JP4249778B2 - 板バネ構造を有する超小型マイクロホン、スピーカ及びそれを利用した音声認識装置、音声合成装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般には、マイクロホン及びスピーカに関し、より詳細には、携帯電話やＰＤＡなどの携帯用の個人用ターミナルに装着されうる超小型マイクロホン及びスピーカに関する。

従来のマイクロホンは、振動板の振動現象を圧電現象、電気抵抗、あるいは静電容量の原理を利用して電気的な信号に変える。また、従来のスピーカは、圧電現象や静電容量の原理を利用して、電気的な信号を振動音に変える技術を使用する。このような技術は、半導体工程技術を通じてさらに発展した。

従来のマイクロホンやスピーカは、振動板の周辺が何れも固定部に連結されて平板共振を利用する形態である。平板共振を利用する場合、外部からの振動音が平板を十分に振動させるためには、大きいエネルギーが要求される。また、振動板の振動量は、振動板の中央で最も大きいが、その振動による応力が板全体に分布しており、感知部を板全体に分布して感度が劣る。

スピーカの場合、振動平板を振動させる時に多量のエネルギーが要求される。このような理由で、従来の圧電型及び静電容量型のスピーカは、音圧レベルが全般的に劣る。特に、約１ｋＨｚ以下の低い周波数では、要求される音圧レベルが得られないという問題点がある。従来のマイクロホン及びスピーカは、平板振動に基づいて設計するので、高感度、高性能のために振動板を薄く製作せねばならない。

また、従来の音声認識のためのマイクロホンや音声合成のためのスピーカは、まず一つの固有振動数を有するマイクロホンまたはスピーカを作り、必要に応じてそれぞれの単品のマイクロホンまたはスピーカを複数個結合する方式で多チャンネルマイクロホンまたはスピーカを構成する。

すなわち、従来には、音声認識や音声信号の変調のために、一つのマイクロホンで音声信号を受け入れ、その信号をデジタル化する方式で音声を処理する。しかし、一つのマイクロホンが全ての周波数で一定の敏感度を維持し難いので、信号自体の歪曲が起きる。

このように、マイクロホンまたはスピーカが一つの固有振動数のみを有する振動板で製作されているならば、低い周波数帯及び高い周波数帯の性能を何れも満足させるのは難しい。また、多様な周波数の複合音が入る時、これを周波数成分別に分解するためには、性能に優れたＡ／Ｄ（Ａｎａｌｏｇ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ）変換器が必要である。

本発明が解決しようとする技術的課題は、半導体工程を通じたマイクロホン及びスピーカの小型化において、低周波振動にも敏感であり、固有振動数及び帯域幅を自由に設計できるマイクロホン及びスピーカを提供する。また、本発明は、敏感度を高めたマイクロホン、及び低周波及び高周波で低電力、高性能の音圧レベルを有するスピーカを提供する。

本発明が解決しようとする他の技術的課題は、音声認識や音声信号の変調のために、多数の振動板を通じて各周波数別に音を受け入れる音声認識装置及び各周波数別に音を発生させる音声合成装置を提供する。

課題を達成するための本発明によるマイクロホンの一実施形態は、フレーム、少なくとも一つの振動板、所定の板バネ構造を有し、フレーム及び振動板に連結される少なくとも一つの弾性部及び弾性部に位置して弾性部に伝えられる振動板の振動を感知する少なくとも一つのセンサー部を有する。

課題を達成するための本発明によるスピーカの一実施形態は、フレーム、少なくとも一つの振動板、所定の板バネ構造を有し、フレーム及び振動板に連結される少なくとも一つの弾性部、弾性部に位置して電気信号によって弾性板を加振する少なくとも一つの加振部を有する。

課題を達成するための本発明による音声認識装置の一実施形態は、フレーム、複数の振動板、フレーム及び複数の振動板に連結される異なる固有振動数のための物理的な特性を有するバネ構造を有する複数の弾性部、弾性部に位置して弾性部に伝えられる振動板の振動を感知する複数のセンサー部、センサー部が感知した音声信号の周波数特性に基づいて音声認識を行う音声認識部を有する。

課題を達成するための本発明による音声合成装置の一実施形態は、フレーム、集中質量を有する複数の振動板、フレーム及び複数の振動板に連結され、異なる固有振動数のための物理的な特性を有するバネ構造を有する複数の弾性部、弾性部に位置して弾性部に伝えられる電気信号によって振動板を振動する複数の駆動部及び音声信号の周波数特性に基づいて駆動部を駆動させて、音声信号を合成または変調する音声合成部を有する。

このように本発明は、集中質量を有する振動板を利用して不連続集中質量システムに近似する形態に製作して、低周波振動にも敏感であり、固有振動数及び帯域幅を自由に設計できるマイクロホン及びスピーカを提供する。

また、応力が集中する部分の板バネ部分に圧電材料または電気抵抗材料を位置させて敏感度を高めたマイクロホンを提供し、低周波及び高周波で低電力でも高性能の音圧レベルを有するスピーカを提供する。

また、本発明は、音声認識や音声信号の変調に利用される各周波数別に音を受け入れつつ、各周波数別に音を発生させる超小型多チャンネルマイクロホン及びスピーカを提供する。

本発明によるマイクロホン及びスピーカは、半導体工程を通じて集中質量を有する振動板を利用して不連続集中質量システムに近似する形態に製作して、固有振動数及び帯域幅を自由に設計できる。また、マイクロホンは、低周波振動にも敏感であり、スピーカは、低周波及び高周波で低電力でも高性能の音圧レベルを有する。

また、本発明によるマイクロホン及びスピーカは、音声認識や音声信号の変調のために各周波数別に音を受け入れつつ各周波数別に音を発生させて、簡単にハードウェア的な音声認識及び音声合成が可能である。

以下、添付された図面を参照して本発明をさらに詳細に説明する。

図１Ａ及び図１Ｂは、従来のメンブレン型及びカンチレバー型のマイクロホン及びスピーカの構造である。図１Ａは、メンブレン型であり、図１Ｂは、カンチレバー型である。

図１Ａ及び図１Ｂを参照すれば、従来には、マイクまたはスピーカの振動板がメンブレン型やカンチレバー型に製作された。

しかし、メンブレン構造のマイクロホンは、感度が低い。カンチレバー型に作ったマイクロホンは、感度は優秀であるが、半導体工程で作るとき、応力によってカンチレバーが初期状態に反っており、かつ衝撃に弱いという短所がある。

また、メンブレン型やカンチレバー型のスピーカの場合にも、次のような短所がある。メンブレン型スピーカの場合、同じ電力で平板振動を起こさねばならないので、多量のエネルギーが必要になって音圧レベルを高められないので、性能が低下する。カンチレバー型スピーカの場合、相対的に電力消耗は少ないが、対称構造ではないので、製作時に応力や熱によってその固有振動数が多少変わりうる。すなわち、カンチレバー型スピーカは、製作過程で周波数値が変わりうる。

図２Ａないし図２Ｃは、本発明の一実施形態によるマイクロホン及びスピーカであって、柔軟なバネ構造を有するマイクロホン及びスピーカ構造である。図２Ａ及び図２Ｂは、円板型である。図２Ａは、上方から見た図面であり、図２Ｂは、断面図である。図２Ｃは、四角板型である。

図２Ａないし図２Ｃを参照すれば、マイクロホン及びスピーカは、振動板２１０ａ,２１０ｂ,２１０ｃ及び板バネ構造を有する弾性部２２０ａ,２２０ｂ,２２０ｃで構成される。

円板型の場合、振動板が地面の垂直方向に振動するとき、円板周囲に位置した薄い板が共に反りつつ、地面の垂直方向に共に動く。したがって、振動板を抑えている薄いバネ構造の円板部分が実際に応力及び変形を起こし、振動板は、変形及び応力が存在しない。

図２Ｂを参照すれば、本発明によるマイクロホン及びスピーカは、厚い板で下側部分を削り出して上側の薄い部分を製作する。薄く製作された部分で、中央部分は振動板とし、周辺に弾性部を製作すれば、振動板は、上下に敏感度が大きく振動する。

図２Ｃを参照すれば、図２Ｃの振動板２１０ｃ及び弾性部２２０ｃは、円形ではない直角形状であるが、薄く製作されて、薄く製作された部分で、中央部分は振動板とし、周辺に弾性部を製作すれば、振動板は、上下に敏感度が大きく振動する。

図２Ａないし図２Ｃのような構造に製作されたマイクロホンは、低い音圧でも振動を起こしてさらに敏感な性能を得る。図２Ａ及び図２Ｃのような構造に製作されたスピーカは、同じパワーで駆動するとき、メンブレンを動かす時に使われるエネルギーより遥かに少ないエネルギーで同じ変位が得られるので、音圧を高めうる。

このように本発明によるマイクロホンまたはスピーカは、半導体工程に基づいて、振動板が不連続集中質量に基づいた線形振動の可能な原理を利用する。すなわち、柔軟な板バネ構造及び集中質量を有する振動板構造で、振動板の厚さ及び質量を調節するか、または板バネ構造の幅、厚さそして長さを調節して、高感度マイクロホンまたはスピーカを作りうる。

本発明は、柔軟な板バネ構造を採択して振動板が不連続システムの集中質量運動方程式によって振動する原理を利用する。したがって、振動板の動きが敏感に測定されて高感度のマイクロホンを製作でき、振動板の動きに使われるエネルギーが少ないので、高性能のスピーカホンを製作しうる。

図３Ａ及び図３Ｂは、本発明の一実施形態によるマイクロホン及びスピーカの不連続集中質量システムにおける数学的モデリングである。図３Ａは、上面モデリングであり、図３Ｂは、側面モデリングである。

従来のカンチレバー型のマイクロホンまたはスピーカは、一側がオープンされているため、発生する熱的な変形及び工程上の応力による反り現象によって発生する固有振動数の不安定性が発生する。

しかし、本発明の一実施形態のような円板型の場合、上下左右対称形に製作されたので、熱や応力に対して強靭な構造となって、固有振動数の外乱に対する不安定性が非常に小さい。円板型構造で固有振動数を自由に設計しようとするならば、バネ定数と集中質量とを調節して設計しうる。

図３Ａ及び図３Ｂを参照すれば、集中荷重を有する振動板３１０及び周辺を抑えているバネ３２０構造を有する不連続集中質量システムにモデリングされうる。このような数学的なモデリングによって、マイクロホンやスピーカの設計において、平板振動方程式ではない集中質量を有する不連続システムとして解釈して振動方程式を求めうる。

本発明は、マイクロホンまたはスピーカを、集中質量を有する不連続システムとして解釈して固有振動数を容易に設計する。このとき、設計変数となりうるのは、バネ及び振動板の厚さ、材質、バネ板の幅、長さがある。

図３Ａ及び図３Ｂの数学的なモデリングを利用した方程式は、次の通りである。

ここで、ｆは、加振する外部振動音、ｍは、振動板の質量、ｋ_ｅは、板バネ構造での有効バネ定数であり、ｚは、地面の垂直方向への振幅である。このとき、この振動板構造で得られる固有振動数は、次の通りである。

もちろん、ＦＥＭ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ）解釈を通じて本構造を解析して、マイクロホン及びスピーカの固有振動数を分析して設計しうる。しかし、集中質量を有するように構造自体を振動板とバネ板との部分に分離して設計することは、本発明の範疇に属する。

図４Ａ及び図４Ｂは、本発明の他の一実施形態によるマイクロホン及びスピーカである。センサー部４３０または加振部４６０が応力及び変形力が最大である地域に位置した。図４Ａは、円板型で応力及び変形力が最大である地域を表し、図４Ｂは、四角板型で応力及び変形力が最大である地域を表す。

図４Ａ及び図４Ｂを参照すれば、振動板４１０,４４０が動くとき、応力及び変形が最も頻繁に起きる所は、斜線のある楕円地域である。したがって、マイクロホンを製作する場合、ここに応力を測定する圧電材料や電気抵抗材料からなるセンサー部４３０を位置させるならば、最も敏感度を高めうる。

もちろん、スピーカを製作する場合にも、斜線部分に圧電材料やジルコンチタン酸鉛からなる加振部４６０を設置するならば、振動板４１０,４４０を最も効果的に振動させうる。

静電容量方式を使用してマイクロホンやスピーカを製作する場合には、応力や変形が最大である点が直接的に使用されるよりは、板バネ構造の弾性部４２０,４５０によって低周波音響帯域での感度及び性能が優秀である。

本発明の特徴である柔軟な板バネ構造を使用すれば、振動板４１０,４４０が動く時に弾性部４２０または加振部４６０の柔軟な部分に応力が集中するので、センサー部４３０を応力が集中する所に位置させれば、機械的に敏感度が高まる効果がある。また、応力が集中する所を利用してブリッジ回路を構成すれば、回路的にもさらに高い敏感度が得られる。

また、スピーカ構造では、応力が集中する所に圧電素子あるいは静電容量型駆動器の加振部４６０を位置させれば、柔軟な板バネ構造によって低電力でも高い音圧レベルが得られるという効果が発生する。

図５Ａ及び図５Ｂは、本発明の一実施形態による異なる固有振動数を有するマイクロホン及びスピーカを利用した多チャンネルマイクロホン及びスピーカである。図５Ａは、多チャンネルマイクロホンであり、図５Ｂは、多チャンネルスピーカである。

図５Ａ及び図５Ｂを参照すれば、複数のマイクロホン及びスピーカを多チャンネルに具現して、それぞれのマイクロホン及びスピーカを多様な固有振動数を有させてハードウェア的な周波数変換装置として使用できる。

複数のマイクロホン及びスピーカを板バネの厚さ、幅、長さや振動板の質量を変化させつつ、固有振動数をω_１からω_ｎまで設計して製作する。各マイクロホンは、周波数成分別にそれぞれ周波数を受け入れる。これを利用して、特定の個人の音色に該当する周波数別強度を記憶して音声認識に使用しうる。

このように、ハードウェア的な多チャンネルマイクロホンによれば、一つのマイクロホンを利用して信号を受けて、これをデジタルに変換して周波数分析を行った後に音声認識を行う既存の方法よりは遥かに正確な音声認識が可能である。

半導体集積化工程を利用して、マイクロホンを多チャンネル（例：２５６チャンネル）に作って、それぞれのチャンネル別に固有の振動数に最適化する。多チャンネルに作られたマイクロホンを利用して、音声信号をハードウェア的に各周波数別に受け入れた各周波数別の信号強度を利用して音声認識を行う（図５Ａを参照）。

各スピーカは、一つの音声信号をそれぞれの周波数別強度（図面では、ω_１からω_ｎ）を定めて多チャンネルで音を発生し、遥かに実感に近い音を作りうる。また、必要に応じて、音をリアルタイムで変調しうる。

半導体集積化工程を利用して、マイクロスピーカを多チャンネル（例：２５６チャンネル）に作ってそれぞれのチャンネル別に固有振動数に最適化する。多チャンネルに作られたマイクロスピーカを利用して、音声信号をハードウェア的に各周波数別に発生させて複合音を作ったり音声を変調したりする（図５Ｂを参照）。

本発明の特徴である多チャンネルマイクロホン及びスピーカを利用すれば、多チャンネルマイクロホンの場合、音声信号を各周波数別に敏感にしたそれぞれのチャンネルを通じてその強度を受け入れてハードウェア的な周波数分離が可能である。多チャンネルスピーカの場合、低周波から高周波まで全ての周波数帯域の音を低電力・高性能に発生させうる。

図６は、本発明の一実施形態による異なる固有振動数を有するスピーカを利用したマイクロサイズあるいはナノサイズの楽器である。図６を参照すれば、多チャンネルスピーカを、駆動部６１０を利用して駆動させる。

半導体集積化工程を利用して、マイクロスピーカを多チャンネル（例：２５６チャンネル）に作ってそれぞれのチャンネル別に固有振動数に最適化する。スピーカ６１１は周波数１のオーディオを、スピーカ６１２は周波数２のオーディオを、スピーカ６１３は周波数３のオーディオを発生させる。このように、多チャンネルに作られたマイクロスピーカを利用してハードウェア的にオーディオを各周波数別に発生させて音響を発生させる。

すなわち、多チャンネルに作られた振動板に直接信号を与えてマイクロ／ナノサイズの楽器（例えば、マイクロ／ナノピアノ、マイクロ／ナノシロホン）機能を有するように製作しうる。

以上、本発明についてその望ましい実施形態を中心に説明した。当業者は、本発明が本発明の本質的な特性から逸脱しない範囲で変形された形態に具現できるということが分かるであろう。したがって、開示された実施形態は、限定的な観点ではなく、説明的な観点で考慮されねばならない。本発明の範囲は、前述した説明ではなく、特許請求の範囲に現れており、それと同等な範囲内にある全ての差異点は、本発明に含まれたと解釈されねばならない。

本発明は、オーディオ関連の技術分野に好適に適用可能である。

従来のメンブレン型マイクロホン及びスピーカの構造を例示する図である。 従来のカンチレバー型マイクロホン及びスピーカの構造を例示する図である。 本発明の一実施形態に係るマイクロホン及びスピーカを説明するための図である。 本発明の一実施形態に係るマイクロホン及びスピーカを説明するための図である。 本発明の一実施形態に係るマイクロホン及びスピーカを説明するための図である。 本発明の一実施形態に係るマイクロホン及びスピーカの不連続集中質量システムにおける数学的モデリングを例示する図である。 本発明の一実施形態に係るマイクロホン及びスピーカの不連続集中質量システムにおける数学的モデリングを例示する図である。 本発明の一実施形態に係るマイクロホン及びスピーカを例示する図である。 本発明の一実施形態に係るマイクロホン及びスピーカを例示する図である。 本発明の一実施形態に係る異なる固有振動数を有するマイクロホンを利用した多チャンネルマイクロホンを例示する図である。 本発明の一実施形態に係る異なる固有振動数を有するスピーカを利用した多チャンネルスピーカを例示する図である。 本発明の一実施形態に係る異なる固有振動数を有するスピーカを利用したマイクロサイズあるいはナノサイズの楽器を例示する図である。

符号の説明

４００ フレーム
４１０、４４０ 振動板
４２０、４５０ 弾性部
４３０ センサー部
４６０ 加振部

Claims (9)

1. フレームと、
   前記フレームの中央に位置する円形振動板と、
   前記円形振動板の周囲に位置する弾性部と
   を同一平面上に備えたマイクロホンであって、
   前記弾性部は、一定幅の板を形成する複数の溝によって構成された板バネ構造を有し、
   前記弾性部の応力または変形力とが集中する前記複数の溝の端部に、前記円形振動板の振動によって圧電気現象を示す材料または前記円形振動板の振動によって電気抵抗値が変わる材料を用いて前記弾性部に伝えられる前記円形振動板の振動を感知する少なくとも一つのセンサー部を備える
   ことを特徴とするマイクロホン。
2. 前記センサー部は、ブリッジ回路で構成されることを特徴とする請求項１に記載のマイクロホン。
3. 前記板バネ構造または前記円形振動板は、所定の固有振動数のための物理的な特性を有することを特徴とする請求項１に記載のマイクロホン。
4. 前記円形振動板の厚さ及び質量、前記弾性部の幅、厚さ、長さのうち、少なくとも１つを用いて固有振動数を調節することを特徴とする請求項１に記載のマイクロホン。
5. フレームと、
   前記フレームの中央に位置する振動板と、
   前記振動板の周囲に位置する弾性部と
   を同一平面上に備えたスピーカであって、
   前記弾性部は、一定幅の板を形成する複数の溝によって構成された板バネ構造を有し、
   前記弾性部の応力または変形力とが集中する前記複数の溝の端部に、入力される電気信号によって圧電気現象を示す圧電材料を用いて前記振動板を加振する少なくとも一つの加振部を備える
   ことを特徴とするスピーカ。
6. 前記振動板は、円形または四角形で形成され、前記弾性部は、前記振動板の形態によって円形または四角形の板バネ構造を有することを特徴とする請求項５に記載のスピーカ。
7. 前記板バネ構造は、所定の固有振動数のための物理的な特性を有することを特徴とする請求項５に記載のスピーカ。
8. 前記振動板の厚さ及び質量、前記弾性部の幅、厚さ、長さのうち、少なくとも１つを用いて固有振動数を調節することを特徴とする請求項５に記載のスピーカ。
9. 請求項５に記載のスピーカを複数個備え、
   前記複数個のスピーカは、それぞれが異なる固有振動数のための物理的特性を有するように構成され、
   前記複数個のスピーカそれぞれに伝えられる電気信号によって前記振動板を振動する駆動部と、
   音声信号の周波数特性に基づいて前記駆動部を駆動させて音声信号を合成または変調する音声合成部と、
   を備えることを特徴とする音声合成装置。

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