JP7528641B2

JP7528641B2 - 音響センサ

Info

Publication number: JP7528641B2
Application number: JP2020144876A
Authority: JP
Inventors: 将吾木原
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2020-08-28
Filing date: 2020-08-28
Publication date: 2024-08-06
Anticipated expiration: 2040-08-28
Also published as: JP2022039718A

Description

本開示は、ＭＥＭＳマイクを利用する音響センサに関する。

従来、マイクロフォン、又はマイクロフォンを利用した機器では、感知された音から、本来感知したい音とは別に感知された雑音を排除するための機能が搭載されていることが知られている。特許文献１には、外部の物体と擦れる際の雑音を抑制する補聴器が開示されている。また、特許文献２には、ボイスコイルとキャンセルコイルとが、外部振動に対して逆位相接続となるように結線され、雑音を抑制するマイクロフォンが開示されている。

国際公開第２０１４／０２７６０５号特開２０１５－１５６１３号公報

ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）の技術を用いたマイクロフォン（以下、ＭＥＭＳマイク）を利用した音響センサが知られている。ＭＥＭＳマイクは、音を受信すると振動するダイアフラムを有している。ここで、このダイアフラムは、音だけではなく、ＭＥＭＳマイクの他の構成部品から伝わった振動に対しても反応する。このため、ＭＥＭＳマイクの出力には、感知した振動による雑音が含まれてしまうことがある。その結果、ＭＥＭＳマイクを利用する音響センサでは、外部空間で発生している音を精確に検出できないことがある。

本開示は、上記のような課題を解決するためになされたもので、ＭＥＭＳマイクを利用する音響センサであって、外部空間で発生している音の検出精度を向上させることができる音響センサを提供するものである。

本開示に係る音響センサは、音響センサの外部の空間に対して開放された開口が形成された基板と、開口と対向して配置される第１のダイアフラムを有し、開口から入った音、及び基板の振動を第１のダイアフラムによって感知して第１の信号を出力する、基板に設けられた第１のＭＥＭＳマイクと、基板に設けられ、基板の振動を感知して第２の信号を出力する第２のＭＥＭＳマイクと、第１の信号と、第２の信号とを加算又は減算することで音に相当する対象音信号を出力する演算装置と、を備え、第１のＭＥＭＳマイクは、第１のダイアフラムを覆う第１のシールディングを有し、第２のＭＥＭＳマイクは、第２のダイアフラムを覆う第２のシールディングを有し、第２のシールディングは、第１のシールディングと異なるものであり、基板は、第２のダイアフラムに対向する箇所に開口を有していない。

本開示では、音響センサは同一の基板上に設けられた第１のＭＥＭＳマイクと、第２のＭＥＭＳマイクとを有している。第１のＭＥＭＳマイクは、音、及び基板の振動を感知し、第２のＭＥＭＳマイクは、音を感知せず、基板の振動を感知する。このため、音響センサは、第１のＭＥＭＳマイクが出力した第１の信号と、及び第２のＭＥＭＳマイクが出力した第２の信号とを加算又は減算することで、音に相当する対象音信号を抽出することができる。したがって、ＭＥＭＳマイクを利用する音響センサは、外部空間で発生している音の検出精度を向上させることができる。

実施の形態１に係る音響センサ１を示す概略構成図である。実施の形態２に係る音響センサ１０１を示す概略構成図である。施の形態３に係る音響センサ２０１を示す概略構成図である。

実施の形態１．
以下、実施の形態１に係る音響センサ１について、図面を参照しながら説明する。図１は、実施の形態１に係る音響センサ１を示す概略構成図である。図１に示すように、音響センサ１は、基板１１、第１のＭＥＭＳマイク１２、第２のＭＥＭＳマイク１３、及び演算装置１４を有している。音響センサ１は、例えば、携帯電話、又はスマートスピーカー等の機器に搭載され、外部の空間の音を検知する。第１のＭＥＭＳマイク１２及び第２のＭＥＭＳマイク１３は、基板１１上に設けられた微細な機械部品によって構成されている。

基板１１には、第１のＭＥＭＳマイク１２、第２のＭＥＭＳマイク１３、及び演算装置１４が実装され、これらが電子回路（図示せず）によって接続されている。説明のため、基板１１の一方の面を上面３１、上面３１の反対側の面を下面３２と称する。また、基板１１には、第１のＭＥＭＳマイク１２と対向する位置に開口２１が形成されている。開口２１は、基板１１を上下方向に貫通している。なお、基板１１の上下方向は、音響センサ１が搭載された機器の上下方向と一致していなくてもよい。

第１のＭＥＭＳマイク１２は、基板１１の上面３１に設けられている。図１に示すように、第１のＭＥＭＳマイク１２は、バックプレート４１ａ、ダイアフラム４２ａ、出力変換装置４３ａ、及びシールディング４４ａを有している。

バックプレート４１ａは、多数の孔が形成されたプレート状の部品である。ダイアフラム４２ａは、膜状の部品である。バックプレート４１ａとダイアフラム４２ａとは、対向して配置されている。バックプレート４１ａとダイアフラム４２ａとの間には、間隙が形成されている。ダイアフラム４２ａは、基板１１の開口２１と対向するよう配置され、基板１１の開口２１から入り、バックプレート４１ａの孔を通過した音によって振動し、変位する。なお、本明細書において「音」とは、特別な説明のない限り、音響センサ１が感知する対象とする、音響センサ１の外部の空間で発生している音を意味している。ダイアフラム４２ａは、基板１１の開口２１から入り、バックプレート４１ａの孔を通過した音に加えて、基板１１の振動が伝達することによっても振動する。

出力変換装置４３ａは、ダイアフラム４２ａの変位に伴う静電容量の変化を第１の信号に変換し、演算装置１４に出力する。第１の信号は、アナログ出力又はデジタル出力される電気信号である。上述のように、ダイアフラム４２ａは、音だけでなく、基板１１の振動に対しても反応する。このため、第１の信号は、音を電気信号に変換したものに相当する対象音信号、及び基板１１の振動を電気信号に変換したものに相当する振動雑音信号を含む。このように、第１のＭＥＭＳマイク１２は、音、及び基板１１の振動を感知して電気信号として出力するものである。シールディング４４ａは、例えば、樹脂製又は金属製であり、バックプレート４１ａ、ダイアフラム４２ａ、及び出力変換装置４３ａを覆っている。

第２のＭＥＭＳマイク１３は、バックプレート４１ｂ、ダイアフラム４２ｂ、出力変換装置４３ｂ、及びシールディング４４ｂを有している。第２のＭＥＭＳマイク１３は、第１のＭＥＭＳマイク１２と同様に、基板１１の上面３１に設けられている。第２のＭＥＭＳマイク１３のバックプレート４１ｂ、ダイアフラム４２ｂ、出力変換装置４３ｂ、及びシールディング４４ｂは、それぞれ、第１のＭＥＭＳマイク１２のバックプレート４１ａ、ダイアフラム４２ａ、出力変換装置４３ａ、及びシールディング４４ａと同一の構造をしている。ただし、基板１１の第２のＭＥＭＳマイク１３と対向する位置には、開口が形成されていない。即ち、第２のＭＥＭＳマイク１３のダイアフラム４２ｂは、全幅において、基板１１と対向している。このため、第２のＭＥＭＳマイク１３のダイアフラム４２ｂは、音によって振動せず、基板１１の振動によって振動する。よって、第２のＭＥＭＳマイク１３が出力する第２の信号は、振動雑音信号のみからなる。つまり、第２のＭＥＭＳマイク１３は、音を感知せず、基板１１の振動を感知するものである。

演算装置１４は、第１の信号、及び第２の信号に基づいて対象音信号を演算する。演算装置１４の動作については、音の出力方法として後述する。出力変換装置４３ａ、出力変換装置４３ｂ、及び演算装置１４は、記憶装置（図示せず）に格納されるプログラムを実行するＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、又はＡＳＩＣ（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｐｅｃｉｆｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）等で構成される。

次に、音響センサ１における音の出力方法について説明する。音響センサ１は、出力変換装置４３ａ、出力変換装置４３ｂ、及び演算装置１４の各機能によって、音を電気信号に変換した対象音信号を出力する。出力変換装置４３ａ、出力変換装置４３ｂ、及び演算装置１４の各機能は、プログラムとして記述され、記憶装置に格納される。

先ず、第１のＭＥＭＳマイク１２の出力変換装置４３ａは、第１の出力工程を実行する。第１の出力工程では、時間ｔの関数として下記式（１）のように示される第１の信号Ｓ_１（ｔ）が演算装置１４に出力される。ここで、ａ（ｔ）は対象音信号であり、ｖ（ｔ）は、振動雑音信号である。上述のように、第１のＭＥＭＳマイク１２のダイアフラム４２ａは、音に加えて、基板１１の振動が伝達することによっても振動する。よって、第１のＭＥＭＳマイク１２は、対象音信号ａ（ｔ）、及び振動雑音信号ｖ（ｔ）を含む第１の信号を出力する。
Ｓ_１（ｔ）＝ａ（ｔ）＋ｖ（ｔ）・・・（１）

次に、第２のＭＥＭＳマイク１３の出力変換装置４３ｂは、第２の出力工程を実行する。第２の出力工程では、時間ｔの関数として下記式（２）のように示される第２の信号Ｓ_２（ｔ）が演算装置１４に出力される。上述のように、第２のＭＥＭＳマイク１３のダイアフラム４２ｂは、全幅において、基板１１と対向している。よって、第２のＭＥＭＳマイク１３は、振動雑音信号ｖ（ｔ）のみからなる第２の信号を出力する。なお、基板１１を伝搬する振動の速度は、空気中の音速よりも数倍速いため、第１のＭＥＭＳマイク１２、及び第２のＭＥＭＳマイク１３では、振動雑音を同時に受信したとみなすことができる。
Ｓ_２（ｔ）＝ｖ（ｔ）・・・（２）

そして、演算装置１４は、第１の信号Ｓ_１（ｔ）を受信する第１の受信工程、及び第２の信号Ｓ_２（ｔ）を受信する第２の受信工程を実行する。更に、演算装置１４は、対象音出力工程を実行する。対象音出力工程では、下記式（３）で示すように、第１の信号Ｓ_１（ｔ）から第２の信号Ｓ_２（ｔ）を減算することで、対象音信号ａ（ｔ）に相当する出力信号Ｓ_ｏｕｔ（ｔ）が出力される。演算装置１４において、第１の受信工程、第２の受信工程及び対象音出力工程を実行するプログラムを音響プログラムと称する。
Ｓ_ｏｕｔ（ｔ）＝Ｓ_１（ｔ）－Ｓ_２（ｔ）＝ａ（ｔ）・・・（３）

なお、第１の出力工程と第２の出力工程、及び第１の受信工程と第２の受信工程は、同時に実行されたり、順番が入れ替わったりしてもよい。

実施の形態１によれば、音響センサ１は同一の基板１１上に設けられた第１のＭＥＭＳマイク１２と、第２のＭＥＭＳマイク１３とを有している。第１のＭＥＭＳマイク１２は、音、及び基板１１の振動を感知し、第２のＭＥＭＳマイク１３は、音を感知せず、基板１１の振動を感知する。ここで、第１のＭＥＭＳマイク１２と第２のＭＥＭＳマイク１３とは、基板１１上の同一の面に実装されている。このため、音響センサ１は、第１のＭＥＭＳマイク１２が出力した第１の信号と、及び第２のＭＥＭＳマイク１３が出力した第２の信号とを減算することで、音に相当する対象音信号を抽出することができる。したがって、ＭＥＭＳマイクを利用する音響センサ１は、外部空間で発生している音の検出精度を向上させることができる。

実施の形態２．
図２は、実施の形態２に係る音響センサ１０１を示す概略構成図である。図２に示すように、本実施の形態２に係る音響センサ１０１は、第２のＭＥＭＳマイク１３が、基板１１の下面３２に設けられている点で実施の形態１と相違する。本実施の形態２では、実施の形態１と同一の部分は同一の符合を付して説明を省略し、実施の形態１との相違点を中心に説明する。

実施の形態２の第１のＭＥＭＳマイク１２及び第２のＭＥＭＳマイク１３は、実施の形態１の第１のＭＥＭＳマイク１２及び第２のＭＥＭＳマイク１３と同一の構造を有している。また、実施の形態２の第１のＭＥＭＳマイク１２は、実施の形態１の第１のＭＥＭＳマイク１２と同様に、基板１１の上面３１に設けられている。ただし、実施の形態２の第２のＭＥＭＳマイク１３は、基板１１の下面３２に設けられている。即ち、第２のＭＥＭＳマイク１３は、第１のＭＥＭＳマイク１２が設けられている面と反対側の面に設けられている。

音響センサ１０１における音の出力方法について説明する。先ず、第１のＭＥＭＳマイク１２の出力変換装置４３ａは、第１の出力工程を実行する。第１の出力工程では、時間ｔの関数として下記式（４）のように示される第１の信号Ｓ_１（ｔ）が演算装置１４に出力される。
Ｓ_１（ｔ）＝ａ（ｔ）＋ｖ（ｔ）・・・（４）

次に、第２のＭＥＭＳマイク１３の出力変換装置４３ｂは、第２の出力工程を実行する。第２の出力工程では、時間ｔの関数として下記式（５）のように示される第２の信号Ｓ_２（ｔ）が演算装置１４に出力される。実施の形態２では、基板１１に振動が加わったときに、第１のＭＥＭＳマイク１２のダイアフラム４２ａと、第２のＭＥＭＳマイク１３のダイアフラム４２ｂとが逆相で振動する。このため、第２のＭＥＭＳマイク１３の振動雑音信号ｖ（ｔ）の符号は、第１のＭＥＭＳマイク１２の振動雑音信号ｖ（ｔ）の符号と逆転している。
Ｓ_２（ｔ）＝－ｖ（ｔ）・・・（５）

そして、演算装置１４は、第１の信号Ｓ_１（ｔ）を受信する第１の受信工程、及び第２の信号Ｓ_２（ｔ）を受信する第２の受信工程を実行する。更に、演算装置１４は、対象音出力工程を実行する。対象音出力工程では、下記式（６）で示すように、第１の信号Ｓ_１（ｔ）から第２の信号Ｓ_２（ｔ）を加算することで、対象音信号ａ（ｔ）に相当する出力信号Ｓ_ｏｕｔ（ｔ）が出力される。
Ｓ_ｏｕｔ（ｔ）＝Ｓ_１（ｔ）＋Ｓ_２（ｔ）＝ａ（ｔ）・・・（６）

実施の形態２によれば、音響センサ１０１は同一の基板１１上に設けられた第１のＭＥＭＳマイク１２と、第２のＭＥＭＳマイク１３とを有している。第１のＭＥＭＳマイク１２は、音、及び基板１１の振動を感知し、第２のＭＥＭＳマイク１３は、音を感知せず、基板１１の振動を感知する。ここで、第２のＭＥＭＳマイク１３は、第１のＭＥＭＳマイク１２が設けられている面と反対側の面に設けられている。このため、音響センサ１０１は、第１のＭＥＭＳマイク１２が出力した第１の信号と、及び第２のＭＥＭＳマイク１３が出力した第２の信号とを加算することで、音に相当する対象音信号のみを抽出することができる。したがって、ＭＥＭＳマイクを利用する音響センサ１０１は、外部空間で発生している音の検出精度を向上させることができる。

実施の形態３．
図３は、実施の形態３に係る音響センサ２０１を示す概略構成図である。図３に示すように、実施の形態３に係る音響センサ２０１は、第１のＭＥＭＳマイク１２Ａが複数実装されている点、及び演算装置２１４がフィルタ部５１を有する点で実施の形態１と相違する。本実施の形態３では、実施の形態１と同一の部分は同一の符合を付して説明を省略し、実施の形態１との相違点を中心に説明する。

音響センサ２０１は、第１のＭＥＭＳマイク１２Ａ、第１のＭＥＭＳマイク１２Ｂ・・・、及び第１のＭＥＭＳマイク１２Ｍを有している。即ち、実施の形態３の音響センサ２０１では、Ｍ個の第１のＭＥＭＳマイク１２によってＭＥＭＳマイクアレイが構成されている。ＭＥＭＳマイクアレイを利用する音響センサ２０１は、音の指向性等を推定することができる。複数の第１のＭＥＭＳマイク１２は、基板１１の上面３１に実装されている。また、音響センサ２０１は、１個の第２のＭＥＭＳマイク１３を有している。第２のＭＥＭＳマイク１３は、基板１１の下面３２に実装されている。

演算装置２１４は、フィルタ部５１Ａ、フィルタ部５１Ｂ・・・、及びフィルタ部５１Ｍを有する。即ち、演算装置２１４は、機能部として、Ｍ個の第１のＭＥＭＳマイク１２に対応するＭ個のフィルタ部５１を有している。それぞれのフィルタ部５１は、振動が基板１１上を伝搬する際の特性に基づいて、それぞれの第１のＭＥＭＳマイク１２が出力した第１の信号との演算が行われる前の第２の信号に対してフィルタ処理を行う。フィルタ部５１Ａ、フィルタ部５１Ｂ・・・、フィルタ部５１Ｍは、それぞれ、第１のＭＥＭＳマイク１２Ａ、第１のＭＥＭＳマイク１２Ｂ・・・、及び第１のＭＥＭＳマイク１２Ｍに対応している。演算装置２１４は、それぞれの第１のＭＥＭＳマイク１２の第１の信号に対して、フィルタ処理が施された第２の信号を加算することで、対象音信号を出力Ａ、出力Ｂ・・・、出力Ｍとして出力する。

フィルタ部５１は、対応する第１のＭＥＭＳマイク１２で感知された基板１１の振動が、第２のＭＥＭＳマイク１３で伝達される際にどのように増幅、又は減衰されているかを考慮した上で、第２の信号に対するフィルタ処理を行う。フィルタ処理としては、例えば、振動雑音信号から特定の周波数の信号を除去する等が行われる。具体的な手法としては、例えば、音が十分に小さいと考えられる無響室などにおいて、音響センサ２０１に振動を与え、振動雑音信号のみを受信させる試験を事前に行う方法がある。この試験により、第１のＭＥＭＳマイク１２、及び第２のＭＥＭＳマイク１３の出力における振動の伝達関数が推定される。フィルタ部５１は、この伝達関数を用いて、それぞれが対応する第１のＭＥＭＳマイク１２で出力される振動雑音信号と、第２のＭＥＭＳマイク１３で出力される振動雑音信号とを近似させる。

実施の形態３によれば、ＭＥＭＳマイクアレイが構成された音響センサ２０１においても、それぞれの第１のＭＥＭＳマイク１２が出力した第１の信号と、第２のＭＥＭＳマイク１３が出力した第２の信号とを加算することで、音に相当する対象音信号を抽出することができる。したがって、ＭＥＭＳマイクアレイを利用する音響センサ２０１は、外部空間で発生している音の検出精度を向上させることができる。

また、実施の形態３によれば、フィルタ部５１は、第１のＭＥＭＳマイク１２で出力される振動雑音信号と、第２のＭＥＭＳマイク１３で出力される振動雑音信号とを近似させる。これにより、音響センサ２０１は、第１の信号と、及び第２の信号とから対象音信号を抽出する際に、外部空間で発生している音の検出精度を更に向上させることができる。

以上が実施の形態における音響センサの説明であるが、本開示の音響センサは、実施の形態に開示された構成以外に種々の変更を行うことができる。

例えば、演算装置１４は、第１のＭＥＭＳマイク１２、及び第２のＭＥＭＳマイク１３が実装された基板１１と異なる基板に実装されていてもよい。または、演算装置１４を音響センサの外部に独立して設けてもよい。この場合は、音響センサ１と演算装置１４とにより、音響システムが構成される。

出力変換装置４３ａ、出力変換装置４３ｂ、及び演算装置２１４は、機能の一部を他の装置によって実行されてもよい。また、出力変換装置４３ａ、出力変換装置４３ｂ、及び演算装置２１４は一体となって構成されていてもよい。

実施の形態１及び実施の形態２のように、第１のＭＥＭＳマイク１２及び第２のＭＥＭＳマイク１３が１つずつ実装される場合においても、演算装置１４がフィルタ部５１を備え、第２の信号に対しフィルタ処理を施してもよい。

実施の形態３において、第２のＭＥＭＳマイク１３は、２個以上実装されていてもよい。また、第１のＭＥＭＳマイク１２と第２のＭＥＭＳマイク１３とは、基板１１上の同一の面に実装されていてもよい。この場合は、演算装置１４は、第１の信号と、及び第２の信号とを減算することで、対象音信号を抽出することができる。更に、複数の第１のＭＥＭＳマイク１２は、上面３１と下面３２とに分けて設けられていてもよい。この場合は、演算装置１４は、個々の第１の信号が設けられた面に応じて、第２の信号と加算又は減算することで、対象音信号を抽出することができる。

更に、実施の形態３において、フィルタ部５１は、それぞれの第１のＭＥＭＳマイク１２に対応して、第２の信号に対してフィルタ処理を行うものであったが、第１の信号に対して、フィルタ処理を施してもよい。また、演算装置１４は、フィルタ部５１は、１つのみ有し、複数の第１の信号に対して、同一の処理を施すものであってもよい。もっとも、いずれのＭＥＭＳマイクに対応して、フィルタ処理を施すかは、振動が基板１１上を伝搬する際の特性等から任意に設計することができる。

１音響センサ、１１基板、１２第１のＭＥＭＳマイク、１３第２のＭＥＭＳマイク、１４演算装置、２１開口、３１上面、３２下面、４１ａバックプレート、４１ｂバックプレート、４２ａダイアフラム、４２ｂダイアフラム、４３ａ出力変換装置、４３ｂ出力変換装置、４４ａシールディング、４４ｂシールディング、５１フィルタ部、１０１音響センサ、２０１音響センサ２１４演算装置。

Claims

音響センサの外部の空間に対して開放された開口が形成された基板と、
前記開口と対向して配置される第１のダイアフラムを有し、前記開口から入った音、及び前記基板の振動を前記第１のダイアフラムによって感知して第１の信号を出力する、前記基板に設けられた第１のＭＥＭＳマイクと、
前記基板に設けられ、前記基板の振動を感知して第２の信号を出力する第２のＭＥＭＳマイクと、
前記第１の信号と、前記第２の信号とを加算又は減算することで前記音に相当する対象音信号を出力する演算装置と、を備え、
前記第１のＭＥＭＳマイクは、
前記第１のダイアフラムを覆う第１のシールディングを有し、
前記第２のＭＥＭＳマイクは、
第２のダイアフラムを覆う第２のシールディングを有し、
前記第２のシールディングは、前記第１のシールディングと異なるものであり、
前記基板は、前記第２のダイアフラムに対向する箇所に開口を有していない
音響センサ。
前記第１のＭＥＭＳマイクが複数設けられ、
前記演算装置は、
複数の前記第１のＭＥＭＳマイクのそれぞれの出力と、前記第２のＭＥＭＳマイクの出力に対して前記基板における振動の伝搬特性に基づいてフィルタ処理を行った出力とを加算又は減算する
請求項１に記載の音響センサ。
前記第１のＭＥＭＳマイク及び前記第２のＭＥＭＳマイクは、前記基板の異なる面に設けられている
請求項１に記載の音響センサ。