する周波数における、それぞれの素子の感度は、対数目盛を有する縦軸に示される。
図3において、グラフSmic(f)はマイクロフォンの感度を示し、グラフSMEMS(f)は、変換素子2の感度を示し、グラフSASIC(f)はASIC3の感度を示す。上記議論のとおり、マイクロフォンの感度Smic(f)は、変換素子2の感度SMEMS(f)にASIC3の感度SASIC(f)を乗算した積として算出される。変換素子2について、カットオフ周波数fLLF,MEMSは感度SMEMS(fLLF,MEMS)が、ある標準周波数、例えば1kHzにおける感度SMEMS(fstandardに対して、所定の低下量Δだけ低下した周波数として定義される。ここで、所定の低下量Δは、3dB±0.2dBであってよい。
MEMS(fstandard)−SMEMS(fLLF,MEMS)=Δ
ASIC3について、カットオフ周波数fLLF,MEMSも、同様な方法で定義することができる。
ASIC(fstandard)−SASIC(fLLF,MEMS)=Δ
マイクロフォン1のカットオフ周波数fLLF、変換素子2のカットオフ周波数fLLF,MEMS、及びASIC3のカットオフ周波数fLLF,ASICが、図3に図示される。図3に示されるように、マイクロフォン1のカットオフ周波数fLLFは、変換素子2のカットオフ周波数fLLF,MEMS、及びASIC3のカットオフ周波数fLLF,ASICよりも高い。
変換素子2のカットオフ周波数fLLF,MEMSは、変換素子2の通気口の直径により、ほぼ定義される。変換素子2の製造プロセスのばらつきに起因する多くの不可避な誤差により、カットオフ周波数fLLF,MEMSが±30%範囲でばらつくことは珍しいことではない。この変換素子2のカットオフ周波数fLLF,MEMSは、40Hzから80Hzの間にあるように設計されている。変換素子2の製造が完了した後では、そのカットオフ周波数fLLF,MEMSを修正することは、むしろ困難である。
ASIC3では、そのカットオフ周波数fLLF,ASICの変更が可能なように設計されている。ASIC3は可変ハイパスフィルターを備え、それは、ASIC3のカットオフ周波数fLLF,ASICが修正できるようにハイパスフィルターの調整が可能である。例えば、ASIC3のカットオフ周波数を、所定のステップ数、例えば8ステップで、10Hzから50Hzの範囲内に合わせ込むことができる。
本発明の基本的な着想は、変換素子2のカットオフ周波数fLLF,MEMSの不可避な誤差が相殺されるように、ASIC3のカットオフ周波数fLLF,ASICを合わせ込むことである。それにより、マイクロフォン1の明確に定義されたカットオフ周波数が達成されるように、マイクロフォン1の周波数特性を校正することができる。
図4には、カットオフ周波数fLLFが所定の値に設定されるようにマイクロフォン1を校正する方法を具体化するフローチャートを示す。Aは、この方法の開始時点における初期状態を表し、ASIC3の周波数特性の調整は何も行われていない。この方法の最初のステップBでは、標準周波数fstandardにおけるマイクロフォン1の感度Smic(fstandard)が測定される。その標準周波数fstandardは1kHzであってよい。
ステップBの後のステップCにおいては、所定のカットオフ周波数におけるマイクロフォン1の感度の測定が実行される。ここで、所定のカットオフ周波数は、例えば80Hzであってよい。
ステップCの後のステップDにおいては、標準周波数における感度と所定のカットオフ周波数における感度との差分の算出が実行される。
ステップDの後のステップEにおいては、算出された差分が、所定の低下量Δと比較される。所定の低下量は、3dB±0.2dBが選択されてよい。この算出された差分が、所定の低下量と等しい、すなわち、算出された差分が2.8dBから3.2dBまでの間にあるとき、校正プロセスは終結し、設定されているASIC3の現在の値は、ステップFにおいて不揮発性メモリに格納される。
しかしながら、ステップEにおいて、算出された差分が、所定の低下量Δと許容誤差範囲を超える差があるときは、ASIC3の周波数特性はステップGで調整される。この目的のため、算出された差分が、ASIC3の周波数特性の新たな設定に関する情報が格納されているルックアップテーブルHの入力パラメータとして使用される。
この後、ステップC、D、及びEが繰り返される。そして、ステップC、D、E、及びGは、マイクロフォン1の周波数特性が所定のカットオフ周波数に設定されるまで実行される逐次近似法アルゴリズムを形成する。
図4に示されたマイクロフォン1の校正方法は、マイクロフォン1の製造工程の最後のステップで実行することができる。ASICの周波数特性が最適化された設定は、ステップFにおいて、不揮発性メモリ、例えば、ワンタイムプログラマブルデバイスに格納することができる。このことから、この設定は顧客による修正を必要としない。
1 マイクロフォン
2 変換素子
3 ASIC
mic(f) マイクロフォンの感度
LLF マイクロフォンのカットオフ周波数
MEMS(f) 変換素子の感度
LLF,MEMS 変換素子のカットオフ周波数
ASIC(f) ASICの感度
LLF,ASIC ASICのカットオフ周波数

Claims (14)

  1. 変換素子(2)及びASIC(3)を備えるマイクロフォン(1)を校正する方法であって、
    所定のカットオフ周波数(fLLF)におけるマイクロフォン(1)の感度(Smic(fLLF))が、標準周波数(fstandard)におけるマイクロフォン(1)の感度(Smic(fstandard))に対して、所定の低下量(Δ)を示すように、所定の入力信号に応答してASIC(3)から提供される出力電圧の周波数依存性を校正するステップを備える、方法。
  2. 前記周波数依存性が校正されるステップは、前記標準周波数(fstandard)における前記マイクロフォン(1)の感度(Smic(fstandard))と、前記所定のカットオフ周波数(fLLF)における前記マイクロフォン(1)の感度(Smic(fLLF))と、の差分が、前記所定の低下量(Δ)と等しくなるまで、前記周波数依存性を段階的に調整する逐次近似法アルゴリズムにより行われる、請求項1に記載の方法。
  3. 前記逐次近似法アルゴリズムにおいて、前記標準周波数(fstandard)における前記マイクロフォン(1)の感度(Smic(fstandard))と、前記所定のカットオフ周波数(fLLF)における前記マイクロフォン(1)の感度(Smic(fLLF))と、の差分が算出され、
    前記周波数依存性は、前記算出された差分と、ルックアップテーブルに格納された情報と、に基いて調整される、請求項2に記載の方法。
  4. 前記ASIC(3)は、可変ハイパスフィルターを備え、
    前記周波数依存性が校正されることは、前記可変ハイパスフィルターのカットオフ周波数を調整することにより行われる、請求項3に記載の方法。
  5. 前記算出された差分が前記所定の低下量(Δ)を下回るとき、前記可変ハイパスフィルターの前記カットオフ周波数を低下させる、請求項4に記載の方法。
  6. 前記算出された差分が前記所定の低下量(Δ)を上回るとき、前記可変ハイパスフィルターの前記カットオフ周波数を上昇させる、請求項4又は5のいずれか1項に記載の方法。
  7. 前記方法の最後のステップにおいて、前記周波数依存性の設定が、不揮発性メモリに格納される、請求項1乃至6のいずれか1項に記載の方法。
  8. 変換素子(2)と、
    可変ハイパスフィルターを有するASIC(3)と、
    前記可変ハイパスフィルターの設定の情報を格納する不揮発性メモリと、を備えるマイクロフォン(1)であって、
    前記格納された情報は、所定のカットオフ周波数(fLLF)におけるマイクロフォン(1)の感度(Smic(fLLF))が、標準周波数(fstandard)におけるマイクロフォン(1)の感度(Smic(fstandard))に対して、所定の低下量(Δ)を示すように、前記可変ハイパスフィルターの設定を可能とする、マイクロフォン(1)。
  9. 前記変換素子(2)は、カットオフ周波数(fLLF,MEMS)を定義し、
    前記ASIC(3)は、カットオフ周波数(fLLF,ASIC)を有し、
    前記変換素子(2)の前記カットオフ周波数(fLLF,MEMS)及び前記ASIC(3)の前記カットオフ周波数(fLLF,ASIC)の各々は、前記マイクロフォン(1)の所定のカットオフ周波数(fLLF)よりも低い、請求項8に記載のマイクロフォン(1)。
  10. 前記ASIC(3)は、前記カットオフ周波数(fLLF,ASIC)を、10Hzから50Hzの間の値に合わせ込み可能に構成される、請求項8又は9のいずれか1項に記載のマイクロフォン(1)。
  11. 前記変換素子(2)は、前記カットオフ周波数(fLLF,MEMS)を、40Hzから80Hzの範囲内に定義する、請求項8乃至10のいずれか1項に記載のマイクロフォン(1)。
  12. 前記ASIC(3)は、前置増幅器を備え、
    前記可変ハイパスフィルターは、前記前置増幅器の中に統合される、請求項8乃至11のいずれか1項に記載のマイクロフォン(1)。
  13. 前記ASIC(3)は、前置増幅器及び第2の増幅器を備え、
    前記可変ハイパスフィルターは、前記前置増幅器と前記第2の増幅器との間に配置される、請求項8乃至11のいずれか1項に記載のマイクロフォン(1)。
  14. 前記ASIC(3)は、前置増幅器及びシグマーデルタ変換器を備え、
    前記可変ハイパスフィルターは、前記前置増幅器と前記シグマーデルタ変換器との間に配置される、請求項8乃至11のいずれか1項に記載のマイクロフォン(1)。
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