JP2009130619A - マイクロフォンシステム、音声入力装置及びこれらの製造方法 - Google Patents

マイクロフォンシステム、音声入力装置及びこれらの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 目的の音声を高感度で集音し、目的の音声以外の音を除去する機能を有するマイクロフォンシステム、音声入力装置及びこれらの製造方法を提供する。
【解決手段】 第1及び第2のマイクロフォン(10、20)は、マイクロフォンシステムが予定している音源位置に基づいて前記マイクロフォンシステムに対して相対的に設定した基準位置(100)から第1及び第2のマイクロフォンの位置を通る直線(110)に下ろした垂線(120)と、第1及び第2のマイクロフォン(10、20)の設置位置と基準位置(100)を結ぶ直線とのなす角(θ)が、基準位置(100)からの音に対する感度が指向特性の最大値に対して所定割合以上になるように設定した所定角度になるように配置する。
【選択図】 図4

Description

本発明は、マイクロフォンシステム、音声入力装置及びこれらの製造方法に関する。
電話などによる通話や、音声認識、音声録音などに際しては、目的の音声(ユーザの音声)のみを集音することが好ましい。しかし、音声入力装置の使用環境では、背景雑音など目的の音声以外の音が存在することがある。そのため、雑音を除去する機能を有する音声入力装置の開発が進んでいる。
雑音が存在する使用環境で雑音を除去する技術として、マイクロフォンに鋭い指向性を持たせることにより雑音を除去する方法が知られている。
また、近年では、電子機器の小型化が進んでおり、音声入力装置を小型化する技術が重要になっている。
特開平7−322388号公報
指向性を持ったマイクロフォンとして、2つのマイクロフォンからの電圧信号の差を示す差分信号を生成して利用する差動マイクが知られている。図13(A)、図13(B)は、通常の単体マイクと差動マイクの指向特性を示す領域を模式的に示した図である。音源の方向に対する音圧レベル(マイクロフォンの感度)を、中心から領域900、領域910−1及び領域910−2の外縁までの距離で示している。
図13(A)は、中央に無指向性の単体マイクを配置した場合の指向特性を示す図である。無指向性マイクの場合には指向性はなく、各方向で音圧レベル(マイクロフォンの感度)は一定である。
図13(B)は、2つのマイクロフォンからなる差動マイクの指向特性を示す図である。2つのマイクロフォンの位置と角度との関係は図14に示すように、2つのマイクロフォンを結ぶ直線に対する垂線方向を0度としている。差動マイクの指向特性は、90度方向と270度方向では音圧レベル(マイクロフォンの感度)が最大値となり、0度方向と180度方向では音圧レベル(マイクロフォンの感度)が0となる両指向性となる。
したがって、差動マイクを用いて目的の音声のみを集音するためには、音源に対する差動マイクの配置が重要となる。
本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、目的の音声を高感度で集音し、目的の音声以外の音を除去する機能を有するマイクロフォンシステム、音声入力装置及びこれらの製造方法を提供することを目的とする。
(1)本発明に係るマイクロフォンシステムは、
第1のマイクロフォンと、
第2のマイクロフォンと、
前記第1のマイクロフォンで取得された第1の電圧信号と、前記第2のマイクロフォンで取得された第2の電圧信号とを受け付けて、前記第1及び第2の電圧信号の差を示す差分信号を生成する差分信号生成部と、を含むマイクロフォンシステムであって、
前記第1及び第2のマイクロフォンは、前記マイクロフォンシステムが予定している音源位置に基づいて前記マイクロフォンシステムに対して相対的に設定した基準位置から前記第1及び第2のマイクロフォンの位置を通る直線に下ろした垂線と、前記第1及び第2のマイクロフォンの設置位置と前記基準位置を結ぶ直線とのなす角が、前記基準位置からの音に対する感度が指向特性の最大値に対して所定割合以上になるように設定した所定角度になるように配置されることを特徴とする。
マイクロフォンの位置は、マイクロフォンが採音口を有する場合には採音口の位置としてもよく、マイクロフォンが採音口を有していない場合には振動膜の位置としてもよい。
第1及び第2のマイクロフォンの設置位置とは、例えば第1のマイクロフォンの位置、第2のマイクロフォンの位置、第1及び第2のマイクロフォンの位置の中点、その他第1及び第2のマイクロフォンの近傍から選択した代表点であってもよい。
所定割合は、人間の聴覚特性を考慮して、例えば感度の最大値から約−6dB以内(−6dB以上0dB以下の範囲)、より好ましくは感度の最大値から約−3dB以内(−3dB以上0dB以下の範囲)としてもよい。
このマイクロフォンシステムによると、2つのマイクロフォンを基準位置からの音に対する感度が指向特性の最大値に対して所定割合以上になるように設定した所定角度になるように配置することにより、目的の音声は高感度で集音することができ、目的の音声以外の音は差動マイクの指向性及び距離による減衰特性により除去することができる。
(2)このマイクロフォンシステムであって、
前記所定角度が30度以上150度以下又は210度以上330度以下の範囲のいずれかの値になるように配置されてもよい。
このマイクロフォンシステムによると、基準位置からの音に対する感度が、感度の最大値から約−6dB以内とすることができる。
(3)このマイクロフォンシステムであって、
前記第1及び第2のマイクロフォンは、半導体装置として構成されてもよい。
例えば、第1及び第2のマイクロフォンは、シリコンマイク(Siマイク)であってもよい。そして、第1及び第2のマイクロフォンは、1つの半導体基板として構成されてもよい。このとき、第1及び第2のマイクロフォンと、差分信号生成部とが、1つの半導体基板として構成されてもよい。また、第1及び第2のマイクロフォンと、差分信号生成部とは、いわゆるメムス(MEMS:Micro Electro Mechanical Systems)として構成されてもよい。また、振動膜については無機圧電薄膜、あるいは有機圧電薄膜を使用して、圧電効果により音響−電気変換するようなものであっても構わない。
このマイクロフォンシステムによると、マイクロフォンを半導体装置として構成することにより、マイクロフォンシステム全体として小型化が可能になる。
(4)このマイクロフォンシステムと、
スピーカと、を含む音声入力装置であって、
前記基準位置は、前記スピーカの位置に基づいて設定されてもよい。
この音声入力装置によると、話者の声は高感度で集音することができ、話者の声以外の音は差動マイクの指向性及び距離による減衰特性により除去することができる。
(5)この音声入力装置であって、
前記基準位置が設定される基準位置範囲は、前記スピーカに最も近い第1の基準位置から前記スピーカに最も遠い第2の基準位置までの範囲をもつものであり、
前記第1の基準位置から前記第1及び第2のマイクロフォンの位置を通る直線に下ろした第1の垂線の足を第1の境界位置、前記第2の基準位置から前記第1及び第2のマイクロフォンの位置を通る直線に下ろした第2の垂線の足を第2の境界位置とし、
前記第1の垂線と、前記第1及び第2のマイクロフォンの設置位置と前記音源を結ぶ直線とのなす角が前記所定角度を満たさない範囲を第1の禁止範囲とし、
前記第2の垂線と、前記第1及び第2のマイクロフォンの設置位置と前記音源を結ぶ直線とのなす角が前記所定角度を満たさない範囲を第2の禁止範囲とし、
前記第1の境界位置から前記第2の境界位置までの範囲を第3の禁止範囲とし、
前記第1及び第2のマイクロフォンは、前記第1乃至第3の禁止範囲以外に配置されてもよい。
標準的な人間の顔の大きさを考慮すると、例えばスピーカから第1の境界位置までは100mm程度、スピーカから第2の境界位置までは150mm程度とすることができる。また、音声入力装置の通常の使用形態を考慮すると、例えば基準位置から第1及び第2のマイクロフォンの中点までの長さは、50mm程度とすることができる。
この音声入力装置によると、基準位置が一定の範囲を持って設定される場合にも、話者の声は高感度で集音することができ、話者の声以外の音は差動マイクの指向性及び距離による減衰特性により除去することができる。
(6)この音声入力装置であって、
前記所定角度が30度以上150度以下又は210度以上330度以下の範囲のいずれかの値になるように配置されてもよい。
この音声入力装置によると、話者の声に対する感度が、感度の最大値から約−6dB以内とする音声入力装置を提供することができる。
(7)この音声入力装置であって、
前記第1及び第2のマイクロフォンは、前記スピーカと前記第1及び第2のマイクロフォンの設置位置との距離が0mm以上75mm以下又は175mm以上になる位置に配置してもよい。
この音声入力装置によると、話者の声に対する感度が、感度の最大値から約−6dB以内とする音声入力装置を提供することができる。
(8)本発明に係るマイクロフォンシステムの製造方法は、
第1のマイクロフォンと、
第2のマイクロフォンと、
前記第1のマイクロフォンで取得された第1の電圧信号と、前記第2のマイクロフォンで取得された第2の電圧信号とを受け付けて、前記第1及び第2の電圧信号の差を示す差分信号を生成する差分信号生成部と、を含むマイクロフォンシステムの製造方法であって、
前記第1及び第2のマイクロフォンは、前記マイクロフォンシステムが予定している音源位置に基づいて前記マイクロフォンシステムに対して相対的に設定した基準位置から前記第1及び第2のマイクロフォンの位置を通る直線に下ろした垂線と、前記第1及び第2のマイクロフォンの設置位置と前記基準位置を結ぶ直線とのなす角が、前記基準位置からの音に対する感度が指向特性の最大値に対して所定割合以上になるように設定した所定角度になるように配置することを特徴とする。
本発明によると、2つのマイクロフォンを基準位置からの音に対する感度が指向特性の最大値に対して所定割合以上になるように設定した所定角度になるように配置することにより、目的の音声は高感度で集音することができ、目的の音声以外の音は差動マイクの指向性及び距離による減衰特性により除去することができるマイクロフォンシステムを製造する方法を提供することができる。
(9)このマイクロフォンシステムの製造方法であって、
前記所定角度が30度以上150度以下又は210度以上330度以下の範囲のいずれかの値になるように配置してもよい。
このマイクロフォンシステムの製造方法によると、基準位置からの音に対する感度が、感度の最大値から約−6dB以内とすることができるマイクロフォンシステムを製造する方法を提供することができる。
(10)本発明に係る音声入力装置の製造方法は、
第1のマイクロフォンと、
第2のマイクロフォンと、
前記第1のマイクロフォンで取得された第1の電圧信号と、前記第2のマイクロフォンで取得された第2の電圧信号とを受け付けて、前記第1及び第2の電圧信号の差を示す差分信号を生成する差分信号生成部と、を含むマイクロフォンシステムと、
スピーカと、を含む音声入力装置の製造方法であって、
前記第1及び第2のマイクロフォンは、前記マイクロフォンシステムが予定している音源位置に基づいて前記マイクロフォンシステムに対して相対的に設定した基準位置から前記第1及び第2のマイクロフォンの位置を通る直線に下ろした垂線と、前記第1及び第2のマイクロフォンの設置位置と前記基準位置を結ぶ直線とのなす角が、前記基準位置からの音に対する感度が最大値に対して所定割合以上になるように設定した所定角度になるように配置し、
前記基準位置は、前記スピーカの位置に基づいて設定することを特徴とする。
この音声入力装置の製造方法によると、話者の声は高感度で集音することができ、話者の声以外の音は差動マイクの指向性及び距離による減衰特性により除去することができる音声入力装置を製造する方法を提供することができる。
(11)この音声入力装置の製造方法であって、
前記基準位置が設定される基準位置範囲は、前記スピーカに最も近い第1の基準位置から前記スピーカに最も遠い第2の基準位置までの範囲をもつものであり、
前記第1の基準位置から前記第1及び第2のマイクロフォンの位置を通る直線に下ろした第1の垂線の足を第1の境界位置、前記第2の基準位置から前記第1及び第2のマイクロフォンの位置を通る直線に下ろした第2の垂線の足を第2の境界位置とし、
前記第1の垂線と、前記第1及び第2のマイクロフォンの設置位置と前記音源を結ぶ直線とのなす角が前記所定角度を満たさない範囲を第1の禁止範囲とし、
前記第2の垂線と、前記第1及び第2のマイクロフォンの設置位置と前記音源を結ぶ直線とのなす角が前記所定角度を満たさない範囲を第2の禁止範囲とし、
前記第1の境界位置から前記第2の境界位置までの範囲を第3の禁止範囲とし、
前記第1及び第2のマイクロフォンは、前記第1乃至第3の禁止範囲以外に配置してもよい。
この音声入力装置の製造方法によると、基準位置が一定の範囲を持って設定される場合にも、話者の声は高感度で集音することができ、話者の声以外の音は差動マイクの指向性及び距離による減衰特性により除去することができる音声入力装置を製造する方法を提供することができる。
(12)この音声入力装置の製造方法であって、
前記第1及び第2のマイクロフォンは、前記スピーカと前記第1及び第2のマイクロフォンの設置位置との距離が0mm以上75mm以下又は175mm以上になる位置に配置してもよい。
この音声入力装置の製造方法によると、話者の声に対する感度が、感度の最大値から約−6dB以内とすることができる音声入力装置を製造する方法を提供することができる。
以下、本発明を適用した実施の形態について図面を参照して説明する。ただし、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。また、本発明は、以下の内容を自由に組み合わせたものを含むものとする。
1.マイクロフォンシステム及びその製造方法
はじめに、図1乃至図6を参照して、本発明を適用した実施の形態に係るマイクロフォンシステム1の構成について説明する。なお、以下に説明するマイクロフォンシステム1は、例えば、携帯電話や公衆電話、トランシーバー、ヘッドセット等の音声通信機器や、あるいは、録音機器やアンプシステム(拡声器)、マイクシステムなどに適用することができる。
図1は、本発明を適用した実施の形態に係るマイクロフォンシステムの構成の一例を示す図である。本実施の形態に係るマイクロフォンシステムは、第1の振動膜12を有する第1のマイクロフォン10と、第2の振動膜22を有する第2のマイクロフォン20とを含む。ここで、マイクロフォンとは、音響信号を電気信号へ変換する電気音響変換器である。第1及び第2のマイクロフォン10及び20は、それぞれ、第1及び第2の振動膜12及び22(振動膜)の振動を、電圧信号として出力する変換器であってもよい。
本実施の形態に係るマイクロフォンシステム1では、第1のマイクロフォン10は第1の電圧信号を生成する。また、第2のマイクロフォン20は第2の電圧信号を生成する。すなわち、第1及び第2のマイクロフォン10及び20で生成された電圧信号を、それぞれ、第1及び第2の電圧信号と呼んでもよい。
第1及び第2のマイクロフォン10及び20の機構については特に限定されるものではない。図2には、第1及び第2のマイクロフォン10及び20に適用可能なマイクロフォンの一例として、コンデンサ型マイクロフォン50の構造を示す。コンデンサ型マイクロフォン50は、振動膜52を有する。振動膜52は、音波を受けて振動する膜(薄膜)で、導電性を有し、電極の一端を形成している。コンデンサ型マイクロフォン50は、また、電極54を有する。電極54は、振動膜52と対向して配置されている。これにより、振動膜52と電極54とは容量を形成する。コンデンサ型マイクロフォン50に音波が入射すると、振動膜52が振動して、振動膜52と電極54との間隔が変化し、振動膜52と電極54との間の静電容量が変化する。この静電容量の変化を、例えば電圧の変化として出力することによって、コンデンサ型マイクロフォン50に入射する音波を、電気信号に変換することができる。なお、コンデンサ型マイクロフォン50では、電極54は、音波の影響を受けない構造をなしていてもよい。例えば、電極54はメッシュ構造をなしていてもよい。
ただし、本発明に適用可能なマイクロフォンは、コンデンサ型マイクロフォンに限られるものではなく、既に公知となっているいずれかのマイクロフォンを適用することができる。例えば、第1及び第2のマイクロフォン10及び20として、動電型(ダイナミック型)、電磁型(マグネティック型)、圧電型(クリスタル型)等のマイクロフォンを適用してもよい。
第1及び第2のマイクロフォン10及び20は、第1及び第2の振動膜12及び22がシリコンによって構成されたシリコンマイク(Siマイク)であってもよい。シリコンマイクを利用することで、第1及び第2のマイクロフォン10及び20の小型化、及び、高性能化を実現することができる。このとき、第1及び第2のマイクロフォン10及び20は、1つの集積回路装置として構成されていてもよい。すなわち、第1及び第2のマイクロフォン10及び20は、1つの半導体基板に構成されていてもよい。このとき、後述する差分信号生成部30も、同一の半導体基板に形成されていてもよい。すなわち、第1及び第2のマイクロフォン10及び20は、いわゆるメムス(MEMS:Micro Electro Mechanical Systems)として構成されていてもよい。ただし、第1のマイクロフォン10と第2のマイクロフォン20とは、別々のシリコンマイクとして構成されていてもよい。また、振動膜については無機圧電薄膜、あるいは有機圧電薄膜を使用して、圧電効果により音響−電気変換するようなものであっても構わない。
なお、本実施の形態に係るマイクロフォンシステム1では、第1及び第2の振動膜12及び22の向きは、特に限定されるものではない。第1及び第2の振動膜12及び22は、法線が平行になるように配置されていてもよい。このとき、第1及び第2の振動膜12及び22は、法線が同一直線にならないように配置されていてもよい。例えば、第1及び第2の振動膜12及び22は、図示しない基部(例えば回路基板)の表面に、間隔をあけて配置されていてもよい。あるいは、第1及び第2の振動膜12及び22は、法線方向にずれて配置されていてもよい。ただし、第1及び第2の振動膜12及び22は、法線が平行にならないように配置されていてもよい。第1及び第2の振動膜12及び22は、法線が直交するように配置されていてもよい。
本実施の形態に係るマイクロフォンシステム1は、差分信号生成部30を有する。差分信号生成部30は、第1のマイクロフォン10で取得された第1の電圧信号と、第2のマイクロフォン20で取得された第2の電圧信号との差(電圧差)を示す差分信号を生成する。差分信号生成部30の機能は、専用のハードウェア回路(差分信号生成回路)によって実現してもよく、CPUなどによる信号処理によって実現してもよい。
本実施の形態に係るマイクロフォンシステムは、差分信号を増幅する信号増幅部をさらに含んでいてもよい。差分信号生成部30と信号増幅部とは、1つの制御回路によって実現してもよい。ただし、本実施の形態に係るマイクロフォンシステム1は、信号増幅部を内部に持たない構成をなしていてもよい。
図3には、差分信号生成部30と信号増幅部とを実現可能な回路の一例を示す。図3に示す回路によれば、第1及び第2の電圧信号を受け付けて、その差を示す差分信号を10倍に増幅した信号を出力することになる。ただし、差分信号生成部30及び信号増幅部を実現するための回路構成は、これに限られるものではない。
本実施の形態に係るマイクロフォンシステム1は、筐体40を含んでいてもよい。このとき、マイクロフォンシステムの外形は、筐体40によって構成されていてもよい。筐体40には基本姿勢が設定されていてもよく、これにより、入力音声の進行径路を規制することができる。第1及び第2の振動膜12及び22は、筐体40の表面に形成されていてもよい。あるいは、第1及び第2の振動膜12及び22は、筐体40に形成された開口(採音口)と対向するように、筐体40内部に配置されていてもよい。
図4は、本実施の形態に係るマイクロフォンシステム1の配置手法について説明する図である。
基準位置100は、マイクロフォンシステム1が予定している音源位置に基づいてマイクロフォンシステムに対して相対的に設定した位置である。すなわち、本実施の形態においては基準位置100に音源があるものと考えてよい。
直線110は、第1のマイクロフォン10及び第2のマイクロフォン20の位置を通る直線である。マイクロフォンの位置は、マイクロフォンが採音口を有する場合には採音口の位置としてもよく、マイクロフォンが採音口を有していない場合には振動膜の位置としてもよい。
垂線120は、基準位置100から直線110に下ろした垂線である。
直線130は、第1及び第2のマイクロフォン10及び20の設置位置と基準位置100を結ぶ直線である。第1及び第2のマイクロフォン10及び20の設置位置は、例えば第1のマイクロフォン10の位置、第2のマイクロフォン20の位置、第1及び第2のマイクロフォン10及び20の位置の中点、その他第1及び第2のマイクロフォン10及び20の近傍から選択した代表点であってもよい。本実施の形態においては、第1及び第2のマイクロフォン10及び20の設置位置を第1及び第2のマイクロフォン10及び20の位置の中点としている。
θは、垂線120と直線130のなす角である。θの値は直線110に対する第1及び第2のマイクロフォン10及び20の設置位置を通る垂線135と、直線130とのなす角θ’と同じ値である。
図5は、本実施の形態のマイクロフォンシステムを構成する、第1及び第2のマイクロフォン10及び20を有する差動マイクの指向特性の一例(実測値)を示すグラフである。図5のグラフは、音源から差動マイクまでの距離を一定とし、θの値を変化させたときに、差動マイクが検知する音圧レベルを相対値で示したものである。横軸はθの値、縦軸は音圧レベルである。本測定では、音圧レベルは差動マイクの感度と比例するものと考えてよい。θの値は0度から180度まで、入力する音声の周波数は、人間の可聴帯域を考慮して、0.3kHz、0.5kHz、1kHz、3kHz、5kHz、7kHzの6種類で測定している。図13(B)に示す模式図と同様に、音圧レベルはθの値が90度で最大値になり、0度及び180度に近づくほど小さくなっている。したがって、差動マイクを用いて目的の音声のみを集音するためには、音源に対する差動マイクの配置が重要となる。
そこで、マイクロフォンシステム1において、基準位置100からの音に対する感度が指向特性の最大値に対して所定割合以上になるようにθの値を設定することにより、目的の音声を高感度で集音することができる。
例えば、基準位置100からの音に対する感度を、感度の最大値から約−6dB以内とするには、θの値を30度以上150度以下に設定すればよい。また、例えば、基準位置100からの音に対する感度を、感度の最大値から約−3dB以内とするには、θの値を45度以上135度以下に設定すればよい。
なお、図5のグラフでは、θの値は0度から180度までであったが、図13(B)の指向特性図に示すように、180度から360度までの指向特性も0度から180度と同様である。したがって、例えば、基準位置100からの音に対する感度を、感度の最大値から約−6dB以内とするには、θの値を210度以上330度以下に設定してもよい。また、例えば、基準位置100からの音に対する感度を、感度の最大値から約−3dB以内とするには、θの値を225度以上315度以下に設定してもよい。
次に、目的の音声以外の音(雑音)を除去する原理について説明する。雑音の除去には差動マイクの指向性及び距離による減衰特性を利用する。
図5のグラフを用いて説明したとおり、差動マイクの感度はθの値が90度で最大値になり、0度及び180度に近づくほど小さくなる。すなわち、θの値が0度付近及び180度付近となるような位置からの雑音に対しては感度が小さくなる。したがって、θの値が0度付近及び180度付近となるような位置からの雑音は、差動マイクの指向特性により除去できる。
また、音波は、媒質中を進行するにつれ減衰し、音圧(音波の強度・振幅)が低下する。音圧は、音源からの距離に反比例するため、音圧Pは、音源からの距離Rとの関係において、
Figure 2009130619
と表すことができる。なお、式(1)中、Kは比例定数である。図6には、式(1)を表すグラフを示すが、本図からもわかるように、音圧(音波の強度・振幅)は、音源に近い位置(グラフの左側)では急激に減衰し、音源から離れるほどなだらかに減衰する。本実施の形態に係るマイクロフォンシステム1では、この距離による減衰特性を利用して雑音成分を除去する。
すなわち、特に接話型のマイクロフォンシステムでは、ユーザは、雑音の音源よりも、第1及び第2のマイクロフォン10及び20(第1及び第2の振動膜12及び22)に近い位置から音声を発する。そのため、第1及び第2の振動膜12及び22の間で、ユーザの音声は大きく減衰し、第1及び第2の電圧信号に含まれるユーザ音声の強度には差が現れる。これに対して、雑音成分は、ユーザの音声に比べて音源が遠いため、第1及び第2の振動膜12及び22の間でほとんど減衰しない。そのため、第1及び第2の電圧信号に含まれる雑音の強度には、差が現れないとみなすことができる。このことから、第1及び第2の電圧信号の差を検出すれば雑音が消去されるため、雑音成分が含まれない、ユーザの音声成分のみを示す電圧信号(差分信号)を取得することができる。すなわち、差分信号を、雑音成分が除去されたユーザの音声を示す信号であるとみなすことができる。
このように、本実施の形態のマイクロフォンシステムによれば、目的の音声は高感度で集音することができ、目的の音声以外の音は差動マイクの指向性及び距離による減衰特性により除去することができる。
また、第1及び第2のマイクロフォン10及び20を基準位置100からの音に対する感度が指向特性の最大値に対して所定割合以上になるように設定した所定角度になるように配置することにより、目的の音声は高感度で集音することができ、目的の音声以外の音は差動マイクの指向性及び距離による減衰特性により除去することができるマイクロフォンシステムを製造することができる。
2.音声入力装置及びその製造方法
はじめに、図7乃至図12を参照して、本発明を適用した実施の形態に係る音声入力装置2の構成について説明する。なお、以下に説明する音声入力装置2は、例えば、携帯電話や公衆電話、トランシーバー、ヘッドセット等の音声通信機器などに適用することができる。
図7は、本発明を適用した実施の形態に係る音声入力装置の構成の一例を示す図である。本実施の形態に係る音声入力装置2は、マイクロフォンシステム1を含む。マイクロフォンシステム1は、例えば図1に示すように、第1のマイクロフォン10、第2のマイクロフォン12及び差分信号生成部30を含む構成である。マイクロフォンシステム1の詳細な実施の形態は、図1乃至図6を参照して既に説明したとおりであるので、再度の説明は省略する。
本実施の形態に係る音声入力装置2は、スピーカ150を含む。スピーカ150は公知・周知のスピーカで構成され、例えば、携帯電話や公衆電話、トランシーバー、ヘッドセット等の音声通信機器などに使用されるスピーカでもよい。
本実施の形態に係る音声入力装置2は、筐体3を含んでいてもよい。このとき、音声入力装置2の外形は、筐体3によって構成されてもよい。第1のマイクロフォン10及び第2のマイクロフォン12は、筐体3の表面に形成されていてもよい。あるいは、第1のマイクロフォン10及び第2のマイクロフォン12は、筐体3の表面に形成された開口(採音口)と対向するように、筐体3の内部に配置されていてもよい。同様に、スピーカ150は、筐体3の表面に形成されていてもよく、筐体3の表面に形成された開口と対向するように、筐体3の内部に配置されていてもよい。
筐体3は、マイクロフォンシステム1とスピーカ150を含む任意の形態である。携帯電話を例に図8乃至図10を用いて説明する。筐体3は、図8に示すように一体として可動部を有さない形態でもよい。また、筐体3は、図9に示すように折り畳み部300を含み、筐体全体の外形が変化する形態であってもよい。さらに、筐体3は、図10に示すようにフリッパ部400を含み、筐体の一部の外形が変化する形態であってもよい。
図11は、スピーカ150と話者の頭部200位置関係を説明する図である。なお、図4及び図7と共通する部分には同一の符号を付す。
マイクロフォンシステム1、スピーカ150、筐体3については、図7を用いて既に説明したとおりであるので、再度の説明は省略する。
音声入力装置2と、耳210と口220を含む話者の頭部200の配置は、音声入力装置2の使用形態により、スピーカ150との関係で相対的に決定される。例えば、音声入力装置2が携帯電話の場合、通話時にはスピーカ150と耳210とは近接した配置になることが想定される。また、耳210と口220の配置は、標準的な人間の顔の大きさを考慮して推定できる。例えば、起立時において耳210と口220の高さの差hは100mm乃至150mm程度である。
したがって、音声入力装置2が予定している音源位置、すなわち口220の位置は、スピーカ150の位置に基づいて音声入力装置2に対して相対的に設定することができる。本実施の形態においては、スピーカ150の位置に基づいて音声入力装置2に対して相対的に設定した位置を基準位置100としている。
直線110は、第1のマイクロフォン10及び第2のマイクロフォン20の位置を通る直線である。マイクロフォンの位置は、マイクロフォンが採音口を有する場合には採音口の位置としてもよく、マイクロフォンが採音口を有していない場合には振動膜の位置としてもよい。
垂線120は、基準位置100から直線110に下ろした垂線である。
直線130は、第1及び第2のマイクロフォン10及び20の設置位置と基準位置100を結ぶ直線である。第1及び第2のマイクロフォン10及び20の設置位置は、例えば第1のマイクロフォン10の位置、第2のマイクロフォン20の位置、第1及び第2のマイクロフォン10及び20の位置の中点、その他第1及び第2のマイクロフォン10及び20の近傍から選択した代表点であってもよい。本実施の形態においては、第1及び第2のマイクロフォン10及び20の設置位置を第1及び第2のマイクロフォン10及び20の位置の中点としている。
θは、垂線120と直線130のなす角である。
本実施の形態のマイクロフォンシステムを構成する、第1及び第2のマイクロフォン10及び20を有する差動マイクの指向特性の一例(実測値)は図5のグラフに示したとおりであり、差動マイクを用いて目的の音声のみを集音するためには、音源に対する差動マイクの配置が重要となる。
そこで、音声入力装置2において、基準位置100からの音に対する感度が指向特性の最大値に対して所定割合以上になるようにθの値を設定することにより、目的の音声を高感度で集音することができる。
例えば、基準位置100からの音に対する感度を、感度の最大値から約−6dB以内とするには、θの値を30度以上150度以下に設定すればよい。また、例えば、基準位置100からの音に対する感度を、感度の最大値から約−3dB以内とするには、θの値を45度以上135度以下に設定すればよい。
なお、図5のグラフでは、θの値は0度から180度までであったが、図13(B)の指向特性図に示すように、180度から360度までの指向特性も0度から180度と同様である。したがって、例えば、基準位置100からの音に対する感度を、感度の最大値から約−6dB以内とするには、θの値を210度以上330度以下に設定してもよい。また、例えば、基準位置100からの音に対する感度を、感度の最大値から約−3dB以内とするには、θの値を225度以上315度以下に設定してもよい。
図12は、マイクロフォンシステム1が予定している音源位置、すなわち基準位置が一定の範囲を持っている場合における本実施の形態に係る音声入力装置2の配置を説明するための図である。前述したように、例えば、音声入力装置2が携帯電話の場合、通話時にはスピーカ150と耳210とは近接した配置になることが想定される。また、耳210と口220の配置は、標準的な人間の顔の大きさを考慮して推定できる。例えば、起立時において耳210と口220の高さの差hは100mm乃至150mm程度である。したがって、マイクロフォンシステム1が予定している音源位置、すなわち基準位置に一定の範囲(上述の例の場合には50mm程度)を持たせる意義も存在する。
なお、図11に示した話者の頭部200、耳210、口220との位置関係は、図11及び図12で共通するので、図12では記載を省略した。また、説明図面を簡潔にするために、図12では筐体3についても記載を省略した。
図12を用いて、基準位置が、スピーカ150に最も近い第1の基準位置101からスピーカ150に最も遠い第2の基準位置102までの基準位置範囲103を持っている場合について説明する。
直線110は、第1のマイクロフォン10及び第2のマイクロフォン20の位置を通る直線である。マイクロフォンの位置は、マイクロフォンが採音口を有する場合には採音口の位置としてもよく、マイクロフォンが採音口を有していない場合には振動膜の位置としてもよい。
垂線121は、第1の基準位置101から直線110に下ろした第1の垂線であり、垂線121の足を第1の境界位置161としている。
垂線122は、第2の基準位置102から直線110に下ろした第2の垂線であり、垂線122の足を第2の境界位置162としている。
直線131は、マイクロフォンシステムが1−1の位置に配置された場合の、第1及び第2のマイクロフォン10及び20の設置位置191と第1の基準位置101を結ぶ直線である。直線132は、マイクロフォンシステムが1−2の位置に配置された場合の、第1及び第2のマイクロフォン10及び20の設置位置192と第1の基準位置101を結ぶ直線である。直線133は、マイクロフォンシステムが1−3の位置に配置された場合の、第1及び第2のマイクロフォン10及び20の設置位置193と第2の基準位置102を結ぶ直線である。直線134は、マイクロフォンシステムが1−4の位置に配置された場合の、第1及び第2のマイクロフォン10及び20の設置位置194と第2の基準位置102を結ぶ直線である。第1及び第2のマイクロフォン10及び20の設置位置は、例えば第1のマイクロフォン10の位置、第2のマイクロフォン20の位置、第1及び第2のマイクロフォン10及び20の位置の中点、その他第1及び第2のマイクロフォン10及び20の近傍から選択した代表点であってもよい。本実施の形態においては、第1及び第2のマイクロフォン10及び20の設置位置を第1及び第2のマイクロフォン10及び20の位置の中点としている。
θ1−1は、第1の垂線121と直線131のなす角である。θ1−2は、第1の垂線121と直線132のなす角である。θ2−1は、第2の垂線122と直線133のなす角である。θ2−2は、第2の垂線122と直線134のなす角である。
本実施の形態のマイクロフォンシステムを構成する、第1及び第2のマイクロフォン10及び20を有する差動マイクの指向特性の一例(実測値)は、図5に示したとおりであり、差動マイクを用いて目的の音声のみを集音するためには、音源に対する差動マイクの配置が重要となる。
そこでまず、音声入力装置2において、第1の基準位置101からの音に対する感度が指向特性の最大値に対して所定割合未満になるようにθ1−1の値を設定した場合の第1及び第2のマイクロフォン10及び20の配置位置を、配置位置191の位置とする。また、音声入力装置2において、第1の基準位置101からの音に対する感度が指向特性の最大値に対して所定割合未満になるようにθ1−2の値を設定した場合の第1及び第2のマイクロフォン10及び20の配置位置を、配置位置192の位置とする。さらに、音声入力装置2において、第2の基準位置102からの音に対する感度が指向特性の最大値に対して所定割合未満になるようにθ2−1の値を設定した場合の第1及び第2のマイクロフォン10及び20の配置位置を、配置位置193の位置とする。そして、音声入力装置2において、第2の基準位置102からの音に対する感度が指向特性の最大値に対して所定割合未満になるようにθ2−2の値を設定した場合の第1及び第2のマイクロフォン10及び20の配置位置を、配置位置194の位置とする。
このときまず、配置位置191から配置位置192の範囲は、第1及び第2のマイクロフォン10及び20を配置した場合に第1の基準位置101からの音に対する感度が指向特性の最大値に対して所定割合未満となる位置範囲である。この範囲を第1の禁止範囲171とする。
また、配置位置193から配置位置194の範囲は、第1及び第2のマイクロフォン10及び20を配置した場合に第2の基準位置102からの音に対する感度が指向特性の最大値に対して所定割合未満となる位置範囲である。この範囲を第2の禁止範囲172とする。
さらに、第1の境界位置161から第2の境界位置162の範囲は、基準位置すなわち音源の位置が、基準位置範囲103の範囲に存在するとき、第1及び第2のマイクロフォン10及び20を配置した場合に、基準位置から第1及び第2のマイクロフォンの位置を通る直線に下ろした垂線と、第1及び第2のマイクロフォンの設置位置と基準位置を結ぶ直線とのなす角が0度になり得る範囲である。この範囲を第3の禁止範囲173とする。
したがって、第1乃至第3の禁止範囲171乃至173以外に配置することにより、基準位置範囲103の範囲に存在する基準位置からの音に対する感度が指向特性の最大値に対して所定割合以上とすることができる。すなわち、目的の音声を高感度で集音することができる。
例えば、基準位置からの音に対する感度を、感度の最大値から約−6dB以内とするには、θ1−1乃至θ2−2の値を30度以上150度以下に設定すればよい。また、例えば、基準位置からの音に対する感度を、感度の最大値から約−3dB以内とするには、θ1−1乃至θ2−2の値を45度以上135度以下に設定すればよい。
なお、図13(B)の指向特性図に示すように、180度から360度までの指向特性も0度から180度と同様である。したがって、例えば、基準位置からの音に対する感度を、感度の最大値から約−6dB以内とするには、θ1−1乃至θ2−2の値を210度以上330度以下に設定してもよい。また、例えば、基準位置からの音に対する感度を、感度の最大値から約−3dB以内とするには、θ1−1乃至θ2−2の値を225度以上315度以下に設定してもよい。
また、基準位置範囲103は、例えば、起立時において耳210と口220の高さの差は100mm乃至150mm程度であることを考慮して、50mm程度としてもよい。さらに、例えば携帯電話のような音声入力装置の通常の使用形態では、音源(口)から第1及び第2のマイクロフォンまでの距離、すなわち直線131乃至直線134の長さは50mm程度としてもよい。
この場合に、例えば基準位置からの音に対する感度を、感度の最大値から約−6dB以内とするには、スピーカ150と配置位置191の距離SM1は、θ1−1の値を30度として、
Figure 2009130619
となる。同様に、スピーカ150と配置位置194の距離SM2は、θ2−2の値を30度として、
Figure 2009130619
となる。
したがって、スピーカ150と第1及び第2のマイクロフォンの設置位置との距離を0mm以上75mm以下又は175mm以上とすることにより、話者の声に対する感度が、感度の最大値から約−6dB以内とする音声入力装置とすることができる。
また、例えば基準位置からの音に対する感度を、感度の最大値から約−3dB以内とするには、スピーカ150と配置位置191の距離SM1は、θ1−1の値を45度として、
Figure 2009130619
となる。同様に、スピーカ150と配置位置194の距離SM2は、θ2−2の値を45度として、
Figure 2009130619
となる。
したがって、スピーカ150と第1及び第2のマイクロフォンの設置位置との距離を0mm以上64.6mm以下又は185.4mm以上とすることにより、話者の声に対する感度が、感度の最大値から約−3dB以内とする音声入力装置とすることができる。
次に、目的の音声以外の音(雑音)を除去する原理について説明する。雑音の除去には差動マイクの指向性及び距離による減衰特性を利用する。
図5のグラフを用いて説明したとおり、差動マイクの感度はθの値が90度で最大値になり、0度及び180度に近づくほど小さくなる。すなわち、θの値が0度付近及び180度付近となるような位置からの雑音に対しては感度が小さくなる。したがって、θの値が0度付近及び180度付近となるような位置からの雑音は、差動マイクの指向特性により除去できる。特に、例えば、携帯電話や公衆電話、トランシーバー、ヘッドセット等の音声通信機器などにおいては、話者の頭部200と同程度の高さで話者よりも音声入力装置2から離れた音源からの雑音、例えば他人の話し声などが多いことが知られている。すなわち、図5に示す指向特性における0度付近又は180度付近の雑音が多い。したがって、差動マイクの指向性により雑音を除去することができる。
また、図6及び式(1)を用いて説明したとおり、音圧(音波の強度・振幅)は、音源に近い位置(グラフの左側)では急激に減衰し、音源から離れるほどなだらかに減衰する。本実施の形態に係る音声入力装置2では、この距離による減衰特性を利用して雑音成分を除去する。
すなわち、特に接話型の音声入力装置では、ユーザは、雑音の音源よりも、第1及び第2のマイクロフォン10及び20(第1及び第2の振動膜12及び22)に近い位置から音声を発する。そのため、第1及び第2の振動膜12及び22の間で、ユーザの音声は大きく減衰し、第1及び第2の電圧信号に含まれるユーザ音声の強度には差が現れる。これに対して、雑音成分は、ユーザの音声に比べて音源が遠いため、第1及び第2の振動膜12及び22の間でほとんど減衰しない。そのため、第1及び第2の電圧信号に含まれる雑音の強度には、差が現れないとみなすことができる。このことから、第1及び第2の電圧信号の差を検出すれば雑音が消去されるため、雑音成分が含まれない、ユーザの音声成分のみを示す電圧信号(差分信号)を取得することができる。すなわち、差分信号を、雑音成分が除去されたユーザの音声を示す信号であるとみなすことができる。
このように、本実施の形態の音声入力装置によれば、目的の音声は高感度で集音することができ、目的の音声以外の音は差動マイクの指向性及び距離による減衰特性により除去することができる。
また、第1及び第2のマイクロフォン10及び20を基準位置100からの音に対する感度が指向特性の最大値に対して所定割合以上になるように設定した所定角度になるように配置することにより、目的の音声は高感度で集音することができ、目的の音声以外の音は差動マイクの指向性及び距離による減衰特性により除去することができる音声入力装置を製造することができる。
マイクロフォンシステムについて説明するための図。 マイクロフォンシステムについて説明するための図。 マイクロフォンシステムについて説明するための図。 マイクロフォンシステムについて説明するための図。 マイクロフォンシステムについて説明するための図。 マイクロフォンシステムについて説明するための図。 音声入力装置について説明するための図。 音声入力装置について説明するための図。 音声入力装置について説明するための図。 音声入力装置について説明するための図。 音声入力装置について説明するための図。 音声入力装置について説明するための図。 差動マイクの指向特性について説明するための図。 差動マイクの指向特性について説明するための図。
符号の説明
1 マイクロフォンシステム、2 音声入力装置、3 筐体、10 第1のマイクロフォン、12 第1の振動膜、20 第2のマイクロフォン、22 第2の振動膜、30 差分信号生成部、40 筐体、50 コンデンサ型マイクロフォン、52 振動膜、54 電極、100 基準位置、101 第1の基準位置、102 第2の基準位置、103 基準位置範囲、110 直線、120 垂線、121 第1の垂線、122 第2の垂線、130〜134 直線、135 垂線、θ 角、θ’ 角、θ1−1 角、θ1−2 角、θ2−1 角、θ2−2 角、150 スピーカ、161 第1の境界位置、162 第2の境界位置、171 第1の禁止範囲、172 第2の禁止範囲、173 第3の禁止範囲、191〜194 配置位置、200 話者の頭部、210 耳、220 口、300 折り畳み部、400 フリッパ部、900 領域、910 領域

Claims (12)

  1. 第1のマイクロフォンと、
    第2のマイクロフォンと、
    前記第1のマイクロフォンで取得された第1の電圧信号と、前記第2のマイクロフォンで取得された第2の電圧信号とを受け付けて、前記第1及び第2の電圧信号の差を示す差分信号を生成する差分信号生成部と、を含むマイクロフォンシステムであって、
    前記第1及び第2のマイクロフォンは、前記マイクロフォンシステムが予定している音源位置に基づいて前記マイクロフォンシステムに対して相対的に設定した基準位置から前記第1及び第2のマイクロフォンの位置を通る直線に下ろした垂線と、前記第1及び第2のマイクロフォンの設置位置と前記基準位置を結ぶ直線とのなす角が、前記基準位置からの音に対する感度が指向特性の最大値に対して所定割合以上になるように設定した所定角度になるように配置されることを特徴とするマイクロフォンシステム。
  2. 請求項1に記載のマイクロフォンシステムであって、
    前記所定角度が30度以上150度以下又は210度以上330度以下の範囲のいずれかの値になるように配置されることを特徴とするマイクロフォンシステム。
  3. 請求項1又は2のいずれかに記載のマイクロフォンシステムであって、
    前記第1及び第2のマイクロフォンは、半導体装置として構成されることを特徴とするマイクロフォンシステム。
  4. 請求項1乃至3のいずれかに記載のマイクロフォンシステムと、
    スピーカと、を含む音声入力装置であって、
    前記基準位置は、前記スピーカの位置に基づいて設定されることを特徴とする音声入力装置。
  5. 請求項4に記載の音声入力装置であって、
    前記基準位置が設定される基準位置範囲は、前記スピーカに最も近い第1の基準位置から前記スピーカに最も遠い第2の基準位置までの範囲をもつものであり、
    前記第1の基準位置から前記第1及び第2のマイクロフォンの位置を通る直線に下ろした第1の垂線の足を第1の境界位置、前記第2の基準位置から前記第1及び第2のマイクロフォンの位置を通る直線に下ろした第2の垂線の足を第2の境界位置とし、
    前記第1の垂線と、前記第1及び第2のマイクロフォンの設置位置と前記音源を結ぶ直線とのなす角が前記所定角度を満たさない範囲を第1の禁止範囲とし、
    前記第2の垂線と、前記第1及び第2のマイクロフォンの設置位置と前記音源を結ぶ直線とのなす角が前記所定角度を満たさない範囲を第2の禁止範囲とし、
    前記第1の境界位置から前記第2の境界位置までの範囲を第3の禁止範囲とし、
    前記第1及び第2のマイクロフォンは、前記第1乃至第3の禁止範囲以外に配置されることを特徴とする音声入力装置。
  6. 請求項5に記載の音声入力装置であって、
    前記所定角度が30度以上150度以下又は210度以上330度以下の範囲のいずれかの値になるように配置されることを特徴とする音声入力装置。
  7. 請求項4乃至6のいずれかに記載の音声入力装置であって、
    前記第1及び第2のマイクロフォンは、前記スピーカと前記第1及び第2のマイクロフォンの設置位置との距離が0mm以上75mm以下又は175mm以上になる位置に配置されることを特徴とする音声入力装置。
  8. 第1のマイクロフォンと、
    第2のマイクロフォンと、
    前記第1のマイクロフォンで取得された第1の電圧信号と、前記第2のマイクロフォンで取得された第2の電圧信号とを受け付けて、前記第1及び第2の電圧信号の差を示す差分信号を生成する差分信号生成部と、を含むマイクロフォンシステムの製造方法であって、
    前記第1及び第2のマイクロフォンは、前記マイクロフォンシステムが予定している音源位置に基づいて前記マイクロフォンシステムに対して相対的に設定した基準位置から前記第1及び第2のマイクロフォンの位置を通る直線に下ろした垂線と、前記第1及び第2のマイクロフォンの設置位置と前記基準位置を結ぶ直線とのなす角が、前記基準位置からの音に対する感度が指向特性の最大値に対して所定割合以上になるように設定した所定角度になるように配置することを特徴とするマイクロフォンシステムの製造方法。
  9. 請求項8に記載のマイクロフォンシステムの製造方法であって、
    前記所定角度が30度以上150度以下又は210度以上330度以下の範囲のいずれかの値になるように配置することを特徴とするマイクロフォンシステムの製造方法。
  10. 第1のマイクロフォンと、
    第2のマイクロフォンと、
    前記第1のマイクロフォンで取得された第1の電圧信号と、前記第2のマイクロフォンで取得された第2の電圧信号とを受け付けて、前記第1及び第2の電圧信号の差を示す差分信号を生成する差分信号生成部と、を含むマイクロフォンシステムと、
    スピーカと、を含む音声入力装置の製造方法であって、
    前記第1及び第2のマイクロフォンは、前記マイクロフォンシステムが予定している音源位置に基づいて前記マイクロフォンシステムに対して相対的に設定した基準位置から前記第1及び第2のマイクロフォンの位置を通る直線に下ろした垂線と、前記第1及び第2のマイクロフォンの設置位置と前記基準位置を結ぶ直線とのなす角が、前記基準位置からの音に対する感度が最大値に対して所定割合以上になるように設定した所定角度になるように配置し、
    前記基準位置は、前記スピーカの位置に基づいて設定することを特徴とする音声入力装置の製造方法。
  11. 請求項9又は10のいずれかに記載の音声入力装置の製造方法であって、
    前記基準位置が設定される基準位置範囲は、前記スピーカに最も近い第1の基準位置から前記スピーカに最も遠い第2の基準位置までの範囲をもつものであり、
    前記第1の基準位置から前記第1及び第2のマイクロフォンの位置を通る直線に下ろした第1の垂線の足を第1の境界位置、前記第2の基準位置から前記第1及び第2のマイクロフォンの位置を通る直線に下ろした第2の垂線の足を第2の境界位置とし、
    前記第1の垂線と、前記第1及び第2のマイクロフォンの設置位置と前記音源を結ぶ直線とのなす角が前記所定角度を満たさない範囲を第1の禁止範囲とし、
    前記第2の垂線と、前記第1及び第2のマイクロフォンの設置位置と前記音源を結ぶ直線とのなす角が前記所定角度を満たさない範囲を第2の禁止範囲とし、
    前記第1の境界位置から前記第2の境界位置までの範囲を第3の禁止範囲とし、
    前記第1及び第2のマイクロフォンは、前記第1乃至第3の禁止範囲以外に配置することを特徴とする音声入力装置の製造方法。
  12. 請求項10又は11のいずれかに記載の音声入力装置の製造方法であって、
    前記第1及び第2のマイクロフォンは、前記スピーカと前記第1及び第2のマイクロフォンの設置位置との距離が0mm以上75mm以下又は175mm以上になる位置に配置することを特徴とする音声入力装置の製造方法。
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