JP7791111B2 - 静電型音響デバイスの制御 - Google Patents

Description

本発明は、イヤフォンおよびラウドスピーカを含む静電型音響デバイスに関し、特に、本発明は、静電型デバイスを操作するための制御回路に関する。

高忠実度音再生に関する技術分野において、静電型ラウドスピーカは、固有の優れた音質および広い周波数範囲にわたる滑らかな応答によって注目されている。そのようなデバイスにおいて、可撓性音発生膜が電極の近くに、またはプッシュプル配置の場合は膜の両側に１つずつある電極ペアの近くに配置される。膜と電極との間に直流分極電位が印加され、電極にオーディオ信号が重畳されることにより、膜はオーディオ信号に応答して動く。電極は音響透過性であるため、膜の動きによって生成された音は、電極を通って聴取エリアへ外向きに放射する。

静電型デバイスは、電気的にも機械的にも非常に効率が良い。電気インピーダンスが高く、音響周波数の増加に伴って低下する。高い電気インピーダンスの結果、動作電流は非常に低くなり、電気損失は最小限になる。機械的には、重量が非常に軽い膜が動く以外に、動く部品はない。したがって静電型デバイスは、バッテリ式電子デバイスで現在使用されている動電型音響デバイスよりも本質的にエネルギー効率が高い。

よって、膜の動的運動範囲の最大化、静電型デバイスの音響透過性の制御、およびノイズキャンセルのために構成された制御回路を有する、バッテリ式電子デバイスでの使用に適した高効率の小型静電型デバイスがあること、および同静電型デバイスをラウドスピーカかつマイクロフォンとして使用することが有利であり、要望される。

本明細書において、膜および膜の付近に配置された電極を含む静電型音響デバイスの動作を制御するための様々な制御方法が開示される。膜は、静電型音響デバイスに可変オーディオ信号電圧が印加されると電極から発出する可変電界に機械的に応答するように構成される。無線周波数で変化するプローブ信号が電極に注入される。電流または電荷信号を変調電圧信号に変換することによって電流または電荷信号が検出される。電流または電荷信号は、プローブ信号の無線周波数を変調するオーディオ周波数で変化するオーディオ信号を含む。変調電圧信号は復調され、オーディオ周波数で変化するオーディオ出力信号が生成される。オーディオ出力信号は変換され、エラー信号が生成される。制御信号は、エラー信号に応答して、静電型音響デバイスに入力される。制御信号は、膜の機械的運動に所望の音響出力を維持させるように構成される。オーディオ周波数で変化するオーディオ出力信号は、無線周波数における変調電圧信号のホモダイン検出によって得られ得る。無線周波数における変調電圧信号と、無線周波数におけるプローブ信号に応答する無線周波数搬送波信号との間で、位相および周波数がロックされ得る。変調電圧信号の無線周波数搬送波と同期した同期信号が生成され得る。プローブ信号は、同期信号に応答して出力され得る。変調電圧信号の復調は、ローパスフィルタを用いて行われ得る。あるいは、無線周波数において正弦波がローカルに生成され、プローブ信号は、無線周波数においてローカルに生成された正弦波に応答してよい。復調は、オーディオ出力信号を生成するために、整流の後、ローパスフィルタリングによって行われ得る。制御信号の位相および振幅は、周囲雑音に起因する膜の機械的応答を少なくとも部分的にキャンセルするように構成され得る。制御信号は、膜と電極との間の静電放電または不可逆的な静電引力による膜の電極への機械的崩壊から保護することを意図して、膜の機械的変位を制限するように構成され得る。制御信号は、静電型音響デバイスの音響透過性を調整するように更に構成され得る。

本明細書において、静電型音響デバイスの動作を制御するための様々な制御回路が開示される。静電型音響デバイスは、膜と、膜の付近に配置された電極とを含む。膜は、静電型音響デバイスに可変オーディオ信号電圧が印加されると電極から発出する可変電界に機械的に応答するように構成される。制御回路は、無線周波数で変化するプローブ信号を電極に注入するように構成された増幅器を含む。検出器は、膜の機械的運動に応答する電流または電荷信号を検出するように構成される。電流または電荷信号は、無線周波数を変調するオーディオ周波数で変化するオーディオ信号を含む。検出器は、電流または電荷信号を変調電圧信号に変換するように構成される。復調器は、変調電圧信号を復調し、オーディオ周波数で変化するオーディオ出力信号を生成するように構成される。変換回路は、オーディオ出力信号を変換し、エラー信号を生成するように構成される。コントローラは、エラー信号に応答して、制御信号を静電型音響デバイスに入力するように構成される。制御信号は、膜の機械的運動に所望の音響出力を維持させるように構成される。オーディオ周波数で変化するオーディオ出力信号は、無線周波数における変調電圧信号のホモダイン検出によって得られ得る。制御回路は、変調電圧信号および無線周波数におけるプローブ信号に応答する無線周波数搬送波信号の位相および周波数をロックするように構成された位相ロックループを含んでよい。位相ロックループは、変調電圧信号の無線周波数搬送波と同期した信号を生成するように構成された電圧制御発振器を含んでよい。同期信号は、同期信号に応答するプローブ信号を出力するように構成された増幅器に入力され得る。ローパスフィルタは、変調電圧信号をフィルタおよび復調し、オーディオ周波数で変化するオーディオ出力信号を生成するように構成され得る。あるいは、ローカル発振器は、無線周波数で正弦波を生成するように構成され得る。増幅器は、無線周波数における正弦波を入力し、正弦波に対応する周波数を有するプローブ信号を出力するように構成され得る。復調器は、オーディオ出力信号を生成するための整流器およびローパスフィルタを含んでよい。制御信号の位相および振幅は、周囲雑音に起因する膜の機械的応答を少なくとも部分的にキャンセルするように構成され得る。制御信号は、膜と電極との間の静電放電から保護することを意図して、膜の機械的変位を制限するように構成され得る。制御信号は、静電型音響デバイスの音響透過性を調整するように更に構成され得る。

ここで、本発明は、添付図面を参照して単に例として説明される。

本発明の特徴に係る、静電型デバイスの断面図を概略的に示す。 本発明の特徴に係る、フィードバック制御システムの電子ブロック図である。 従来技術に係る、比例積分導関数コントローラ（ＰＩＤ）コントローラの電子ブロック図を示す。 図２のフィードバック制御システムの順方向経路における、静電型音響デバイスを含む制御システムの電子ブロック図である。 図２のフィードバック制御システムの順方向経路における、静電型音響デバイスを含む制御システムの代替的な電子ブロック図である。 図２のフィードバック制御システムの順方向経路における制御システムの別の代替的な電子ブロック図である。 図２のフィードバック制御システムの順方向経路における制御システムのまた別の代替的な電子ブロック図である。 本発明の特徴を示す方法のフロー図である。 本発明の特徴を示す方法のフロー図である。

上記態様および／または他の態様は、添付図面と併せて考慮した場合に以下の詳細な説明から明らかになる。

以下、本発明の特徴が詳しく参照され、その例は、全体を通して同様の参照番号が同様の要素を示す添付図面において示される。この特徴は、本発明を説明するために、図面を参照することによって以下で説明される。

前置きとして、本発明の様々な態様は、音響透過性の制御および／または周囲雑音キャンセルに関する、インイヤおよび／またはオーバーイヤ静電型ヘッドフォンのための回路に向けられる。本発明の様々な特徴に係る回路は、音響デバイスを静電型マイクロフォンとして用いるための検出器回路に向けられ得る。回路は、たとえば直径Ｄが５０ミリメートル以下である最大寸法の静電型スピーカ、またはいくつかの実施形態では２５ミリメートル以下の寸法Ｄの静電型スピーカ、また他の実施形態では１０ミリメートル以下の寸法Ｄの静電型スピーカのために設計され得る。イヤフォン用途の場合、静電型スピーカは、たとえば直径Ｄが５ミリメートル以下である最大寸法を有してよい。

本発明の他の態様は、静電型デバイスをラウドスピーカとして、またマイクロフォンとして用いるために検出器回路を使用し、静電型デバイスの動的範囲およびオーバードライブからの保護を最適化することを含む。

本発明の特徴によると、膜の機械的運動は、所望の周波数範囲の少なくとも一部にわたる膜の線形化運動を含む、所望の音響出力を維持するように強いられる。音響周囲雑音に起因する膜の機械的応答は、少なくとも部分的にキャンセルされ、すなわち、周囲雑音制御（ＡＮＣ）が行われ得る。同様に、静電型音響デバイスの音響透過性が制御され得る。従来技術による閉ループコントローラ、たとえばＡＮＣは、一般に、スピーカおよび複数のマイクロフォンを用いる。本発明の実施形態によると、所望の音響出力を維持するために単一の電気音響デバイスで事足りる。

ここで図面を参照し、図１を参照すると、本発明の特徴に係る静電型音響デバイス１０が概略的に示される。音響デバイス１０の中心を通る縦軸Ｚが示される。張力をかけられた膜１５は、電極１１のエッジによって、基本的に縦軸Ｚに対して垂直に支持される。膜１５は、変化する電界に機械的に応答するように、導電、抵抗、および／または静電材料を含浸してよい。電極１１の中心領域は、膜１５に近接して、たとえば膜１５に平行に、距離ｄ、たとえば膜１５から２０～５００マイクロメートルに、名目上等距離に取り付けられる。電極１１は、静電型音響デバイス１０の動作時に膜１５から発出する音波を通過させる開口部１２が穿孔されたものとして示される。

静電型音響デバイス１０の動作中、たとえば＋Ｖ_ＤＣ＝＋１００～＋１０００ボルトなど、一定の直流（ＤＣ）バイアス電圧が導電性接触子を用いて膜１５に印加され得る。あるいは、電圧信号Ｖ_ｉが膜１５に印加され、電極１１は、±Ｖ_ＤＣでバイアスされ得る。電圧信号±Ｖ_ｉが電極１１に印加され得る。電圧信号±Ｖ_ｉは、名目上、２０～２０，０００ヘルツのオーディオ周波数であってよい。電極１１の一方には非反転電圧信号＋Ｖ_ｉが印加され、他方の電極１１には同一の反転電圧信号－Ｖ_ｉが印加され得る。点線は、電圧信号±Ｖ_ｉによって変化する電圧に応じて移動する膜１５を概略的に示す。

距離ｄが減少すると、またはＤＣバイアス電圧＋Ｖ_ＤＣおよび／または信号電圧±Ｖ_ｉが（絶対値で）増大すると、膜１５と電極１１との間の短絡、および／または名目上約３×１０^６ボルト／メートルと予想される空気の絶縁破壊が生じる可能性が高くなる。本発明の特徴によると、膜１５のオーバードライブを防ぐために静電型スピーカの動作が制御され得る。

ここで、図２を参照すると、本発明の特徴に係る制御システム２０が示される。順方向経路において、Ｇ（ｓ）は、システム２１を含む制御回路の開ループゲインを表し、ｓは、Ａ（ｅ^ｉωｔ＋φ）の形式で交流電圧信号を表す複素変数であってよく、ここでＡは振幅を表し、ω＝２πｆは角周波数を表し、ｆは周波数をヘルツ単位で表し、φは位相シフトをラジアンで表す。フィードバック経路において、ブロック２２は、出力電圧信号Ｖ_ｏの変換関数Ｈ（ｓ）を表す。フィードバックブロック２２からのフィードバック経路出力は、信号２７を出力してよく、これは、出力信号Ｖ_ｏが設定値に近付くように、入力信号Ｖ_ｉから比較器２３によって減算され、コントローラブロック２１への入力であるエラー信号２５が生成され得る。システム２０の変換関数全体では、電圧出力Ｖ_ｏ割るコントローラ２１の電圧入力Ｖ_ｉは、式１によってモデル化され得る。
制御システム２０の安定性は、十分な大きさの絶対値を有し、および／またはゼロではない分母１＋Ｇ（ｓ）・Ｈ（ｓ）を条件とする。周知のように、外部ドライブを有する減衰調和振動子を含む共振システム２１において、発振器の応答は、共振周波数よりかなり下の駆動周波数に関して外部ドライブと同位相（すなわちφ≒０）であり、共振周波数において同相直交（すなわちφ≒π／２）であり、共振周波数よりかなり上の周波数に関して逆位相（すなわちφ≒π）である。共振および振動エネルギー源を含む制御システム２１において、安定性を維持するために、振動エネルギー源は、共振周波数を跨ぐことなく共振周波数より下または上で動作する。共振周波数がクロスオーバする場合、位相応答の不連続性を緩和するために、位相シフトフィルタが追加され得る。

ここで図３を参照すると、本発明の特徴に係る、図２のシステム２１の代替例であるコントローラ２１Ａが概略的に示される。コントローラ２１Ａは、第１の電極１１において高電圧音声入力＋Ｖ_ｉを受信し、第２の電極１１において、静電型音響デバイス１０による音への変換が意図されたオーディオ周波数で変化する反転高電圧音声入力－Ｖ_ｉを受信するように構成され得る静電型音響デバイス１０を含む。加えて、膜１５は、デバイス１０が不所望の周囲音波または雑音に対し静電容量型マイクロフォンとして挙動する際に機械的に応答してよい。

ここで、本発明の特徴を示す方法のフロー図６０である図６も参照される。入力音声信号が事前に決定された閾値未満である場合（決定ブロック６１）、膜１５の時間変化変位を検出し（ステップ６３）、周囲雑音による膜１５の変位を低減するために音響デバイス１０に制御信号２６をフィードバックする（ステップ６５）制御回路２０を有することが有利である。したがって、静電型音響デバイス１０がイヤフォンとして使用され、外耳道に密閉される場合、鼓膜の機械的変位は膜１５の機械的変位と結び付けられ、ユーザによって感知されるはずの周囲雑音を能動的にキャンセルする傾向にある。

周囲雑音に応答して、膜１５と電極１１との間の距離ｄが変化し、その結果、静電型音響デバイス１０の静電容量Ｃが変化する。周囲雑音によって変化する電流ｉ（ｔ）は、トランスインピーダンス増幅器３０を用いて感知され、
によって近似され得る。

あるいは、トランスインピーダンス増幅器の代わりに電荷増幅器３０を考えてもよく、これは、静電型音響デバイス１０の静電容量の変化に伴って変化する電荷Ｑ（ｔ）を感知するために電流ｉ（ｔ）を積分し、感知された電荷が出力電圧信号に変換される。

増幅器３０は、反転または非反転に構成されてよく、０．１～２メガヘルツのオーディオ周波数の帯域外を中心とする、好適には膜１５の共振から遠くにある、６００～９００ヘルツのバンドパス（－３ｄＢのカットオフ）を有してよい。増幅器３０の電圧出力は信号結合器または乗算器３２に加算されてよい。

続けて図３を参照すると、たとえば０．１～２メガヘルツの無線周波数におけるローカル発振器（ＬＯ）５１からのプローブ信号は、変圧器Ｔの一次巻線Ｐ間に結合され得る。オーディオ信号＋Ｖ_ｉおよび反転オーディオ信号－Ｖ_ｉは、それぞれ変圧器Ｔの直列接続二次巻線Ｓ１およびＳ２を通って電極１１に供給される。オーディオ信号±Ｖ_ｉは、高電圧信号であってよい。あるいはオーディオ信号±Ｖ_ｉは、約±２０Ｖまでの低電圧信号であってよく、デバイス１０に示すように直流高電圧が膜１５に印加される（図１）。プローブ信号は、膜１５および電極１１、基本的には可変コンデンサによって形成される電気回路の特徴的なリアクタンスによって決定された大きさを有する電流を生成する。無線周波数を用いる利点は、無線周波数は、知覚可能な機械的運動を生成しないが、オーディオ信号が存在する場合に生成される機械的運動に関連する静電容量の電気変化によって変調されるという点である。ローカル発振器（ＬＯ）５１からのプローブ信号は、信号結合器／乗算器３２において増幅器３０の電圧出力とも結合され得る。信号結合器／乗算器３２は、オーディオ周波数で変化する電圧出力信号Ｖ_ｏを復調および送信するローパスフィルタ３４に出力する。システム２１Ａは、同じ周波数における増幅器３０の測定信号出力で乗算されるローカル発振器５１を基準として用いるホモダイン検出回路である。この乗算のベースバンドまたはＤＣ成分は、非常に高い信号対雑音比で検出されるＬＯ５２周波数付近の狭帯域から変換された周波数である信号を含む。乗算器３２は、たとえばＡｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ社（米国マサチューセッツ州ノーウッド）製のアナログ回路ＡＤ８３５によって実装され得る。

ここで再び図２を参照すると、フィードバックブロック２２によって変換された電圧出力信号Ｖ_ｏが示される。電圧出力信号Ｖ_ｏに応答して、フィードバックブロック２２は、入力信号Ｖ_ｉから減算される比較器２３への信号２７を出力するように構成され得る。入力信号Ｖ_ｉが名目上ゼロである場合、信号２７は、エラー信号２５となるように追加される。あるいは、比較器２３ではなく、信号結合器２３が用いられてよく、フィードバックブロック２２は、電圧出力信号Ｖ_ｏをエラー信号２５となる信号２７に適切に変換、たとえば反転させる。

ノイズキャンセルは、フィードバック制御機構２３、２４に信号２７として入力され得る膜１５の位置の検出信号Ｖ_ｏに基づいてよい。第２の入力は、制御または設定値信号であり、これは、デバイス１０によって再生されるオーディオ信号ｖ_ｉであってよい。

システム２０は、たとえば検出回路２１Ａから出力される膜１５の位置に関するロックイン検出信号Ｖ_ｏを用いる静電型スピーカ１０の閉ループ動作を示してよい。

ここでも図２Ａを参照すると、従来技術に係る、比例、積分、導関数（ＰＩＤ）ブロック２４が示される。フィードバックループは、順方向経路Ｇ（ｓ）において比例、積分、導関数（ＰＩＤ）ブロック２４を含んでよく、ブロック２４は、エラー信号２５に対し、比例ゲイン、一次結合における微分および／または積分、ならびに制御信号２６を出力するための周波数フィルタリングを含んでよい。ヌルのオーディオ信号ｖ_ｉに関して、システム２０は、ノイズキャンセリング制御システムとして機能し得る。

フィードバック回路２０は、インイヤ型イヤフォンまたはオーバーイヤ型ヘッドセットとして用いる場合、音響デバイス１０の音響透過性を調整するために用いられ得る。音響透過性は、膜１５の外見上の剛性の基準であり、膜１５によって画定される境界を通る外部空間から耳内密閉体積への音響透過係数を制御する。音響透過性は、フィードバックが作動する効果的な周波数帯域幅において、ブロック２１Ａに示す可変ゲインおよびＰＩＤ２４におけるゲイン調整によって感知する静電フィードバック作動および位置感知を介して制御され得る。

ＰＩＤゲインを用いて、ＰＩＤ２４から出力される制御信号２６と入力オーディオ信号ｖ_ｉとの比を制御することにより、ＰＩＤ２４におけるオーディオ雑音除去および音響透過性（ＡＴ）を効果的な帯域幅に制御することができる。

ここで図３Ａを参照すると、本発明の特徴に係る、システム２１（図２）の代替例であるコントローラ２１Ｂが示される。コントローラ２１Ｂにおいて、オーディオ電圧Ｖ_ｉが膜１５に印加され得る。ローカル発振器５１と並列に接続された一次Ｐおよびオーディオ電圧Ｖ_ｉと膜１５との間に直列に接続された二次Ｓを有する変圧器Ｔを用いて、ローカル発振器５１からのプローブ信号もまた膜１５に誘起され得る。バイアス電圧ＶＤＣが電極１１に対称に印加され、－Ｖ_ＤＣ／２が第１の電極１１に、＋Ｖ_ＤＣ／２が第２の電極１１に印加される。電極１１にそれぞれ容量的に結合された入力を有する差動増幅器３１が用いられ得る。差動増幅器３１の電圧出力は、デバイス１０の静電容量によって変化する。ローカル発振器５１からのプローブ信号は、信号結合器／乗算器３２において差動増幅器３１の電圧出力とも結合され得る。信号結合器／乗算器３２は、オーディオ周波数で変化する電圧出力信号Ｖ_ｏを復調および送信するローパスフィルタ３４に出力する。差動増幅器３１は、Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社／Ｂｕｒｒ－Ｂｒｏｗｎ（登録商標）ＩＮＡ１０５を用いて実装され得る。本発明の特徴によると、高電圧オーディオ信号Ｖ_ｉが用いられる場合、２つではなく１つの高電圧入力増幅器が用いられるので、コントローラ２１Ｂは、コントローラ２１Ａよりも有利である。

ここで図４を参照すると、本発明の特徴に係る、代替的なコントローラ２１Ｃ（図２、システムブロック２１）が概略的に示される。コントローラ２１Ｃは、入力電圧信号±Ｖ_ｉ（絶対値）が事前に決定された閾値未満である場合、周囲雑音の最小化またはキャンセルのために用いられ得る。増幅器４０は、電荷増幅器またはトランスインピーダンス増幅器であってよい。増幅器４０は、回路２１Ａにおける増幅器３０として、反転または非反転であり、０．１～２メガヘルツの、好適には膜１５の共振から遠い、オーディオ周波数の帯域外を中心とする６００～９００ヘルツのバンドパス（－３ｄＢのカットオフ）を有するように構成され得る。増幅器４０の電圧出力は、信号結合器または乗算器４２への入力であってよく、位相ロックループ（ＰＬＬ）４９の成分であってよい。位相ロックループ４９は、増幅器４０から出力された測定信号と比較されるローカル発振器、すなわち電圧制御発振器（ＶＣＯ）４８を用いる。測定信号は、位相感知検出器／復調器、すなわちミクサ４２およびローパスフィルタ４４を用いて高い信号対雑音で検出可能なＶＣＯ４８の出力と比較して、位相／周波数の小さな変化を含む。信号結合器または乗算器４２への第２の入力は、電圧制御発振器（ＶＣＯ）４８の出力である。乗算器４２は、入力ＲＦ搬送波周波数に応答して直流電圧を出力する狭帯域ループフィルタ４７に出力してよい。電圧制御発振器（ＶＣＯ）４８は、ループフィルタ４７からの直流電圧入力に単調に応答する無線周波数を出力する。乗算器４２およびループフィルタ４７は、位相検出器として機能する。ＰＬＬ４９は、乗算器４２への入力が固定位相差を有する同一周波数である場合、安定的にロックするように構成される。電圧制御発振器（ＶＣＯ）４８から出力される搬送波周波数は、増幅器３６にフィードバックされ、増幅器３６は、容量結合または誘導結合４５によって静電型音響デバイス１０の入力に結合され、搬送波周波数に対応する静電型音響デバイス１０の入力にプローブ電圧信号を注入する。またＰＬＬ４９は、ローパスフィルタ４４にも出力し、ミクサ４２への２つの入力の相対的および一定の位相差に感応する電圧出力信号Ｖ_ｏを生成する。制御回路２１Ｃにおける電圧出力信号Ｖ_ｏは、その後、能動的な雑音最小化／キャンセルのためにエラー信号２５に変換（ブロック２２、図２）され得る。あるいは、システム２１Ｂでのように、図４に示すような検出は、膜１５に印加される単一のオーディオ電圧Ｖ_ｉで構成され、ローカル発振器５１からのプローブ信号は膜１５にも誘起され、バイアス電圧Ｖ_ＤＣは電極１１に対称に印加され、－Ｖ_ＤＣ／２が第１の電極１１に、＋Ｖ_ＤＣ／２が第２の電極１１に印加され、入力がそれぞれ電極１１に容量的に結合された差動増幅器が用いられてよい。ここで図５を参照すると、本発明の特徴に係る代替的なコントローラ回路２１Ｄ（図２、システムブロック２１）が概略的に示される。ローカル発振器（ＬＯ）５１は、増幅器５６への入力として、０．１～２メガヘルツ、たとえば１メガヘルツの周波数の正弦波を出力するように構成される。動作中、増幅器５６は、容量または誘導結合４５を介してデバイス１０の入力３８に、発振器ＬＯ５１から出力される入力周波数に対応する正弦波プローブ電圧を注入する。オーディオ入力電圧信号Ｖ_ｉが存在する場合、これは、たとえば１メガヘルツなど、搬送は無線周波数の付近で変調され得る。同様に、静電型音響デバイス１０において内部発生した周囲音による雑音信号は、ＬＯ５１の搬送波周波数を変調し得る。

増幅器５０は、電荷増幅器またはトランスインピーダンス増幅器であってよく、回路２１Ａにおける増幅器３０として、反転または非反転であり、０．１～２メガヘルツの、好適には膜１５の共振から遠い、オーディオ周波数の帯域外を中心とする６００～９００ヘルツのバンドパス（－３ｄＢのカットオフ）を有するように構成され得る。

増幅器５０の電圧出力は、整流器５３およびローパスフィルタ５４を含んでよく、能動的な雑音最小化／キャンセルのためにエラー信号２５に変換（ブロック２２、図２）され得る電圧Ｖ_ｏを出力する検出ブロック５２への入力であってよい。
放電およびオーバードライブに対する保護

コントローラ回路２０、２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、および２１Ｄは、電極１１と膜１５との間の意図せぬ空気の絶縁破壊や短絡から静電型音響デバイスを保護するための更なる有用性を有し得る。意図せぬ空気の絶縁破壊や短絡は、静電型音響デバイス１０が過度に駆動され、膜１５が電極１１の過度に近くに変位した場合に生じ得る。一般に、膜１５の変位は、バイアス電圧ＶＤＣ、入力電圧信号Ｖ_ｉの大きさおよび周波数、および静電型音響デバイス１０の物理的パラメータを含むいくつかの要因に依存し得る。電圧出力信号Ｖ_ｏまたはその特定の周波数成分が、事前に決定された周波数依存閾値を超える振幅を有する場合、コントローラ回路２０、２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、または２１Ｄ、特にフィードバック経路ブロック２２は、入力電圧信号ｖ_ｉを部分的にキャンセルし、静電型音響デバイス１０のオーバードライブまたは不可逆的な静電引力による膜の電極への機械的崩壊に対し保護するように構成され得る。

ここで図７を参照すると、膜１５および膜１５の付近に配置された電極１１を含む静電型音響デバイスの動作を制御するための本発明の特徴に係る方法のフロー図７０が示される。膜１５は、可変オーディオ信号電圧が電極１１に印加されると、電極１１から発出する可変電界に機械的に応答するように構成される。無線周波数で変化するプローブ信号が電極１１に注入される（ステップ７１）。電流または電荷信号を変調された電圧信号に変換することによって、電流または電荷信号が検出される（ステップ７３）。電流または電荷信号は、プローブ信号の無線周波数を変調するオーディオ周波数で変化するオーディオ信号を含む。変調された電圧信号は、オーディオ周波数で変化するオーディオ出力信号を生成するために復調される（ステップ７５）。オーディオ出力信号は、エラー信号を生成するために変換され（ステップ７７）、エラー信号に応答して、制御信号が音響デバイス１０に入力される（ステップ７９）。

本明細書で用いられる「ホモダイン」という用語は、信号を基準発振と結合することによって発振信号に変調される位相および／または周波数である信号の検出／復調の方法を指す。

本明細書で用いられる「位相感応検出器回路」という用語は、基本的に、乗算器（またはミクサ）と、同じ周波数の２つの交流入力信号の振幅の積およびそれらの間の位相の余弦に比例する直流出力信号を生成するループフィルタとを含む電子回路である。

本明細書で用いられる「トランスインピーダンス増幅器」という用語は、電流を電圧に変換する。トランスインピーダンス増幅器は、センサの電流出力を電圧信号出力に処理するために用いられ得る。

本明細書で用いられる「電荷増幅器」という用語は、一般に時間変化電流信号を積分することによって時間変化電荷を電圧出力に変換する。

「オーディオ」または「オーディオ周波数」という用語は、０～２０，０００ヘルツの周波数範囲内である、交流電流または電圧の、または磁界、電界、または電磁界や機械システムの発振率を指す。

本明細書で用いられる「オーディオ信号」、「オーディオ出力」、「オーディオ出力信号」という用語は、基本的にオーディオ周波数で変化する電気信号を指す。

「無線周波数」（ＲＦ）という用語は、毎秒約２万回（２０ｋＨｚ）～毎秒約３千億回（３００ＧＨｚ）の周波数範囲内である、交流電流または電圧の、または磁界、電界、または電磁界や機械システムの発振率である。

「変換」または「変換する」という用語は、位相シフト、反転、増幅、および／または減衰を指す。

本明細書で用いられる「エラー信号」という用語は、オーディオ周波数で変化する実際の出力信号と所望のオーディオ信号との差に比例する、または単調な大きさの電圧信号を指す。

「本明細書で用いられる「制御信号」という用語は、所望の電圧出力信号を維持するためにエラー信号に応答して音響デバイスに入力される信号を指す。

本明細書で用いられる「備える」という推移用語は、「含む」と同義であり、包括的または無制約であって、明記されていない追加の要素または方法ステップを排除するものではない。たとえば「ａ ｃｉｒｃｕｉｔ」または「ａｎ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ」のように本明細書で用いられる冠詞「ａ」、「ａｎ」は、「１または複数の回路」、「１または複数の電極」のように「１または複数の」という意味を有する。

説明される実施形態および従属クレームの任意選択的および好適な特徴や変更点は全て、本明細書で教示される本発明の全態様において使用可能である。また、従属クレームの個々の特徴、ならびに説明される実施形態の全ての任意選択的および好適な特徴や変更点は、互いに組み合わせ可能かつ入替え可能である。

本発明の選択された特徴が示され説明されたが、本発明は、説明された特徴に限定されないことを理解すべきである。

Claims (21)

1. 膜、および前記膜の付近に配置された電極を含む静電型音響デバイスの動作を制御するための方法であって、前記膜は、前記電極に可変オーディオ信号電圧が印加されるときに、前記電極から発出する可変電界に機械的に応答するように構成され、前記方法は、
   前記静電型音響デバイスの入力に、無線周波数で変化するプローブ信号を注入することと、
   電流または電荷信号を変調電圧信号に変換することによって前記電流または電荷信号を検出することであって、前記電流または電荷信号は、前記プローブ信号の無線周波数を変調するオーディオ周波数で変化するオーディオ信号を含むことと、
   前記変調電圧信号を復調し、オーディオ周波数で変化するオーディオ出力信号を生成することと、
   前記オーディオ出力信号を変換し、エラー信号を生成することと、
   前記エラー信号に応答して、前記静電型音響デバイスに制御信号を入力することであって、前記制御信号の位相および振幅は、周囲雑音に起因する前記膜の機械的応答を少なくとも部分的にキャンセルするように構成されることと、
   を備える、方法。
2. 前記オーディオ周波数で変化するオーディオ出力信号は、無線周波数における変調電圧信号のホモダイン検出によって得られる、請求項１に記載の方法。
3. 無線周波数における変調電圧信号および無線周波数におけるプローブ信号に応答する無線周波数搬送波信号を位相および周波数ロックすること
   を更に備える、請求項１に記載の方法。
4. 前記変調電圧信号の無線周波数搬送波と同期する同期信号を生成することと、
   前記同期信号に応答するプローブ信号を出力することと、
   を更に備える、請求項１に記載の方法。
5. 前記変調電圧信号を復調することは、ローパスフィルタを用いて行われる、請求項１に記載の方法。
6. 正弦波を無線周波数でローカルに生成することと、
   無線周波数でローカルに生成された正弦波に応答するプローブ信号を出力することと、
   を更に備える、請求項１に記載の方法。
7. 前記変調電圧信号を整流およびローパスフィルタリングによって復調し、それによって前記オーディオ出力信号を生成すること
   を更に備える、請求項６に記載の方法。
8. 前記制御信号は、前記膜の機械的運動に所望の音響出力を維持させるように構成される、請求項１に記載の方法。
9. 前記制御信号は、前記膜の機械的変位を制限するように構成される、請求項１に記載の方法。
10. 前記制御信号は、前記静電型音響デバイスの音響透過性を調整するように更に構成される、請求項１に記載の方法。
11. 膜、および前記膜の付近に配置された電極を含む静電型音響デバイスの動作を制御するための制御回路であって、前記膜は、前記電極に可変オーディオ信号電圧が印加されるときに、前記電極から発出する可変電界に機械的に応答するように構成され、前記制御回路は、
    前記静電型音響デバイスに、無線周波数で変化するプローブ信号を注入するように構成された発振器と、
    電流または電荷信号を検出するように構成された検出器であって、前記電流または電荷信号は、前記無線周波数を変調するオーディオ周波数で変化するオーディオ信号を含み、前記検出器は、前記電流または電荷信号を変調電圧信号に変換するように構成される、検出器と、
    前記変調電圧信号を復調し、オーディオ周波数で変化するオーディオ出力信号を生成するように構成された復調器と、
    前記オーディオ出力信号を変換し、エラー信号を生成するように構成された変換回路と、
    前記エラー信号に応答して、制御信号を前記静電型音響デバイスに入力するように構成されたコントローラであって、前記制御信号の位相および振幅は、周囲雑音に起因する前記膜の機械的応答を少なくとも部分的にキャンセルするように構成される、コントローラと、
    を備える、制御回路。
12. 前記オーディオ周波数で変化するオーディオ出力信号は、無線周波数における変調電圧信号のホモダイン検出によって得られる、請求項１１に記載の制御回路。
13. 無線周波数における変調電圧信号および無線周波数におけるプローブ信号に応答する無線周波数搬送波信号を位相および周波数ロックするように構成された位相ロックループ
    を更に備える、請求項１１に記載の制御回路。
14. 前記変調電圧信号の無線周波数搬送波と同期する同期信号を生成するように構成された電圧制御発振器
    を更に備える、請求項１１に記載の制御回路。
15. 前記同期信号に応答するプローブ信号を出力するように構成された増幅器
    を更に備える、請求項１４に記載の制御回路。
16. 前記変調電圧信号をフィルタおよび復調し、それによってオーディオ周波数で変化するオーディオ出力信号を生成するように構成されたローパスフィルタ
    を更に備える、請求項１１に記載の制御回路。
17. 前記制御回路は、
    正弦波を無線周波数で生成するように構成されたローカル発振器と、
    無線周波数における正弦波を入力し、前記正弦波に対応する周波数で前記プローブ信号を出力するように構成される増幅器と、
    を更に備える、請求項１１に記載の制御回路。
18. 前記復調器は、前記オーディオ出力信号を生成する整流器およびローパスフィルタを含む、請求項１７に記載の制御回路。
19. 前記制御信号は、前記膜の機械的運動に所望の音響出力を維持させるように構成される、請求項１１に記載の制御回路。
20. 前記制御信号は、前記膜の機械的変位を制限するように構成される、請求項１１に記載の制御回路。
21. 前記制御信号は、前記静電型音響デバイスの音響透過性を調整するように更に構成される、請求項１１に記載の制御回路。