JP5235438B2 - 自動車用マイクロフォンアレイ装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、音声を入力するためのマイクロフォンアレイに関し、より詳細には、自動車運転者の音声を入力するための自動車用マイクロフォンアレイ装置及びその製造方法に関する。

自動車運転者のための音声認識装置又はハンズフリー電話装置の音声入力手段として、耐雑音性を向上させるために、複数のマイクロフォンを利用するマイクロフォンアレイが期待されている。しかしながら、マイクロフォンアレイが期待通りに動作するには、音声到来の方向が正確に検出できることが前提であり、正しくない音声到来の方向にマイクロフォンアレイの指向性を向けた場合、かえって音質が低下するという問題があった。特に、近年、窓を開けての高速走行やオープンカーの高速走行という極めて過酷な使用条件に耐える仕様が要求され、対策が求められている。

従来の考案されている一番簡単な対策は、図１のように、マイクロフォンアレイ１００を運転者の正面に設置することである。シートを前後にずらしたとしても、音声到来の方向は常にマイクロフォンアレイ１００の正面方向となる。運転者は停止時には体を左右にずらすこともあるが、対策が求められている高速走行の条件では、そのようなことは少ないと考えられる。もとより、マイクロフォンアレイ１００は音声到来の方向を観測音声そのものから検出し、任意の方向にその指向性を向ける機能を備えており、停止時や窓を閉めての走行時にはそれが安定して動作する。したがって、騒音が少ない状況では、音声到来の方向を追尾することで発声位置のずれを許容し、音声到来の方向の追尾が難しい高騒音下の状況では、音声到来の方向を正面と仮定して、マイクロフォンアレイ１００は動作すれば良い。しかし、残念ながら、マイクロフォンアレイ１００を正面ダッシュボードや正面サンバイザーに設置することは、衝突時の保安上の理由から、極めて困難であるため、別の対策が必要である。

特許文献１では、車内のルームミラーに電話機を組み込むことを提案している。ルームミラーは、ほぼ運転者のほうを向くように調整されるので、そこにマイクロフォンを埋め込めば、マイクロフォンを、ほぼ運転者の方向、即ち音声到来の方向に向けることができる。しかし、複数のマイクロフォンを埋め込み、高分解能の指向性を持つマイクロフォンアレイとして利用する場合には、それだけでは誤差が大きい。なぜなら、図２に示すように、後方を目視するように調整されたルームミラー２００の成す傾斜角度と、運転者の口元方向を向くように設置されたマイクロフォンアレイ１００が成す傾斜角度との間には、およそ２倍の関係があり、運転席を後ろにずらした時と前にずらした時とで、マイクロフォンアレイ１００から見た運転者の方向、即ち音声到来の方向が、厳密には同じにならないからである。即ち、この方式だけでは、十分な精度で運転者の方向、即ち音声到来の方向にマイクロフォンアレイ１００を向けるという目的は達成できず、運転席の前後スライドを固定とするか、前後スライドの位置情報を検知してマイクロフォンアレイ１００に知らせるか等、追加の対策が必要となる。

特許文献２では、後方を目視するように調整されたルームミラーの成す傾斜角度を検出し、その情報に基づいてマイクロフォンアレイの指向性を決定する仕組みを提案している。マイクロフォンは、ルームミラーの中に組み込むことを想定しているが、原理的には車体に固定しても同様に動作可能である。しかしながら、この方式は、ルームミラーの成す傾斜角度を検出するセンサーが必要であるため、コストの増大につながるという問題がある。

一方、図３に示すように、角度センサーを使わず、１対の内接する歯車３００から成る純粋に機械的な仕組みのみを利用して、マイクロフォンアレイ１００を運転者の口元方向へ向けるようにする方式も考えられている。しかし、このような余分な可動部をもつ仕組みは壊れやすく、またコストも増大するため、実用的ではない。
米国特許第５，９４０，５０３号明細書 特開２００１−３５２５９５号公報

従来技術には上記のような問題がある。本発明は、そのような問題を解決するマイクロフォンアレイ技術の実現を目的とする。本発明の目的には、安全に自動車運転者へ指向され音声が入力される簡便廉価な構造の自動車用マイクロフォンアレイ装置及びその製造方法を提供することが含まれる。

本発明は、角度センサーを用いず且つ可動部も追加しないで、ルームミラー部に設置されたマイクロフォンアレイを運転者の口元方向へ正対させる構成をなす。本発明のこの構成は、ミラー部と当該ミラー部を可動に支えて自動車内に設けられるミラー支持部とを含むルームミラーと、ミラー部の背後に隠れることなくミラー支持部に設けられた第１のマイクロフォンと、ミラー部に設けられた第２のマイクロフォンとを含む自動車用マイクロフォンアレイ装置により、達成される。

本発明による自動車用マイクロフォンアレイ装置では、好ましくは、第１のマイクロフォンがマイクロフォン支持部を介してミラー支持部に設けられると良い。

また、好ましくは、第１のマイクロフォンがミラー部の左右方向の中央と一端との間に位置し、第２のマイクロフォンがその左右方向の一端に位置すると良い。

更に、好ましくは、第１のマイクロフォンがミラー部の上下方向の一端に位置合わせされ、第２のマイクロフォンがその上下方向の一端に位置すると良いし、又は、第１のマイクロフォンがミラー部の上下方向の一端に位置合わせされ、第２のマイクロフォンがその上下方向の中央に位置すると良い。

本発明により、そのような自動車用マイクロフォンアレイ装置を製造する方法も提供される。本発明による製造方法は、ミラー部と当該ミラー部を可動に支えて自動車内に設けられるミラー支持部とを含むルームミラーを準備することと、第１のマイクロフォンをミラー支持部に設けることと、 第２のマイクロフォンをミラー部に設けることとを含む。この製造方法は、更に、
ミラー支持部がミラー部を支える支点からミラー部の左右方向における第１のマイクロフォンまでの距離をＹ、同支点から左右方向における第２のマイクロフォンまでの距離をＷ、ミラー部の前後方向における第１のマイクロフォンのオフセット距離をｄ１及び同じく前後方向における第２のマイクロフォンのオフセット距離をｄ２、同支点から左右方向における運転者口元までの距離をＤ、ミラー部の成す傾斜角度をθ、第１及び第２のマイクロフォンの位置を結ぶ線の成す傾斜角度をφ、運転者口元に正対したときに第１及び第２のマイクロフォンの位置を結ぶ線の成す傾斜角度をΦとして、次の評価関数Ｅを最小にするように、Ｗ、Ｄ及びθの所定の値に対してＹ、ｄ１及びｄ２の値を求めることと、

Ｗ、Ｄ及びθが所定の値となりＹ、ｄ１及びｄ２が求めた値となるように、ルームミラーの準備、第１のマイクロフォンのミラー支持部への設置及び第２のマイクロフォンのミラー部への設置を夫々行うこととを含む。

本発明により、安全に自動車運転者へ指向されて音声を入力する自動車用マイクロフォンアレイ装置が、簡便廉価な構造でもってその製造方法と共に実現され、従来技術の問題を解決することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて詳細に説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。なお、実施形態の説明の全体を通じて同じ要素には同じ番号を付している。また、各要素は説明のために必要に応じて拡大又は縮小することにより示されおり、示された各要素の大きさ及びそれら要素間の大きさの関係は何ら意図されたものではない。

先ず、本発明のマイクロフォンアレイ技術について、「マイクロフォンアレイの向き」とは、複数のマイクロフォンを並べたラインの法線方向のことを云い、それはマイクロフォンアレイの指向性に関係する。１対のマイクロフォンでは、２つのマイクロフォンを結んだラインの法線方向が、「マイクロフォンアレイの向き」となる。

図４に、本発明の１実施形態に係る自動車用マイクロフォンアレイ装置４００の概略構成を上面図で示す。図４に示されるように、一方の第１のマイクロフォン４１０は、ルームミラーの自動車内に設けられるミラー支持部４２０から横方向に延びた位置に、設けられ固定される。第１のマイクロフォン４１０をミラー支持部４２０に設けるのに、マイクロフォン支持部４３０を用いると良い。マイクロフォン支持部４３０は、ルームミラーの支点４４０の位置でミラー支持部４２０に設けられている。他方の第２のマイクロフォン４５０は、ルームミラーの横長のミラー部４６０におけるその縁の位置に設けられる。

ミラー部４６０を傾けない即ち後方正面に向けた時、第１のマイクロフォン４１０は、第２のマイクロフォン４５０の位置とルームミラーの支点４４０の位置との中間点に、第２のマイクロフォン４５０と横方向に並んで位置する。１対のマイクロフォンをこのように配置してルームミラーに設けることにより、第１及び第２のマイクロフォン４１０及び４５０の位置を結んだ線が成す傾斜角度φは、ミラー部４６０の成す傾斜角度θよりも大きくなる。第１及び第２のマイクロフォン４１０及び４５０の設置位置を良く調整すれば、後方を目視するように調整されたミラー部４６０の成す傾斜角度がいくつであっても、第１及び第２のマイクロフォン４１０及び４５０の位置を結んだ線は、運転者の方向と正対することができる。

マイクロフォンアレイ装置４００は、音声到来の方向が運転者に正対した正面方向として、処理を進めれば良い。図４では、ミラー支持部４２０がミラー部４６０をその横方向即ち左右方向の中央で支えているが、ミラー支持部４２０がミラー部４６０を左右方向の中央から外れた位置で支えても良い。特に、ルームミラーの支点４４０の位置はミラー部４６０の中央に位置するが、中央から外れた位置であっても良い。また、図４のような構成だけでなく、図５に上面図で示すように、第１及び第２のマイクロフォン４１０及び４５０を運手席から遠い側に設置するようにしても良い。マイクロフォンアレイの音声強調処理としては、「遅延和ビームフォーマー」及び「最小分散ビームフォーマー」等、多様な方式が存在する。本発明は、音声到来の方向に関するものであり、マイクロフォンアレイの特定の音声処理方式に限定されるものではない。

図６に上面図及び正面図で示すように、１対のマイクロフォンをルームミラーに設置する時、まず、ミラー部４６０を後方正面に向け、第１及び第２のマイクロフォン４１０及び４５０の設置位置を決定する。第１のマイクロフォン４１０は、ルームミラーの支点４４０からミラー部４６０の左右方向における距離Ｙの位置でマイクロフォン支持部４３０に設けられる。第２のマイクロフォン４５０は、ルームミラーの支点４４０から同じく左右方向における距離Ｗの位置にあるミラー部４６０の一端に設けられる。第２のマイクロフォン４５０は、ミラー部４６０を傾ける動きに伴って動くので、可動マイクロフォンと呼べる。第１及び第２のマイクロフォン４１０及び４５０は、ミラー部４６０の前後方向に夫々オフセット値ｄ１及びｄ２を設けて設置することができる。

これらの Ｙ、ｄ１及びｄ２の値は、２つの第１及び第２のマイクロフォン４１０及び４５０が、より良く、運転者の口元方向を向くように設計される。その設計は運転席のスライド範囲とルームミラーの位置に依拠するので、車両の設計の際に決定すれば良い。使用時には、ミラー部４６０の傾きが小さい図７の上面図及びその傾きが大きい図８の上面図に示されるように、運転者が後方を見えるようにルームミラーを調整すると、運転席のスライド位置がどこであっても、固定される第１のマイクロフォン４１０と可動する第２のマイクロフォン４５０を結んだ線は、運転者の方向に自動的に正対することとなる。

ミラー部４６０は、その左右方向だけでなく、その上下方向にも向きが調整される。図９に側面図で示すように、上下方向の向きの調整によって、前記オフセット値、特に第２のマイクロフォン４５０のオフセット値ｄ２が変化する影響が出てしまっては、期待された効果を発揮できない。したがって、可動する第２のマイクロフォン４５０は、ルームミラーを横から眺めたときに、上下方向の支点４４０‘上に設置することが望ましい。そのために、図１０に側面図で示すように、上下方向の支点４４０’をミラー部４６０の上端に移動する。又は、それが難しい場合には、図１１に側面図及び正面図で示すように、ルームミラーを横から眺めたときに、上下方向の支点４４０‘を中央の位置とし、可動する第２のマイクロフォン４５０はその支点４４０’上に、そして固定される第１のマイクロフォン４１０は、それよりも上のミラー部４６０の上端に位置させる。上下方向の支点４４０‘は、通常は左右方向の支点４４０と同じであるが、異なっていても良い。

次に、本発明による自動車用マイクロフォンアレイ装置の製造について説明する。先に示した通り、マイクロフォンアレイ装置の設計パラメータとしては、固定される第１のマイクロフォン４１０の支点４４０からの左右方向の距離即ち水平距離Ｙ、ミラー部４６０の一端に設けられた可動する第２のマイクロフォン４５０の同距離Ｗ、第１及び第２のマイクロフォン４１０及び４５０の設置位置の前後方向のオフセット値ｄ１及びｄ２がある。通常Ｗは、ルームミラーのサイズから決められる。

次のように、第１及び第２のマイクロフォン４１０及び４５０の位置を結んだ線が、できるだけ運転者の口元方向を向くように、パラメータＹ、ｄ１及びｄ２を設計する。第１及び第２のマイクロフォン４１０及び４５０の位置を結んだ線が成す傾斜角度φは、Ｗ、θ、Ｙ、ｄ１及びｄ２から、以下のように算出される。

一方で、運転者が後方を目視するようにルームミラーを調整した時、θは次のように与えられる。図１２に示すように、ここで、Ｄはルームミラーの支点４４０の位置から運転者口元への左右方向の距離即ち水平距離、Ｌは同じく支点４４０の位置から運転者口元への前後方向の距離即ち水平距離である。

ここで、運転者口元と正対するように、第１及び第２のマイクロフォン４１０及び４５０の位置を結んだ線を決めたとする。その時に成す傾斜角度をΦとすると、それは次のように求まる。

Φは、φの目標値であり、設計目標ラインと呼べる。両者がなるべく近くなるように、設計パラメータＹ、ｄ１及びｄ２を選ぶ。

即ち、次の評価関数Ｅを最小にするように、設計パラメータＹ、ｄ１及びｄ２を選ぶ。

又は、次の評価関数Ｅを最小にするように、設計パラメータＹ、ｄ１及びｄ２を選んでも良い。

ここで、１例として、Ｗ＝１２０ｍｍ、Ｄ＝３００ｍｍ、θ＝１５度〜２５度の条件のもとに、上記最小化問題を数値的に解いた。ただし、オフセット値は５ｍｍ以内という条件をつけた。すると、Ｙ＝４３．３ｍｍ、ｄ１＝５ｍｍ及びｄ２＝１．２ｍｍが求まった。これを最適解として本発明を実施したマイクロフォンアレイ（実施例）の向く方向をプロットしたグラフを、図１３に示す。

図１３のグラフでは、横軸はルームミラーの成す傾斜角度θであり、縦軸は第１及び第２のマイクロフォン４１０及び４５０の位置を結んだ線が成す傾斜角度φである（図１２参照）。比較のために、２つのマイクロフォンともミラー部（可動部）に設置したマイクロフォンアレイ（従来例）の向く方向も示した。また、実際の話者（運転者）の方向も合わせて示した。

最適解による実施例は、設計想定範囲θ＝１５度〜２５度において、実際の話者（運転者）の方向を良く近似できていることがわかる。この設計ポイントを使用した本発明によるマイクロフォンアレイ装置は、運転者からの到来音声を常に正面方向にて受け止めることができる。これに対して、従来例では、２つのマイクロフォンの中間位置を中心に誤差が最小となるようにオフセットを決めたとしても、運転席を前にずらした時（θ＞２０度）や後ろにずらした時（θ＜２０度）に、マイクロフォンアレイの向く方向には実際の話者（運転者）の方向との間で大きな角度の誤差が生じる。

次に、マイクロフォンアレイの音声到来の方向の精度と音声認識率との関係について実験を行なって考察し、音声方向を正しく設定することが、マイクロフォンアレイを使用した音声認識の認識率向上には有効であることを示す。

実験条件は、以下のとおりである。
・普通乗用車
・時速１００ｋｍ以上の高速走行
・窓開け１０ｃｍ
・上部中央ルームライト付近に２個のマイクロフォンを固定
結果の単語認識率を表１に示す。
表１

上の表１の最左列、中列の結果が示すように、窓を開けての高速走行のような厳しい条件では、マイクロフォンアレイを採用したとしても、それだけでは効果が無いということが起こり得る。これは、そのような厳しい条件では、音声到来の方向の検出にしばしば失敗するからである。しかし、上の表１の最右列の結果が示すように、なんらかの方法で音声到来の方向を正確に設定することができれば、マイクロフォンアレイの本来の性能を発揮することができる。

本発明では、マイクロフォンアレイを常に運転者口元の方向（音声到来の方向）に正対させることができるので、マイクロフォンアレイの向きを音声到来の方向に設定して待ち受けることができる。また、雑音の少ない環境では、マイクロフォンアレイ自身が持つ性能、特に音声到来の方向の検出機能を十分に発揮させることもできる。

本発明による自動車用マイクロフォンアレイ装置として、１対のマイクロフォンを水平方向に配置し、音声到来の方向として左右方向の向きに対応する構成が示された。しかし、必要であるならば、１対のマイクロフォンを垂直方向に配置し、音声到来の方向として上下方向の向きに対応する構成にしても良い。

本発明は、固定されるマイクロフォンと可動するマイクロフォンの２つのマイクロフォンを設置する構成をなしている。使用するマイクロフォンは２個であるが、マイクロフォンアレイの信号処理技術は進歩しており、高い音声強調能力を備える方式が出現してきているので、マイクロフォンアレイの性能としては十分である。また、マイクロフォンアレイ装置の製造においても、使用するマイクロフォンが２個であるので、アナログ・デジタル変換のハードウェアも含め、コストを低く抑えることができる。そのため、本発明により、廉価な自動車用マイクロフォンアレイ装置を製造することができる。

以上、実施形態を用いて本発明の説明を行ったが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態に種々の変更又は改良を加えることが可能であり、そのような変更又は改良を加えた形態も当然に本発明の技術的範囲に含まれる。

自動車用マイクロフォンアレイの従来例を示す概略図である。 自動車用マイクロフォンアレイの従来例を示す概略図である。 自動車用マイクロフォンアレイの従来例を示す上面図である。 本発明の１実施形態に係る自動車用マイクロフォンアレイ装置４００の概略構成を示す上面図である。 本発明の１実施形態に係る他の自動車用マイクロフォンアレイ装置５００の概略構成を示す上面図である。 自動車用マイクロフォンアレイ装置４００の後方正面に向いた時の概略構成を示す上面図及び正面図である。 自動車用マイクロフォンアレイ装置４００の左右方向に小さく傾いた時の概略構成を示す上面図である。 自動車用マイクロフォンアレイ装置４００の左右方向に大きく傾いた時の概略構成を示す上面図である。 自動車用マイクロフォンアレイ装置４００の上下方向に傾いた時の概略構成を示す側面図である。 本発明の１実施形態に係る他の自動車用マイクロフォンアレイ装置６００の上下方向に傾いた時の概略構成を示す側面図である。 本発明の１実施形態に係る他の自動車用マイクロフォンアレイ装置７００の上下方向に傾いた時の概略構成を示す側面図及び正面図である。 本発明の自動車用マイクロフォンアレイの自動車内の配置例を示す概略図である。 本発明の自動車用マイクロフォンアレイの設計における最適化の１例を示すグラフである。

符号の説明

１００ マイクロフォンアレイ
２００ ルームミラー
４００、５００、６００、７００ 自動車用マイクロフォンアレイ装置
４１０ 第１のマイクロフォン
４２０ ミラー支持部
４３０ マイクロフォン支持部
４４０ ルームミラーの支点
４５０ 第２のマイクロフォン
４６０ ミラー部

Claims (8)

1. ミラー部と当該ミラー部を可動に支えて自動車内に設けられるミラー支持部とを含むルームミラーと、
   前記ミラー部の背後に隠れることなく前記ミラー支持部に設けられた第１のマイクロフォンと、
   前記ミラー部に設けられた第２のマイクロフォンと、を含み、
   前記第１のマイクロフォンがマイクロフォン支持部を介して前記ミラー支持部に設けられ、
   前記第１のマイクロフォンが前記ミラー部の左右方向の中央と一端との間に位置し、前記第２のマイクロフォンが前記左右方向の一端に位置する、
   自動車用マイクロフォンアレイ装置。
2. 前記ミラー支持部が前記ミラー部を前記左右方向の中央で支える、請求項１に記載の自動車用マイクロフォンアレイ装置。
3. 前記ミラー支持部が前記ミラー部を前記左右方向の中央から外れた位置で支える、請求項１に記載の自動車用マイクロフォンアレイ装置。
4. 前記第１のマイクロフォンが前記ミラー部の上下方向の一端に位置合わせされ、前記第２のマイクロフォンが前記上下方向の一端に位置する、請求項１乃至３のいずれかに記載の自動車用マイクロフォンアレイ装置。
5. 前記ミラー支持部が前記ミラー部を前記上下方向の一端で支える、請求項４に記載の自動車用マイクロフォンアレイ装置。
6. 前記第１のマイクロフォンが前記上下方向の一端に位置合わせされ、前記第２のマイクロフォンが前記上下方向の中央に位置する、請求項１乃至３のいずれかに記載の自動車用マイクロフォンアレイ装置。
7. 前記ミラー支持部が前記ミラー部を前記上下方向の中央で支える、請求項６に記載の自動車用マイクロフォンアレイ装置。
8. 自動車用マイクロフォンアレイ装置を製造する方法であって、
   ミラー部と当該ミラー部を可動に支えて自動車内に設けられるミラー支持部とを含むルームミラーを準備することと、
   第１のマイクロフォンを前記ミラー支持部に設けることと、
   第２のマイクロフォンを前記ミラー部に設けることと、
   を含み、更に、
   前記ミラー支持部が前記ミラー部を支える支点から前記ミラー部の左右方向における前記第１のマイクロフォンまでの距離をＹ、前記支点から前記左右方向における前記第２のマイクロフォンまでの距離をＷ、前記ミラー部の前後方向における前記第１のマイクロフォンのオフセット距離をｄ１及び前記前後方向における前記第２のマイクロフォンのオフセット距離をｄ２、前記支点から前記左右方向における運転者口元までの距離をＤ、前記ミラー部の成す傾斜角度をθ、前記第１及び第２のマイクロフォンの位置を結ぶ線の成す傾斜角度をφ、前記運転者口元に正対したときに前記第１及び第２のマイクロフォンの位置を結ぶ線の成す傾斜角度をΦとして、次の評価関数Ｅを最小にするように、前記Ｗ、Ｄ及びθの所定の値に対して前記Ｙ、ｄ１及びｄ２の値を求めることと、
   

   

   前記Ｗ、Ｄ及びθが前記所定の値となり前記Ｙ、ｄ１及びｄ２が前記求めた値となるように、前記ルームミラーの準備、前記第１のマイクロフォンの前記ミラー支持部への設置及び前記第２のマイクロフォンの前記ミラー部への設置を夫々行うことと、
   を含む、前記自動車用マイクロフォンアレイ装置を製造する方法。

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