JP4348706B2 - アレイ装置および携帯端末 - Google Patents
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Description
本発明は複数のセンサを用いて信号を空間選択的に受信するアレイ装置に関し、特にセンサの最適配置技術に関する。
一般にアレイ装置は、音声信号取得やソーナー、無線通信などの分野において、複数の信号源の中から目的の信号のみを受信するために使用される。センサとしては、音声信号取得の場合はマイクロホン、ソーナーの場合は超音波センサ、無線通信の場合にはアンテナが用いられる。以下、センサとしてマイクロホンを用いたマイクロホンアレイを例に説明する。
マイクロホンアレイは、複数のマイクロホンを空間的に異なる位置に設置し、伝搬経路の違いによる位相差など、空間的な情報を利用して、信号処理を施すことにより、信号分離や雑音除去などを実現する。信号処理の基本は、伝搬遅延時間の差を利用したビームフォーミング（指向性制御）である。
ビームフォーミングの基本原理を、２マイクロホンの場合を例に図３８を参照して説明する。特性が全く等しい２個の全指向性マイクロホンを間隔ｄで配置し、これらに対して平面波が方向θから到来する状況を考える。この平面波は各マイクロホンにおいて、経路差ｄｓｉｎθの分だけ、伝搬遅延時間が異なる信号として受信される。ビームフォーミングを行う装置であるビームフォーマでは、或る方向θ０から到来する信号に関する伝搬遅延を補償するように、δ＝ｄｓｉｎθ０／ｃ（ｃは音速）だけ、一方のマイクロホン信号を遅延させ、その出力信号を他方のマイクロホン信号と加算または減算する。
加算器の入力では、方向θ０から到来する信号の位相が一致する。従って、加算器の出力において、方向θ０から到来した信号は強調される。一方、θ０以外の方向から到来した信号は、互いに位相が一致しないため、θ０から到来した信号ほど強調されることはない。その結果、加算器出力を用いるビームフォーマは、θ０にビーム（Ｂｅａｍ：特に感度の高い方向）を有する指向性を形成する。対照的に、減算器では、方向θ０から到来する信号が完全にキャンセルされる。従って、減算器出力を用いるビームフォーマは、θ０にヌル（Ｎｕｌｌ：特に感度の低い方向）を有する指向性を形成する。
このように遅延と加算のみを行うビームフォーマを、遅延和ビームフォーマと呼ぶ。また、ビーム方向の制御をビームステアリング、ヌル方向の制御をヌルステアリングという。ビームを目標信号方向にステアリングし、ヌルを不要信号方向にステアリングすることにより、目標信号を強調し、不要信号を抑圧することができる。
以上はマイクロホン２個と遅延器と加減算器のみによる最も簡単な構成のビームフォーマを例に説明してきたが、当然、マイクロホン数を増加し、遅延器だけでなく一般的なフィルタを用いた方が高性能になる。多数のマイクロホンによって、空間的な自由度が高まり、鋭い指向性を得易くなるからである。また、フィルタの採用により、周波数と指向性の関係を変化させることができるからである。
ビームフォーミングにおけるこれまでの研究では、線形な信号処理に基づく手法が多い。線形処理を用いたビームフォーミングには、大きく分けて、固定型と適応型の２種類がある。前者は固定ビームフォーミング、後者は適応ビームフォーミングと呼ばれる。
固定ビームフォーミングは、信号到来方向など事前の知識のみから設計されるビームフォーミングで、比較的演算量が少なく、実現が容易である。信号到来方向が複数あり得る場合でも、フィルタ係数を信号到来方向に対応した数だけ用意しておき、切り換えるなど、制御も比較的容易である。空間分離能力を決定するビームの鋭さは、基本的には、アレイのサイズと波長の関係に支配される。この基本的な限界を超えるために、ビームだけでなく、ヌルの配置を工夫する超指向性（Ｓｕｐｅｒ Ｄｉｒｅｃｔｉｖｉｔｙ）と呼ばれる手法も提案されている。
適応ビームフォーミングは、ビーム制御より主にヌルを制御する技術であり、雑音源の方向にヌルを適応的に向けることによって雑音を除去する。固定ビームフォーミングと比較して、アレイサイズが小さい場合や、マイクロホン数が少ない場合でも、雑音除去性能が高いという特徴がある。しかし、目標音到来方向に誤差がある場合などに、雑音とともに目標音も除去されてしまう可能性がある。その対策を施したものは、誤差などに対して性能が頑健（ロバスト）であることから、ロバスト適応ビームフォーミングと呼ばれている。例えば、一般化サイドローブキャンセラのブロッキング行列において、固定ビームフォーマ出力を入力信号としたタップ係数拘束適応フィルタを用いることにより、適応フィルタで様々な誤差の影響を吸収し得るようにしたもの（例えば 宝珠山、外１名、「ブロッキング行列にタップ係数拘束適応フィルタを用いたロバスト適応ビームフォーマ」、信学技報、社団法人電子情報通信学会、１９９５年１月、ＣＳ９４−１８９，ＤＳＰ９４−１１１、ｐ８５−９２を参照。以下、文献１とする。）、ビームフォーマのフィルタにより形成される指向性のディップ方向を音源方向として推定することにより、２ｃｈと少ないチャネル数の場合でも音源を追尾し、目的方向の許容誤差を大きくし得るようにしたもの（例えば 永田仁史、外１名、「２ｃｈビームフォーマによる雑音抑圧処理に関する検討」、日本音響学会講演論文集、平成９年３月、２−Ｐ−１９、ｐ６１１−６１２を参照。以下、文献２とする。）などが、提案されている。
マイクロホンアレイにおいては、前述したようにマイクロホンの数が多いほど、空間的な自由度が増えるため、性能が向上する。しかし、マイクロホン自体だけでなく、マイクロホンアンプ、配線、ＡＤ変換器などが増えるため、コストが高くなる。また、携帯電話機など実際に適用する装置によってはスペースの制約上、設置できるマイクロホン数が自ずと制限される場合も多い。このようなことから、少ない数のマイクロホンで如何に性能の良いマイクロホンアレイを実現するかが、アレイ装置の実用化に際しての課題の１つになっている。
少ない数のマイクロホンで信号分離、雑音除去等の性能向上を目指す従来のアプローチは、その殆どが信号処理アルゴリズムの改良によるものである。前述した文献１、２もその一例である。このような信号処理アルゴリズムは今後も重要な研究課題であるが、それと同程度にマイクロホンの配置構造からのアプローチが重要である。何故なら、マイクロホン数が少ない場合、特に最小の２個の場合は空間的な自由度が極端に少なく、鋭い空間分離能力が得られないため、目標音源の方向に感度を高くしようとすると、目標音源以外の方向に対しても感度が高くなってしまい、信号処理アルゴリズムの改良だけでは充分な性能を確保するのが難しいからである。しかるに、信号処理アルゴリズムの限界を考慮して、マイクロホンの配置構造によって性能向上を図った従来技術は皆無であり、マイクロホンの配置構造から性能向上を図ろうとするアプローチすら見られないのが現状である。
本発明はこのような事情に鑑みて提案されたものであり、その目的は、センサの配置構造によって、信号分離、雑音除去等の性能向上を図ったアレイ装置を提供することにある。
マイクロホンアレイは、複数のマイクロホンを空間的に異なる位置に設置し、伝搬経路の違いによる位相差など、空間的な情報を利用して、信号処理を施すことにより、信号分離や雑音除去などを実現する。信号処理の基本は、伝搬遅延時間の差を利用したビームフォーミング（指向性制御）である。
ビームフォーミングの基本原理を、２マイクロホンの場合を例に図３８を参照して説明する。特性が全く等しい２個の全指向性マイクロホンを間隔ｄで配置し、これらに対して平面波が方向θから到来する状況を考える。この平面波は各マイクロホンにおいて、経路差ｄｓｉｎθの分だけ、伝搬遅延時間が異なる信号として受信される。ビームフォーミングを行う装置であるビームフォーマでは、或る方向θ０から到来する信号に関する伝搬遅延を補償するように、δ＝ｄｓｉｎθ０／ｃ（ｃは音速）だけ、一方のマイクロホン信号を遅延させ、その出力信号を他方のマイクロホン信号と加算または減算する。
加算器の入力では、方向θ０から到来する信号の位相が一致する。従って、加算器の出力において、方向θ０から到来した信号は強調される。一方、θ０以外の方向から到来した信号は、互いに位相が一致しないため、θ０から到来した信号ほど強調されることはない。その結果、加算器出力を用いるビームフォーマは、θ０にビーム（Ｂｅａｍ：特に感度の高い方向）を有する指向性を形成する。対照的に、減算器では、方向θ０から到来する信号が完全にキャンセルされる。従って、減算器出力を用いるビームフォーマは、θ０にヌル（Ｎｕｌｌ：特に感度の低い方向）を有する指向性を形成する。
このように遅延と加算のみを行うビームフォーマを、遅延和ビームフォーマと呼ぶ。また、ビーム方向の制御をビームステアリング、ヌル方向の制御をヌルステアリングという。ビームを目標信号方向にステアリングし、ヌルを不要信号方向にステアリングすることにより、目標信号を強調し、不要信号を抑圧することができる。
以上はマイクロホン２個と遅延器と加減算器のみによる最も簡単な構成のビームフォーマを例に説明してきたが、当然、マイクロホン数を増加し、遅延器だけでなく一般的なフィルタを用いた方が高性能になる。多数のマイクロホンによって、空間的な自由度が高まり、鋭い指向性を得易くなるからである。また、フィルタの採用により、周波数と指向性の関係を変化させることができるからである。
ビームフォーミングにおけるこれまでの研究では、線形な信号処理に基づく手法が多い。線形処理を用いたビームフォーミングには、大きく分けて、固定型と適応型の２種類がある。前者は固定ビームフォーミング、後者は適応ビームフォーミングと呼ばれる。
固定ビームフォーミングは、信号到来方向など事前の知識のみから設計されるビームフォーミングで、比較的演算量が少なく、実現が容易である。信号到来方向が複数あり得る場合でも、フィルタ係数を信号到来方向に対応した数だけ用意しておき、切り換えるなど、制御も比較的容易である。空間分離能力を決定するビームの鋭さは、基本的には、アレイのサイズと波長の関係に支配される。この基本的な限界を超えるために、ビームだけでなく、ヌルの配置を工夫する超指向性（Ｓｕｐｅｒ Ｄｉｒｅｃｔｉｖｉｔｙ）と呼ばれる手法も提案されている。
適応ビームフォーミングは、ビーム制御より主にヌルを制御する技術であり、雑音源の方向にヌルを適応的に向けることによって雑音を除去する。固定ビームフォーミングと比較して、アレイサイズが小さい場合や、マイクロホン数が少ない場合でも、雑音除去性能が高いという特徴がある。しかし、目標音到来方向に誤差がある場合などに、雑音とともに目標音も除去されてしまう可能性がある。その対策を施したものは、誤差などに対して性能が頑健（ロバスト）であることから、ロバスト適応ビームフォーミングと呼ばれている。例えば、一般化サイドローブキャンセラのブロッキング行列において、固定ビームフォーマ出力を入力信号としたタップ係数拘束適応フィルタを用いることにより、適応フィルタで様々な誤差の影響を吸収し得るようにしたもの（例えば 宝珠山、外１名、「ブロッキング行列にタップ係数拘束適応フィルタを用いたロバスト適応ビームフォーマ」、信学技報、社団法人電子情報通信学会、１９９５年１月、ＣＳ９４−１８９，ＤＳＰ９４−１１１、ｐ８５−９２を参照。以下、文献１とする。）、ビームフォーマのフィルタにより形成される指向性のディップ方向を音源方向として推定することにより、２ｃｈと少ないチャネル数の場合でも音源を追尾し、目的方向の許容誤差を大きくし得るようにしたもの（例えば 永田仁史、外１名、「２ｃｈビームフォーマによる雑音抑圧処理に関する検討」、日本音響学会講演論文集、平成９年３月、２−Ｐ−１９、ｐ６１１−６１２を参照。以下、文献２とする。）などが、提案されている。
マイクロホンアレイにおいては、前述したようにマイクロホンの数が多いほど、空間的な自由度が増えるため、性能が向上する。しかし、マイクロホン自体だけでなく、マイクロホンアンプ、配線、ＡＤ変換器などが増えるため、コストが高くなる。また、携帯電話機など実際に適用する装置によってはスペースの制約上、設置できるマイクロホン数が自ずと制限される場合も多い。このようなことから、少ない数のマイクロホンで如何に性能の良いマイクロホンアレイを実現するかが、アレイ装置の実用化に際しての課題の１つになっている。
少ない数のマイクロホンで信号分離、雑音除去等の性能向上を目指す従来のアプローチは、その殆どが信号処理アルゴリズムの改良によるものである。前述した文献１、２もその一例である。このような信号処理アルゴリズムは今後も重要な研究課題であるが、それと同程度にマイクロホンの配置構造からのアプローチが重要である。何故なら、マイクロホン数が少ない場合、特に最小の２個の場合は空間的な自由度が極端に少なく、鋭い空間分離能力が得られないため、目標音源の方向に感度を高くしようとすると、目標音源以外の方向に対しても感度が高くなってしまい、信号処理アルゴリズムの改良だけでは充分な性能を確保するのが難しいからである。しかるに、信号処理アルゴリズムの限界を考慮して、マイクロホンの配置構造によって性能向上を図った従来技術は皆無であり、マイクロホンの配置構造から性能向上を図ろうとするアプローチすら見られないのが現状である。
本発明はこのような事情に鑑みて提案されたものであり、その目的は、センサの配置構造によって、信号分離、雑音除去等の性能向上を図ったアレイ装置を提供することにある。
本発明のアレイ装置は、目標信号源の信号を検出するための複数のセンサと、少なくとも１つの雑音源と、前記複数のセンサの出力信号を入力して前記目標信号源の方向から到来する信号を通過させるような第１の指向性を有する信号を生成する第１の回路と、前記複数のセンサの出力信号を入力して前記目標信号源の方向から到来する信号を遮断するような第２の指向性を有する信号を生成する第２の回路と、前記第１の回路の出力信号と前記第２の回路の出力信号とを用いて前記第１の回路の出力信号を補正することにより前記目標信号源の方向から到来する信号を強調する第３の回路とを備えたアレイ装置において、前記複数のセンサの位置と前記目標信号源の方向（目標信号の到来方向）とを用いて算出される前記第２の指向性のヌルの場所に前記雑音源が位置しないように前記複数のセンサが配置されていることを特徴とする。より具体的には、以下のような構成を有する。
第１のアレイ装置にあっては、前記センサが２個であって、当該２個のセンサを結ぶ線分を軸とし、該線分の中点から前記目標信号源の方向に伸びる半直線を回転させたときにできる円錐面の近傍の場所に前記雑音源が位置しないように前記２個のセンサが配置されている。
第２のアレイ装置は、前記センサが３個以上であって、そのうちの任意の２個のセンサを定点とし目標信号源の位置を含むような双曲面の全てから近傍の位置となる場所に前記雑音源が位置しないように前記３個以上のセンサが配置されている。
第３のアレイ装置は、前記センサが２個であって、当該２個のセンサを定点とし、前記目標信号源の位置を含むような双曲面の近傍の場所に前記雑音源が位置しないように前記２個のセンサが配置されている。
第４のアレイ装置は、前記センサが３個以上であって、そのうちの任意の２個のセンサを結ぶ線分を軸とし該線分の中点から前記目標信号源の方向に伸びる半直線を回転させたときにできる円錐面の全てから近傍の位置となる場所に前記雑音源が位置しないように前記３個以上のセンサが配置されている。
また本発明の携帯端末は、目標信号源の信号を検出するための複数のセンサと、少なくとも１つの雑音源と、前記複数のセンサの出力信号を入力して前記目標信号源の方向から到来する信号を通過させるような第１の指向性を有する信号を生成する第１の回路と、前記複数のセンサの出力信号を入力して前記目標信号源の方向から到来する信号を遮断するような第２の指向性を有する信号を生成する第２の回路と、前記第１の回路の出力信号と前記第２の回路の出力信号とを用いて前記第１の回路の出力信号を補正することにより前記目標信号源の方向から到来する信号を強調する第３の回路とを備えたアレイ装置を有する携帯電話機や携帯型のコンピュータなどの携帯端末であって、前記複数のセンサの位置と前記目標信号源の方向（目標信号の到来方向）とを用いて算出される前記第２の指向性のヌルの場所に前記雑音源が位置しないように前記複数のセンサが配置され、前記センサが送話音声を収音する音声センサ、前記雑音源が受話音声を出力する音声出力器であることを特徴とする。
本発明のアレイ装置にあっては、第１の回路によって、複数のセンサの出力信号を入力して目標信号源の方向から到来する信号を通過させるような第１の指向性を有する信号を生成し、第２の回路によって、複数のセンサの出力信号を入力して目標信号源の方向から到来する信号を遮断するような第２の指向性を有する信号を生成し、第３の回路によって、第１の回路の出力信号と第２の回路の出力信号とを用いて第１の回路の出力信号を補正することにより目標信号源の方向から到来する信号を強調する。つまり、第１の回路だけでは、目標信号源の方向から到来する信号を通過させるような鋭い指向性を有する信号を直接生成することができないため、第２の回路によって目標信号源の方向から到来する信号を遮断するような（即ち目標信号源の方向にヌルを持つ）第２の指向性を有する信号を別に生成し、この第２の回路の出力信号で第１の回路の出力信号を補正する。ここで、本発明にあっては、第２の指向性のヌルの場所に雑音源が位置しないように複数のセンサが配置されているため、第２の回路の出力信号では目標信号源の方向から到来する信号が遮断される一方、雑音源の方向から到来する信号は通過させることができる。このため、第３の回路によって、第１の回路の出力信号から第２の回路の出力信号を減算する等の補正処理を行うことで、雑音源の方向から到来する信号を充分に抑圧し、目標信号源の方向から到来する信号は強調した信号を生成することができる。
第１のアレイ装置にあっては、前記センサが２個であって、当該２個のセンサを結ぶ線分を軸とし、該線分の中点から前記目標信号源の方向に伸びる半直線を回転させたときにできる円錐面の近傍の場所に前記雑音源が位置しないように前記２個のセンサが配置されている。
第２のアレイ装置は、前記センサが３個以上であって、そのうちの任意の２個のセンサを定点とし目標信号源の位置を含むような双曲面の全てから近傍の位置となる場所に前記雑音源が位置しないように前記３個以上のセンサが配置されている。
第３のアレイ装置は、前記センサが２個であって、当該２個のセンサを定点とし、前記目標信号源の位置を含むような双曲面の近傍の場所に前記雑音源が位置しないように前記２個のセンサが配置されている。
第４のアレイ装置は、前記センサが３個以上であって、そのうちの任意の２個のセンサを結ぶ線分を軸とし該線分の中点から前記目標信号源の方向に伸びる半直線を回転させたときにできる円錐面の全てから近傍の位置となる場所に前記雑音源が位置しないように前記３個以上のセンサが配置されている。
また本発明の携帯端末は、目標信号源の信号を検出するための複数のセンサと、少なくとも１つの雑音源と、前記複数のセンサの出力信号を入力して前記目標信号源の方向から到来する信号を通過させるような第１の指向性を有する信号を生成する第１の回路と、前記複数のセンサの出力信号を入力して前記目標信号源の方向から到来する信号を遮断するような第２の指向性を有する信号を生成する第２の回路と、前記第１の回路の出力信号と前記第２の回路の出力信号とを用いて前記第１の回路の出力信号を補正することにより前記目標信号源の方向から到来する信号を強調する第３の回路とを備えたアレイ装置を有する携帯電話機や携帯型のコンピュータなどの携帯端末であって、前記複数のセンサの位置と前記目標信号源の方向（目標信号の到来方向）とを用いて算出される前記第２の指向性のヌルの場所に前記雑音源が位置しないように前記複数のセンサが配置され、前記センサが送話音声を収音する音声センサ、前記雑音源が受話音声を出力する音声出力器であることを特徴とする。
本発明のアレイ装置にあっては、第１の回路によって、複数のセンサの出力信号を入力して目標信号源の方向から到来する信号を通過させるような第１の指向性を有する信号を生成し、第２の回路によって、複数のセンサの出力信号を入力して目標信号源の方向から到来する信号を遮断するような第２の指向性を有する信号を生成し、第３の回路によって、第１の回路の出力信号と第２の回路の出力信号とを用いて第１の回路の出力信号を補正することにより目標信号源の方向から到来する信号を強調する。つまり、第１の回路だけでは、目標信号源の方向から到来する信号を通過させるような鋭い指向性を有する信号を直接生成することができないため、第２の回路によって目標信号源の方向から到来する信号を遮断するような（即ち目標信号源の方向にヌルを持つ）第２の指向性を有する信号を別に生成し、この第２の回路の出力信号で第１の回路の出力信号を補正する。ここで、本発明にあっては、第２の指向性のヌルの場所に雑音源が位置しないように複数のセンサが配置されているため、第２の回路の出力信号では目標信号源の方向から到来する信号が遮断される一方、雑音源の方向から到来する信号は通過させることができる。このため、第３の回路によって、第１の回路の出力信号から第２の回路の出力信号を減算する等の補正処理を行うことで、雑音源の方向から到来する信号を充分に抑圧し、目標信号源の方向から到来する信号は強調した信号を生成することができる。
図１は、本発明を適用したマイクロホンアレイの一例のブロック図である。
図２は、本発明の原理説明図である。
図３は、本発明の原理説明図である。
図４は、本発明の原理説明図である。
図５は、本発明の原理説明図である。
図６は、本発明の原理説明図である。
図７は、本発明を適用した一具体例である折り畳み型の携帯電話機の外観斜視図である。
図８は、携帯電話機をハンドセットで使用する際の話者の口元と携帯電話機との位置関係を説明する図である。
図９は、携帯電話機をハンズフリーで使用する際の話者の口元と携帯電話機との位置関係を説明する図である。
図１０は、本発明の一具体例である折り畳み型の携帯電話機の外観斜視図である。
図１１は、本発明の一具体例である折り畳み型携帯電話機をハンドセットとして使用した際の円錐面、第２の指向性および最終的な指向性の模式図である。
図１２は、本発明のの一具体例である折り畳み型携帯電話機をハンドセットとして使用した際の円錐面、第２の指向性および最終的な指向性の模式図である。
図１３は、本発明のの一具体例である折り畳み型携帯電話機をハンズフリー電話として使用した際の円錐面、第２の指向性および最終的な指向性の模式図である。
図１４は、上側筺体の表面上部にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において下側筐体の表面に２個のマイクロホンを配置する場合の好適な例を示す模式図である。
図１５は、上側筐体の表面上部にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において下側筐体の表面に２個のマイクロホンを配置する場合の好適な例を示す模式図である。
図１６は、上側筐体の表面上部にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において下側筐体の表面に２個のマイクロホンを配置する場合の好適な例を示す模式図である。
図１７は、上側筐体の表面上部にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において下側筐体の表面に２個のマイクロホンを配置する場合の不適当な例を示す模式図である。
図１８は、上側筐体の表面上部にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において上側筐体および下側筐体の表面のそれぞれにマイクロホンを配置する場合の好適な例を示す模式図である。
図１９は、上側筐体の表面上部にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において上側筐体および下側筐体の表面のそれぞれにマイクロホンを配置する場合の好適な例を示す模式図である。
図２０は、上側筐体の表面上部にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において上側筐体および下側筐体の表面のそれぞれにマイクロホンを配置する場合の好適な例を示す模式図である。
図２１は、上側筐体の表面上部にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において下側筐体の表面と上側筐体の裏面のそれぞれにマイクロホンを配置する場合の好適な例を示す模式図である。
図２２は、上側筐体の表面上部にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において下側筐体の表面と下側筐体の裏面のそれぞれにマイクロホンを配置する場合の好適な例を示す模式図である。
図２３は、上側筐体の表面上部にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において下側筐体の表面と下側筐体の裏面のそれぞれにマイクロホンを配置する場合の好適な例を示す模式図である。
図２４は、上側筐体の裏面にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において２個のマイクロホンを配置する好適な例を示す模式図である。
図２５は、上側筐体の裏面にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において２個のマイクロホンを配置する好適な例を示す模式図である。
図２６は、上側筐体の裏面にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において２個のマイクロホンを配置する好適な例を示す模式図である。
図２７は、上側筐体の裏面にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において２個のマイクロホンを配置する好適な例を示す模式図である。
図２８は、上側筐体の裏面にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において２個のマイクロホンを配置する好適な例を示す模式図である。
図２９は、上側筐体の裏面にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において２個のマイクロホンを配置する好適な例を示す模式図である。
図３０は、上側筐体の裏面にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において２個のマイクロホンを配置する好適な例を示す模式図である。
図３１は、上側筐体の裏面にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において２個のマイクロホンを配置する好適な例を示す模式図である。
図３２は、上側筐体の裏面にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において２個のマイクロホンを配置する好適な例を示す模式図である。
図３３は、上側筐体の裏面にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において２個のマイクロホンを配置する好適な例を示す模式図である。
図３４は、下側筐体の裏面にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において２個のマイクロホンを配置する好適な例を示す模式図である。
図３５は、下側筐体の裏面にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において２個のマイクロホンを配置する好適な例を示す模式図である。
図３６は、下側筐体の裏面にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において２個のマイクロホンを配置する好適な例を示す模式図である。
図３７は、下側筐体の裏面にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において２個のマイクロホンを配置する好適な例を示す模式図である。
図３８は、ビームフォーミングの基本原理の説明図である。
図２は、本発明の原理説明図である。
図３は、本発明の原理説明図である。
図４は、本発明の原理説明図である。
図５は、本発明の原理説明図である。
図６は、本発明の原理説明図である。
図７は、本発明を適用した一具体例である折り畳み型の携帯電話機の外観斜視図である。
図８は、携帯電話機をハンドセットで使用する際の話者の口元と携帯電話機との位置関係を説明する図である。
図９は、携帯電話機をハンズフリーで使用する際の話者の口元と携帯電話機との位置関係を説明する図である。
図１０は、本発明の一具体例である折り畳み型の携帯電話機の外観斜視図である。
図１１は、本発明の一具体例である折り畳み型携帯電話機をハンドセットとして使用した際の円錐面、第２の指向性および最終的な指向性の模式図である。
図１２は、本発明のの一具体例である折り畳み型携帯電話機をハンドセットとして使用した際の円錐面、第２の指向性および最終的な指向性の模式図である。
図１３は、本発明のの一具体例である折り畳み型携帯電話機をハンズフリー電話として使用した際の円錐面、第２の指向性および最終的な指向性の模式図である。
図１４は、上側筺体の表面上部にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において下側筐体の表面に２個のマイクロホンを配置する場合の好適な例を示す模式図である。
図１５は、上側筐体の表面上部にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において下側筐体の表面に２個のマイクロホンを配置する場合の好適な例を示す模式図である。
図１６は、上側筐体の表面上部にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において下側筐体の表面に２個のマイクロホンを配置する場合の好適な例を示す模式図である。
図１７は、上側筐体の表面上部にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において下側筐体の表面に２個のマイクロホンを配置する場合の不適当な例を示す模式図である。
図１８は、上側筐体の表面上部にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において上側筐体および下側筐体の表面のそれぞれにマイクロホンを配置する場合の好適な例を示す模式図である。
図１９は、上側筐体の表面上部にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において上側筐体および下側筐体の表面のそれぞれにマイクロホンを配置する場合の好適な例を示す模式図である。
図２０は、上側筐体の表面上部にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において上側筐体および下側筐体の表面のそれぞれにマイクロホンを配置する場合の好適な例を示す模式図である。
図２１は、上側筐体の表面上部にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において下側筐体の表面と上側筐体の裏面のそれぞれにマイクロホンを配置する場合の好適な例を示す模式図である。
図２２は、上側筐体の表面上部にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において下側筐体の表面と下側筐体の裏面のそれぞれにマイクロホンを配置する場合の好適な例を示す模式図である。
図２３は、上側筐体の表面上部にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において下側筐体の表面と下側筐体の裏面のそれぞれにマイクロホンを配置する場合の好適な例を示す模式図である。
図２４は、上側筐体の裏面にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において２個のマイクロホンを配置する好適な例を示す模式図である。
図２５は、上側筐体の裏面にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において２個のマイクロホンを配置する好適な例を示す模式図である。
図２６は、上側筐体の裏面にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において２個のマイクロホンを配置する好適な例を示す模式図である。
図２７は、上側筐体の裏面にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において２個のマイクロホンを配置する好適な例を示す模式図である。
図２８は、上側筐体の裏面にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において２個のマイクロホンを配置する好適な例を示す模式図である。
図２９は、上側筐体の裏面にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において２個のマイクロホンを配置する好適な例を示す模式図である。
図３０は、上側筐体の裏面にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において２個のマイクロホンを配置する好適な例を示す模式図である。
図３１は、上側筐体の裏面にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において２個のマイクロホンを配置する好適な例を示す模式図である。
図３２は、上側筐体の裏面にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において２個のマイクロホンを配置する好適な例を示す模式図である。
図３３は、上側筐体の裏面にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において２個のマイクロホンを配置する好適な例を示す模式図である。
図３４は、下側筐体の裏面にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において２個のマイクロホンを配置する好適な例を示す模式図である。
図３５は、下側筐体の裏面にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において２個のマイクロホンを配置する好適な例を示す模式図である。
図３６は、下側筐体の裏面にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において２個のマイクロホンを配置する好適な例を示す模式図である。
図３７は、下側筐体の裏面にスピーカを有する折り畳み型の携帯電話機において２個のマイクロホンを配置する好適な例を示す模式図である。
図３８は、ビームフォーミングの基本原理の説明図である。
次に本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１を参照すると、本発明を適用したマイクロホンアレイの一例は、目標音源１１の音声信号を収音するための２個のマイクロホン１、２と、雑音源１２と、マイクロホン１、２の出力信号３、４を入力して目標音源１１の方向から到来する信号を通過させるような第１の指向性を有する信号５を生成する第１の回路６と、マイクロホン１、２の出力信号３、４を入力して目標音源１１の方向から到来する信号を遮断するような第２の指向性を有する信号７を生成する第２の回路８と、第１の回路６の出力信号５と第２の回路８の出力信号７とを入力して第１の回路６の出力信号５を補正することにより目標音源１１の方向から到来する信号を強調した信号９を出力する第３の回路１０とを含んで構成される。ここで、目標音源１１および雑音源１２の位置は既知で、目標音源１１および雑音源１２から到来する信号の方向はほぼ固定されているものとする。
第１の回路６、第２の回路８および第３の回路１０は、従来のマイクロホンアレイで使われているものと基本的に同じものを使用することができる。例えば、第１の回路６は、マイクロホン１、２の出力信号３、４をそれぞれ遅延して加算するディレイアンドサムビームフォーマや、マイクロホン１、２の出力信号３、４をそれぞれフィルタリングして加算するフィルタアンドビームフォーマなどの固定ビームフォーマで実現することができる。また、第２の回路８は、例えば、マイクロホン１、２の出力信号を入力し、適応信号処理を用いて、目標音源１１の信号が減衰され、目標信号以外の信号、すなわち雑音源１２の信号が強調された信号群を生成して出力するブロッキング行列で実現することができる。さらに、第３の回路１０は、例えば、第１の回路６を構成する固定ビームフォーマの出力信号５と、第２の回路８を構成するブロッキング行列の出力信号群とを受け、固定ビームフォーマの出力を遅延した信号から、ブロッキング行列の出力信号群に相関がある成分を除去する多入力キャンセラで実現することができる。これらの固定ビームフォーマ、ブロッキング行列および多入力キャンセラの詳しい構成については、例えば特許第３２１６７０４号に記載されている。
本実施の形態のマイクロホンアレイの特徴は、マイクロホン１、２の位置と目標音源１１の方向（目標信号の到来方向）とを用いて算出される第２の回路８の第２の指向性のヌルの場所に、雑音源１２が位置しないようにマイクロホン１、２が配置されている点にある。以下、この点を中心に本発明の原理を説明する。
第２の回路８は、目標音源１１の方向から到来する信号を遮断するような第２の指向性を有する信号７を生成するのが目的であるため、ヌルが目標音源１１の方向にできるような第２の指向性を、マイクロホン１、２の位置と目標音源１１の方向（目標信号の到来方向）に基づいて生成する。このとき、生成した第２の指向性のヌルの場所に雑音源１２が位置することになると、雑音源１２からの信号を充分通過させるような信号７が得られず、結果として、第３の回路１０において雑音源１２の信号を充分に抑圧した信号９が得られなくなる。
一般に、２個のマイクロホン１、２を定点とし、目標音源１１の位置を含むような双曲面の近傍の場所は、音波伝搬経路の差が目標音源１１と同じになるため、２個のマイクロホン１、２の出力信号３、４を信号処理して、目標音源１１の信号を強めようとすると同じく強調され、反対に目標音源１１の信号を抑制しようとすると同じく抑制される。従って、前記双曲面の近傍の場所に雑音源１２が位置するように２個のマイクロホン１、２が配置されている場合には、第２の回路８において、ヌルが目標音源１１の方向にできるような第２の指向性を生成すると、雑音源１２がヌルの場所に位置する。このため、前記双曲面の近傍の場所に雑音源１２が位置しないように２個のマイクロホン１、２を配置する必要がある。
目標音源１１および雑音源１２が２個のマイクロホン１、２から充分離れていれば、前記の双曲面の代わりに、近似として、その双曲面の漸近面である円錐面を用いることができる。この円錐面は、２個のマイクロホン１、２を結ぶ線分を軸とし、その線分の中点から目標音源１１の方向に伸びる半直線を回転させたときにできる円錐面である。以下では、このような円錐面を用い、図を参照しながら本発明の原理を説明する。なお、以降の説明では指向性の図を用いているが、本発明の原理の説明において重要なのは、指向性のヌルおよびビームがどの方向を向いているかにあるため、指向性の図は簡略化してあり、ヌルの鋭さ（太さ）およびビームの鋭さ（太さ）は実際の指向性を正確に表すものではない。
今、図２に示されるように目標音源１１と雑音源１２とが既知の或る位置に存在している状況を想定する。２つのマイクロホン１、２を、例えば図２に示されるように配置した場合、２個のマイクロホン１、２を結ぶ線分を軸とし、その線分の中点から目標音源１１の方向に伸びる半直線を回転させたときにできる円錐面は、符号１０１に示すものとなり、円錐面１０１の近傍に雑音源１２が位置する。符号１０２は、第２の回路８が生成した第２の指向性の例を示しており、ヌルを目標音源１１の方向にできるようにして目標音源１１からの信号を遮断している。しかし、２個のマイクロホン１、２でつくられる指向性は、必ず、マイクロホン１とマイクロホン２とを結んだ線分を軸として回転対称になり、平面で見ると、図２のように回転軸について線対称になる。図２のマイクロホン配置では、雑音源１２が円錐面１０１の近傍に位置しているため、雑音源１２も第２の指向性１０２のヌルの場所に位置することになり、第２の回路８の出力信号７では、目標音源１１の信号だけでなく、雑音源１２の信号も遮断されてしまう。この結果、最終的な指向性（第３の回路１０の出力信号９の指向性）は、例えば符号１０３に示すものとなり、雑音除去性能が低下する。
これに対し、２つのマイクロホン１、２を、例えば図３に示されるように配置した場合、円錐面は、符号１１１に示すものとなり、円錐面１１１の近傍に雑音源１２が位置しなくなる。従って、ヌルが目標音源１１の方向にできる、例えば符号１１２に示すような第２の指向性を第２の回路８で生成すると、雑音源１２がヌルの場所に位置することはないので、目標音源１１からの信号は遮断でき、雑音源１２からの信号は通過させることができる。この結果、最終的な指向性は、例えば符号１１３に示すものとなり、充分な雑音除去性能が得られる。
図３はマイクロホン１、２の適切な配置の一例を示しているに過ぎない。要は、前述した円錐面の近傍に雑音源１２が位置しないような配置であれば良い。例えば図４に示すように、目標音源１１と雑音源１２の間に、円錐面１２１の近傍に雑音源１２が位置しないように２個のマイクロホン１、２を配置するようにしても良い。この場合、第２の指向性を符号１２２のようにすると、最終的な指向性は符号１２３のようになる。また、図５に示すように、マイクロホン１、２を結ぶ線分の延長線上に目標音源１２が位置するようにマイクロホン１、２を配置した場合、円錐面１３１は半直線になるため、この半直線の近傍に雑音源１２が存在しなければ良いことになる。この場合、第２の指向性は例えば符号１３２のようになる。さらに、図６に示すように、マイクロホン１、２を結ぶ線分の垂直二等分線上に目標音源１１が位置するようにマイクロホン１、２を配置した場合、円錐面１４１は円盤になるため、円盤の近傍に雑音源１２が存在しなければ良いことになる。この場合、第２の指向性は例えば符号１４２のようになり、最終的な指向性は例えば符号１４３のようになる。
以上、円錐面を用いて本発明の原理を説明したが、２個のマイクロホン１、２の間に雑音源１２が存在する場合のように目標音源１１および雑音源１２が２個のマイクロホン１、２から充分離れていない場合には、円錐面でなく、前述したように、２個のマイクロホン１、２を定点とし、目標音源１１の位置を含むような双曲面で考える必要がある。つまり、双曲面の近傍の場所に雑音源１２が位置しないように２個のマイクロホン１、２を配置する必要がある。
また、ここまでは２個のマイクロホンを用いたマイクロホンアレイについて本発明を適用したが、３個以上のｎ個のマイクロホンを用いたマイクロホンアレイに対しても本発明は適用可能である。
ｎ個のマイクロホンを用いたマイクロホンアレイの場合、そのうちの任意の２個のマイクロホンを定点とし、目標音源１１の位置を含むような双曲面は、合計ｎＣ２個作られる。任意の２個のマイクロホンのペア毎に第２の指向性を生成し得るので、たとえ１個、２個、…、ｎＣ２−１個の双曲面の近傍の場所に雑音源１２が位置していても、その位置が他の双曲面の近傍でなければ当該他の双曲面を形成する２個のマイクロホンの出力信号に雑音源１２の信号が現れる。つまり、一般的には、ｎ個のマイクロホンを用いたマイクロホンアレイの場合、任意の２個のマイクロホンを定点とし目標音源１１の位置を含むような双曲面の全てから近傍の位置となる場所に雑音源１２が位置しないように前記ｎ個のマイクロホンを配置すれば良い。また、円錐面で近似できる場合には、ｎ個のマイクロホンのうちの任意の２個のマイクロホンを結ぶ線分を軸とし、該線分の中点から目標音源１１の方向に伸びる半直線を回転させたときにできる円錐面の全てから近傍の位置となる場所に雑音源１２が位置しないように前記ｎ個のマイクロホンを配置すれば良い。
次に上記の実施の形態にかかるマイクロホンアレイを携帯電話機に適用した具体例について説明する。本具体例では、目標音源１１は話者の口に相当し、マイクロホン１、２で送話音声を収音する。また、雑音源１２は受話音声を出力するスピーカ（レシーバ）に相当する。
図７を参照すると、本発明の一具体例である携帯電話機２０１は、上側筐体２０２と下側筐体２０３とをヒンジ２０４を介して折り畳み自在に結合した折り畳み型携帯電話機である。上側筐体２０２には、折り畳んだ状態で下側筺体２０３に対向する面である表面に、ヒンジ２０４に近い方から順に、表示部２０５、スピーカ（レシーバ）２０６が配設されている。また下側筐体２０３には、折り畳んだ状態で上側筐体２０２に対向する面である表面に、操作部２０７が配置されている。本具体例の目的は、このような形状の携帯電話機２０１に対して図１の２個のマイクロホン１、２を適切な位置に配置することによって、普通の電話の使い方としてのハンドセットの場合とハンズフリーの場合とのどちらか一方又は双方において、携帯電話機２０１の収音性能を向上させることである。
一般に利用者は、携帯電話機２０１をハンドセットとして使って通話相手と会話する場合、スピーカ２０６を耳にあてがう。従って、携帯電話機２０１の上側筐体２０２の端部２１０の位置はほぼ一定になる。他方、携帯電話機２０１の下側筐体２０３の端部２１１の位置は、利用者個人の携帯電話機の持ち方の癖などによって変化するが、或る一定の範囲に収まる。図８の模式図は、携帯電話機２０１を右手で把持し、スピーカ２０６を右耳にあてがって通話相手と話しをする場合の携帯電話機２０１の異なる姿勢の態様を示している。態様３０１は、携帯電話機２０１の端部２１１を首に近い場所に持ってきたときの姿勢を示し、態様３０２は、反対に端部２１１を鼻に近い場所に持ってきたときの姿勢を示す。また、一点鎖線３０３は、態様３０１から態様３０２へ、またその逆方向に姿勢が変化する際の携帯電話機２０１の端部２１１の軌跡を示す。一般に端部２１１は、耳にあてがわれたスピーカ２０６を中心とし、スピーカ２０６から端部２１１までの距離を半径とする球面に沿うものとなる。
このように携帯電話機２０１をハンドセットとして使用する場合、携帯電話機２０１の姿勢は或る程度変化するものの、その変化の範囲は限定されるため、携帯電話機の形状とスピーカ２０６の位置が固定されていれば、雑音源１２となる話者の口元の位置は概ね特定できる。このため、話者の口元とスピーカ２０６の位置とに基づいて、２個のマイクロホン１、２の配置場所を決定することで、ハンドセット時の携帯電話機２０１の収音性能を向上することができる。
他方、スピーカ２０６の音量を上げて携帯電話機２０１をハンズフリー電話として使用する場合、ハンドセットほど厳密には言えないが、口元のおおよその位置は特定される。その理由は、画面を見ながら話す、上側筐体２０２の裏面にカメラが装備されている場合にカメラを見ながら話すなど、携帯電話機２０１と話者の口元との位置関係がある程度特定できるからである。最も典型的なものとしてテレビ電話がある。テレビ電話機能を持つ携帯電話機の場合、表示部２０５は通話相手の顔などを表示するテレビ画面として使用し、図９に示すように、利用者は携帯電話機２０１の表示部２０５を顔の正面に置いて、ハンズフリー機能を使って相手の顔を見ながら会話する。この場合、話者の口元の位置はほぼ特定される。
図７に示した携帯電話機２０１に対して、ハンドセットおよびハンズフリーの双方に好適なマイクロホンの配置例を図１０に示す。この例は、携帯電話機２０１の下側筐体２０３の表面における操作部２０７とヒンジ２０４との間の箇所に第１のマイクロホン２０９を配置し、操作部２０７と端部２１１との間の箇所に第２のマイクロホン２０８を配置している。つまり、ヒンジ２０４の長手方向と直交する方向を縦方向とするとき、２個のマイクロホン２０８、２０９が縦方向に配設されている。また、この例では、２個のマイクロホン２０８、２０９と、スピーカ２０６のそれぞれの中心が同一面上に位置するようになっている。
図１０に示されるように２個のマイクロホン２０８、２０９を配置した場合に、２個のマイクロホン２０８、２０９を結ぶ線分を軸とし、その線分の中点から目標音源１１である話者の口元の方向に伸びる半直線を回転させたときにできる円錐面、第２の指向性および最終的な指向性が、ハンドセット時およびハンズフリー時にどのようになるのかを図１１乃至図１３に模式的に示す。図１１および図１２は携帯電話機２０１を図８に示したようにハンドセットとして使用した場合で、図１１は話者の顔を横方向から見た状態、図１２は話者の顔を正面から見た状態を示す。また、図１３は携帯電話機２０１を図９に示したようにハンズフリー電話として使用したときの状態を示す。図１１乃至図１３において、符号３１３が、２個のマイクロホン２０８、２０９を結ぶ線分を軸とし、その線分の中点から話者の口元の方向に伸びる半直線を回転させたときにできる円錐面である。ハンドセット時およびハンズフリー時とも、円錐面３１１の近傍に雑音源１２であるスピーカ２０６は位置しない。
従って、携帯電話機２０１に内蔵される図１の回路群における第２の回路８でヌルの位置が話者の口方向にできる図１１乃至図１３の符号３１２に例示するような第２の指向性を生成すると、スピーカ２０６はヌル以外の場所に位置する。このとき第３の回路１０によって得られる最終的な指向性は図１１乃至図１３の符号３１３に例示するものとなり、マイクロホン２０８、２０９を結んだ線分を軸とした回転対称に近い形状になる。従って、図８で説明したようにハンドセット使用時に携帯電話機２０１の姿勢が変化して、携帯電話機２０１の端部２１１が軌跡３１４（図８の軌跡２１１と同じ軌跡である）上を移動しても、図１１および図１２における指向性３１２のヌルの向き及び指向性３１３のビームの向きから分るように、常に話者の音声に対して高い感度を維持することができる。また、スピーカ２０６の音量を上げてハンズフリー電話として使用する場合も、図１３における指向性３１２のヌルの向き及び指向性３１３のビームの向きから分るように、スピーカ２０６の音を抑圧でき、話者の音声を感度良く収音することができる。
このように図１０の具体例のマイクロホン配置によれば、携帯電話機２０１をハンドセットとして使用する場合でも、ハンズフリー電話として使用する場合でも、高い収音性能が得られる。
図７に示した携帯電話機２０１に対してハンドセットおよびハンズフリーの双方で収音性能を高めることができるマイクロホン配置は図１０の具体例に限定されない。例えば、図１０の具体例では、２個のマイクロホン２０８、２０９を下側筐体２０３の表面に長い距離を置いて縦に並べたが、図１４に示すように２個のマイクロホン２０８、２０９を下側筐体２０３の表面に短い距離を置いて縦に配置するようにしても良く、図１５に示すように２個のマイクロホン２０８、２０９を下側筐体２０３の表面に長い距離を置いて斜めに配置したり、図１６に示すように短い距離で斜めに配置するようにしても良い。但し、一般にマイクロホン信号間の位相差が大きい方が信号分離は容易になるので、マイクロホン２０８、２０９間の距離が大きい図１０、図１５が性能的には有利である。また、図１５、図１６のようにマイクロホン２０８、２０９の配置が左右対称でない場合、携帯電話機２０１を左手で把持することを前提に指向性を設計すると右手で把持する場合に手によって隠されることによりマイクロホン２０９の感度が低下し、逆に右手で把持することを前提に指向性を設計すると左手で把持した場合の感度が低下するので、手でマイクロホンが隠されにくいように、図１０、図１４のように左右対称な位置に２個のマイクロホン２０８、２０９を配置するのが性能的には有利である。
これに対して、図１７に示すように、２個のマイクロホン２０８、２０９を横方向に並べる配置は望ましくない。その理由は、図８で説明した携帯電話機２０１の通常取り得る姿勢の範囲の一部において、マイクロホン２０８、２０９を結ぶ線分を軸とし、その線分の中点から話者の口元方向に伸びる半直線を回転させたときにできる円錐面あるいは円盤の近傍にスピーカ２０６が位置することになるためである。
図１０および図１４、図１５、図１６、図１７の具体例では、２個のマイクロホン２０８、２０９を下側筐体２０３の表面に配置したが、下側筐体２０３の表面と上側筐体２０２の表面とにそれぞれ１個ずつマイクロホンを配置するようにしても良い。その場合の配置例を図１８、図１９、図２０に示す。図１８では、一方のマイクロホン２０８を図１０と同様に下側筐体２０３の端部２１１の近傍に配置し、他方のマイクロホン２０９を上側筐体２０２のヒンジ２０４に近い位置（表示部２０５の下側）に配置することで、マイクロホン２０８、２０９間の距離を図１０に比べて大きくしている。図１８では、マイクロホン２０８、２０９を縦に並べたが、図１９のように斜めに配置するようにしても良いし、図２０のようにマイクロホン２０９をスピーカ２０６の近くに配置することで、マイクロホン間距離をより大きくするようにしても良い。
図１０、図１４，図１５，図１６，図１７および図１８、図１９、図２０の各具体例では、２個のマイクロホン２０８、２０９を下側筐体２０３、上側筐体２０２の表面に配置したが、何れか一方のマイクロホンを下側筐体２０３または上側筐体２０２の裏面に配置するようにしても良い。図２１、図２２、図２３にその例を示す。図２１では、一方のマイクロホン２０８を図１０と同様に下側筐体２０３の端部２１１の近傍に配置し、他方のマイクロホン２０９を上側筐体２０２の裏面における端部２１０の近く（ヒンジ２０４から遠い位置）に配置している。また、図２２では、下側筐体２０３の表面における端部２１１の近傍に一方のマイクロホン２０８を配置し、このマイクロホン２０８のちょうど裏側の位置に他方のマイクロホン２０９を配置している。勿論、マイクロホン２０８のちょうど裏側でなく、他方のマイクロホン２０９を別の場所、例えば図２３のようにヒンジ２０４に近い側に配置するようにしても良い。
なお、図２１、図２２、図２３に例示したように２個のマイクロホンの一方を携帯電話機の表面に、他方を裏面に配置すると、特性の全く等しい全指向性のマイクロホンを使っても少なからぬ位相誤差が生じる。このため、例えば文献１に記載される技術を使用してキャリブレーションを行うことが望ましい。
図１０、図１４乃至図２３の具体例は、ハンドセットおよびハンズフリーの双方で収音性能を高めることができるマイクロホン配置について説明した。しかし、テレビ電話機能を有する携帯電話機などの場合、常にハンズフリーとして使用される携帯電話機、あるいは、ハンズフリーのために別のスピーカを設置した携帯電話機も考えられる。この場合、スピーカ２０６は携帯電話機の任意の場所に配置することできる。本発明は、スピーカ２０６が上側筐体２０２の表面上部以外の場所に配設されている携帯電話機に対しても適用可能である。以下では、ハンズフリー時における収音性能を高めることができるマイクロホン配置の具体例について説明する。
スピーカ２０６が上側筐体２０２の裏面に配設されている携帯電話機に適用可能なマイクロホンの配置例を図２４から図３３までに示す。図２４〜図２７は、それぞれ図１０、図１４〜図１６と同様に、２個のマイクロホン２０８、２０９を下側筐体２０３の表面に配置したものである。また、図２８〜図３０は、それぞれ図１８〜図２０と同様に、下側筐体２０３の表面と上側筐体２０２の表面とにそれぞれ１個ずつマイクロホンを配置したものである。更に図３１〜図３３は、それぞれ図２１〜図２３と同様に、何れか一方のマイクロホンを下側筐体２０３または上側筐体２０２の裏面に配置するようにしたものである。
また、スピーカ２０６が下側筐体２０３の裏面に配設されている携帯電話機に適用可能なマイクロホンの配置例を図３４から図３７までに示す。図３４は、図１４と同様に、２個のマイクロホン２０８、２０９を下側筐体２０３の表面に配置した一例を示す。図３５、図３６は、図２２、図２３と同様に、一方のマイクロホン２０８を下側筐体２０３の表面に、他方のマイクロホン２０９を下側筐体２０３の裏面にそれぞれ配置した一例を示す。図３７は、図２１と同様に、一方のマイクロホン２０８を下側筐体２０３の表面に、他方のマイクロホン２０９を上側筐体２０２の表面にそれぞれ配置した一例を示す。
以上の具体例では、スピーカが上側筐体２０２の表面、裏面、下側筐体２０３の裏面にそれぞれ配置される折り畳み型の携帯電話機に対して本発明を適用した際のマイクロホンの配置例を説明したが、スピーカの配置、マイクロホンの配置は以上の例に限定されず、要は、２個のマイクロホン２０８、２０９を結ぶ線分を軸とし、この線分の中点から話者の口元方向に伸びる半直線を回転させたときにできる円錐面の近傍の場所にスピーカ２０６が位置しないように、２個のマイクロホン２０８、２０９が配置されていれば良い。より正確には、２個のマイクロホン２０８、２０９を定点とし、話者の口元の位置を含むような双曲面の近傍の場所にスピーカ２０６が位置しないように２個のマイクロホン２０８、２０９が配置されていれば良い。
以上の具体例では、折り畳み型携帯電話機に対して本発明を適用した例について説明したが、一体型の携帯電話機におけるマイクロホンアレイに対しても本発明は適用可能である。また、携帯電話機以外の携帯端末、例えば携帯型のコンピュータにおけるマイクロホンアレイに対しても本発明は適用可能である。電話のような通話だけでなく、音声認識や話者認識や音種識別などの入力のための収音用マイクロホンアレイに対しても本発明は適用可能である。雑音源として通話相手の音声を出力するスピーカのみを考慮したが、自動車内におけるカーステレオ等、他の雑音源を考慮したマイクロホン配置に適用することも可能である。更に、ソーナー、無線通信等におけるアレイ装置に対しても同様に適用可能である。
また、ビームフォーミングを前提として、本発明の実施の形態及び具体例を説明をしてきたが、ビームフォーミングに限らず、スペクトルサブトラクション（例えば、Ｍｉｃｈａｅｌ Ｂｒａｎｄｓｔｅｉｎ、Ｄａｒｒｅｎ Ｗａｒｄによる文献「Ｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅ Ａｒｒａｙｓ：Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌｏｇ，２００１年に記載されるポストフィルタ）などの非線形な手法を用いた場合についても、空間的な関係は同様であるため、本発明を適用することが可能である。
以上説明したように本発明によれば、センサの配置構造によって、信号分離、雑音除去等の性能向上を図ったマイクロホンアレイ等のアレイ装置を提供することができる。
図１を参照すると、本発明を適用したマイクロホンアレイの一例は、目標音源１１の音声信号を収音するための２個のマイクロホン１、２と、雑音源１２と、マイクロホン１、２の出力信号３、４を入力して目標音源１１の方向から到来する信号を通過させるような第１の指向性を有する信号５を生成する第１の回路６と、マイクロホン１、２の出力信号３、４を入力して目標音源１１の方向から到来する信号を遮断するような第２の指向性を有する信号７を生成する第２の回路８と、第１の回路６の出力信号５と第２の回路８の出力信号７とを入力して第１の回路６の出力信号５を補正することにより目標音源１１の方向から到来する信号を強調した信号９を出力する第３の回路１０とを含んで構成される。ここで、目標音源１１および雑音源１２の位置は既知で、目標音源１１および雑音源１２から到来する信号の方向はほぼ固定されているものとする。
第１の回路６、第２の回路８および第３の回路１０は、従来のマイクロホンアレイで使われているものと基本的に同じものを使用することができる。例えば、第１の回路６は、マイクロホン１、２の出力信号３、４をそれぞれ遅延して加算するディレイアンドサムビームフォーマや、マイクロホン１、２の出力信号３、４をそれぞれフィルタリングして加算するフィルタアンドビームフォーマなどの固定ビームフォーマで実現することができる。また、第２の回路８は、例えば、マイクロホン１、２の出力信号を入力し、適応信号処理を用いて、目標音源１１の信号が減衰され、目標信号以外の信号、すなわち雑音源１２の信号が強調された信号群を生成して出力するブロッキング行列で実現することができる。さらに、第３の回路１０は、例えば、第１の回路６を構成する固定ビームフォーマの出力信号５と、第２の回路８を構成するブロッキング行列の出力信号群とを受け、固定ビームフォーマの出力を遅延した信号から、ブロッキング行列の出力信号群に相関がある成分を除去する多入力キャンセラで実現することができる。これらの固定ビームフォーマ、ブロッキング行列および多入力キャンセラの詳しい構成については、例えば特許第３２１６７０４号に記載されている。
本実施の形態のマイクロホンアレイの特徴は、マイクロホン１、２の位置と目標音源１１の方向（目標信号の到来方向）とを用いて算出される第２の回路８の第２の指向性のヌルの場所に、雑音源１２が位置しないようにマイクロホン１、２が配置されている点にある。以下、この点を中心に本発明の原理を説明する。
第２の回路８は、目標音源１１の方向から到来する信号を遮断するような第２の指向性を有する信号７を生成するのが目的であるため、ヌルが目標音源１１の方向にできるような第２の指向性を、マイクロホン１、２の位置と目標音源１１の方向（目標信号の到来方向）に基づいて生成する。このとき、生成した第２の指向性のヌルの場所に雑音源１２が位置することになると、雑音源１２からの信号を充分通過させるような信号７が得られず、結果として、第３の回路１０において雑音源１２の信号を充分に抑圧した信号９が得られなくなる。
一般に、２個のマイクロホン１、２を定点とし、目標音源１１の位置を含むような双曲面の近傍の場所は、音波伝搬経路の差が目標音源１１と同じになるため、２個のマイクロホン１、２の出力信号３、４を信号処理して、目標音源１１の信号を強めようとすると同じく強調され、反対に目標音源１１の信号を抑制しようとすると同じく抑制される。従って、前記双曲面の近傍の場所に雑音源１２が位置するように２個のマイクロホン１、２が配置されている場合には、第２の回路８において、ヌルが目標音源１１の方向にできるような第２の指向性を生成すると、雑音源１２がヌルの場所に位置する。このため、前記双曲面の近傍の場所に雑音源１２が位置しないように２個のマイクロホン１、２を配置する必要がある。
目標音源１１および雑音源１２が２個のマイクロホン１、２から充分離れていれば、前記の双曲面の代わりに、近似として、その双曲面の漸近面である円錐面を用いることができる。この円錐面は、２個のマイクロホン１、２を結ぶ線分を軸とし、その線分の中点から目標音源１１の方向に伸びる半直線を回転させたときにできる円錐面である。以下では、このような円錐面を用い、図を参照しながら本発明の原理を説明する。なお、以降の説明では指向性の図を用いているが、本発明の原理の説明において重要なのは、指向性のヌルおよびビームがどの方向を向いているかにあるため、指向性の図は簡略化してあり、ヌルの鋭さ（太さ）およびビームの鋭さ（太さ）は実際の指向性を正確に表すものではない。
今、図２に示されるように目標音源１１と雑音源１２とが既知の或る位置に存在している状況を想定する。２つのマイクロホン１、２を、例えば図２に示されるように配置した場合、２個のマイクロホン１、２を結ぶ線分を軸とし、その線分の中点から目標音源１１の方向に伸びる半直線を回転させたときにできる円錐面は、符号１０１に示すものとなり、円錐面１０１の近傍に雑音源１２が位置する。符号１０２は、第２の回路８が生成した第２の指向性の例を示しており、ヌルを目標音源１１の方向にできるようにして目標音源１１からの信号を遮断している。しかし、２個のマイクロホン１、２でつくられる指向性は、必ず、マイクロホン１とマイクロホン２とを結んだ線分を軸として回転対称になり、平面で見ると、図２のように回転軸について線対称になる。図２のマイクロホン配置では、雑音源１２が円錐面１０１の近傍に位置しているため、雑音源１２も第２の指向性１０２のヌルの場所に位置することになり、第２の回路８の出力信号７では、目標音源１１の信号だけでなく、雑音源１２の信号も遮断されてしまう。この結果、最終的な指向性（第３の回路１０の出力信号９の指向性）は、例えば符号１０３に示すものとなり、雑音除去性能が低下する。
これに対し、２つのマイクロホン１、２を、例えば図３に示されるように配置した場合、円錐面は、符号１１１に示すものとなり、円錐面１１１の近傍に雑音源１２が位置しなくなる。従って、ヌルが目標音源１１の方向にできる、例えば符号１１２に示すような第２の指向性を第２の回路８で生成すると、雑音源１２がヌルの場所に位置することはないので、目標音源１１からの信号は遮断でき、雑音源１２からの信号は通過させることができる。この結果、最終的な指向性は、例えば符号１１３に示すものとなり、充分な雑音除去性能が得られる。
図３はマイクロホン１、２の適切な配置の一例を示しているに過ぎない。要は、前述した円錐面の近傍に雑音源１２が位置しないような配置であれば良い。例えば図４に示すように、目標音源１１と雑音源１２の間に、円錐面１２１の近傍に雑音源１２が位置しないように２個のマイクロホン１、２を配置するようにしても良い。この場合、第２の指向性を符号１２２のようにすると、最終的な指向性は符号１２３のようになる。また、図５に示すように、マイクロホン１、２を結ぶ線分の延長線上に目標音源１２が位置するようにマイクロホン１、２を配置した場合、円錐面１３１は半直線になるため、この半直線の近傍に雑音源１２が存在しなければ良いことになる。この場合、第２の指向性は例えば符号１３２のようになる。さらに、図６に示すように、マイクロホン１、２を結ぶ線分の垂直二等分線上に目標音源１１が位置するようにマイクロホン１、２を配置した場合、円錐面１４１は円盤になるため、円盤の近傍に雑音源１２が存在しなければ良いことになる。この場合、第２の指向性は例えば符号１４２のようになり、最終的な指向性は例えば符号１４３のようになる。
以上、円錐面を用いて本発明の原理を説明したが、２個のマイクロホン１、２の間に雑音源１２が存在する場合のように目標音源１１および雑音源１２が２個のマイクロホン１、２から充分離れていない場合には、円錐面でなく、前述したように、２個のマイクロホン１、２を定点とし、目標音源１１の位置を含むような双曲面で考える必要がある。つまり、双曲面の近傍の場所に雑音源１２が位置しないように２個のマイクロホン１、２を配置する必要がある。
また、ここまでは２個のマイクロホンを用いたマイクロホンアレイについて本発明を適用したが、３個以上のｎ個のマイクロホンを用いたマイクロホンアレイに対しても本発明は適用可能である。
ｎ個のマイクロホンを用いたマイクロホンアレイの場合、そのうちの任意の２個のマイクロホンを定点とし、目標音源１１の位置を含むような双曲面は、合計ｎＣ２個作られる。任意の２個のマイクロホンのペア毎に第２の指向性を生成し得るので、たとえ１個、２個、…、ｎＣ２−１個の双曲面の近傍の場所に雑音源１２が位置していても、その位置が他の双曲面の近傍でなければ当該他の双曲面を形成する２個のマイクロホンの出力信号に雑音源１２の信号が現れる。つまり、一般的には、ｎ個のマイクロホンを用いたマイクロホンアレイの場合、任意の２個のマイクロホンを定点とし目標音源１１の位置を含むような双曲面の全てから近傍の位置となる場所に雑音源１２が位置しないように前記ｎ個のマイクロホンを配置すれば良い。また、円錐面で近似できる場合には、ｎ個のマイクロホンのうちの任意の２個のマイクロホンを結ぶ線分を軸とし、該線分の中点から目標音源１１の方向に伸びる半直線を回転させたときにできる円錐面の全てから近傍の位置となる場所に雑音源１２が位置しないように前記ｎ個のマイクロホンを配置すれば良い。
次に上記の実施の形態にかかるマイクロホンアレイを携帯電話機に適用した具体例について説明する。本具体例では、目標音源１１は話者の口に相当し、マイクロホン１、２で送話音声を収音する。また、雑音源１２は受話音声を出力するスピーカ（レシーバ）に相当する。
図７を参照すると、本発明の一具体例である携帯電話機２０１は、上側筐体２０２と下側筐体２０３とをヒンジ２０４を介して折り畳み自在に結合した折り畳み型携帯電話機である。上側筐体２０２には、折り畳んだ状態で下側筺体２０３に対向する面である表面に、ヒンジ２０４に近い方から順に、表示部２０５、スピーカ（レシーバ）２０６が配設されている。また下側筐体２０３には、折り畳んだ状態で上側筐体２０２に対向する面である表面に、操作部２０７が配置されている。本具体例の目的は、このような形状の携帯電話機２０１に対して図１の２個のマイクロホン１、２を適切な位置に配置することによって、普通の電話の使い方としてのハンドセットの場合とハンズフリーの場合とのどちらか一方又は双方において、携帯電話機２０１の収音性能を向上させることである。
一般に利用者は、携帯電話機２０１をハンドセットとして使って通話相手と会話する場合、スピーカ２０６を耳にあてがう。従って、携帯電話機２０１の上側筐体２０２の端部２１０の位置はほぼ一定になる。他方、携帯電話機２０１の下側筐体２０３の端部２１１の位置は、利用者個人の携帯電話機の持ち方の癖などによって変化するが、或る一定の範囲に収まる。図８の模式図は、携帯電話機２０１を右手で把持し、スピーカ２０６を右耳にあてがって通話相手と話しをする場合の携帯電話機２０１の異なる姿勢の態様を示している。態様３０１は、携帯電話機２０１の端部２１１を首に近い場所に持ってきたときの姿勢を示し、態様３０２は、反対に端部２１１を鼻に近い場所に持ってきたときの姿勢を示す。また、一点鎖線３０３は、態様３０１から態様３０２へ、またその逆方向に姿勢が変化する際の携帯電話機２０１の端部２１１の軌跡を示す。一般に端部２１１は、耳にあてがわれたスピーカ２０６を中心とし、スピーカ２０６から端部２１１までの距離を半径とする球面に沿うものとなる。
このように携帯電話機２０１をハンドセットとして使用する場合、携帯電話機２０１の姿勢は或る程度変化するものの、その変化の範囲は限定されるため、携帯電話機の形状とスピーカ２０６の位置が固定されていれば、雑音源１２となる話者の口元の位置は概ね特定できる。このため、話者の口元とスピーカ２０６の位置とに基づいて、２個のマイクロホン１、２の配置場所を決定することで、ハンドセット時の携帯電話機２０１の収音性能を向上することができる。
他方、スピーカ２０６の音量を上げて携帯電話機２０１をハンズフリー電話として使用する場合、ハンドセットほど厳密には言えないが、口元のおおよその位置は特定される。その理由は、画面を見ながら話す、上側筐体２０２の裏面にカメラが装備されている場合にカメラを見ながら話すなど、携帯電話機２０１と話者の口元との位置関係がある程度特定できるからである。最も典型的なものとしてテレビ電話がある。テレビ電話機能を持つ携帯電話機の場合、表示部２０５は通話相手の顔などを表示するテレビ画面として使用し、図９に示すように、利用者は携帯電話機２０１の表示部２０５を顔の正面に置いて、ハンズフリー機能を使って相手の顔を見ながら会話する。この場合、話者の口元の位置はほぼ特定される。
図７に示した携帯電話機２０１に対して、ハンドセットおよびハンズフリーの双方に好適なマイクロホンの配置例を図１０に示す。この例は、携帯電話機２０１の下側筐体２０３の表面における操作部２０７とヒンジ２０４との間の箇所に第１のマイクロホン２０９を配置し、操作部２０７と端部２１１との間の箇所に第２のマイクロホン２０８を配置している。つまり、ヒンジ２０４の長手方向と直交する方向を縦方向とするとき、２個のマイクロホン２０８、２０９が縦方向に配設されている。また、この例では、２個のマイクロホン２０８、２０９と、スピーカ２０６のそれぞれの中心が同一面上に位置するようになっている。
図１０に示されるように２個のマイクロホン２０８、２０９を配置した場合に、２個のマイクロホン２０８、２０９を結ぶ線分を軸とし、その線分の中点から目標音源１１である話者の口元の方向に伸びる半直線を回転させたときにできる円錐面、第２の指向性および最終的な指向性が、ハンドセット時およびハンズフリー時にどのようになるのかを図１１乃至図１３に模式的に示す。図１１および図１２は携帯電話機２０１を図８に示したようにハンドセットとして使用した場合で、図１１は話者の顔を横方向から見た状態、図１２は話者の顔を正面から見た状態を示す。また、図１３は携帯電話機２０１を図９に示したようにハンズフリー電話として使用したときの状態を示す。図１１乃至図１３において、符号３１３が、２個のマイクロホン２０８、２０９を結ぶ線分を軸とし、その線分の中点から話者の口元の方向に伸びる半直線を回転させたときにできる円錐面である。ハンドセット時およびハンズフリー時とも、円錐面３１１の近傍に雑音源１２であるスピーカ２０６は位置しない。
従って、携帯電話機２０１に内蔵される図１の回路群における第２の回路８でヌルの位置が話者の口方向にできる図１１乃至図１３の符号３１２に例示するような第２の指向性を生成すると、スピーカ２０６はヌル以外の場所に位置する。このとき第３の回路１０によって得られる最終的な指向性は図１１乃至図１３の符号３１３に例示するものとなり、マイクロホン２０８、２０９を結んだ線分を軸とした回転対称に近い形状になる。従って、図８で説明したようにハンドセット使用時に携帯電話機２０１の姿勢が変化して、携帯電話機２０１の端部２１１が軌跡３１４（図８の軌跡２１１と同じ軌跡である）上を移動しても、図１１および図１２における指向性３１２のヌルの向き及び指向性３１３のビームの向きから分るように、常に話者の音声に対して高い感度を維持することができる。また、スピーカ２０６の音量を上げてハンズフリー電話として使用する場合も、図１３における指向性３１２のヌルの向き及び指向性３１３のビームの向きから分るように、スピーカ２０６の音を抑圧でき、話者の音声を感度良く収音することができる。
このように図１０の具体例のマイクロホン配置によれば、携帯電話機２０１をハンドセットとして使用する場合でも、ハンズフリー電話として使用する場合でも、高い収音性能が得られる。
図７に示した携帯電話機２０１に対してハンドセットおよびハンズフリーの双方で収音性能を高めることができるマイクロホン配置は図１０の具体例に限定されない。例えば、図１０の具体例では、２個のマイクロホン２０８、２０９を下側筐体２０３の表面に長い距離を置いて縦に並べたが、図１４に示すように２個のマイクロホン２０８、２０９を下側筐体２０３の表面に短い距離を置いて縦に配置するようにしても良く、図１５に示すように２個のマイクロホン２０８、２０９を下側筐体２０３の表面に長い距離を置いて斜めに配置したり、図１６に示すように短い距離で斜めに配置するようにしても良い。但し、一般にマイクロホン信号間の位相差が大きい方が信号分離は容易になるので、マイクロホン２０８、２０９間の距離が大きい図１０、図１５が性能的には有利である。また、図１５、図１６のようにマイクロホン２０８、２０９の配置が左右対称でない場合、携帯電話機２０１を左手で把持することを前提に指向性を設計すると右手で把持する場合に手によって隠されることによりマイクロホン２０９の感度が低下し、逆に右手で把持することを前提に指向性を設計すると左手で把持した場合の感度が低下するので、手でマイクロホンが隠されにくいように、図１０、図１４のように左右対称な位置に２個のマイクロホン２０８、２０９を配置するのが性能的には有利である。
これに対して、図１７に示すように、２個のマイクロホン２０８、２０９を横方向に並べる配置は望ましくない。その理由は、図８で説明した携帯電話機２０１の通常取り得る姿勢の範囲の一部において、マイクロホン２０８、２０９を結ぶ線分を軸とし、その線分の中点から話者の口元方向に伸びる半直線を回転させたときにできる円錐面あるいは円盤の近傍にスピーカ２０６が位置することになるためである。
図１０および図１４、図１５、図１６、図１７の具体例では、２個のマイクロホン２０８、２０９を下側筐体２０３の表面に配置したが、下側筐体２０３の表面と上側筐体２０２の表面とにそれぞれ１個ずつマイクロホンを配置するようにしても良い。その場合の配置例を図１８、図１９、図２０に示す。図１８では、一方のマイクロホン２０８を図１０と同様に下側筐体２０３の端部２１１の近傍に配置し、他方のマイクロホン２０９を上側筐体２０２のヒンジ２０４に近い位置（表示部２０５の下側）に配置することで、マイクロホン２０８、２０９間の距離を図１０に比べて大きくしている。図１８では、マイクロホン２０８、２０９を縦に並べたが、図１９のように斜めに配置するようにしても良いし、図２０のようにマイクロホン２０９をスピーカ２０６の近くに配置することで、マイクロホン間距離をより大きくするようにしても良い。
図１０、図１４，図１５，図１６，図１７および図１８、図１９、図２０の各具体例では、２個のマイクロホン２０８、２０９を下側筐体２０３、上側筐体２０２の表面に配置したが、何れか一方のマイクロホンを下側筐体２０３または上側筐体２０２の裏面に配置するようにしても良い。図２１、図２２、図２３にその例を示す。図２１では、一方のマイクロホン２０８を図１０と同様に下側筐体２０３の端部２１１の近傍に配置し、他方のマイクロホン２０９を上側筐体２０２の裏面における端部２１０の近く（ヒンジ２０４から遠い位置）に配置している。また、図２２では、下側筐体２０３の表面における端部２１１の近傍に一方のマイクロホン２０８を配置し、このマイクロホン２０８のちょうど裏側の位置に他方のマイクロホン２０９を配置している。勿論、マイクロホン２０８のちょうど裏側でなく、他方のマイクロホン２０９を別の場所、例えば図２３のようにヒンジ２０４に近い側に配置するようにしても良い。
なお、図２１、図２２、図２３に例示したように２個のマイクロホンの一方を携帯電話機の表面に、他方を裏面に配置すると、特性の全く等しい全指向性のマイクロホンを使っても少なからぬ位相誤差が生じる。このため、例えば文献１に記載される技術を使用してキャリブレーションを行うことが望ましい。
図１０、図１４乃至図２３の具体例は、ハンドセットおよびハンズフリーの双方で収音性能を高めることができるマイクロホン配置について説明した。しかし、テレビ電話機能を有する携帯電話機などの場合、常にハンズフリーとして使用される携帯電話機、あるいは、ハンズフリーのために別のスピーカを設置した携帯電話機も考えられる。この場合、スピーカ２０６は携帯電話機の任意の場所に配置することできる。本発明は、スピーカ２０６が上側筐体２０２の表面上部以外の場所に配設されている携帯電話機に対しても適用可能である。以下では、ハンズフリー時における収音性能を高めることができるマイクロホン配置の具体例について説明する。
スピーカ２０６が上側筐体２０２の裏面に配設されている携帯電話機に適用可能なマイクロホンの配置例を図２４から図３３までに示す。図２４〜図２７は、それぞれ図１０、図１４〜図１６と同様に、２個のマイクロホン２０８、２０９を下側筐体２０３の表面に配置したものである。また、図２８〜図３０は、それぞれ図１８〜図２０と同様に、下側筐体２０３の表面と上側筐体２０２の表面とにそれぞれ１個ずつマイクロホンを配置したものである。更に図３１〜図３３は、それぞれ図２１〜図２３と同様に、何れか一方のマイクロホンを下側筐体２０３または上側筐体２０２の裏面に配置するようにしたものである。
また、スピーカ２０６が下側筐体２０３の裏面に配設されている携帯電話機に適用可能なマイクロホンの配置例を図３４から図３７までに示す。図３４は、図１４と同様に、２個のマイクロホン２０８、２０９を下側筐体２０３の表面に配置した一例を示す。図３５、図３６は、図２２、図２３と同様に、一方のマイクロホン２０８を下側筐体２０３の表面に、他方のマイクロホン２０９を下側筐体２０３の裏面にそれぞれ配置した一例を示す。図３７は、図２１と同様に、一方のマイクロホン２０８を下側筐体２０３の表面に、他方のマイクロホン２０９を上側筐体２０２の表面にそれぞれ配置した一例を示す。
以上の具体例では、スピーカが上側筐体２０２の表面、裏面、下側筐体２０３の裏面にそれぞれ配置される折り畳み型の携帯電話機に対して本発明を適用した際のマイクロホンの配置例を説明したが、スピーカの配置、マイクロホンの配置は以上の例に限定されず、要は、２個のマイクロホン２０８、２０９を結ぶ線分を軸とし、この線分の中点から話者の口元方向に伸びる半直線を回転させたときにできる円錐面の近傍の場所にスピーカ２０６が位置しないように、２個のマイクロホン２０８、２０９が配置されていれば良い。より正確には、２個のマイクロホン２０８、２０９を定点とし、話者の口元の位置を含むような双曲面の近傍の場所にスピーカ２０６が位置しないように２個のマイクロホン２０８、２０９が配置されていれば良い。
以上の具体例では、折り畳み型携帯電話機に対して本発明を適用した例について説明したが、一体型の携帯電話機におけるマイクロホンアレイに対しても本発明は適用可能である。また、携帯電話機以外の携帯端末、例えば携帯型のコンピュータにおけるマイクロホンアレイに対しても本発明は適用可能である。電話のような通話だけでなく、音声認識や話者認識や音種識別などの入力のための収音用マイクロホンアレイに対しても本発明は適用可能である。雑音源として通話相手の音声を出力するスピーカのみを考慮したが、自動車内におけるカーステレオ等、他の雑音源を考慮したマイクロホン配置に適用することも可能である。更に、ソーナー、無線通信等におけるアレイ装置に対しても同様に適用可能である。
また、ビームフォーミングを前提として、本発明の実施の形態及び具体例を説明をしてきたが、ビームフォーミングに限らず、スペクトルサブトラクション（例えば、Ｍｉｃｈａｅｌ Ｂｒａｎｄｓｔｅｉｎ、Ｄａｒｒｅｎ Ｗａｒｄによる文献「Ｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅ Ａｒｒａｙｓ：Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌｏｇ，２００１年に記載されるポストフィルタ）などの非線形な手法を用いた場合についても、空間的な関係は同様であるため、本発明を適用することが可能である。
以上説明したように本発明によれば、センサの配置構造によって、信号分離、雑音除去等の性能向上を図ったマイクロホンアレイ等のアレイ装置を提供することができる。
Claims (27)
- 目標信号源の信号を検出するための複数のセンサと、少なくとも１の雑音源と、前記複数のセンサの出力信号から前記目標信号源の方向から到来する信号を通過させる第１の指向性を有する信号を生成する第１の回路と、前記複数のセンサの出力信号から前記目標信号源の方向から到来する信号を遮断する第２の指向性を有する信号を生成する第２の回路と、前記第１の回路の出力信号と前記第２の回路の出力信号とを用いて前記第１の回路の出力信号を補正することにより前記目標信号源の方向から到来する信号を強調する第３の回路とを備えたアレイ装置において、
前記センサが２個であって、当該２個のセンサを定点とし、前記目標信号源の位置を含むような双曲面の近傍の場所に前記雑音源が位置しないように前記２個のセンサが配置されていることを特徴とするアレイ装置。 - 目標信号源の信号を検出するための複数のセンサと、少なくとも１の雑音源と、前記複数のセンサの出力信号から前記目標信号源の方向から到来する信号を通過させる第１の指向性を有する信号を生成する第１の回路と、前記複数のセンサの出力信号から前記目標信号源の方向から到来する信号を遮断する第２の指向性を有する信号を生成する第２の回路と、前記第１の回路の出力信号と前記第２の回路の出力信号とを用いて前記第１の回路の出力信号を補正することにより前記目標信号源の方向から到来する信号を強調する第３の回路とを備えたアレイ装置において、
前記センサが３個以上であって、そのうちの任意の２個のセンサを定点とし目標信号源の位置を含むような双曲面の全てから近傍の位置となる場所に前記雑音源が位置しないように前記３個以上のセンサが配置されていることを特徴とするアレイ装置。 - 目標信号源の信号を検出するための複数のセンサと、少なくとも１の雑音源と、前記複数のセンサの出力信号から前記目標信号源の方向から到来する信号を通過させる第１の指向性を有する信号を生成する第１の回路と、前記複数のセンサの出力信号から前記目標信号源の方向から到来する信号を遮断する第２の指向性を有する信号を生成する第２の回路と、前記第１の回路の出力信号と前記第２の回路の出力信号とを用いて前記第１の回路の出力信号を補正することにより前記目標信号源の方向から到来する信号を強調する第３の回路とを備えたアレイ装置において、
前記センサが２個であって、当該２個のセンサを結ぶ線分を軸とし、該線分の中点から前記目標信号源の方向に伸びる半直線を回転させたときにできる円錐面の近傍の場所に前記雑音源が位置しないように前記２個のセンサが配置されていることを特徴とするアレイ装置。 - 目標信号源の信号を検出するための複数のセンサと、少なくとも１の雑音源と、前記複数のセンサの出力信号から前記目標信号源の方向から到来する信号を通過させる第１の指向性を有する信号を生成する第１の回路と、前記複数のセンサの出力信号から前記目標信号源の方向から到来する信号を遮断する第２の指向性を有する信号を生成する第２の回路と、前記第１の回路の出力信号と前記第２の回路の出力信号とを用いて前記第１の回路の出力信号を補正することにより前記目標信号源の方向から到来する信号を強調する第３の回路とを備えたアレイ装置において、
前記センサが３個以上であって、そのうちの任意の２個のセンサを結ぶ線分を軸とし該線分の中点から前記目標信号源の方向に伸びる半直線を回転させたときにできる円錐面の全てから近傍の位置となる場所に前記雑音源が位置しないように前記３個以上のセンサが配置されていることを特徴とするアレイ装置。 - 目標信号源の信号を検出するための複数のセンサと、少なくとも１の雑音源と、前記複数のセンサの出力信号から前記目標信号源の方向から到来する信号を通過させる第１の指向性を有する信号を生成する第１の回路と、前記複数のセンサの出力信号から前記目標信号源の方向から到来する信号を遮断する第２の指向性を有する信号を生成する第２の回路と、前記第１の回路の出力信号と前記第２の回路の出力信号とを用いて前記第１の回路の出力信号を補正することにより前記目標信号源の方向から到来する信号を強調する第３の回路とを備えたアレイ装置を有する携帯端末において、
前記センサが２個であって、当該２個のセンサを定点とし、前記目標信号源の位置を含むような双曲面の近傍の場所に前記雑音源が位置しないように前記２個のセンサが配置され、
前記センサが送話音声を収音する音声センサ、前記雑音源が受話音声を出力する音声出力器であることを特徴とする携帯端末。 - 目標信号源の信号を検出するための複数のセンサと、少なくとも１の雑音源と、前記複数のセンサの出力信号から前記目標信号源の方向から到来する信号を通過させる第１の指向性を有する信号を生成する第１の回路と、前記複数のセンサの出力信号から前記目標信号源の方向から到来する信号を遮断する第２の指向性を有する信号を生成する第２の回路と、前記第１の回路の出力信号と前記第２の回路の出力信号とを用いて前記第１の回路の出力信号を補正することにより前記目標信号源の方向から到来する信号を強調する第３の回路とを備えたアレイ装置を有する携帯端末において、
前記センサが３個以上であって、そのうちの任意の２個のセンサを定点とし目標信号源の位置を含むような双曲面の全てから近傍の位置となる場所に前記雑音源が位置しないように前記３個以上のセンサが配置され、
前記センサが送話音声を収音する音声センサ、前記雑音源が受話音声を出力する音声出力器であることを特徴とする携帯端末。 - 目標信号源の信号を検出するための複数のセンサと、少なくとも１の雑音源と、前記複数のセンサの出力信号から前記目標信号源の方向から到来する信号を通過させる第１の指向性を有する信号を生成する第１の回路と、前記複数のセンサの出力信号から前記目標信号源の方向から到来する信号を遮断する第２の指向性を有する信号を生成する第２の回路と、前記第１の回路の出力信号と前記第２の回路の出力信号とを用いて前記第１の回路の出力信号を補正することにより前記目標信号源の方向から到来する信号を強調する第３の回路とを備えたアレイ装置を有する携帯端末において、
前記センサが２個であって、当該２個のセンサを結ぶ線分を軸とし、該線分の中点から前記目標信号源の方向に伸びる半直線を回転させたときにできる円錐面の近傍の場所に前記雑音源が位置しないように前記２個のセンサが配置され、
前記センサが送話音声を収音する音声センサ、前記雑音源が受話音声を出力する音声出力器であることを特徴とする携帯端末。 - 目標信号源の信号を検出するための複数のセンサと、少なくとも１の雑音源と、前記複数のセンサの出力信号から前記目標信号源の方向から到来する信号を通過させる第１の指向性を有する信号を生成する第１の回路と、前記複数のセンサの出力信号から前記目標信号源の方向から到来する信号を遮断する第２の指向性を有する信号を生成する第２の回路と、前記第１の回路の出力信号と前記第２の回路の出力信号とを用いて前記第１の回路の出力信号を補正することにより前記目標信号源の方向から到来する信号を強調する第３の回路とを備えたアレイ装置を有する携帯端末において、
前記センサが３個以上であって、そのうちの任意の２個のセンサを結ぶ線分を軸とし該線分の中点から前記目標信号源の方向に伸びる半直線を回転させたときにできる円錐面の全てから近傍の位置となる場所に前記雑音源が位置しないように前記３個以上のセンサが配置され、
前記センサが送話音声を収音する音声センサ、前記雑音源が受話音声を出力する音声出力器であることを特徴とする携帯端末。 - テレビ電話機能を有することを特徴とする請求項５から請求項８の何れか一項に記載の携帯端末。
- 上側筐体および下側筐体をヒンジにより折り畳み自在に結合した構造を有することを特徴とする請求項５から請求項９の何れか一項に記載の携帯端末。
- 上側筐体および下側筐体を折り畳んだ状態で互いに対向する面を表面、他方の面を裏面とするとき、上側筐体の表面に前記音声出力器を備えたことを特徴とする請求項１０に記載の携帯端末。
- 下側筐体の表面に２個の音声センサを備えることを特徴とする請求項１１に記載の携帯端末。
- ヒンジの長手方向と直交する方向を縦方向とするとき、２個の音声センサが縦に並べられていることを特徴とする請求項１２に記載の携帯端末。
- １つの音声センサを下側筐体の表面に備え、別の１つの音声センサを上側筐体の表面に備えることを特徴とする請求項１１に記載の携帯端末。
- １つの音声センサを上側筐体の裏面に備え、別の１つの音声センサを下側筐体の表面に備えることを特徴とする請求項１１に記載の携帯端末。
- 音声センサを下側筐体の表面と裏面の双方にそれぞれ備えることを特徴とする請求項１１に記載の携帯端末。
- 上側筐体および下側筐体を折り畳んだ状態で互いに対向する面を表面、他方の面を裏面とするとき、上側筐体の裏面に前記音声出力器を備えたことを特徴とする請求項１０に記載の携帯端末。
- 下側筐体の表面に２個の音声センサを備えることを特徴とする請求項１７に記載の携帯端末。
- ヒンジの長手方向と直交する方向を縦方向とするとき、２個の音声センサが縦に並べられていることを特徴とする請求項１８に記載の携帯端末。
- １つの音声センサを下側筐体の表面に備え、別の１つの音声センサを上側筐体の表面に備えることを特徴とする請求項１７に記載の携帯端末。
- １つの音声センサを上側筐体の裏面に備え、別の１つの音声センサを下側筐体の表面に備えることを特徴とする請求項１７に記載の携帯端末。
- 音声センサを下側筐体の表面と裏面の双方にそれぞれ備えることを特徴とする請求項１７に記載の携帯端末。
- 上側筐体および下側筐体を折り畳んだ状態で互いに対向する面を表面、他方の面を裏面とするとき、下側筐体の裏面に前記音声出力器を備えたことを特徴とする請求項１０に記載の携帯端末。
- 下側筐体の表面に２個の音声センサを備えることを特徴とする請求項２３に記載の携帯端末。
- ヒンジの長手方向と直交する方向を縦方向とするとき、２個の音声センサが縦に並べられていることを特徴とする請求項２４に記載の携帯端末。
- １つの音声センサを上側筐体の裏面に備え、別の１つの音声センサを下側筐体の表面に備えることを特徴とする請求項２３に記載の携帯端末。
- 音声センサを下側筐体の表面と裏面の双方にそれぞれ備えることを特徴とする請求項２３に記載の携帯端末。
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