JP6330202B2 - 咽喉マイクロホン - Google Patents

Description

本発明は、咽喉マイクロホンに関するものである。

騒音下で音声を収音するために、喉の振動を検出する咽喉マイクロホンが知られている。咽喉マイクロホンは、喉元の振動のみを検出することから、口元で発生する摩擦音や破裂音を収音するのが困難である。

摩擦音や破裂音は、音声信号のうち比較的高い周波数成分を多く含んでいる。そこで、咽喉マイクロホン装置は、摩擦音や破裂音を含む高周波帯域の感度を高く設定することで明瞭度を向上させることができる。しかし、摩擦音や破裂音の周波数帯域は、話者の性別や声の高低などの性質によって異なる。

したがって、咽喉マイクロホンは、なるべく簡易な構成で高感度の周波数帯域を調整できることが望ましい。

ここで、咽喉マイクロホンの電気音響変換素子に、２枚の圧電素子を貼り合わせた構造のバイモルフ型圧電素子（以下、「圧電バイモルフ」という。）を用いる技術が知られている。圧電素子は、堅牢で出力レベルが大きい。

圧電素子は、共振周波数を有する弾性制御である。圧電素子の出力レベルは、共振周波数以下の周波数帯域の入力に対しては一定で、圧電素子の出力レベルは、共振周波数以上の周波数帯域の入力に対しては周波数が高いほど小さい。圧電素子の共振周波数は、圧電素子に付加される錘の重さによって調節することができる。共振周波数は、錘を重くすると低くなり、錘を軽くすると高くなる。

単体の圧電バイモルフは、共振周波数付近では高い感度が得られるものの、高い感度を得ることができる領域が狭いという問題がある。そこで、圧電バイモルフを複数本使用する咽喉マイクロホンが知られている。

複数本の圧電バイモルフを使用した咽喉マイクロホンの収音特性を調整するためには、複数本の圧電バイモルフの周波数特性を調整する必要がある。

複数本の圧電バイモルフの周波数特性を変えることによりマイクロホンの収音特性を変えることを実現するにあたっては、構成および操作が簡易であることが望ましい。

また、圧電バイモルフは、出力インピーダンスが高い。したがって、圧電バイモルフは、後段にインピーダンス変換器を接続することで出力インピーダンスを低くして使用される。しかし、インピーダンス変換器は、入力インピーダンスが高いため、雑音が混入しやすい。

そこで、圧電バイモルフを使用した咽喉マイクロホン装置であって、雑音を低減できる咽喉マイクロホンが必要とされている。

これまでにも、例えば、共鳴周波数が異なる複数の圧電バイモルフを備える咽喉マイクロホンが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１記載の咽喉マイクロホンは、２つの圧電バイモルフが直列接続されている。したがって、２つの圧電バイモルフは、一方の出力が他方の出力に影響するため、個々の圧電バイモルフの出力を調整して、マイクロホンの収音特性を所望の特性に変えるのは困難である。

また、圧電バイモルフを複数本重ねて使用する骨伝導マイクロホンが開示されている（例えば、非特許文献１参照）。

しかしながら、非特許文献１記載の骨伝導マイクロホンは、圧電バイモルフの周波数応答を調整するためには個々の圧電バイモルフに固着する錘の重さを変える必要がある。また、圧電バイモルフの出力は一体的となっている。すなわち、非特許文献１には、個々の圧電バイモルフの共振周波数を電気的に調整することに関しては開示されていない。

特開２０１２−２３１２０４号公報 デンソーテクニカルレビュー Ｖｏｌ．８ Ｎｏ．１ ２００３「特集 音声認識用骨伝導マイクロホンの開発」

本発明は、簡易な構成でマイクロホンの収音特性を変えることができる咽喉マイクロホンを提供することを目的とする。

本発明にかかる咽喉マイクロホンは、第１圧電バイモルフと、第１圧電バイモルフと異なる共振周波数を有する第２圧電バイモルフと、第１圧電バイモルフからの信号の出力インピーダンスを変換する第１インピーダンス変換器と、第２圧電バイモルフからの信号の出力インピーダンスを変換する第２インピーダンス変換器と、第１インピーダンス変換器および第２インピーダンス変換器からの信号がそれぞれ入力される第１バッファ回路および第２バッファ回路と、を備える咽喉マイクロホンであって、第１圧電バイモルフおよび第２圧電バイモルフは、異なる重さの錘を備えることにより異なる共振周波数に設定されていて、第１圧電バイモルフおよび前記第２圧電バイモルフは共通の基台に取り付けられ、第１バッファ回路の出力信号および第２バッファ回路の出力信号は独立していて、第１バッファ回路の出力信号と、前記第２バッファ回路の出力信号とから平衡出力される。

本発明によれば、簡易な構成で咽喉マイクロホンの収音特性を変えることができる。

本発明にかかる咽喉マイクロホンの実施の形態を、電源装置およびミキサとともに示す回路図である。 上記咽喉マイクロホンの実施の形態を示す回路図である。 上記咽喉マイクロホンが備える（ａ）第１圧電バイモルフ、（ｂ）第２圧電バイモルフを示す正面図である。 （ａ）上記第１圧電バイモルフの周波数特性と、（ｂ）上記第２圧電バイモルフの周波数特性を示すグラフである。 上記第１圧電バイモルフおよび上記第２圧電バイモルフを積層した例を示す一部断面正面図である。 （ａ）上記第１圧電バイモルフ、および上記咽喉マイクロホン装置が備える第１インピーダンス変換器を示す回路図、（ｂ）上記第２圧電バイモルフ、および上記咽喉マイクロホン装置が備える第２インピーダンス変換器を示す回路図である。 （ａ）上記第１インピーダンス変換器が備える可変抵抗の値を変化させたときの、上記第１インピーダンス変換器の出力端の周波数特性を示すグラフ、（ｂ）上記第２インピーダンス変換器が備える可変抵抗の値を変化させたときの、上記第２インピーダンス変換器の出力端の周波数特性を示すグラフである。 上記ミキサの出力信号の周波数特性を示すグラフである。

以下、本発明にかかる咽喉マイクロホンの実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

●咽喉マイクロホン（１）●
図１に示すように、咽喉マイクロホン１０は、電源装置７０に接続されている。電源装置７０は、ミキサ８０に接続されている。咽喉マイクロホン１０、電源装置７０およびミキサ８０は、咽喉マイクロホン装置１を構成する。

●咽喉マイクロホン１０の構成
図２に示すように、咽喉マイクロホン１０は、第１圧電バイモルフ１１、第２圧電バイモルフ１２、第１インピーダンス変換器３０、第２インピーダンス変換器４０、第１バッファ回路５１および第２バッファ回路５２を備える。

図３（ａ）に示すように、第１圧電バイモルフ１１は、圧電素子１１ａおよび圧電素子１１ｂを貼り合わせた圧電子である。圧電素子１１ａ、１１ｂは、長方形の板状の素子である。圧電素子１１ａ、１１ｂの一端部は、それぞれ図５（圧電バイモルフの例を示す）に示すように電極１６および電極１７を備えている。圧電素子１１ａ、１１ｂの他端部には、錘１３が取り付けられている。

図３（ｂ）に示すように、第２圧電バイモルフ１２は、圧電素子１２ａおよび圧電素子１２ｂを貼り合わせた圧電子である。圧電素子１２ａ、１２ｂは、長方形の板状の素子である。圧電素子１２ａ、１２ｂの一端部は、それぞれ図５に示すように電極１８および電極１９を備えている。圧電素子１２ａ、１２ｂの他端部には、錘１４が取り付けられている。

ここで、錘１３の質量は、錘１４の質量よりも重い。したがって、第１圧電バイモルフ１１の共振周波数は、第２圧電バイモルフ１２の共振周波数よりも低い。すなわち、第１圧電バイモルフ１１および第２圧電バイモルフ１２は、異なる質量の錘により異なる共振周波数に設定されている。

図３（ａ）、（ｂ）に示すように、第１圧電バイモルフ１１および第２圧電バイモルフ１２は、共通の基台１００にそれぞれ支持ブロック１１ｃおよび支持ブロック１２ｃを介して取り付けられている。各圧電バイモルフ１１、１２は、圧電素子の貼り合わせ方向に上記支持ブロック１１ｃ、１２ｃと基台１００が重なり、さらに、錘１３、１４が重なっている。各圧電バイモルフ１１、１２は、上記支持ブロック１１ｃ、１２ｃ側において片持ち状に支持され、錘１３、１４側が自由端になっている。

図４（ａ）は、第１圧電バイモルフ１１の周波数特性を示すグラフである。第１圧電バイモルフ１１は、弾性体である。第１圧電バイモルフ１１の出力電圧は、共振周波数ＲＦ１未満の周波数帯域においては入力された加速度に対して一定である。

第１圧電バイモルフ１１の出力電圧は、共振周波数ＲＦ１付近の周波数でピークを有する。第１圧電バイモルフ１１の出力電圧は、共振周波数ＲＦ１を超える周波数帯域において周波数が高くなるほど小さくなる。

図４（ｂ）は、第２圧電バイモルフ１２の周波数特性を示すグラフである。第２圧電バイモルフ１２は、弾性体である。第２圧電バイモルフ１２の出力電圧は、共振周波数ＲＦ２未満の周波数帯域においては入力された加速度に対して一定である。

第２圧電バイモルフ１２の出力電圧は、共振周波数ＲＦ２付近の周波数でピークを有する。第２圧電バイモルフ１２の出力電圧は、共振周波数ＲＦ２を超える周波数帯域において周波数が高くなるほど小さくなる。

第１圧電バイモルフ１１および第２圧電バイモルフ１２の共振周波数ＲＦ１、ＲＦ２は、それぞれが備える圧電素子１１ａと１１ｂ、１２ａと１２ｂに取り付けられる錘の質量によって異なる。第１圧電バイモルフ１１および第２圧電バイモルフ１２の共振周波数ＲＦ１、ＲＦ２は、それぞれの錘の質量が大きいほど低くなる。

第１圧電バイモルフ１１および第２圧電バイモルフ１２は、後述する第１インピーダンス変換器３０および第２インピーダンス変換器４０とバイモルフの極性が互いに逆になるように接続されている。

図５は、第１圧電バイモルフ１１および第２圧電バイモルフ１２を積層した例を示す。第１圧電バイモルフ１１は、長さ方向の一端の両面にそれぞれ電極１６および電極１７を備える。すなわち、圧電素子１１ａは、電極１６を備える。圧電素子１１ｂは、電極１７を備える。

第２圧電バイモルフ１２は、長さ方向の一端の両面にそれぞれ電極１８および電極１９を備える。すなわち、圧電素子１２ａは、電極１８を備える。圧電素子１２ｂは、電極１９を備える。

第１圧電バイモルフ１１および第２圧電バイモルフ１２は、互いに積層されている。第１圧電バイモルフ１１および第２圧電バイモルフ１２は、それぞれの基端部において電極１６〜１９およびスペーサ２０で区分されて、軸１５と締結部材２１により一体に締結されている。軸１５は、例えばボルトであり、締結部材２１は、上記ボルトにねじ込まれたナットである。図５には示されていないが、軸１５と締結部材２１によって第１圧電バイモルフ１１および第２圧電バイモルフ１２が基台に片持ち状に取り付けられている。

第１圧電バイモルフ１１および第２圧電バイモルフ１２の隣接する電極間、すなわち電極１７および電極１８の間にはスペーサ２０が介在している。スペーサ２０は、絶縁体である。

音声を発したときの喉の振動は、軸１５の頭部を人の喉に押し当てることで第１圧電バイモルフ１１および第２圧電バイモルフ１２に伝達される。

●第１インピーダンス変換器３０および第２インピーダンス変換器４０の構成

図６（ａ）に示すように、第１圧電バイモルフ１１は、第１インピーダンス変換器３０に接続されている。第１インピーダンス変換器３０は、電界効果トランジスタ（以下、「ＦＥＴ」という。）３１、抵抗３２、可変抵抗３３および可変抵抗３４を備える。

第１圧電バイモルフ１１の一方の電極は、グランドに接続されている。第１圧電バイモルフ１１の他方の電極は、ＦＥＴ３１のゲートに接続されている。

ＦＥＴ３１は、第１圧電バイモルフ１１の出力インピーダンスを低インピーダンスに変換する第１インピーダンス変換器３０の能動素子である。

図２に示すように、ＦＥＴ３１のドレインは、電界コンデンサ４６を介してグランドに接続されている。ＦＥＴ３１のソースは、抵抗３２および可変抵抗３３を介してグランドに接続されている。ＦＥＴ３１のゲートと、抵抗３２および可変抵抗３３の接続点との間には、可変抵抗３４が接続されている。可変抵抗３４は、ＦＥＴ３１の入力抵抗である。可変抵抗３３の摺動子から出力される信号は、第１インピーダンス変換器３０の出力信号である。

図６（ｂ）に示すように、第２圧電バイモルフ１２は、第２インピーダンス変換器４０に接続されている。第２インピーダンス変換器４０は、ＦＥＴ４１、抵抗４２、可変抵抗４３および可変抵抗４４を備える。

第２圧電バイモルフ１２の一方の電極は、グランドに接続されている。第２圧電バイモルフ１２の他方の電極は、ＦＥＴ４１のゲートに接続されている。

ＦＥＴ４１は、第２圧電バイモルフ１２の出力インピーダンスを低インピーダンスに変換する第２インピーダンス変換器４０の能動素子である。

図２に示すように、ＦＥＴ４１のドレインは、電界コンデンサ４６を介してグランドに接続されている。ＦＥＴ４１のソースは、抵抗４２および可変抵抗４３を介してグランドに接続されている。ＦＥＴ４１のゲートと、抵抗４２および可変抵抗４３の接続点との間には、可変抵抗４４が接続されている。可変抵抗４４は、ＦＥＴ４１の入力抵抗である。可変抵抗４３の摺動子から出力される信号は、第２インピーダンス変換器４０の出力信号である。

可変抵抗３３、〜３４および４３、４４は、咽喉マイクロホン１０の外側からユーザーが操作できるように取り付けられている。

図２において、基台１００、第１インピーダンス変換器３０の接地側および第２インピーダンス変換器４０の接地側は、端子６３と接続されている。端子６３は、後述する平衡出力の接地端子となっている。ここで、第１インピーダンス変換器３０の接地側とは、可変抵抗３３の端子のうち抵抗３２と接続されていない方の端子である。第２インピーダンス変換器４０の接地側端子とは、可変抵抗４３の端子のうち抵抗４２と接続されていない方の端子である。

図７（ａ）は、可変抵抗３３、３４の値を変化させたときの第１インピーダンス変換器３０の出力端の周波数特性を示す。第１インピーダンス変換器３０の出力端の出力レベルは、可変抵抗３３の値を変化させると矢印１３３のように縦軸方向に変化する。第１インピーダンス変換器３０の出力端のローカット周波数は、可変抵抗３４の値を変化させると矢印１３４のように横軸方向に変化する。

図７（ｂ）は、可変抵抗４３、４４の値を変化させたときの、第２インピーダンス変換器４０の出力端の周波数特性を示す。第２インピーダンス変換器４０の出力端の周波数特性は、可変抵抗４３の値を変化させると出力レベルが矢印１４３のように上下方向に変化する。第２インピーダンス変換器４０の出力端の周波数特性は、可変抵抗４４の値を変化させるとローカット周波数が矢印１４４のように左右方向に変化する。

すなわち、可変抵抗３３は、第１インピーダンス変換器３０の出力レベルを調整する第１調整器の例である。可変抵抗４３は、第２インピーダンス変換器４０の出力レベルを調整する第２調整器の例である。

可変抵抗３３、３４および４３、４４は、それぞれ独立して第１インピーダンス変換器３０および第２インピーダンス変換器４０の周波数特性を変更することができる。すなわち、第１圧電バイモルフ１１および第２圧電バイモルフ１２は、独立して構成されている。したがって、咽喉マイクロホン１０は、第１圧電バイモルフ１１および第２圧電バイモルフ１２からの出力信号の周波数特性を独立して変更することができる。

●第１バッファ回路５１および第２バッファ回路５２の構成

図２に示すように、第１インピーダンス変換器３０の出力信号は、可変抵抗３３の摺動子を経て第１バッファ回路５１に入力される。第１バッファ回路５１は、トランジスタ１５１、抵抗１５２および抵抗１５３を備える。トランジスタ１５１は、ｐｎｐ型である。

第１バッファ回路５１は、エミッタフォロワである。可変抵抗３３の摺動子は、コンデンサ３５を介してトランジスタ１５１のベースに接続されている。抵抗１５２は、トランジスタ１５１のベースおよびコレクタに接続されている。抵抗１５３は、トランジスタ１５１のベースおよびエミッタに接続されている。端子６１は、第１バッファ回路５１の出力端である。

第２インピーダンス変換器４０は、第２バッファ回路５２に接続されている。第２バッファ回路５２は、トランジスタ１５４、抵抗１５５および抵抗１５６を備える。トランジスタ１５４は、ｐｎｐ型である。

第２バッファ回路５２は、エミッタフォロワである。可変抵抗４３の摺動子は、コンデンサ４５を介してトランジスタ１５４のベースに接続されている。抵抗１５５は、トランジスタ１５４のベースおよびコレクタに接続されている。抵抗１５６は、トランジスタ１５４のベースおよびエミッタに接続されている。端子６２は、第２バッファ回路５２の出力端子である。

咽喉マイクロホン１０の出力信号は、端子６１および端子６２から平衡出力される。平衡出力の接地は、端子６３と接続することで確立される。端子６１からの出力信号は、第１インピーダンス変換器３０の出力信号と同一である。端子６２からの出力信号は、第２インピーダンス変換器４０の出力信号と同一である。

第１インピーダンス変換器３０および第２インピーダンス変換器４０は、入力インピーダンスが高いため雑音が発生しやすい。また、各端子６１〜６３からミキサ８０に音声信号を伝送するケーブルは、誘導によって雑音を拾いやすい。咽喉マイクロホン１０の出力を平衡出力することにより、誘導によって上記ケーブルに発生し音声信号に混入する雑音を低減することができる。

●電源装置７０の構成
図１に示すように、咽喉マイクロホン１０は、電源装置７０に接続されている。第１インピーダンス変換器３０、第２インピーダンス変換器４０、第１バッファ回路５１および第２バッファ回路５２の駆動電源は、ファントム電源方式である。電源装置７０は、直流電源７１、第１電界コンデンサ７２、第２電界コンデンサ７３、抵抗７４および抵抗７５を備える。

電源７１の一端は、抵抗７４および抵抗７５に並列に接続されている。電源７１の他端は、グランドに接続されている。抵抗７４および抵抗７５は、端子６１および端子６２にそれぞれ接続されている。端子６１および端子６２は、電界コンデンサ７２および電界コンデンサ７３を介してミキサ８０に接続されている。電界コンデンサ７２および電界コンデンサ７３は、電源７１からの直流電圧を遮断し、端子６１と６２からの音声信号のみをミキサ８０に入力する。

●ミキサ８０の構成
図１に示すように、電源装置７０は、ミキサ８０に接続されている。ミキサ８０は、加算素子８１を備える。加算素子８１は、咽喉マイクロホン１０からの出力を加算する。加算素子８１の出力は、咽喉マイクロホン装置１の出力である。

加算素子８１は、例えばオペアンプである。オペアンプは、非反転入力端子および反転入力端子を備える。非反転入力端子は、端子６１からの信号が入力される。反転入力端子は、端子６２からの信号が入力される。その結果、伝送路上の雑音は、オペアンプによる加算によりキャンセルされる。

図８は、咽喉マイクロホン装置１の出力信号の周波数特性である。出力レベルＬ１は、端子６１からの出力信号のピークを示す。出力レベルＬ２は、端子６２からの出力信号のピークを示す。可変抵抗３３および可変抵抗４３の抵抗値を変化させることにより、出力レベルＬ１、Ｌ２の値を変化させることができる。また、可変抵抗３４および可変抵抗４４の抵抗値を変化させることにより、低域の周波数特性を変化させることができる。

以上説明した実施の形態によれば、咽喉マイクロホン１０は、第１圧電バイモルフ１１および第２圧電バイモルフ１２の周波数特性を独立して変更することができる。すなわち、簡易な構成でマイクロホンの収音特性を変えることができる。

１ 咽喉マイクロホン装置
１０ 咽喉マイクロホン
１１ 第１圧電バイモルフ
１２ 第２圧電バイモルフ
３０ 第１インピーダンス変換器
４０ 第２インピーダンス変換器
５１ 第１バッファ回路
５２ 第２バッファ回路
１００ 基台

Claims (6)

1. 第１圧電バイモルフと、
   前記第１圧電バイモルフと異なる共振周波数を有する第２圧電バイモルフと、
   前記第１圧電バイモルフからの信号の出力インピーダンスを変換する第１インピーダンス変換器と、
   前記第２圧電バイモルフからの信号の出力インピーダンスを変換する第２インピーダンス変換器と、
   前記第１インピーダンス変換器および前記第２インピーダンス変換器からの信号がそれぞれ入力される第１バッファ回路および第２バッファ回路と、
   を備える咽喉マイクロホンであって、
   前記第１圧電バイモルフおよび前記第２圧電バイモルフは、異なる重さの錘を備えることにより異なる共振周波数に設定されていて、
   前記第１圧電バイモルフおよび前記第２圧電バイモルフは共通の基台に取り付けられ、
   前記第１バッファ回路の出力信号および前記第２バッファ回路の出力信号は独立していて、
   前記第１バッファ回路の出力信号と、前記第２バッファ回路の出力信号とから平衡出力される、
   ことを特徴とする咽喉マイクロホン。
2. 前記第１インピーダンス変換器の出力レベルを調整する第１調整器と、
   前記第２インピーダンス変換器の出力レベルを調整する第２調整器と、
   を備え、
   前記第１調整器の出力は前記第１バッファ回路に入力され、前記第２調整器の出力は前記第２バッファ回路に入力される、請求項１記載の咽喉マイクロホン。
3. 前記第１バッファ回路および前記第２バッファ回路はエミッタフォロワであって、前記第１バッファ回路のベースに前記第１インピーダンス変換器の出力信号が入力され、前記第２バッファ回路のベースに前記第２インピーダンス変換器の出力信号が入力される、請求項１又は２記載の咽喉マイクロホン。
4. 前記第１インピーダンス変換器の接地と、前記第２インピーダンス変換器の接地と、は前記基台と接続されていて、前記平衡出力の接地となっている請求項１乃至３のいずれかに記載の咽喉マイクロホン。
5. 前記第１圧電バイモルフおよび前記第２圧電バイモルフは、積層されている請求項１乃至４のいずれかに記載の咽喉マイクロホン。
6. 前記第１インピーダンス変換器、前記第２インピーダンス変換器、前記第１バッファ回路および前記第２バッファ回路の駆動電源はファントム方式によって供給される、請求項１乃至５のいずれかに記載の咽喉マイクロホン。

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