JP5528319B2

JP5528319B2 - マイクロフォンシステム

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Publication number: JP5528319B2
Application number: JP2010288550A
Authority: JP
Inventors: 哲也石川; 俊一山本; 進宮崎
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2010-12-24
Filing date: 2010-12-24
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2030-12-24
Also published as: JP2012138682A

Description

本発明は、マイクロフォンシステム、及びこれを備えたロボット、車両に関する。

近年、外部音声を認識して、話者の方向を向いたり、話者と会話を行う人間型ロボットが開発されている。このようなロボットには、頭部などに複数のマイクロフォンが搭載されている（例えば、特許文献１，２参照）。

特許４４０５０７２号公報特開２００６−１６７８３３号公報

ロボットの頭部は小型軽量化することが好ましく、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）マイクロフォンなど小型軽量のマイクロフォンを搭載することが想定される。

しかしながら、ＭＥＭＳマイクロフォンは非常に軽量であるので、マイクロフォンシステムの系としての共振振動数が従来に比べて高くなり、音声認識に必要な振動数領域内に系の共振振動数が存在し、マイクロフォンシステムに入力されるノイズ（騒音）が増幅してマイクロフォンの受音部に伝わるという問題がおこる。

また、ロボットの頭部は、冷却ファンなどの振動源が搭載されており、マイクロフォンへのノイズが非常に大きい環境である。特に、頭部筐体の振動による固体伝播音や振動源による空気伝播音をマイクロフォンが受信するという問題がある。

本発明は、以上の点に鑑み、音声認識に必要な振動数領域内全ての固体伝播音及び空気伝播音によるノイズを抑制することが可能なマイクロフォンシステム、及びこれを搭載したロボット及び車両を提供することを目的とする。

本発明のマイクロフォンシステムは、筐体に貫通された音穴を介して外部音声を受信するマイクロフォンシステムであって、音声信号を受信する受音部が前面側に設けられたマイクロフォンと、該マイクロフォンの後面側に取り付けられた重量部材と、前記マイクロフォンが実装されたフレキシブルプリント回路基板とを有するマイクロフォンユニットと、前記音穴と連通する開口を有し、前記マイクロフォンユニットの前面側と前記筐体とにそれぞれ密着して配置される第１柔軟部材と、前記筐体に固定された固定部材と、該固定部材に保持され、前記マイクロフォンユニットの後面側に密着して配置される第２柔軟部材とを備え、所定の振動数での振動伝達率が目標値以下となるように、前記第１及び第２柔軟部材を形成する柔軟素材の縦弾性係数及び前記重量部材の質量を少なくとも設定し、前記第１柔軟部材の後面が前記フレキシブルプリント回路基板に接合されていることを特徴とする。

本発明のマイクロフォンシステムによれば、第１柔軟部材がマイクロフォンユニットの前面側と筐体とにそれぞれ密着して配置されている。そのため、筐体と受音部との空隙が第１柔軟部材によって塞がれており、筐体内部の振動による空気伝播音を受音部が受信することを抑制できる。さらに、マイクロフォンユニットは第１及び第２柔軟部材を介して筐体に保持されている。そのため、筐体の振動が第１及び第２柔軟部材で減衰され、筐体の振動による固体伝播音を受音部が受信することを抑制できる。

さらに、マイクロフォンユニットは重量部材を有している。そのため、この重量部材の質量を適宜設定することにより、マイクロフォンシステムの系としての共振振動数を変更させて、音声認識に必要な振動数領域のノイズを減衰させることが可能となる。
さらに、所定の振動数での振動伝達率が目標値以下となるように、前記第１及び第２柔軟部材を形成する柔軟素材の縦弾性係数及び前記重量部材の質量を少なくとも設定する。このため、所定の振動数で即ち音声認識に必要な領域の振動数領域で良好な振動抑制効果を得ることができ、マイクロフォンが受信するノイズを低減させることが可能となる。
さらに、前記第１柔軟部材の後面が前記フレキシブルプリント回路基板に接合されている。このため、マイクロフォンが第１柔軟部材によって安定的に保持される。

また、本発明のマイクロフォンシステムにおいて、前記マイクロフォンがＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）素子等で構成された小型マイクロフォンであることが好ましい。

この場合、マイクロフォン自体が小型軽量化し、これに伴い固定部材なども小型軽量化することができる。そのため、マイクロフォンシステム全体を小型軽量化することが可能となる。

また、本発明のマイクロフォンシステムにおいて、前記第１柔軟部材は、前記マイクロフォンユニットと前記筐体との間で、自由状態と比較して少なくとも例えば０．５ｍｍ圧縮されていることが好ましい。

この場合、第１柔軟部材がマイクロフォンユニットと筐体との間に確実に密着して配置されるので、受音部と筐体との空隙を確実に塞ぐことができる。

また、本発明のマイクロフォンシステムにおいて、当該マイクロフォンシステムの系の各入力振動数に対する振動伝達率が音声認識に必要な振動数領域外において１以下となるように、前記重量部材の質量を設定することが好ましい。

本発明のマイクロフォンシステムは、ロボットの頭部に装着することができる。この場合、頭部内の振動源で発生した振動によるノイズの影響をマイクロフォンシステムが受けることが抑制される。よって、外部音声の認識精度を向上させることが可能となる。

本発明のマイクロフォンシステムは、車両に搭載することができる。例えば、車両のカーナビゲーションシステムの音声認識部、携帯電話ハンズフリーシステム、アクティブ・ノイズ・キャンセラー（ＡＮＣ）に搭載することができる。この場合、クリヤな音を獲得でき、音声認識率が向上するという効果が得られる。また、マイクロフォンシステムの小型化によるレイアウト性の向上及び軽量化による車両燃費の向上という効果も得られる。

本発明の実施形態に係るロボットの概略図。本発明の第１の実施形態に係るマイクロフォンシステムの断面図。マイクロフォンシステムの簡略化した系を示す概念図。本発明の第２の実施形態に係るマイクロフォンシステムの断面図。

以下、本発明の実施形態に係るマイクロフォンシステムを搭載したロボットＲについて、図面を参照して説明する。

図１を参照して、ロボットＲは、ここでは、人間型の歩行ロボットであり、胴体２と首関節で連結された頭部１を備えている。頭部１は硬質樹脂などから形成された頭部筐体１０を外殻としており、頭部筐体１０内に複数のマイクロフォンシステムが搭載されている。

各マイクロフォンシステムは、外部から音を取り入れるために頭部筐体１０に貫設された各音穴１１を介して周囲の音声を受信して、頭部１内に設けられた図示しない音声信号処理回路に音声信号を出力する。頭部１には冷却ファンなどの振動源が搭載されており、頭部１内で振動音が発生し、頭部筐体１０も振動する。

以下、ロボットＲに搭載された、本発明の第１の実施形態に係るマイクロフォンシステムについて、図面を参照して説明する。

図２を参照して、マイクロフォンシステムは、マイクロフォンユニット２０、第１柔軟部材３０、ケーシング（固定部材）４０及び第２柔軟部材５０を備えている。

マイクロフォンユニット２０は、音声信号を受信する受音部２１が前面側に設けられたマイクロフォン２２、及びマイクロフォン２２の後面側に取り付けられたウェイト（重量部材）２３を有している。受音部２１の受音面は頭部筐体１０の音穴１１の方向を向いている。

マイクロフォン２２は、音響を電気信号に変換する音響変換素子と周辺回路を含むモジュール部品であり、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）素子で構成されている。マイクロフォン２２は、ここでは、厚さ１ｍｍ程度の直方体形状であるが、円盤形状など任意の形状であってもよい。マイクロフォン２２は、フレキシブルプリント回路基板２４の表面側に実装されている。

ウェイト２３は、アルミニウムや銅などの金属から形成されており、ここでは、マイクロフォン２２の形状に合わせて、厚さ数ｍｍ程度の直方体形状である。ウェイト２３は、マイクロフォン２２と反対側の面のフレキシブルプリント回路基板２４に固着されている。

第１柔軟部材３０は、マイクロフォンユニット２０の前面側に密着して配置されている。第１柔軟部材３０は、ここでは、シリコーンゲルなどのゲルから形成されているが、ゴムなど適宜な柔軟素材から形成されていてもよい。第１柔軟部材３０は、ここでは、マイクロフォン２２の形状に合わせて、厚さ数ｍｍ程度の略直方体形状である。

第１柔軟部材３０は、音穴１１と連通する開口３１を有している。開口３１は、受音部２１の受音面の形状と同じ又はそれ以上に大きな形状に開口している。これにより、頭部筐体１０の音穴１１と第１柔軟部材３０の開口３１とが連通して、受音部２１の受音面が頭部筐体１０の外部に向かって開放されている。

第１柔軟部材３０の後面側には凹部３２が形成されており、この凹部３２にマイクロフォン２２の前側部分が嵌め込まれ、接合されている。これにより、マイクロフォン２２が第１柔軟部材３０によって安定的に保持される。

そして、第１柔軟部材３０は、頭部筐体１０とマイクロフォン２２との間で圧縮されて、頭部筐体１０と受音部２１との空隙を密閉して塞いでいる。第１柔軟部材３０は、自由状態と比較して少なくとも例えば０．５ｍｍ圧縮されていることが好ましい。これにより、第１柔軟部材３０が頭部筐体１０とマイクロフォン２２との間に確実に密着して配置される。

ケーシング４０は、マイクロフォンユニット２０、第１柔軟部材３０及び第２柔軟部材５０を保持するものであり、前面側が開放された直方体形状の箱状の筐体を主体として構成されている。ケーシング４０は、硬質樹脂やアルミニウムなどの金属で一体成形されており、頭部筐体１０から一体的に延設されたボルト受部１２にボルト１３によって固定されている。また、ケーシング４０は、頭部筐体１０に一体に形成された突出部１４によって、頭部筐体１０に対して位置決めされている。なお、ケーシング４０には、フレキシブルプリント回路基板２４が挿通する貫通穴４１が形成されている。

第２柔軟部材５０は、マイクロフォンユニット２０の後面側に密着して配置されている。第２柔軟部材５０は、ここでは、第１柔軟部材３０と同様に、シリコーンゲルなどのゲルから形成されているが、ゴムなど適宜な柔軟素材から形成されていてもよい。第２柔軟部材５０は、ケーシング４０の内面形状に合わせて形成されており、ここでは、厚さ数ｍｍ程度の直方体形状である。

第２柔軟部材５０の前面側には凹部５１が形成されており、この凹部５１にウェイト２３の後側部分が嵌め込まれ、接合されている。これにより、ウェイト２３が第２柔軟部材５０によって安定的に保持される。

そして、第２柔軟部材５０は、ウェイト２３とケーシング４０との間で圧縮されて、ウェイト２３とケーシング４０と間に密着して配置されている。

以上説明したように、第１の実施形態に係るマイクロフォンシステムにおいて、マイクロフォン２２はＭＥＭＳ素子で構成されている。そのため、マイクロフォン２２自体が従来に比べて非常に小型軽量化する。そして、これに伴いケーシング４０なども小型軽量化し、マイクロフォンシステム全体を小型軽量化できる。また、頭部筐体１０と第１柔軟部材３０、及び第１柔軟部材３０と受音部２１とはそれぞれ介在物なく直接当接しているので、音穴１１と受音部２１との距離が短くなり、マイクロフォンシステムが小型化する。

さらに、マイクロフォンシステムの小型軽量化により、ロボットＲの頭部１は、レイアウト性の向上が図られ、軽量化が可能となる。

また、ウェイト２３の質量を変更することにより、マイクロフォンシステムの系の振動伝達率を調整することができる。そのため、ウェイト２３を適宜な質量に設定して、音声認識に必要な範囲の振動数領域において入力されるノイズを減衰するように構成することが可能となる。

また、第１柔軟部材３０が頭部筐体１０とマイクロフォン２２との間に密着して配置されているので、頭部筐体１０と受音部２１との空隙を塞ぐことができる。そのため、頭部筐体１０内部の空気伝播音を受音部２１が受信することを抑制できる。

また、マイクロフォンユニット２０は、第１及び第２柔軟部材３０，５０に密着挟持されて、頭部筐体１０に固体されたケーシング４０に保持されている。そのため、頭部筐体１０の振動が第１及び第２柔軟部材３０，５０で減衰され、頭部筐体１０の振動による固体伝播音を受音部２１が受信することを抑制できる。よって、不要振動音を減少させ、必要な外部音声のみを受音部２１が受信することが可能になる。

なお、第１及び第２柔軟部材３０，５０は、硬すぎると頭部筐体１０の振動がマイクロフォン２２に伝達されるおそれがある。

そこで、音声認識に必要な領域の振動数領域で振動伝達率が１以下の目標値以下になるように、第１及び第２柔軟部材３０，５０を形成する柔軟素材の縦弾性係数Ｅ、形状因子、ウェイト２３の質量を適宜設定する必要がある。

以下、図３を参照して、第１の実施形態に係るマイクロフォンシステムを簡略化した系で構成した場合を例として、第１及び第２柔軟部材３０，５０を形成する柔軟素材の縦弾性係数Ｅを算出する方法について説明する。

まず、音声認識に必要な領域内の振動数ｆ（Ｈｚ）での振動伝達率Ｔｒ’（ｄＢ）の目標値を設定する。例えば、振動数ｆが１００Ｈｚで振動伝達率Ｔｒが０ｄＢ以下とのように目標値を設定する。

デシベル値の振動伝達率Ｔｒ’は、次式（１）で無単位の振動伝達率Ｔｒに変換される。

系への入力振動数ｆと系の共振振動数ｆ_０との比である振動数比ｕは、次式（２）で表される。

振動伝達率Ｔｒは、マイクロフォンユニット２０へ伝達される振動の力Ｆと系へ入力される外力Ｆ_０との比であり、ｆ＞ｆ_０であることを考慮すると、振動数比ｕを用いて、次式（３）で表される。

式（２）と式（３）より、系の共振振動数ｆ_０は、次式（４）で表される。

また、系の共振振動数ｆ_０は、系のばね定数Ｋ及びマイクロフォンユニット２０の質量ｍを用いて、次式（５）で表される。

式（４）と式（５）より、系のばね定数Ｋは、次式（６）で表される。

ところで、一般的に、剪断応力τは、剪断弾性係数（剛性率）Ｇと剪断歪γとを用いて、次式（７）で表される。

そして、弾性係数間の関係から、縦弾性係数（ヤング率）Ｅは、ポアソン比νを用いて、次式（８）で表される。

また、剪断応力τは、剪断力Ｆと面積Ａとを用いて、次式（９）で表される。

弾性部材の剪断歪γは、その弾性部材の縮み量λと原長ｌとを用いて、次式（１０）で表される。

一般的なゴムのポアソン比νは約０．５であることを考慮すると、式（７）から式（１０）より、次式（１１）の関係が成立する。

マイクロフォンユニット２０へ伝達される振動の力Ｆは、弾性部材のばね定数ｋと縮み量λを用いて、次式（１２）で表される。

式（１１）と式（１２）から、ばね定数ｋは、次式（１３）で表される。

これより、第１及び第２柔軟部材３０，５０がともに縦弾性係数Ｅの柔軟素材から形成されると仮定すると、第１及び第２柔軟部材３０，５０の面積Ａ_１，Ａ_２、原長ｌ_１，ｌ_２を用いて、第１及び第２柔軟部材３０，５０のばね定数ｋ_１，ｋ_２は、それぞれ同じ材料を使用する場合、次式（１４）で表される。

系全体のばね係数Ｋは、ゲルのばね定数ｋ_１，ｋ_２の和であるので、式（１４）から、次式（１５）が成立する。

よって、式（６）と式（１５）から、柔軟素材の縦弾性係数Ｅは、次式（１６）で求められる。

これにより、第１及び第２柔軟部材３０，５０を形成する柔軟素材の縦弾性係数Ｅは、マイクロフォンユニット２０の質量ｍ、第１及び第２柔軟部材３０，５０の面積Ａ_１，Ａ_２、原長ｌ_１，ｌ_２がレイアウト性や材料の入手性などから決定されると、式（１６）を用いて算出することができる。

以下、本発明の第２の実施形態に係るマイクロフォンシステムについて、図面を参照して説明する。

図４を参照して、第２の実施形態に係るマイクロフォンシステムは、第１の実施形態に係るマイクロフォンシステムと比較して、第１柔軟部材６０の形状のみが異なる。

第１柔軟部材６０は、音穴１１と連通し、マイクロフォン２２の外側面と嵌合する開口６１を有している。これにより、頭部筐体１０の音穴１１と第１柔軟部材６０の開口６１とが連通して、受音部２１の受音面が頭部筐体１０の外部に向かって開放される。そして、開口６１にマイクロフォン２２全体が嵌め込まれ、第１柔軟部材６０の後面がフレキシブルプリント回路基板２４に接合されている。これにより、マイクロフォン２２が第１柔軟部材６０によって安定的に保持される。

そして、第１柔軟部材６０は、頭部筐体１０とフレキシブルプリント回路基板２４との間で圧縮されて、頭部筐体１０と受音部２１との空隙を密閉して塞いでいる。第１柔軟部材６０は、自由状態と比較して少なくとも例えば０．５ｍｍ圧縮されることが好ましい。これにより、第１柔軟部材６０が頭部筐体１０とフレキシブルプリント回路基板２４との間に確実に密着して配置される。

第２の実施形態に係るマイクロフォンシステムは、第１の実施形態に係るマイクロフォンシステムと同様の作用効果を奏する。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、本発明のロボットに相当するものとして歩行ロボットＲを例に挙げて実施形態を説明したが、これに限定されない。例えば、車輪や球体等を用いて移動するロボットであってもよい。また、移動しないロボットであってもよい。

また、本発明のマイクロフォンシステムは、ロボットの頭部に搭載されるものに限定されず、ロボットの胴体部、腕部、脚部に搭載されるものであってもよい。さらに、本発明のマイクロフォンシステムは、ロボットに搭載されるものに限定されず、振動源を内部に有し、振動する筐体を有する移動体など任意のものに搭載することが可能である。

例えば、本発明のマイクロフォンシステムは、車両等のカーナビゲーションシステムの音声認識部、携帯電話ハンズフリーシステム、アクティブ・ノイズ・キャンセラー（ＡＮＣ）に搭載することができる。

この場合、筐体を伝播して受音部２１に伝達される固体伝播音及び空気中を伝播して受音部２１に伝達される空気伝播音によるノイズを減衰することが可能であるので、クリヤな音を獲得でき、音声認識率が向上するという効果が得られる。マイクロフォンシステムの小型化によるレイアウト性の向上及び軽量化による車両燃費の向上という効果も得られる。

また、第１及び第２柔軟部材３０，５０を形成する柔軟素材の縦弾性係数Ｅ、面積Ａ_１，Ａ_２、原長ｌ_１，ｌ_２、ウェイト２３の質量ｍを式（１６）を用いて算出する場合について説明したが、これに限定されない。例えば、試行錯誤的な実験によって決定してもよい。また、第１及び第２柔軟部材３０，５０を形成する柔軟素材は互いに異なる材質であってもよい。

１…頭部、１０…頭部筐体（筐体）、１１…音穴、２０…マイクロフォンユニット、２１…受音部、２２…マイクロフォン、２３…ウェイト（重量部材）、３０，６０…第１柔軟部材、３１，６１…開口、４０…ケーシング（固定部材）、５０…第２柔軟部材、Ｒ…ロボット。

Claims

筐体に貫通された音穴を介して外部音声を受信するマイクロフォンシステムであって、
音声信号を受信する受音部が前面側に設けられたマイクロフォンと、該マイクロフォンの後面側に取り付けられた重量部材と、前記マイクロフォンが実装されたフレキシブルプリント回路基板とを有するマイクロフォンユニットと、
前記音穴と連通する開口を有し、前記マイクロフォンユニットの前面側と前記筐体とにそれぞれ密着して配置される第１柔軟部材と、
前記筐体に固定された固定部材と、
該固定部材に保持され、前記マイクロフォンユニットの後面側に密着して配置される第２柔軟部材とを備え、
所定の振動数での振動伝達率が目標値以下となるように、前記第１及び第２柔軟部材を形成する柔軟素材の縦弾性係数及び前記重量部材の質量を少なくとも設定し、
前記第１柔軟部材の後面が前記フレキシブルプリント回路基板に接合されていることを特徴とするマイクロフォンシステム。
前記マイクロフォンがＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）素子で構成されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロフォンシステム。
前記第１柔軟部材は、前記マイクロフォンユニットと前記筐体との間で、自由状態と比較して少なくとも０．５ｍｍ圧縮されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロフォンシステム。
請求項１から３の何れか１項に記載のマイクロフォンシステムが頭部に装着されていることを特徴とするロボット。
請求項１から３の何れか１項に記載のマイクロフォンシステムが搭載されていることを特徴とする車両。