JP2017118165A - 電子機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】筐体内に収納したマイクロホンの周波数特性を改善できる電子機器を提供する。
【解決手段】電子装置は、孔１３ａが設けられた筐体１３と、筐体１３内に配置された基板１２と、筐体１３の孔１３ａに対応する位置に配置されたマイクロホン１１と、基板１２と筐体１３との間に配置されてマイクロホン１１の周囲を囲む仕切り壁１４と、基板１２と仕切り壁１４と筐体１３とにより区画された空間内に配置されてマイクロホン１１を覆う吸音材１５とを有する。吸音材１５には、密度が４６ｋｇ／ｍ3乃至６９ｋｇ／ｍ3のものを使用する。
【選択図】図３

Description

本発明は、マイクロホンを備えた電子機器に関する。
近年、音響センシング技術が注目されている。音響センシング技術を使用すれば、例えば周囲の音をマイクロホンで検出し、その検出結果に基づいて周囲に配置された装置の状態や、人の状態、又は犬猫等の動物の状態などを検出することができる。
音響センシング技術に使用するマイクロホンには、広いダイナミックレンジとフラットな周波数特性とが求められる。また、マイクロホンの出力は、ＤＳＰ（Digital Signal Pocessor）等の計算処理回路で信号処理される。
携帯電話及びパソコン等のパーソナル機器や状態監視用固定機器などに搭載される音響センシング用マイクロホンの一つに、半導体製造技術を応用したＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）マイクロホンがある。ＭＥＭＳマイクロホンは、配線基板に直付けして使用されることが多い。
特開２００８−１６７１７５号公報 特開平８−０３３０８４号公報
通常、マイクロホンは、マイクロホンの周囲に物がない状態で使用されることを想定している。マイクロホン単体の周波数特性は比較的フラットのものが多い。しかし、マイクロホンを装置の筐体内に収納すると、周波数特性が変化してしまう。
開示の技術は、筐体内に収納したマイクロホンの周波数特性を改善できる電子機器を提供することを目的とする。
開示の技術の一観点によれば、孔が設けられた筐体と、前記筐体内に配置された基板と、前記筐体の孔に対応する位置に配置されたマイクロホンと、前記基板と前記筐体との間に配置されて前記マイクロホンの周囲を囲む仕切り壁と、密度が４６ｋｇ／ｍ3乃至６９ｋｇ／ｍ3であり、前記基板と前記仕切り壁と前記筐体とにより区画された空間内に配置されて前記マイクロホンを覆う吸音材とを有する電子機器が提供される。
開示の技術の他の一観点によれば、孔が設けられた筐体と、前記筐体内に配置された基板と、前記筐体の孔に対応する位置に配置されたマイクロホンと、前記基板と前記筐体との間に配置されて前記マイクロホンの周囲を囲む仕切り壁と、１ｃｍ2当たりの重さが０．０２３ｇ乃至０．０３５ｇであり、前記基板と前記仕切り壁と前記筐体とにより区画された空間内に配置されて前記マイクロホンを覆う吸音材とを有する電子機器が提供される。
上記の電子機器によれば、筐体内に収納したマイクロホンの周波数特性を改善できる。
図１は、ＭＥＭＳマイクロホンの周波数特性の一例を示す図である。 図２は、図１に周波数特性を示すマイクロホンを配線基板に直付けして周波数特性の変化を調べた結果を示す図である。 図３は、実施形態に係る電子機器のマイクロホン取り付け部を示す断面図である。 図４は、吸音材が設けられていないマイクロホン取り付け部の例を示す断面図である。 図５は、吸音材として密度が５０ｋｇ／ｍ3のポリウレタン製スポンジを使用したときの周波数特性を調べた結果を示す図である。 図６は、吸音材の密度を変えて周波数特性を調べた結果を示す図である。 図７は、状態監視用固定装置の一例を示すブロック図である。 図８は、状態監視用固定装置の外観を示す斜視図である。
以下、実施形態について説明する前に、実施形態の理解を容易にするための予備的事項について説明する。
図１は、ＭＥＭＳマイクロホンの周波数特性の一例を示す図である。図１では、１ｋＨｚの音量を０ｄＢとして正規化した周波数特性を示している。
一般的なＭＥＭＳマイクロホンの感度は、−２０ｄＢ／Ｐａ〜−５０ｄＢ／Ｐａ程度である。例えば１ｋＨｚで−２６ｄＢ／Ｐａを出力するマイクロホンの場合、図１の周波数特性をもつマイクロホンでは、１ｋＨｚの感度は−２６ｄＢ／Ｐａとなる。
ところで、マイクロホンから入力した信号を周波数分析する場合、一般的に、有効な周波数を認定できるのはサンプリング周波数の１／２．５までとされている。従って、携帯電話などで一般的な１６ｋＨｚサンプリングの場合、有効な周波数を認定できるのは、６．４ｋＨｚ（＝１６ｋＨｚ／２．５）程度までとなる。
前述したように、ＭＥＭＳマイクロホンは、配線基板に直付けして使用されることが多い。図２は、図１に周波数特性を示すマイクロホンを配線基板に直付けして周波数特性の変化を調べた結果を示している。
マイクロホンを配線基板などの平面に取り付けると、図２に示すように共振特性が現れる。図２に示す例では、６．４ｋＨｚ以下の領域において、感度の最小値と最大値との差は７ｄＢ程度となっている。
マイクロホンからの信号をＤＳＰに取り込む際に、感度が７ｄＢ程度違うということは、検出される音圧レベルが５倍（７ｄＢ＝１０(7/10)）程度違うということを意味している。
音圧レベルをデジタル値で表わすと、１ビット（bit）毎に２倍の数値を表すことができるので、音圧レベルが５倍異なるデータを同等に取り扱うためには、ＤＳＰで３ビット分の内部処理を行わなければならない。
このため、マイクロホンから入力した信号を解析するためには、有効ビット数よりも３ビット分多くのビットが必要となる。例えば、現在主流の１６ビット処理のＤＳＰを使用した場合、有効ビット数は１３ビットとなってしまう。
音響センシング技術により、人、装置又は動物等の状態検出を行う場合、高い音から低い音まで識別可能であり、且つ大きな音と小さな音とを同時に識別可能であることが望まれる。そのためには、ＤＳＰ等の計算処理回路の有効ビット数をできるだけ大きくすること、言い換えればマイクロホンの周波数特性をフラットに近づけることが重要である。
以下の実施形態では、筐体内に収納したマイクロホンの周波数特性を改善できる電子機器について説明する。
（実施形態）
図３は、実施形態に係る電子機器のマイクロホン取り付け部を示す断面図である。
図３に示すように、マイクロホン１１は配線基板１２上に実装され、筐体（ケース）１３内に配置されている。マイクロホン１１の上方には、筐体１３内に音を導入するための孔（以下、「音孔」という）１３ａが設けられている。なお、配線基板１２は基板の一例である。
マイクロホン１１の周囲は仕切り壁１４で仕切られている。そして、マイクロホン１１は、配線基板１２と筐体１３と仕切り壁１４とにより区画された空間内に配置された吸音材１５に覆われている。
マイクロホン１１の種類は特に限定されないが、本実施形態においてはマイクロホン１１としてＭＥＭＳマイクロホンを使用している。
マイクロホン１１のサイズは、例えば縦が３．７６ｍｍ、横が４．７２ｍｍ、高さが１．２５ｍｍである。また、配線基板１２と筐体１３と仕切り壁１４により仕切られた空間のサイズは、例えば縦が１３ｍｍ、横が１３ｍｍ、高さが５ｍｍである。更に、音孔１３ａのサイズは、例えば縦が５ｍｍ、横が５ｍｍである。
更にまた、本実施形態では、吸音材１５として、ポリウレタン製のスポンジ（ポリウレタンフォーム）を使用している。なお、吸音材１５の材質は上記のものに限定されない。しかし、ポリウレタン製のスポンジは低周波（１ｋＨｚ以下）の音を吸収しにくく、高周波の音を吸収しやすいため、図２のように高周波の領域に大きな山や谷がある周波数特性のフラット化に好適である。
以下、実施形態の効果について説明する。
例えば図４のように仕切り壁１４を設けた場合（すなわち、図３の吸音材１５がない場合）、配線基板１２と筐体１３と仕切り壁１４とにより仕切られた空間はヘルムホルツ共鳴器として作用する。そして、その空間は、開口部（音孔１３ｃ）の面積や空間の体積等に応じた特定の周波数の音に共鳴（共振）する。それにより、マイクロホン１１の周波数特性に大きな山や谷が現れる。
本実施形態では、マイクロホン１１を覆う吸音材１５の厚さが５ｍｍ程度であり、その程度の厚さでは吸音材１５による吸音効果は小さい。しかし、吸音材１５には、空間のもつ共鳴特性を変化させる性質がある。
つまり、本実施形態では、マイクロホン１１の周囲に仕切り壁１４を設けることで、マイクロホン１１が配置された空間に所望の共鳴特性をもたせている。そして、吸音材１５により、空間のもつ共鳴特性を変化させることで、筐体１３内に収納されたマイクロホン１１の周波数特性をフラットに近づけている。
図５は、吸音材１５として、密度が５０ｋｇ／ｍ3のポリウレタン製スポンジを使用したときの周波数特性を調べた結果を示す図である。この図５に示す例では、６．４ｋＨｚ以下の周波数領域において、最大値と最小値との差が５ｄＢ以下となっている。すなわち、検出される音圧レベルの差が３倍（５ｄＢ＝１０(5/10)）程度となっており、ＤＳＰで２ビット分の内部処理ですむ。
吸音材１５の材質が同じであるとすると、吸音材１５の音響減衰特性は吸音材１５の密度に関係する。マイクロホン１１を収納した空間の共鳴特性に応じて吸音材１５の密度を適宜調整することで、マイクロホン１１の周波数特性（筐体１３内に収納したときの周波数特性）をフラット化することができる。
なお、図２に示すように、吸音材１５がない場合、１ｋＨｚ以下の低周波領域では、マイクロホン１１の周波数特性はほぼフラットである。ここで、吸音材１５として金属ウールなどの重量のある材料を使用すると、低周波領域の感度が低くなってしてしまう。
また、吸音材１５としてグラスウールなどの広帯域吸音特性をもつものを使用すると、低周波領域から高周波領域までの全ての周波数領域において感度が低下する。
本実施形態では、マイクロホン１１が収納された空間内の共鳴特性を崩すだけでよいので、吸音材１５としては、１ｋＨｚ以下の音の減衰が少ないものが好ましい。そのため、吸音材１５として、例えばポリウレタン又はその他の樹脂等により形成された軽量なスポンジを使用することが好ましい。
図６は、吸音材１５の密度を変えて周波数特性を調べた結果を示す図である。
ここでは、マイクロホン１１を収納する空間のサイズは、縦が１３ｍｍ、横が１３ｍｍ、高さが５ｍｍである。また、音孔１３ａのサイズは、縦が５ｍｍ、横が５ｍｍである。
更に、吸音材１５として、ブリヂストン社製エバーライトＶＨ（ポリウレタンフォーム）を使用した。この吸音材１５の非圧縮時の密度は２３ｋｇ／ｍ3であるが、圧縮することにより、密度が４６ｋｇ／ｍ3、５０ｋｇ／ｍ3、６９ｋｇ／ｍ3、及び９２ｋｇ／ｍ3の吸音材１５を得た。
図６からわかるように、吸音材１５の密度が４６ｋｇ／ｍ3〜６９ｋｇ／ｍ3の場合は、いずれも最大値と最小値との差が６ｄＢ以下である。この場合、最小感度の周波数における音と最大感度の周波数の音とを同等に取り扱うために必要なＤＳＰの内部処理は２ビット分である。
一方、吸音材１５の密度が２３ｋｇ／ｍ3の場合、及び９２ｋｇ／ｍ3の場合は、いずれも最小値と最大値との差が７ｄＢ程度である。この場合、最小感度の周波数における音と最大感度の周波数の音とを同等に取り扱うために必要なＤＳＰの内部処理は３ビット分となる。
これらの結果から、吸音材１５の密度は、４６ｋｇ／ｍ3〜６９ｋｇ／ｍ3とすればよいことがわかる。
本実施形態では吸音材１５の厚さを５ｍｍとしているので、１ｃｍ2当たりの重量に換算した場合、上記の数値は０．０２３ｇ／ｃｍ2〜０．０３５ｇ／ｃｍ2となる。従って、１ｃｍ2当たりの重さが０．０２３ｇ〜０．０３５ｇとなるように、吸音材１５の厚さ及び密度を決定してもよい。
なお、吸音材１５の厚さが２０ｍｍを超えると、音を減衰させる効果が大きくなってしまう。そのため、吸音材１５の厚さは２０ｍｍ以下とすることが好ましい。
図７は状態監視用固定装置の一例を示すブロック図、図８は同じく状態監視用固定装置の外観を示す斜視図である。ここでは、一人暮らしの高齢者の住宅に設置されて高齢者の状態を監視する装置について説明している。
図７に示す状態監視用固定装置２０は、２つのマイクロホン１１と、それらのマイクロホン１１からの信号を入力する入力部２１と、入力部２１から出力される信号を信号処理する計算処理回路２２とを有する。
図８のように、状態監視用固定装置２０の前面の右側及び左側にそれぞれ音孔１３ａが設けられており、その内側にマイクロホン１１が配置されている（図３参照）。状態監視用固定装置２０の周囲の音は、音孔１３ａを通ってマイクロホン１１に到達する。
マイクロホン１１は、図３に示すように配線基板１２に直付けされており、配線基板１２と仕切り壁１４と筐体１３とにより区画された空間内に配置されている。また、マイクロホン１１は、例えば厚さが５ｍｍ、密度が５０ｋｇ／ｍ3のポリウレタン製スポンジからなる吸音材１５に覆われている。
入力部２１は、マイクロホン１１から出力される信号を入力し、デジタル信号を出力する。例えばマイクロホン１１がアナログマイクロホンの場合、入力部２２はマイクロホン１１から出力された信号をＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換して出力する。また、マイクロホン１１がデジタルマイクロホンの場合、入力部２２はマイクロホン１１から出力された信号を１ビットＤ／Ｄ（デジタル／デジタル）変換して出力する。
計算処理回路２２は例えばＤＳＰにより構成されている。この計算処理回路２２は、入力部２２から信号を入力して、周波数毎の音圧レベルを検出する。そして、その検出結果は、通信装置２３を介して所定のデータセンター（図示せず）に送られる。
データセンターでは、状態監視用固定装置２０から送られてきた信号を解析して異常の有無を判定する。そして、異常があると判定したときは、予め登録された家族や、病院又は警備会社等に連絡する。
なお、ここでは開示の技術を高齢者の状態を監視する装置に適用した例について説明したが、開示の技術は、高齢者の状態を監視する装置以外にも種々の装置に適用できる。
以上の諸実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）孔が設けられた筐体と、
前記筐体内に配置された基板と、
前記筐体の孔に対応する位置に配置されたマイクロホンと、
前記基板と前記筐体との間に配置されて前記マイクロホンの周囲を囲む仕切り壁と、
密度が４６ｋｇ／ｍ3乃至６９ｋｇ／ｍ3であり、前記基板と前記仕切り壁と前記筐体とにより区画された空間内に配置されて前記マイクロホンを覆う吸音材と
を有することを特徴とする電子機器。
（付記２）前記マイクロホンが、前記基板に実装されていることを特徴とする付記１に記載の電子機器。
（付記３）前記孔側から見たときに、前記マイクロホンのサイズが前記空間のサイズよりも小さいことを特徴とする付記１又は２に記載の電子機器。
（付記４）前記吸音材が、樹脂により形成されていることを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載の電子機器。
（付記５）前記吸音材の厚さが２０ｍｍ以下であることを特徴とする付記１乃至４のいずれか１項に記載の電子機器。
（付記６）前記マイクロホンが、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）マイクロホンであることを特徴とする付記１乃至５のいずれか１項に記載の電子機器。
（付記７）更に、前記マイクロホンから信号を入力してデジタル信号を出力する入力部と、
前記入力部から出力されるデジタル信号を信号処理して外部に送信する計算処理回路と
を有することを特徴とする付記１乃至６のいずれか１項に記載の電子機器。
（付記８）孔が設けられた筐体と、
前記筐体内に配置された基板と、
前記筐体の孔に対応する位置に配置されたマイクロホンと、
前記基板と前記筐体との間に配置されて前記マイクロホンの周囲を囲む仕切り壁と、
１ｃｍ2当たりの重さが０．０２３ｇ乃至０．０３５ｇであり、前記基板と前記仕切り壁と前記筐体とにより区画された空間内に配置されて前記マイクロホンを覆う吸音材と
を有することを特徴とする電子機器。
（付記９）前記マイクロホンが、前記基板に実装されていることを特徴とする付記８に記載の電子機器。
（付記１０）前記孔側から見たときに、前記マイクロホンのサイズが前記空間のサイズよりも小さいことを特徴とする付記８又は９に記載の電子機器。
１１…マイクロホン、１２…配線基板、１３…筐体、１３ａ…音孔、１４…仕切り壁、１５…吸音材、２０…状態監視用固定装置、２１…入力部、２２…計算処理回路、２３…通信装置。

Claims (5)

  1. 孔が設けられた筐体と、
    前記筐体内に配置された基板と、
    前記筐体の孔に対応する位置に配置されたマイクロホンと、
    前記基板と前記筐体との間に配置されて前記マイクロホンの周囲を囲む仕切り壁と、
    密度が４６ｋｇ／ｍ3乃至６９ｋｇ／ｍ3であり、前記基板と前記仕切り壁と前記筐体とにより区画された空間内に配置されて前記マイクロホンを覆う吸音材と
    を有することを特徴とする電子機器。
  2. 前記吸音材が、樹脂により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電子機器。
  3. 前記マイクロホンが、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）マイクロホンであることを特徴とする請求項１又は２に記載の電子機器。
  4. 更に、前記マイクロホンから信号を入力してデジタル信号を出力する入力部と、
    前記入力部から出力されるデジタル信号を信号処理して外部に送信する計算処理回路と
    を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電子機器。
  5. 孔が設けられた筐体と、
    前記筐体内に配置された基板と、
    前記筐体の孔に対応する位置に配置されたマイクロホンと、
    前記基板と前記筐体との間に配置されて前記マイクロホンの周囲を囲む仕切り壁と、
    １ｃｍ2当たりの重さが０．０２３ｇ乃至０．０３５ｇであり、前記基板と前記仕切り壁と前記筐体とにより区画された空間内に配置されて前記マイクロホンを覆う吸音材と
    を有することを特徴とする電子機器。
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