高度なMEMSマイクロフォンが補聴器の感度と信頼性を飛躍的に向上

世界的な高齢化と環境騒音の増大の時代において、聴覚健康の保護はこれまで以上に重要になっています。現代のユーザーは、より小型で消費電力が少なく、クリアな音質を提供する補聴器を求めています。これはMEMSマイクロフォン技術に最適なフィットです。

世界保健機関（WHO）によると、世界人口の5%以上にあたる4億6,600万人が障害を伴う難聴に苦しみ、2050年までには推定9億人（10人に1人）が影響を受けると予測されています。障害を伴う難聴は、成人で40dB、子供で30dBを超える聴力閾値（良い方の耳で）と定義されます。

ResearchAndMarkets.comは、世界の補聴器市場が2023年に76.2億ドルに達し、2019-2023年の複合年間成長率6.4%で成長すると予測。市場には補聴デバイス、人工内耳、骨伝導システム、診断機器が含まれます。

補聴器の核心機能である環境音の収集と増幅は、マイクロフォンに依存しています。エレクトレットコンデンサーマイクロフォンが長年この分野を支配してきましたが、MEMS（マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム）マイクロフォンが急速に優先選択肢になりつつあります。

「MEMSマイクロフォンは、補聴器アプリケーションに必要な信頼性、小型化、電気音響性能を提供します」と、IHS MarkitのMEMS・センサー担当プリンシパルアナリスト、Manuel Tagliavini氏はElectronic Productsに語っています。

Knowles Corp.のコミュニケーション&投資家担当VP、Michael Knapp氏はメリットを強調：粒子侵入が最小限の堅牢設計、業界トップクラスの感度対サイズ比、多用途で調整可能な性能を提供するプログラマブル集積回路。

Knapp氏によると、補聴器向けMEMSマイクロフォン第1世代が市場投入されてから5年で、2020年までに補聴器用マイクロフォンの半数以上をMEMSが占めると予測されています。

補聴器向けMEMSマイクロフォン市場は、携帯電話やイヤホン向けに比べまだ小規模ですが、急速に拡大中。IHS Markitは、2017年の800万ドルから2022年に4,800万ドルへ、CAGR 42%で成長すると推定。

Tagliavini氏は、MEMS技術が医療グレードの信頼性を達成したと指摘。「コンシューマーエレクトロニクスで数十億個出荷された実績により、MEMSマイクロフォンは医療用に必要な耐久性を獲得した」と述べています。

スマートフォンとイヤホンの需要によって促進されたサイズ、消費電力、コストの進歩が、直接的に補聴器メリットに直結しています。

MEMSマイクロフォンの最近の進歩はハードウェアにとどまりません。センサーアレイによるビームフォーミングと遠方感知、高度なアルゴリズムによる音声分類（人の声、背景雑音など）と選択的増幅/減衰。これらの機能は元々コンシューマーエレクトロニクス向けに開発されたものですが、今や補聴器技術に不可欠となっています。

1990年代後半からMEMSマイクロフォンのパイオニアであるKnowlesは、第3世代と第4世代の補聴器向けプラットフォームを提供し、超小型パッケージで感度とノイズ性能の限界を押し広げています。

MM20プラットフォームは、70.5dBの信号対雑音比（SNR）と121dBの音圧レベル（SPL）を実現し、市場で最低ノイズ、最高SNR対サイズ比を達成。音響センサー、低ノイズ入力バッファ、出力アンプを統合し、ワイドバンドオーディオとRF耐性アプリケーションに最適。

MM25プラットフォームはこの基盤上に、高い汎用性と超低消費電力動作（18µA〜31µA）を提供するプログラマブルASICを搭載。高度なビームフォーミングとマイクロフォンペアリングをサポートし、設計者が特定の補聴器アーキテクチャに性能を調整可能。

Knowlesは、継続的なMEMSイノベーションにより電圧と電流範囲が拡大し、新たなアプリケーションが開かれ、補聴器メーカー向けの電気音響性能がさらに向上すると予想しています。

Knowlesの最新世代補聴器向けMEMSマイクロフォンはサイズをさらに縮小し続けています（画像提供：Knowles Corp.）

大西洋の向こう側では、Sonion a/sが補聴器とヒアラブル向けの微小音響・微小機械技術を専門としています。Sonionのキーコアウントマネージャー、Erik Dashorst氏は、MEMSマイクロフォンがエレクトレットマイクロフォンに比べ、湿度や温度などの環境条件に対してはるかに感受性が低く、PCBにリフロー実装できるため、ワイヤとハンダ付けが不要になると説明。

TDK-InvenSenseと共同開発されたSonionのOシリーズMEMSマイクロフォンは、8mm³と11mm³の2つのコンパクトなボリュームで提供。主な仕様：平均電流31µA、感度-37dB〜-38dB 1V/Pa、ノイズレベル26dB〜28.5dB。

新しいPシリーズは、改善されたSNR、より高い感度、非常に低い消費電力を提供。感度-35.5dB〜-38dB 1V/Pa、ノイズ24.5dB〜25dB、電池消費31µA〜32µA。

Dashorst氏は、Pシリーズが外部光源に対して非感受性になるよう設計されていることを強調。これは半導体デバイスの一般的な問題だが、特定のドーピング戦略で軽減可能。また、更なる小型化はノイズを増加させ、実用性を損なうと指摘。

Sonionの次期Qシリーズは、フラットな応答曲線と最小歪み（相互変調歪み10%未満）を実現。Pシリーズと異なり、約10Hz付近の望ましくない増幅を引き起こす低周波ピークを、フィルター誘導ノイズを追加せずに排除。

QシリーズはP/Oシリーズと同程度の寸法（3.35×2.50mm）を維持しながら、感度-35.5dB〜-37.0dB 1V/Paを提供。

ラボでの進歩

市販の補聴器の多くは外部マイクロフォンを採用しており、不快感、身体活動の制約、社会的スティグマの原因となっています。最小侵襲でありながら高感度なインプラント型ソリューションへの緊急のニーズがあります。

昨年、チューリッヒ大学とコクレアテクノロジーセンターベルギーが、完全埋め込み型人工内耳（TICI）向けのMEMSコンデンサーマイクロフォンベース音響レシーバーの研究を発表。鼓室内音響レシーバー（ICAR）は、外耳と中耳の連鎖によって誘発される蝸牛内の圧力変動を捉え、耳の自然な増幅と指向性手がかりを活用します。

ams AGは環境騒音を利用した新しい難聴治療療法を開発中（画像提供：ams AG）

オーストリア企業のams AGは、環境騒音を活用した難聴治療を先導。アクティブノイズキャンセリングハードウェアを用いて、環境音をパーソナライズされた難聴トレーニング信号に変換。amsのR&D担当シニアVP、Verena Vescoli氏によると、頻繁な使用で特に難聴の重症度を大幅に軽減し、持続的な効果をもたらすと報告されています。

MEMSマイクロフォンは、信頼性、堅牢な構造、最小限の粒子侵入、コンパクトなサイズ、優れた性能により、補聴器での従来型エレクトレットマイクロフォンを着実に置き換えつつあります。継続的な研究が包絡線を押し広げ、補聴器業界にさらなる高感度、低ノイズ、拡張されたアプリケーションを約束しています。