CN111246336A - 耳机和电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种耳机和电子设备，所述耳机包括陀螺仪，通过所述陀螺仪感应骨传导振动，所述陀螺仪的正交误差信号用于反映所述骨传导振动，具体地，通过传动部件直接或间接作用于所述陀螺仪或包含所述陀螺仪的惯性测量单元，通过所述传动部件将所述骨传导振动传导至所述陀螺仪，使所述陀螺仪产生应变，引起所述陀螺仪的正交误差信号的变化，从而可灵敏地检测到所述骨传导振动。

Description

耳机和电子设备
技术领域
本发明涉及MEMS领域，尤其涉及一种耳机和电子设备。
背景技术
语音通信系统和语音识别系统通常使用声学麦克风感应用户讲话所产生的声波，达到获取用户语音的目的。随着互联网技术的成熟和大范围应用以及物联网产品的普及，对于语音处理的要求也随之越来越高。
在语音识别和语音通信过程中，用户周边或用户自身所引起的噪声，是语音处理中一直需要面对的一个重要问题。
在目前已知的一些耳机产品中，尤其是耳塞式耳机，通过感应佩戴者的骨传导振动，来判断佩戴者的使用状态，进而利用该信息改善语音处理的效果，如提供语音清晰度、降低语音识别的错误率等。
本领域技术人员也致力于针对骨传导振动的采集方式的探索以及采集信号的应用。
发明内容
鉴于上述目的，本发明提供一种耳机，其包括陀螺仪，通过所述陀螺仪感应骨传导振动，所述陀螺仪的正交误差信号用于反映所述骨传导振动。
进一步地，所述耳机包括传动部件，所述传动部件直接或间接作用于所述陀螺仪或包含所述陀螺仪的惯性测量单元，通过所述传动部件将所述骨传导振动传导至所述陀螺仪，使所述陀螺仪产生应变，从而引起所述陀螺仪的正交误差信号的变化。
进一步地，所述传动部件至少有一端固定于所述耳机的外壳，并且还至少有一端与所述陀螺仪或包含所述陀螺仪的惯性测量单元连接或抵靠或保持特定间距。
进一步地，所述传动部件为对称结构。
进一步地，所述传动部件包括第一传动组件和第二传动组件，所述第一传动组件和所述第二传动组件设置在所述陀螺仪的两侧；所述第一传动组件的一端固定于所述耳机的外壳，另一端与所述陀螺仪或包含所述陀螺仪的惯性测量单元连接或抵靠或保持特定间距；所述第二传动组件的一端固定于所述耳机的外壳，另一端与所述陀螺仪或包含所述陀螺仪的惯性测量单元连接或抵靠或保持特定间距。
进一步地，所述传动部件包括第一端部、第二端部和第三端部，所述第一端部和所述第二端部分别固定于所述耳机的外壳；所述第三端部与所述陀螺仪或包含所述陀螺仪的惯性测量单元连接或抵靠或保持特定间距。
进一步地，所述传动部件为刚性材料或者是适于将所述骨传导振动传导至所述陀螺仪或包含所述陀螺仪的惯性测量单元且能使所述陀螺仪发生应变的具有一定弹性的材料。
进一步地，所述陀螺仪或包含所述陀螺仪的惯性测量单元被固定于基板，所述传动部件直接作用于所述基板，从而通过所述基板间接作用于所述陀螺仪或包含所述陀螺仪的惯性测量单元。
进一步地，所述传动部件与所述耳机的外壳的连接位置限定了感应区，所述感应区设置于当所述耳机被佩戴时适于感应所述骨传导振动的位置。
本发明还提供了一种电子设备，其包括了上述的耳机。
进一步地，所述陀螺仪的正交误差信号被应用于用户界面手势检测、语音活动检测、语音识别、有源噪声控制、噪声抑制、语音清晰度增强。
本发明的耳机具有以下技术效果：
1、通过耳机内现有的感应元件，结合简单易于实施的机械结构，即可实现对骨传导振动的感应。
2、通过陀螺仪的正交误差信号在其产生应变时会发生较大变化的，提高了骨传导振动检测的灵敏度。
3、由于只在现有产品中添加了传动部件即实现了骨传导振动感应，相比于现有技术，在实现相同功能的前提下，减少了电子元器件的使用数量，使整体方案的实现成本大大降低，易于推广。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的内部结构示意图；
图2是图1仰视角下的内部结构示意图；
图3是现有陀螺仪的正交耦合示意图；
图4是本发明的一个实施例中陀螺仪的输出信号处理流程图；
图5是本发明的一个实施例中可选的传动条结构示意图；
图6是本发明的另一个实施例的内部结构示意图；
图7是图6仰视角下的内部结构示意图；
图8是本发明的另一个实施例的内部结构示意图；
图9是本发明的另一个实施例的内部结构示意图。
具体实施方式
在本发明的实施方式的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。附图为原理图或者概念图，各部分厚度与宽度之间的关系，以及各部分之间的比例关系等等，与其实际值并非完全一致。
图1和图2是本发明的一个实施例的结构示意图，其中耳机100包括外壳110、PCB板120、传动部件130和陀螺仪140。
PCB板120固定设置在外壳110内，陀螺仪140固定在PCB板120上。传动部件130包括传动条131和传动条132，传动条131和传动条132的材质和结构相同。
本实施例中，陀螺仪140设置在外壳110内靠近耳机100上部的位置，传动条131和传动条132对称地设置在陀螺仪140的两侧。传动条131的一端固定于外壳110的内侧，另一端与陀螺仪140相连接；传动条132的一端与传动条131对称地也固定于外壳110的内侧的另一边，另一端同样与陀螺仪140相连接。
在本实施例中，传动条131和传动条132与陀螺仪140通过焊接固定连接，同样地，也可以采用其它的固定连接方式，如粘合等，在此不做限制。
传动条131和传动条132与外壳110的连接限定了感应位置111和感应位置112，感应位置111和感应位置112要适于当耳机110被佩戴时，感应位置111和感应位置112位于佩戴者的耳道内并且与耳道壁接触，并且接触位置适于接收到佩戴者在说话时所产生的骨传导振动，具体来说是在佩戴者在说话时，随着头面部骨骼、软组织等活动所产生的振动，同样地，这些振动也会传导至耳道壁，即在耳道壁形成骨传导振动。感应位置111和感应位置112应被设置在适于感应到上述的骨传导振动的位置。
当佩戴者在说话时，耳道壁上的骨传导振动会作用于感应位置111和感应位置112，相当于在感应位置111和感应位置112上的受力状态随着振动而不断变化。感应位置111和感应位置112所感应到的骨传导振动，会分别通过传动条131和传动条132被传导至陀螺仪140，从而使陀螺仪140的受力状态也随着振动而不断变化。如陀螺仪140在受力情况下发生应变，应变的状态也会随着振动而不断变化。这种应变对于陀螺仪140来说，可以被其灵敏地检测到。
图3是电容式MEMS陀螺仪的正交耦合示意图，电容式MEMS陀螺仪是基于微机械加工的器件，其主要依靠科氏力来检测角速度信号，具有两个工作模态，即驱动模态和检测模态。在理想情况下，当陀螺仪的驱动端施加驱动模态本征频率电信号后，陀螺仪的质量块会在驱动轴(图3中为X轴)以本征频率做往复振动。当外界有Z轴向的角速度输入时，在科氏力的作用下，质量块会同时在检测轴(图3中为Y轴)振动，振动幅度和角速度的大小呈线性关系，通过检测质量块在检测轴的振动幅度就可以求得当前的角速度大小。
由于微机械加工的制造工艺缺陷可能会导致陀螺仪出现非理想型结构，实际工作时，驱动模态下质量块并不严格在驱动轴振动，实际的振动方向可能会与驱动轴有一个小的角度偏差，这个偏差会使得驱动轴的振动直接耦合到检测轴，使得陀螺仪即使在角速度输入为零的情况下也还是会有检测信号输出，这种现象被称之为正交误差。
陀螺仪的正交误差信号很容易受应力及形变的影响，但由于正交误差信号与检测信号有90°相位差，在解调的过程中可以使其不被解调出来，其变化不会影响陀螺正常输出结果。因此可以通过对正交误差信号的解调，反映出陀螺仪所受外力的影响，并可进行量化。
图4示出了本实施例的陀螺仪的输出信号处理流程图，其中由检测电容输出的信号经C/V转换后，分别解调出用于表征角速度的角速度检测信号，以及正交误差信号。
如前所述，正交误差是由微机械加工的制造工艺造成的非理想型结构所引起的，其由微机械结构本身所决定，在陀螺仪在正常状态时，无论是否有角速度输入，正交误差信号本身不会有所变化。
但当陀螺仪受到外力作用而引起应力及形变时，正交误差信号会随之产生较大变化。虽然上述的应力及形变会同时作用于陀螺仪的角速度检测信号和正交误差信号，但对于正交误差信号的影响会远大于角速度检测信号，在一个实际的实验中，对于不同结构设计的陀螺仪分别进行在应变状态下，正交误差信号变化与角速度检测信号变化的对比，发现正交误差信号变化大约是角速度检测信号变化的10～20倍，其中对于同一结构设计来说，正交误差信号变化与角速度检测信号变化的比值基本是比较固定。由此可见，正交误差信号对于外力作用，相比于角速度检测信号，会有更高的灵敏度，这样只要将外力作用控制在合适的范围内，就能实现将陀螺仪既用于检测外力作用，又不会影响其正常功能(角速度检测)。
于本实施例中，当佩戴者没有说话时，感应位置111和感应位置112上的受力状态是基本不发生变化的，从而此时陀螺仪140的正交误差信号基本没有变化，同样陀螺仪140的正交误差信号也不会受到有无角速度输入影响。而当佩戴者说话时，在耳道壁上形成骨传导振动，感应位置111和感应位置112感应到骨传导振动，并传动条131和传动条132被传导至陀螺仪140，陀螺仪140在骨传导振动的作用下其受力状态不断变化，因外力作用所造成的应变状态也在不断变化，当应变状态发生变化时会使陀螺仪140的正交误差信号也会随之产生相应的变化波动，如前所述，正交误差信号相对角速度检测信号，前者受应变的变化影响大约是后者的10～20倍，从而对于由骨传导振动所引起的陀螺仪140的应变可以被其正交误差信号非常灵敏地反映出来，而对于角速度检测信号的影响是易于控制在很小范围或者是可接受范围内的。
为了实现骨传导振动能够传导至陀螺仪140，传动条131和传动条132优选刚性材料，但也可以是适于将骨传导振动传导至陀螺仪140且能使陀螺仪140发生应变的具有一定弹性的材料。
基于陀螺仪140感应骨传导振动的原理，虽然本实施例中，将传动条131和传动条132作用于陀螺仪140的一端与陀螺仪140固定连接，但也可以采用不固定连接的方式，如将传动条131和传动条132作用于陀螺仪140的一端抵靠住陀螺仪140，同样也可以实现对于振动的传导。在一些实际的装配中，可能无法做到传动条131和传动条132完全贴合地抵靠在陀螺仪140上，即使有微小间隙，但如果仍然可以实现对于振动的传导(在传导振动过程中可以作用于或间歇地作用于陀螺仪140)，那么这样的间隙也是可以被接受的。
图5示出了一种可选的传动条结构，传动条133和传动条134与陀螺仪140的作用端设置为与陀螺仪140外形相配合的凹形结构，凹形结构无需与陀螺仪140固定连接，即可实现稳固的位置限定。
图6和图7是本发明的另一个实施例的结构示意图，其中耳机200包括外壳210、PCB板220、传动部件230和陀螺仪240，陀螺仪240中包含有陀螺仪。
PCB板220固定设置在外壳210内，陀螺仪240固定在PCB板220上。传动部件230包括传动条231和传动条232，传动条231和传动条232的材质和结构相同。
本实施例与图1中结构的不同在于，传动条231和传动条232对称地设置在PCB板220的两侧，并且如图6中的视角下，传动条231和传动条232的延伸线经过陀螺仪240。传动条231的一端固定于外壳210的内侧，另一端与PCB板220相连接；传动条232的一端与传动条231对称地也固定于外壳210的内侧的另一边，另一端同样与PCB板220相连接。传动条231和传动条232与PCB板220的连接包括但不限于，通过焊接、粘合等固定连接，或是在PCB板220、传动条231和传动条232上设置相配合凹槽，通过凹槽进行插接。当然也可以如前所述，传动条231和传动条232抵靠住PCB板220或是留有可接受的间隙，在此不做限定。
在本实施例中，传动条231和传动条232将骨传导振动传导至PCB板220，由PCB板220的应变带动陀螺仪240产生应变，从而通过陀螺仪240实现对于骨传导振动的感应，具体地是通过陀螺仪240的正交误差信号来反映出骨传导振动。
对于传动部件230与陀螺仪240的连接或配合(非固定连接)的方式、传动部件230的材料选择，以及传动部件230与外壳310连接位置及其限定的感应位置的选择均可如前述实施例所述进行选择和设置，在此不再赘述。
图8是本发明的另一个较佳实施例的结构示意图，其中耳机300包括外壳310、PCB板320、传动部件330和陀螺仪340。
PCB板320固定设置在外壳310内，陀螺仪340固定在PCB板320上。传动部件330包括传动条331和传动条332，传动条331和传动条332的材质和结构相同。
本实施例中，陀螺仪340设置在外壳310内位于耳机300中部的位置，传动条331和传动条332对称地设置在陀螺仪340的两侧。传动条331的一端固定于外壳310的内侧，另一端与陀螺仪340相连接；传动条332的一端与传动条331对称地也固定于外壳310的内侧的另一边，另一端同样与陀螺仪340相连接。
本实施例与图1中结构的不同在于，由于陀螺仪340的位置下移，传动条331和传动条332不在同一延伸方向上，两者随陀螺仪340的下移而形成一角度，其同样可以实现通过传动条331和传动条332将骨传导振动传导至陀螺仪340产生应变，从而通过陀螺仪340实现对于骨传导振动的感应，具体地是通过陀螺仪340的正交误差信号来反映出骨传导振动。
对于传动部件330与陀螺仪340的连接或配合(非固定连接)的方式、传动部件330的材料选择，以及传动部件330与外壳310连接位置及其限定的感应位置的选择均可如前述实施例所述进行选择和设置，在此不再赘述。
图9是本发明的另一个实施例的结构示意图，其中耳机400包括外壳410、PCB板420、传动部件430和陀螺仪440。
PCB板420固定设置在外壳410内，陀螺仪440固定在PCB板420上。传动部件430包括传动段431、传动段432和传动段433，传动段431、传动段432和传动段433一体成型。
本实施例中，陀螺仪440设置在外壳410内位于耳机400下部的位置，传动段431和传动段432对称设置，传动段433沿传动段431和传动段432的对称轴延伸，三段的一端连接于一处，形成Y型结构。传动段431的另一端固定于外壳410的内侧，传动段432的另一端与传动段431对称地也固定于外壳410的内侧的另一边，传动段433的另一端与陀螺仪440相连接。
对于传动段433与陀螺仪440的连接或配合(非固定连接)的方式、传动部件430的材料选择，以及传动部件430与外壳410连接位置及其限定的感应位置的选择均与前述实施例相同，在此不再赘述。
本实施例中，当佩戴者在说话时，耳道壁上的骨传导振动会作用于感应位置(本实施例的感应位置与图1中的感应位置111、112相同)，并且通过传动段431和传动段432将骨传导振动传导给传动段433，传动段433再将振动传导至陀螺仪440，从而通过陀螺仪440实现对于骨传导振动的感应，具体地是通过陀螺仪440的正交误差信号来反映出骨传导振动。
上述所有实施例均以将陀螺仪装置在耳机中为例，在另一些实施例中，耳机内装置有惯性测量单元(IMU)，陀螺仪包含于惯性测量单元中，相应地，将上述所有实施例中的陀螺仪替换为惯性测量单元也可以实现同样的技术效果。
上述所有实施例中的传动部件均为对称结构，这一方面是因为陀螺仪或惯性测量单元被设置在位于中轴线的位置上，另一方面对称结构的传动部件也利于其中各组件的制作(减少了组件制作的种类)。但无论陀螺仪或惯性测量单元是被设置在中轴线的位置还是被设置在偏离中轴线的位置，采用非对称结构的传动部件也不会影响陀螺仪感应骨传导振动的实现，只要传动部件能够起到传导振动的作用即可。
对于由陀螺仪的正交误差信号的处理及利用，可以通过电路方式实现或/和通过处理器实现，如耳机与音频播放装置、手机、AR及VR设备等电子设备相连接或作为电子设备的组成部分时，可以通过上述电子设备内的处理器来完成上述正交误差信号的处理及利用，对于具体采用何种方式，在此不做限制。
上述方案中陀螺仪可被用于感应外部作用力，如骨传导振动，并通过正交误差信号反映所收到的外部作用，基于此，上述方案中陀螺仪所提供的正交误差信号可被应用于诸多关于数据、音频方面的处理或者作为某些功能实现的必要手段，包括但不限于用户界面手势检测、语音活动检测、语音识别、有源噪声控制、噪声抑制、语音清晰度增强等等。
例如，当上述实施例的耳机检测到来自于佩戴者产生的骨传导振动后，可以判断耳机佩戴者正在说话，对于耳机佩戴者说话状态的确定有利于一些功能的改善。当耳机佩戴者使用语音唤醒手机，如“Hi，Siri”，此时陀螺仪感应到骨传导振动，其所产生的正交误差信号相应地会发生较大变化，这些信号被与耳机所相连接的手机接收，手机可以根据该信号判断耳机佩戴者正在说话，则可以认为唤醒手机的语音是耳机佩戴者发出的，如没有检测到骨传导振动，具体是正交误差信号基本没有发生变化或者变化较小，那么可以认为唤醒手机的语音不是耳机佩戴者发出的，从而无法唤醒手机。
又例如在接听电话时，当检测到来做这耳机佩戴者的骨传导振动，则判断耳机佩戴者在说话，此时将麦克风检测的音频信号传导至通话方；而在未检测到骨传导振动时，则判断耳机佩戴者未说话，此时麦克风检测的音频信号被认为是环境噪音，就不需要将麦克风信号传导至通话方，从而改善了语音识别和通话质量。
以上描述旨在于说明，上述方案中陀螺仪的正交误差信号可以被诸多功能所利用，从而加强现有功能的效果或产生新的功能，并非对于应用的范围的限定。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (11)

1.一种耳机，其特征在于，包括陀螺仪，通过所述陀螺仪感应骨传导振动，所述陀螺仪的正交误差信号用于反映所述骨传导振动。
2.如权利要求1所述的耳机，其特征在于，包括传动部件，所述传动部件直接或间接作用于所述陀螺仪或包含所述陀螺仪的惯性测量单元，通过所述传动部件将所述骨传导振动传导至所述陀螺仪，使所述陀螺仪产生应变，从而引起所述陀螺仪的正交误差信号的变化。
3.如权利要求2所述的耳机，其特征在于，所述传动部件至少有一端固定于所述耳机的外壳，并且还至少有一端与所述陀螺仪或包含所述陀螺仪的惯性测量单元连接或抵靠或保持特定间距。
4.如权利要求2所述的耳机，其特征在于，所述传动部件为对称结构。
5.如权利要求2所述的耳机，其特征在于，所述传动部件包括第一传动组件和第二传动组件，所述第一传动组件和所述第二传动组件设置在所述陀螺仪的两侧；所述第一传动组件的一端固定于所述耳机的外壳，另一端与所述陀螺仪或包含所述陀螺仪的惯性测量单元连接或抵靠或保持特定间距；所述第二传动组件的一端固定于所述耳机的外壳，另一端与所述陀螺仪或包含所述陀螺仪的惯性测量单元连接或抵靠或保持特定间距。
6.如权利要求2所述的耳机，其特征在于，所述传动部件包括第一端部、第二端部和第三端部，所述第一端部和所述第二端部分别固定于所述耳机的外壳；所述第三端部与所述陀螺仪或包含所述陀螺仪的惯性测量单元连接或抵靠或保持特定间距。
7.如权利要求2所述的耳机，其特征在于，所述传动部件为刚性材料或者是适于将所述骨传导振动传导至所述陀螺仪或包含所述陀螺仪的惯性测量单元且能使所述陀螺仪发生应变的具有一定弹性的材料。
8.如权利要求2所述的耳机，其特征在于，所述陀螺仪或包含所述陀螺仪的惯性测量单元被固定于基板，所述传动部件直接作用于所述基板，从而通过所述基板间接作用于所述陀螺仪或包含所述陀螺仪的惯性测量单元。
9.如权利要求3所述的耳机，其特征在于，所述传动部件与所述耳机的外壳的连接位置限定了感应区，所述感应区设置于当所述耳机被佩戴时适于感应所述骨传导振动的位置。
10.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任一所述的耳机。
11.如权利要求10所述的电子设备，其特征在于，所述陀螺仪的正交误差信号被应用于用户界面手势检测、语音活动检测、语音识别、有源噪声控制、噪声抑制、语音清晰度增强。
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