ノルウェー科学技術 大学
聴力低下は回復不可能であり、世界中で最も一般的な労働関連の傷害です。この問題に対処するには、予防するしかありません。しかし、フォーム製の耳栓でロックコンサートの音がこもって低音が強く聞こえることにイライラしたことがない人はいませんか。また、騒がしい職場でかさばる耳栓を着けていると、同僚の声が聞き取りにくくなるという経験はありませんか。
音楽の体験を良くするためであれ、同僚の会話を聞くためであれ、こうした状況では聴覚保護具を持ち上げたり、完全に外したりする誘惑に負けてしまうのは簡単です。これにより私たちは危険なレベルの騒音にさらされ、永久的な聴覚障害が世界的な公衆衛生問題となっています。
これを防ぐのに役立つ技術を開発することが、SINTEF と Minuendo の共同プロジェクト「Picovatt」の原動力でした。その結果、 SINTEF MiNaLab (NorFab インフラストラクチャの一部) で開発された、音量調節機能があり音の歪みのない圧電マイクロエレクトロメカニカル システム (piezoMEMS) が誕生し、音の歪みのない音量調節が可能になりました。さらに、このチップはマイクとスピーカーの両方として機能します。
パッシブおよびアクティブ聴覚保護
現在、パッシブ型とアクティブ型の聴覚保護具が存在します。前述のフォーム製の耳栓やイヤーマフはパッシブ型で、統合された電子機器や高度な機能を備えていません。アクティブ型の聴覚保護具は、内蔵のマイク、信号プロセッサ、スピーカーを使用して、環境に応じて音量を調整および制御します。
しかし、こうしたヘッドフォンはかさばり、不快で、不自然な音を出すことがあります。能動的な聴覚保護具が利用可能であるにもかかわらず、市場は依然として受動的な選択肢が主流です。
当社のハイブリッド耳栓は、両方の長所を兼ね備えています。小型で、音を歪ませることなく音量を調整でき、従来のアクティブ耳栓に比べて消費電力がはるかに少なくなっています。
音量調節機能付きロックコンサート
2018 年に SINTEF からスピンオフした Minuendo は、世界中で高く評価されている聴覚保護具を販売しています。図 1 の左側に示されている現在のバージョンの耳栓では、小さな手動レバーを使用して小さなスリットを開閉することで音量を調整します。手動で 9 ～ 25 dB の減衰を調整しながら、音は自然に通過します。
Picovatt プロジェクトで開発された新しい piezoMEMS チップは、各スリットの上部にある小さな「ビーム構造」または小さな「蓋」を曲げることで、複数のスリットを電子的に開閉します。
これにより、ほぼ 0 dB (開) から 40 dB (閉) までの範囲で音量を制御できます。アクティブ部分であるアクチュエータは、チタン酸ジルコン酸鉛 (PZT) のミクロン単位の薄い圧電層でコーティングされた薄いシリコンで構成されています。PZT は、電圧が印加されると平面内で収縮し、表面を「引っ張り」、ビームを上方に曲げます。
30ボルトでは、ビームの先端が約100マイクロメートル持ち上がり、音が減衰せずに通過できるようになります。電圧が下がると、スリットが閉じます。
電圧を変えることで、ロック コンサートの最前列に立っていても、音質を変えずに安全で快適なレベルに音量を調整できる耳栓が手に入ります。こもった、低音が重く、歪んだ音はもうありません。完璧な安全な音量で純粋でクリアなロックンロールを聴くことができます。
減衰器、スピーカー、マイク
ハイブリッド耳栓は、音量調節だけでなく、音やその他のオーディオ信号を再生したり、マイクとして機能したりすることもできます。多くの場合、システムが状況に応じて減衰を調整できるように、外部の騒音レベルを監視することが望ましいです。したがって、圧電材料が双方向に機能するのは非常に便利です。音波からの小さな機械的振動が、簡単に拾える電気信号を生成します。
したがって、同じチップがスピーカーとマイクの両方として機能します。これは Picovatt プロジェクトでも実証されています。実際、スピーカーとして驚くほどうまく機能し、非常に便利なマイク特性を備えています。このように、同じコンポーネントが「3 in 1」ソリューションとして機能します。
ピエゾMEMSと音響フィルタリングに関する事実:
- センサーは物理的な入力を電気信号に変換します。アクチュエータは電気信号を機械的な動きに変換します。どちらもマイクロプロセッサが周囲と対話することを可能にします。
- 圧電材料は電気を運動に変換し、またその逆も行います。このプロセスは電気機械変換として知られています。
- 薄い圧電層は、1 マイクロワット未満の電力で、耳栓のマイクロビームなどの小さな構造を曲げることができます。
- 圧電マイクロエレクトロメカニカルシステム (piezoMEMS) は、センサーやアクチュエータとして使用されるミクロンサイズの圧電構造です。
- ハイブリッド耳栓は、フィルターを形成する膜、チューブ、またはスリットで構成された音響「回路」を piezoMEMS がどのように小型化し、強化できるかを示す例です。
- PiezoMEMS は大型シリコン ウェーハに統合できるため、コスト効率の高い大量生産が可能になります。
より小さく、より安く、より良く
今日のほとんどのテクノロジーと同様に、聴覚保護具やヘッドフォンも、より小型で、より機能的で、より安価になり、バッテリー寿命が長くなることが望まれています。薄膜ピエゾMEMS はこれを可能にします。
図 1 の右側に示すように、プロトタイプはコインの約 9 分の 1 の大きさです。耳栓としてはすでに十分に機能しますが、将来のモデルでは 10 分の 1 にまで小型化される可能性があります。わずか数百ナノワットのエネルギー消費はさらに少なくなるため、バッテリーの小型化と耳栓の寿命の延長が可能になります。同時に、各シリコン ウェハに搭載できるチップの数が増えるため、価格がさらに下がります。全体として、チップはより小型で、より安価で、より優れたものになります。
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リンク先はTech Xploreというサイトの記事になります。（原文：英語）