オールシリコンMEMSスピーカー：オーディオ技術に革命をもたらすモノリシック設計

従来のエレクトレットコンデンサマイクロホンが長らく最も使用されるマイクロホンでしたが、マイクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS）マイクロホンが徐々にそれらを置き換えつつあります。ボイスコイルスピーカーが長らく最も使用されるスピーカーでしたが、MEMSスピーカーがそれらを置き換えることはあるのでしょうか。サンタクララ拠点のスタートアップxMEMS, Inc.は、MEMSスピーカー全体（アクチュエータとメンブレン）をシリコンで実装することで、ボイスコイルとハイブリッドMEMSスピーカーを凌駕し、ゲームチェンジを目指しています。

試されてきた真実？

2017年10月設立のxMEMSは、ステルスモードから脱し、世界初のモノリシック真正MEMSスピーカーと主張する製品を発表しました。高忠実度、フルバンド幅サウンド、低調波歪みを実現し、完全ワイヤレスステレオ（TWS）イヤホン、インイヤーモニター、ヘッドホンなどのスマートパーソナルオーディオデバイス向けです。Montaraと名付けられたこのMEMSスピーカーは、4月から選定顧客へサンプル出荷中。エンジニアリングサンプルがより多くのOEMとメーカーにリリースされ、リスクオーダーは本年末から開始予定、量産は2021年4月を計画しています。

xMEMSのMike Housholder氏

Montaraが初の「真正」MEMSスピーカーなら、「偽」MEMSスピーカーが存在するのでしょうか？答えはノーですが、xMEMSは言葉の選択にこだわります。スピーカーの1コンポーネントのみをMEMSで置き換えただけでは、MEMSスピーカーとは呼べません。Montaraは「最初のモノリシック、シングルダイ、オールシリコンスピーカーであり、ファブから完全に機能するスピーカーとして出てきます」とxMEMSのVPマーケティング兼ビジネス開発、Mike Housholder氏はEE Timesに語っています。「従来の半導体パッケージング以外に追加のプロセスと組み立て工程はありません。」

Montaraはセルベースアーキテクチャを持ち、各正方形が個別のスピーカーです。「圧電MEMSアクチュエータがあり、その上にシリコンからエッチングされたスピーカーメンブレンがあります。」シリコンメンブレンは圧電MEMSアクチュエータによって上下に押され、気圧を生成し、メンブレンを動かして音を生み出します。「基本的にMontaraのこの最初の実装では6セルのアレイを作成し、それら6セルが協調して動くことで音信号を生成しています。」

なぜMEMSなのか？

ボイスコイル技術は1世紀存在し、うまく機能しているように見えます」とHousholder氏。しかし、マルチコンポーネントボイスコイルスピーカーは、労働集約的で高変動な工場組み立てラインを必要とします。ボイスコイルスピーカーは半自動化のため、「どのスピーカー工場でも、数百〜数千人の作業員が手作業でボイスコイルを磁石に巻き、プラスチックや紙のメンブレンを取り付けています。人間が関わるたびに変動が生じます。」イヤホン製造では、「作業員が左右のスピーカーの音が大体同じになるよう校正とマッチングプロセスを経る必要があります。」この校正ステップは必然的に時間とコストを要します。

xMEMSが提供するのは、「完全な半導体プロセスのメリット：均一性、再現性、一貫性」を備えたフルバンド幅スピーカーだとHousholder氏。「非常にタイトなガードバンドがあり、すべてのスピーカーが他と非常に似た性能を発揮するため、イヤホン組み立てラインでの校正とテストステップを排除できます。」

さらに、圧電材料は防塵・防水性を備えるため、「特別なコーティングや防水メッシュなしで、防水・防塵スピーカーを非常に容易に作れます。」基本的に、ファブから出てきたチップそのものがIP-57です。

xMEMSのMontaraスピーカー

現在、市場のすべてのスピーカーは可聴周波数範囲内に共振周波数を持ちますが、その共振が不自然なサウンドプロファイルを生み、スピーカーとイヤホンの製造と設計で対処する必要があります。ボイスコイルスピーカーでは、「共振を抑制するか、何らかのフィルタリングを設計する必要があります。」Montaraの共振周波数は「可聴周波数範囲の北側（20 kHz以上）にあるため、当社スピーカーには特別な減衰、フィルタリング、対応が不要です。」

また、ほとんどのスピーカーがイヤホンハウジングに接着されるかサブアセンブリに載せられるのに対し、Housholder氏によればMontaraは接着、サブアセンブリ取り付け、またはプリント基板への半田付けが可能で、他の半導体コンポーネントと同様に扱えます。

音質最優先

メディア消費がいつでもどこでものルーチンとなり、消費者はますます音質向上を求めています。市場調査会社Canalysによれば、世界スマートデバイス出荷は2023年に30億台を超え、スマートパーソナルオーディオカテゴリが最速で成長。2020年は前年比32.1%増の4.9億台が予想されます。

xMEMSは急成長するニアフィールドオーディオスピーカー市場に参入し、最初の2製品セグメントをTWSとインイヤーモニターに設定。「ボイスコイルと同等かそれ以上の音を出さなければ、新設計への採用は検討されません」とHousholder氏。「圧電MEMSスピーカーのユニークな点は、従来のボイスコイルスピーカーが高周波でディップして落ち込むところです。」圧電MEMSでは「より多くのSPLを獲得できます。」また、OEMがサウンドプロファイルを形成可能にし、「フィルタリングしてブライトな音やウォームな音に形成しても、音にアーティファクトを導入しません。」

カリフォルニアのスタートアップは、2〜4基のバランスドアーマチュアを単一Montaraで置き換え可能なことも示唆。「モノリシックでオールシリコンのため、高速な機械的応答時間を持ちます。これが最大の配当をもたらすのはアクティブノイズキャンセレーションです。」

価格は未公表ですが、Housholder氏によればオフザシェルフのハイエンドソリューションでベンチマーク済み。「今日のバランスドアーマチュアスピーカーと競争力のある価格で、同等価格で新たなメリットを提供すると感じています。」

ロードマップ上

Montaraの異なる構成でより低価格帯に対応可能だとHousholder氏。「2x2セル構成の4スピーカーセルで低価格化とミッドレンジ市場への参入を狙っています。」ヘッドホンは耳を覆う大きなカップを持つため、セル数を増やしてより大きな音を生成することも検討中です。

スタートアップのロードマップはヒアラブルを超え、「ニアフィールドオーディオ以外の、オープンスペース、フリースペースオーディオラウドスピーカーの大きな市場がある」とHousholder氏。ラウドスピーカーはスマートフォン、スマートスピーカー、ホームエンターテイメントサウンドバー、TV、自動車に関わり、そこでラウドスピーカーから大幅な軽量化を図る機会を見ています。「ラウドスピーカー市場の多様性に対応するため、異なるアーキテクチャを検討しています。」

7月にxMEMSは1,100万ドル強を調達。台湾・竹北に支社を持ち、26名を雇用しています。

>> この記事は姉妹サイトEE Timesで最初に公開されました。