JP2009118503A - 音声入力装置及びその製造方法、並びに、情報処理システム - Google Patents

音声入力装置及びその製造方法、並びに、情報処理システム Download PDF

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Abstract

【課題】小型化が可能で、かつ、精度の高い雑音除去機能を実現することが可能な、接話型の音声入力装置、及び、その製造方法、並びに、情報処理システムを提供する。
【解決手段】音声入力装置は、接話型の音声入力装置であって、第1の振動膜12を有する第1のマイクロフォン10と、第2の振動膜22を有する第2のマイクロフォン20と、第1のマイクロフォン10で取得された第1の電圧信号と、第2のマイクロフォン20で取得された第2の電圧信号との差を示す差分信号を生成する差分信号生成部30と、を含む。第1及び第2の振動膜12,22は、差分信号に含まれる雑音成分の強度の、第1又は第2の電圧信号に含まれる雑音成分の強度に対する比率を示す雑音強度比が、差分信号に含まれる入力音声成分の強度の、第1又は第2の電圧信号に含まれる入力音声成分の強度に対する比率を示す音声強度比よりも小さくなるように配置されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、音声入力装置及びその製造方法、並びに、情報処理システムに関する。
電話などによる通話や、音声認識、音声録音などに際しては、目的の音声(ユーザの音声)のみを収音することが好ましい。しかし、音声入力装置の使用環境では、背景雑音など目的の音声以外の音が存在することがある。そのため、雑音を除去する機能を有する音声入力装置の開発が進んでいる。
雑音が存在する使用環境で雑音を除去する技術として、マイクロフォンに鋭い指向性を持たせること、あるいは、音波の到来時刻差を利用して音波の到来方向を識別して信号処理により雑音を除去する方法が知られている。
また、近年では、電子機器の小型化が進んでおり、音声入力装置を小型化する技術が重要になっている。
特開平7−312638号公報 特開平9−331377号公報 特開2001−186241号公報
マイクロフォンに鋭い指向性を持たせるためには、多数の振動膜を並べる必要があり、小型化は困難である。
また、音波の到来時刻差を利用して音波の到来方向を精度よく検出するためには、複数の振動膜を、可聴音波の数波長分の1程度の間隔で設置する必要があるため、小型化は困難である。
本発明の目的は、雑音成分を除去する機能を有する接話型の音声入力装置及びその製造方法、並びに、情報処理システムを提供することにある。
(1)本発明に係る音声入力装置は、
接話型の音声入力装置であって、
第1の振動膜を有する第1のマイクロフォンと、
第2の振動膜を有する第2のマイクロフォンと、
前記第1のマイクロフォンで取得された第1の電圧信号と、前記第2のマイクロフォンで取得された第2の電圧信号との差を示す差分信号を生成する差分信号生成部と、
を含み、
前記第1及び第2の振動膜は、前記差分信号に含まれる雑音成分の強度の、前記第1又は第2の電圧信号に含まれる前記雑音成分の強度に対する比率を示す雑音強度比が、前記差分信号に含まれる入力音声成分の強度の、前記第1又は第2の電圧信号に含まれる前記入力音声成分の強度に対する比率を示す入力音声強度比よりも小さくなるように配置されている。
この音声入力装置によると、第1及び第2のマイクロフォン(第1及び第2の振動膜)が所定の条件を満たすように配置されている。これによると、第1及び第2のマイクロフ
ォンで取得された第1及び第2の電圧信号の差を示す差分信号を、雑音成分が除去された、入力音声を示す信号とみなすことができる。そのため、本発明によると、差分信号を生成するだけの単純な構成で雑音除去機能を実現することが可能な音声入力装置を提供することができる。
なお、この音声入力装置では、差分信号生成部は、第1及び第2の電圧信号に対する解析処理(フーリエ解析処理など)を行うことなく、差分信号を生成する。そのため、差分信号生成部の信号処理負担を軽減し、あるいは、差分信号生成部を非常に簡易な回路によって実現することが可能になる。
このことから、本発明によると、小型化が可能で、かつ、精度の高い雑音除去機能を実現することが可能な音声入力装置を提供することができる。
なお、この音声入力装置では、第1及び第2の振動膜は、雑音成分の位相差成分に基づく強度比が、入力音声成分の振幅に基づく強度比よりも小さくなるように配置されていてもよい。
(2)この音声入力装置において、
主面に凹部が形成された基部をさらに含み、
前記第1の振動膜は前記凹部の底面に設置され、
前記第2の振動膜は前記主面に設置されていてもよい。
(3)この音声入力装置において、
前記基部が、前記凹部に連通する開口が、前記主面における前記第2の振動膜の形成領域よりも、前記入力音声のモデル音源の近くに配置されるように設置されていてもよい。
この音声入力装置によると、第1及び第2の振動膜に入射する入力音声の位相ずれを小さくすることができる。そのため、ノイズの少ない差分信号を生成することが可能になり、精度の高い雑音除去機能を有する音声入力装置を提供することができる。
(4)この音声入力装置において、
前記凹部は、前記開口と前記第2の振動膜の形成領域との間隔よりも浅くてもよい。
(5)この音声入力装置において、
主面に、第1の凹部と、前記第1の凹部よりも浅い第2の凹部が形成された基部をさらに含み、
前記第1の振動膜は前記第1の凹部の底面に設置され、
前記第2の振動膜は前記第2の凹部の底面に設置されていてもよい。
(6)この音声入力装置において、
前記基部が、前記第1の凹部に連通する第1の開口が、前記第2の凹部に連通する第2の開口よりも、前記入力音声のモデル音源の近くに配置されるように設置されていてもよい。
この音声入力装置によると、第1及び第2の振動膜に入射する入力音声の位相ずれを小さくすることができる。そのため、ノイズの少ない差分信号を生成することが可能になり、精度の高い雑音除去機能を有する音声入力装置を提供することができる。
(7)この音声入力装置において、
前記第1及び第2の凹部の深さの差は、前記第1及び第2の開口の間隔よりも小さくて
もよい。
(8)この音声入力装置において、
前記基部が、前記入力音声が、第1及び第2の振動膜に同時に到着するように設置されてもよい。
これによると、入力音声の位相ずれを含まない差分信号を生成することができるため、精度の高い雑音除去機能を有する音声入力装置を提供することができる。
(9)この音声入力装置において、
前記第1及び第2の振動膜は、法線が平行になるように配置されていてもよい。
(10)この音声入力装置において、
前記第1及び第2の振動膜は、法線が同一直線とならないように配置されていてもよい。
(11)この音声入力装置において、
前記第1及び第2のマイクロフォンは、半導体装置として構成されていてもよい。
例えば、第1及び第2のマイクロフォンは、シリコンマイク(Siマイク)であってもよい。そして、第1及び第2のマイクロフォンは、1つの半導体基板として構成されていてもよい。このとき、第1及び第2のマイクロフォンと、差分信号生成部とが、1つの半導体基板として構成されていてもよい。第1及び第2のマイクロフォンと、差分信号生成部とは、いわゆるメムス(MEMS:Micro Electro Mechanical Systems)として構成されていてもよい。
(12)この音声入力装置において、
前記第1及び第2の振動膜の中心間距離は、5.2mm以下であってもよい。
なお、第1及び第2の振動膜は、法線が平行になるように、かつ、法線の間隔が5.2mm以下となるように配置されていてもよい。
(13)本発明に係る情報処理システムは、
第1の振動膜を有する第1のマイクロフォンと、第2の振動膜を有する第2のマイクロフォンと、前記第1のマイクロフォンで取得された第1の電圧信号と、前記第2のマイクロフォンで取得された第2の電圧信号との差を示す差分信号を生成する差分信号生成部と、を含む接話型の音声入力装置と、
前記差分信号に基づいて、前記音声入力装置に入力された音声情報の解析処理を行う解析処理部と、
を含み、
前記音声入力装置は、
前記第1及び第2の振動膜が、前記差分信号に含まれる雑音成分の強度の、前記第1又は第2の電圧信号に含まれる前記雑音成分の強度に対する比率を示す雑音強度比が、前記差分信号に含まれる入力音声成分の強度の、前記第1又は第2の電圧信号に含まれる前記入力音声成分の強度に対する比率を示す入力音声強度比よりも小さくなるように配置されている。
この情報処理システムによると、第1及び第2の振動膜が所定の条件を満たすように配置された音声入力装置で取得された差分信号に基づいて、音声情報の解析処理を行う。この音声入力装置によると、差分信号は、雑音成分が除去された音声成分を示す信号となる
ため、この差分信号を解析処理することによって、入力音声に基づく種々の情報処理が可能になる。
本発明に係る情報処理システムは、音声認識処理や、音声認証処理、あるいは、音声に基づくコマンド生成処理などを行うシステムであってもよい。
(14)本発明に係る情報処理システムは、
第1の振動膜を有する第1のマイクロフォンと、第2の振動膜を有する第2のマイクロフォンと、前記第1のマイクロフォンで取得された第1の電圧信号と、前記第2のマイクロフォンで取得された第2の電圧信号との差を示す差分信号を生成する差分信号生成部と、通信処理部と、を含む接話型の音声入力装置と、
前記差分信号に基づいて、前記音声入力装置に入力された音声情報の解析処理を行うホストコンピュータと、
を含み、
前記音声入力装置は、
前記第1及び第2の振動膜が、前記差分信号に含まれる雑音成分の強度の、前記第1又は第2の電圧信号に含まれる前記雑音成分の強度に対する比率を示す雑音強度比が、前記差分信号に含まれる入力音声成分の強度の、前記第1又は第2の電圧信号に含まれる前記入力音声成分の強度に対する比率を示す入力音声強度比よりも小さくなるように配置されており、
前記通信処理部によって、前記ホストコンピュータとのネットワークを介した通信処理を行う。
この情報処理システムによると、第1及び第2の振動膜が所定の条件を満たすように配置された音声入力装置で取得された差分信号に基づいて、音声情報の解析処理を行う。この音声入力装置によると、差分信号は、雑音成分が除去された音声成分を示す信号となるため、差分信号を解析処理することによって、入力音声に基づく種々の情報処理が可能になる。
本発明に係る情報処理システムでは、音声認識処理や、音声認証処理、あるいは、音声に基づくコマンド生成処理などを行うシステムであってもよい。
(15)本発明に係る音声入力装置の製造方法は、
第1の振動膜を有する第1のマイクロフォンと、第2の振動膜を有する第2のマイクロフォンと、前記第1のマイクロフォンで取得された第1の電圧信号と、前記第2のマイクロフォンで取得された第2の電圧信号との差を示す差分信号を生成する差分信号生成部と、を含む、雑音成分を除去する機能を有する接話型の音声入力装置を製造する方法であって、
前記第1及び第2の振動膜の中心間距離Δrと雑音の波長λとの比率を示すΔr/λの値と、前記差分信号に含まれる前記雑音成分の強度の、前記第1又は第2の電圧信号に含まれる前記雑音成分の強度に対する比率を示す雑音強度比との対応関係を示すデータを用意する手順と、
前記データに基づいて、前記Δr/λの値を設定する手順と、
設定された前記Δr/λの値、及び、前記雑音の波長に基づいて、前記中心間距離を設定する手順と、
を含む。
本発明によると、小型化が可能で、かつ、精度の高い雑音除去機能を有する音声入力装置を製造する方法を提供することができる。
(16)この音声入力装置の製造方法において、
前記Δr/λの値を設定する手順では、
前記データに基づいて、前記雑音強度比が、前記差分信号に含まれる入力音声成分の強度の、前記第1又は第2の電圧信号に含まれる前記入力音声成分の強度に対する比率を示す入力音声強度比よりも小さくなるように、前記Δr/λの値を設定してもよい。
(17)この音声入力装置の製造方法において、
前記入力音声強度比は、前記入力音声の振幅成分に基づく強度比であってもよい。
(18)この音声入力装置の製造方法において、
前記雑音強度比は、前記雑音成分の位相差に基づく強度比であってもよい。
以下、本発明を適用した実施の形態について図面を参照して説明する。ただし、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。また、本発明は、以下の内容を自由に組み合わせたものを含むものとする。
1.第1の実施の形態に係る音声入力装置の構成
はじめに、図1〜図3を参照して、本発明を適用した実施の形態に係る音声入力装置1の構成について説明する。なお、以下に説明する音声入力装置1は、接話式の音声入力装置であって、例えば、携帯電話やトランシーバー等の音声通信機器や、入力された音声を解析する技術を利用した情報処理システム(音声認証システム、音声認識システム、コマンド生成システム、電子辞書、翻訳機や、音声入力方式のリモートコントローラなど)、あるいは、録音機器やアンプシステム(拡声器)、マイクシステムなどに適用することができる。
本実施の形態に係る音声入力装置は、第1の振動膜12を有する第1のマイクロフォン10と、第2の振動膜22を有する第2のマイクロフォン20とを含む。ここで、マイクロフォンとは、音響信号を電気信号へ変換する電気音響変換器である。第1及び第2のマイクロフォン10,20は、それぞれ、第1及び第2の振動膜12,22(振動板)の振動を、電圧信号として出力する変換器であってもよい。
本実施の形態に係る音声入力装置では、第1のマイクロフォン10は第1の電圧信号を生成する。また、第2のマイクロフォン20は第2の電圧信号を生成する。すなわち、第1及び第2のマイクロフォン10,20で生成された電圧信号を、それぞれ、第1及び第2の電圧信号と呼んでもよい。
第1及び第2のマイクロフォン10,20の機構については特に限定されるものではない。図2には、第1及び第2のマイクロフォン10,20に適用可能なマイクロフォンの一例として、コンデンサ型マイクロフォン100の構造を示す。コンデンサ型マイクロフォン100は、振動膜102を有する。振動膜102は、音波を受けて振動する膜(薄膜)で、導電性を有し、電極の一端を形成している。コンデンサ型マイクロフォン100は、また、電極104を有する。電極104は、振動膜102と対向して配置されている。これにより、振動膜102と電極104とは容量を形成する。コンデンサ型マイクロフォン100に音波が入射すると、振動膜102が振動して、振動膜102と電極104との間隔が変化し、振動膜102と電極104との間の静電容量が変化する。この静電容量の変化を、例えば電圧の変化として出力することによって、コンデンサ型マイクロフォン100に入射する音波を、電気信号に変換することができる。なお、コンデンサ型マイクロフォン100では、電極104は、音波の影響を受けない構造をなしていてもよい。例えば、電極104はメッシュ構造をなしていてもよい。
ただし、本発明に適用可能なマイクロフォンは、コンデンサ型マイクロフォンに限られるものではなく、既に公知となっているいずれかのマイクロフォンを適用することができる。例えば、第1及び第2のマイクロフォン10,20として、動電型(ダイナミック型)、電磁型(マグネティック型)、圧電型(クリスタル型)等のマイクロフォンを適用してもよい。
第1及び第2のマイクロフォン10,20は、第1及び第2の振動膜12,22がシリコンによって構成されたシリコンマイク(Siマイク)であってもよい。シリコンマイクを利用することで、第1及び第2のマイクロフォン10,20の小型化、及び、高性能化を実現することができる。このとき、第1及び第2のマイクロフォン10,20は、1つの集積回路装置として構成されていてもよい。すなわち、第1及び第2のマイクロフォン10,20は、1つの半導体基板に構成されていてもよい。このとき、後述する差分信号生成部30も、同一の半導体基板に形成されていてもよい。すなわち、第1及び第2のマイクロフォン10,20は、いわゆるメムス(MEMS:Micro Electro Mechanical Systems)として構成されていてもよい。ただし、第1のマイクロフォン10と第2のマイクロフォン20とは、別々のシリコンマイクとして構成されていてもよい。
本実施の形態に係る音声入力装置では、後述するように、第1及び第2の電圧信号の差を示す差分信号を利用して、雑音成分を除去する機能を実現する。この機能を実現するために、第1及び第2のマイクロフォン(第1及び第2の振動膜12,22)は、一定の制約を満たすように配置される。第1及び第2の振動膜12,22が満たすべき制約の詳細については後述するが、本実施の形態では、第1及び第2の振動膜12,22(第1及び第2のマイクロフォン10,20)は、雑音強度比が、入力音声強度比よりも小さくなるように配置される。これにより、差分信号を、雑音成分が除去された音声成分を示す信号とみなすことが可能になる。第1及び第2の振動膜12,22は、例えば、中心間距離が5.2mm以下になるように配置されていてもよい。
なお、本実施の形態に係る音声入力装置では、第1及び第2の振動膜12,22の向きは、特に限定されるものではない。第1及び第2の振動膜12,22は、法線が平行になるように配置されていてもよい。このとき、第1及び第2の振動膜12,22は、法線が同一直線にならないように配置されていてもよい。例えば、第1及び第2の振動膜12,22は、図示しない基部(例えば回路基板)の表面に、間隔をあけて配置されていてもよい。あるいは、第1及び第2の振動膜12,22は、法線方向にずれて配置されていてもよい。ただし、第1及び第2の振動膜12,22は、法線が平行にならないように配置されていてもよい。第1及び第2の振動膜12,22は、法線が直交するように配置されていてもよい。
そして、本実施の形態に係る音声入力装置は、差分信号生成部30を有する。差分信号生成部30は、第1のマイクロフォン10で取得された第1の電圧信号と、第2のマイクロフォン20で取得された第2の電圧信号との差(電圧差)を示す差分信号を生成する。差分信号生成部30では、第1及び第2の電圧信号に対して例えばフーリエ解析などの解析処理を行うことなく、両者の差を示す差分信号を生成する処理を行う。差分信号生成部30の機能は、専用のハードウェア回路(差分信号生成回路)によって実現してもよく、CPUなどによる信号処理によって実現してもよい。
本実施の形態に係る音声入力装置は、差分信号を増幅する信号増幅部をさらに含んでいてもよい。差分信号生成部30と信号増幅部とは、1つの制御回路によって実現してもよい。ただし、本実施の形態に係る音声入力装置は、信号増幅部を内部に持たない構成をなしていてもよい。
図3には、差分信号生成部30と信号増幅部とを実現可能な回路の一例を示す。図3に示す回路によれば、第1及び第2の電圧信号を受け付けて、その差を示す差分信号を10倍に増幅した信号を出力することになる。ただし、差分信号生成部30及び信号増幅部を実現するための回路構成は、これに限られるものではない。
本実施の形態に係る音声入力装置は、筐体40を含んでいてもよい。このとき、音声入力装置の外形は、筐体40によって構成されていてもよい。筐体40には基本姿勢が設定されていてもよく、これにより、入力音声の進行径路を規制することができる。第1及び第2の振動膜12,22は、筐体40の表面に形成されていてもよい。あるいは、第1及び第2の振動膜12,22は、筐体40に形成された開口(音声入射口)と対向するように、筐体40内部に配置されていてもよい。そして、第1及び第2の振動膜12,22は、音源(入射音声のモデル音源)からの距離が異なるように配置されていてもよい。例えば図1に示すように、筐体40は、入力音声の進行径路が筐体40の表面に沿うように、基本姿勢が設定されていてもよい。そして、第1及び第2の振動膜12,22は、入力音声の進行径路に沿って配置されていてもよい。そして、入力音声の進行径路の上流側に配置される振動膜を第1の振動膜12とし、下流側に配置される振動膜を第2の振動膜22としてもよい。
本実施の形態に係る音声入力装置は、演算処理部50をさらに含んでいてもよい。演算処理部50は、差分信号生成部30で生成された差分信号に基づいて各種の演算処理を行う。演算処理部50は、差分信号に対する解析処理を行ってもよい。演算処理部50は、差分信号を解析することにより、入力音声を発した人物を特定する処理(いわゆる音声認証処理)を行ってもよい。あるいは、演算処理部50は、差分信号を解析処理することにより、入力音声の内容を特定する処理(いわゆる音声認識処理)を行ってもよい。演算処理部50は、入力音声に基づいて、各種のコマンドを作成する処理を行ってもよい。演算処理部50は、差分信号を増幅する処理を行ってもよい。また、演算処理部50は、後述する通信処理部60の動作を制御してもよい。なお、演算処理部50は、上記各機能を、CPUやメモリによる信号処理によって実現してもよい。
演算処理部50は、筐体40の内部に配置されていてもよいが、筐体40の外部に配置されていてもよい。演算処理部50が筐体40の外部に配置されている場合、演算処理部50は、後述する通信処理部60を介して、差分信号を取得してもよい。
本実施の形態に係る音声入力装置は、通信処理部60をさらに含んでいてもよい。通信処理部60は、音声入力装置と、他の端末(携帯電話端末や、ホストコンピュータなど)との通信を制御する。通信処理部60は、ネットワークを介して、他の端末に信号(差分信号)を送信する機能を有していてもよい。通信処理部60は、また、ネットワークを介して、他の端末から信号を受信する機能を有していてもよい。そして、例えばホストコンピュータで、通信処理部60を介して取得した差分信号を解析処理して、音声認識処理や音声認証処理、コマンド生成処理や、データ蓄積処理など、種々の情報処理を行ってもよい。すなわち、音声入力装置は、他の端末と協働して、情報処理システムを構成していてもよい。言い換えると、音声入力装置は、情報処理システムを構築する情報入力端末であるとみなしてもよい。ただし、音声入力装置は、通信処理部60を有しない構成となっていてもよい。
本実施の形態に係る音声入力装置は、表示パネルなどの表示装置や、スピーカ等の音声出力装置をさらに含んでいてもよい。また、本実施の形態に係る音声入力装置は、操作情報を入力するための操作キーをさらに含んでいてもよい。
本実施の形態に係る音声入力装置は、以上の構成をなしていてもよい。この音声入力装置によると、第1及び第2の電圧信号の差を出力するだけの簡単な処理によって、雑音成分が除去された音声成分を示す信号(電圧信号)が生成される。そのため、本発明によると、小型化が可能で、かつ、優れた雑音除去機能を有する音声入力装置を提供することができる。なお、その原理については、後で詳述する。
2.雑音除去機能
以下、本実施の形態に係る音声入力装置が採用する音声除去原理、及び、これを実現するための条件について説明する。
(1)雑音除去原理
はじめに、本実施の形態に係る音声入力装置の雑音除去原理について説明する。
音波は、媒質中を進行するにつれ減衰し、音圧(音波の強度・振幅)が低下する。音圧は、音源からの距離に反比例するため、音圧Pは、音源からの距離Rとの関係において、
Figure 2009118503
と表すことができる。なお、式(1)中、kは比例定数である。図4には、式(1)を表すグラフを示すが、本図からもわかるように、音圧(音波の振幅)は、音源に近い位置(グラフの左側)では急激に減衰し、音源から離れるほどなだらかに減衰する。本実施の形態に係る音声入力装置では、この減衰特性を利用して雑音成分を除去する。
すなわち、接話型の音声入力装置では、ユーザは、雑音の音源よりも、第1及び第2のマイクロフォン10,20(第1及び第2の振動膜12,22)に近い位置から音声を発する。そのため、第1及び第2の振動膜12,22の間で、ユーザの音声は大きく減衰し、第1及び第2の電圧信号に含まれるユーザ音声の強度には差が現れる。これに対して、雑音成分は、ユーザの音声に比べて音源が遠いため、第1及び第2の振動膜12,22の間でほとんど減衰しない。そのため、第1及び第2の電圧信号に含まれる雑音の強度には、差が現れないとみなすことができる。このことから、第1及び第2の電圧信号の差を検出すれば雑音が消去されるため、雑音成分が含まれない、ユーザの音声成分のみを示す電圧信号(差分信号)を取得することができる。すなわち、差分信号を、雑音成分が除去されたユーザの音声を示す信号であるとみなすことができる。
ただし、音波は位相成分を有する。そのため、信頼性の高い雑音除去機能を実現するためには、第1及び第2の電圧信号に含まれる音声成分及び雑音成分の位相差を考慮する必要がある。
以下、差分信号を生成することによって雑音除去機能を実現するために、音声入力装置が満たすべき具体的な条件について説明する。
(2)音声入力装置が満たすべき具体的条件
本実施の形態に係る音声入力装置は、先に説明したように、第1及び第2の電圧信号の差分を示す差分信号を、雑音を含まない入力音声信号であるとみなす。この音声入力装置によると、差分信号に含まれる雑音成分が、第1又は第2の電圧信号に含まれる雑音成分よりも小さくなれば、雑音除去機能が実現できたと評価することができる。詳しくは、差分信号に含まれる雑音成分の強度の、第1又は第2の電圧信号に含まれる雑音成分の強度に対する比を示す雑音強度比が、差分信号に含まれる音声成分の強度の、第1又は第2の
電圧信号に含まれる音声成分の強度に対する比を示す音声強度比よりも小さくなれば、この雑音除去機能が実現されたと評価することができる。
以下、この雑音除去機能を実現するために、音声入力装置(第1及び第2の振動膜12,22)が満たすべき具体的な条件について説明する。
はじめに、第1及び第2のマイクロフォン10,20(第1及び第2の振動膜12,22)に入射する音声の音圧について検討する。入力音声(ユーザの音声)の音源から第1の振動膜12までの距離をR、第1のマイクロフォン10と第2のマイクロフォン20との中心間距離(本実施の形態においては第1の振動膜12と第2の振動膜22との中心間距離)をΔrとし、位相差を無視すれば、第1及び第2のマイクロフォン10,20で取得される、入力音声の音圧(強度)P(S1)及びP(S2)は、
Figure 2009118503
と表すことができる。
そのため、入力音声の位相差を無視した時の、第1のマイクロフォン10で取得される入力音声成分の強度に対する、差分信号に含まれる入力音声成分の強度の比率を示す音声強度比ρ(P)は、
Figure 2009118503
と表される。
ここで、本実施の形態に係る音声入力装置は接話式の音声入力装置であって、ΔrはRに比べて充分小さいとみなすことができる。
そのため、上述の式(4)は、
Figure 2009118503
と変形することができる。
すなわち、入力音声の位相差を無視した場合の音声強度比は、式(A)と表されることがわかる。
ところで、入力音声の位相差を考慮すると、ユーザ音声の音圧Q(S1)及びQ(S2)は、
Figure 2009118503
と表すことができる。なお、式中、αは位相差である。
このとき、音声強度比ρ(S)は、
Figure 2009118503
と表される。式(7)を考慮すると、音声強度比ρ(S)の大きさは、
Figure 2009118503
と表すことができる。
ところで、式(8)のうち、sinωt−sinωt−α項は位相成分の強度比を示し、Δr
/R sinωt項は振幅成分の強度比を示す。入力音声成分であっても、位相差成分は、振幅成分に対するノイズとなるため、入力音声(ユーザの音声)を精度よく抽出するためには、位相成分の強度比が、振幅成分の強度比よりも充分に小さいことが必要である。すなわち、sinωt−sinωt−αと、Δr/R sinωtとは、
Figure 2009118503
の関係を満たしていることが必要である。
ここで、
Figure 2009118503
と表すことができるため、上述の式(B)は、
Figure 2009118503
と表すことができる。
式(10)の振幅成分を考慮すると、本実施の形態に係る音声入力装置は、
Figure 2009118503
を満たす必要があることがわかる。
なお、上述したように、ΔrはRに比べて充分小さいとみなすことができるため、sinα/2は充分小さいとみなすことができ、
Figure 2009118503
と近似することができる。
そのため、式(C)は、
Figure 2009118503
と変形することができる。
また、位相差であるαとΔrとの関係を、
Figure 2009118503
と表せば、式(D)は、
Figure 2009118503
と変形することができる。
すなわち、本実施の形態では、入力音声(ユーザの音声)を精度よく抽出するためには、音声入力装置を、式(E)に示す関係を満たすように製造することが必要である。
次に、第1及び第2のマイクロフォン10,20(第1及び第2の振動膜12,22)に入射する雑音の音圧について検討する。
第1及び第2のマイクロフォンで取得される雑音成分の振幅を、A,A´とすると、位相差成分を考慮した雑音の音圧Q(N1)及びQ(N2)は、
Figure 2009118503
と表すことができ、第1のマイクロフォン10で取得される雑音成分の強度に対する、差分信号に含まれる雑音成分の強度の比率を示す雑音強度比ρ(N)は、
Figure 2009118503
と表すことができる。
なお、先に説明したように、第1及び第2のマイクロフォンで取得される雑音成分の振幅(強度)はほぼ同じであり、A=A´と扱うことができる。そのため、上記の式(15)は、
Figure 2009118503
と変形することができる。
そして、雑音強度比の大きさは、
Figure 2009118503
と表すことができる。
ここで、上述の式(9)を考慮すると、式(17)は、
Figure 2009118503
と変形することができる。
そして、式(11)を考慮すると、式(18)は、
Figure 2009118503
と変形することができる。
ここで、式(D)を参照すれば、雑音強度比は、
Figure 2009118503
と表すことができる。なお、Δr/Rとは、式(A)に示すように、入力音声(ユーザ音声)の振幅成分の強度比である。式(F)から、この音声入力装置では、雑音強度比が入力音声の強度比Δr/Rよりも小さくなることがわかる。
以上のことから、入力音声の位相成分の強度比が振幅成分の強度比よりも小さくなるように設計された音声入力装置によれば(式(B)参照)、雑音強度比が入力音声強度比よりも小さくなる(式(F)参照)。逆に言うと、雑音強度比が入力音声強度比よりも小さくなるように設計された音声入力装置によると、精度の高い雑音除去機能を実現することができる。
すなわち、第1及び第2の振動膜12,22(第1及び第2のマイクロフォン10,20)が、雑音強度比が入力音声強度比よりも小さくなるように配置される本実施の形態に係る音声入力装置によれば、精度の高い雑音除去機能を実現することができる。
3.音声入力装置の製造方法
以下、本実施の形態に係る音声入力装置の製造方法について説明する。本実施の形態では、第1及び第2の振動膜12,22の中心間距離Δrと雑音の波長λとの比率を示すΔr/λの値と、雑音強度比(雑音の位相成分に基づく強度比)との対応関係を示すデータを利用して、音声入力装置を製造する。
雑音の位相成分に基づく強度比は、上述した式(18)で表される。そのため、雑音の位相成分に基づく強度比のデシベル値は、
Figure 2009118503
と表すことができる。
そして、式(20)のαに各値を代入すれば、位相差αと雑音の位相成分に基づく強度比との対応関係を明らかにすることができる。図5には、横軸をα/2πとし、縦軸に雑音の位相成分に基づく強度比(デシベル値)を取った時の、位相差と強度比との対応関係を表すデータの一例を示す。
なお、位相差αは、式(12)に示すように、距離Δrと波長λとの比であるΔr/λの関数で表すことができ、図5の横軸は、Δr/λとみなすことができる。すなわち、図5は、雑音の位相成分に基づく強度比と、Δr/λとの対応関係を示すデータであるといえる。
本実施の形態では、このデータを利用して、音声入力装置を製造する。図6は、このデータを利用して音声入力装置を製造する手順について説明するためのフローチャート図である。
はじめに、雑音の強度比(雑音の位相成分に基づく強度比)と、Δr/λとの対応関係を示すデータ(図5参照)を用意する(ステップS10)。
次に、用途に応じて、雑音の強度比を設定する(ステップS12)。なお、本実施の形態では、雑音の強度が低下するように雑音の強度比を設定する必要がある。そのため、本ステップでは、雑音の強度比を、0dB以下に設定する。
次に、当該データに基づいて、雑音の強度比に対応するΔr/λの値を導出する(ステップS14)。
そして、λに主要な雑音の波長を代入することによって、Δrが満たすべき条件を導出する(ステップS16)。
具体例として、主要な雑音が1KHzであり、その波長が0.347mとなる環境下で、雑音の強度が20dB低下する音声入力装置を製造する場合について考える。
はじめに、必要条件として、雑音の強度比が0dB以下になるための条件について検討する。図5を参照すると、雑音の強度比を0dB以下とするためには、Δr/λの値を0.16以下とすればよいことがわかる。すなわち、Δrの値が55.46mm以下とすればよいことがわかり、これが、この音声入力装置の必要条件となる。
次に、1KHzの雑音の強度を20dB低下させるための条件について考える。図5を参照すると、雑音の強度を20dB低下させるためには、Δr/λの値を0.015とすればよいことがわかる。そして、λ=0.347mとすると、Δrの値が5.199mm以下のときに、この条件を満たすことがわかる。すなわち、Δrを約5.2mm以下に設定すれば、雑音除去機能を有する接話型の音声入力装置を製造することが可能になる。
なお、本実施の形態に係る音声入力装置は接話式の音声入力装置であり、ユーザの音声の音源と第1又は第2の振動膜12,22との間隔は、通常5cm以下である。また、ユーザ音声の音源と第1及び第2の振動膜12,22との間隔は、筐体40の設計によって制御することが可能である。そのため、入力音声(ユーザの音声)の強度比であるΔr/Rの値は、0.1(雑音の強度比)よりも大きくなり、雑音除去機能が実現されることがわかる。
なお、通常、雑音は単一の周波数に限定されるものではない。しかし、主要な雑音として想定された雑音よりも周波数の低い雑音は、当該主要な雑音よりも波長が長くなるため、Δr/λの値は小さくなり、この音声入力装置によって除去される。また、音波は、周波数が高いほどエネルギーの減衰が早い。そのため、主要な雑音として想定された雑音よりも周波数の高い雑音は、当該主要な雑音よりも早く減衰するため、音声入力装置に与える影響を無視することができる。このことから、本実施の形態に係る音声入力装置は、主要な雑音として想定された雑音とは異なる周波数の雑音が存在する環境下でも、優れた雑音除去機能を発揮することができる。
また、本実施の形態では、式(12)からもわかるように、第1及び第2の振動膜12,22を結ぶ直線上から入射する雑音を想定した。この雑音は、第1及び第2の振動膜12,22の見かけ上の間隔が最も大きくなる雑音であり、現実の使用環境において、位相差が最も大きくなる雑音である。すなわち、本実施の形態に係る音声入力装置は、位相差が最も大きくなる雑音を除去することが可能に構成されている。そのため、本実施の形態に係る音声入力装置によると、すべての方向から入射する雑音が除去される。
4.効果
以下、本実施の形態に係る音声入力装置が奏する効果について説明する。
先に説明したように、本実施の形態に係る音声入力装置によると、第1及び第2のマイクロフォン10,20で取得された電圧信号の差分を示す差分信号を生成するだけで、雑音成分が除去された音声成分を取得することができる。すなわち、この音声入力装置では、複雑な解析演算処理を行うことなく雑音除去機能を実現することができる。そのため本実施の形態によれば、簡単な構成で、精度の高い雑音除去機能を実現することが可能な音声入力装置を提供することができる。
また、この音声入力装置は、位相差に基づく雑音の強度比が、入力音声の強度比よりも小さくなることによって、雑音除去機能を実現する。ところで、位相差に基づく雑音強度比は、第1及び第2の振動膜12,22の配列方向と雑音の入射方向によって変化する。すなわち、雑音に対する第1及び第2の振動膜12,22の間隔(見かけ上の間隔)が広くなるほど、雑音の位相差が大きくなり、位相差に基づく雑音強度比が大きくなる。ところで、本実施の形態では、音声入力装置は、式(12)からもわかるように、第1及び第2の振動膜12,22の見かけ上の間隔が最も広くなる雑音を除去することができるように構成されている。言い換えると、本実施の形態では、位相差に基づく雑音強度比が最も大きくなるように入射する雑音を除去することができるように、第1及び第2の振動膜12,22が配置されている。そのため、この音声入力装置によると、全方位から入射する雑音が除去される。すなわち、本発明によると、全方位から入射する雑音を除去することが可能な音声入力装置を提供することができる。
なお、この音声入力装置によると、壁などで反射した後に音声入力装置に入射したユーザ音声成分も除去することができる。詳しくは、壁などで反射したユーザ音声の音源は、通常のユーザ音声の音源よりも遠いとみなすことができ、かつ、反射により大きくエネルギーを消失しているため、雑音成分と同様に、第1及び第2の振動膜12,22の間で音圧が大きく減衰することがない。そのため、この音声入力装置によると、壁などで反射した後に音声入力装置に入射するユーザ音声成分も、雑音と同様に(雑音の一種として)除去される。
そして、この音声入力装置を利用すれば、雑音を含まない、入力音声を示す信号を取得することができる。そのため、この音声入力装置を利用することで、精度の高い音声認識や音声認証、コマンド生成処理を実現することができる。
また、この音声入力装置をマイクシステムに適用すれば、スピーカから出力されるユーザの声も、雑音として除去される。そのため、ハウリングが起こりにくいマイクシステムを提供することができる。
5.第2の実施の形態に係る音声入力装置
次に、本発明を適用した第2の実施の形態に係る音声入力装置について、図7を参照して説明する。
本実施の形態に係る音声入力装置は、基部70を含む。基部70の主面72には、凹部74が形成されている。そして、本実施の形態に係る音声入力装置では、凹部74の底面75に第1の振動膜12(第1のマイクロフォン10)が配置され、基部70の主面72に第2の振動膜22(第2のマイクロフォン20)が配置される。なお、凹部74は、主面72に対して垂直に延びていてもよく、凹部74の底面75は、主面72と平行な面であってもよい。底面75は、凹部74と直交する面であってもよい。また、凹部74は、第1の振動膜12と同じ外形をなしていてもよい。
本実施の形態では、凹部74は、領域76と開口78との間隔よりも浅くなっていてもよい。すなわち、凹部74の深さをdとし、領域76と開口78との間隔をΔGとすると
、基部70は、d≦ΔGを満たしていてもよい。基部70は、2d=ΔGを満たしていてもよい。なお、ΔGは5.2mm以下であってもよい。あるいは、基部70は、第1及び第2の振動膜12,22の中心間を結ぶ直線距離が5.2mm以下になるように構成されていてもよい。
基部70は、凹部74に連通する開口78が、主面72における第2の振動膜22が配置される領域76よりも、入力音声の音源に近い位置に配置されるように設置される。基部70は、入力音声が、第1及び第2の振動膜12,22に、同時に到着するように設置されていてもよい。例えば、基部70は、入力音声の音源(モデル音源)と第1の振動膜12との間隔が、モデル音源と第2の振動膜22との間隔と同じになるように設置されていてもよい。基部70は、上記の条件を満たすように、基本姿勢が設定された筐体に設置されていてもよい。
本実施の形態に係る音声入力装置によると、第1及び第2の振動膜12,22に入射する入力音声(ユーザの音声)の、入射時間のずれを低減することができる。すなわち、入力音声の位相差成分が含まれないように差分信号を生成することができることから、入力音声の振幅成分を精度よく抽出することが可能になる。
なお、凹部74内では音波は拡散しないため、音波の振幅ほとんど減衰しない。そのため、この音声入力装置では、第1の振動膜12を振動させる入力音声の強度(振幅)は、開口78における入力音声の強度と同じとみなすことができる。このことから、音声入力装置が、入力音声が第1及び第2の振動膜12,22に同時に到達するように構成されている場合でも、第1及び第2の振動膜12,22を振動させる入力音声の強度には差が現れる。そのため、第1及び第2の電圧信号の差を示す差分信号を取得することで、入力音声を抽出することができる。
まとめると、この音声入力装置によると、入力音声の位相差成分に基づくノイズを含まないように、入力音声の振幅成分(差分信号)を取得することができる。そのため、精度の高い雑音除去機能を実現することが可能になる。
なお、凹部74の深さをΔG以下(5.2mm以下)とすることで、凹部74の共振周波数を高く設定することができるため、凹部74で共振ノイズが発生することを防止することができる。
図8には、本実施の形態に係る音声入力装置の変形例を示す。
本実施の形態に係る音声入力装置は、基部80を含む。基部80の主面82には、第1の凹部84と、第1の凹部84よりも浅い第2の凹部86が形成されている。第1及び第2の凹部84,86の深さの差であるΔdは、第1の凹部84に連通する第1の開口85と、第2の凹部86に連通する第2の開口87との間隔であるΔGよりも小さくなっていてもよい。そして、第1の振動膜12は第1の凹部84の底面に配置され、第2の振動膜22は第2の凹部86の底面に配置される。
この音声入力装置であっても、上記と同様の効果を奏するため、精度の高い雑音除去機能を実現することが可能になる。
最後に、図9〜図11に、本発明の実施の形態に係る音声入力装置の例として、携帯電話300、マイク(マイクシステム)400、及び、リモートコントローラ500を、それぞれ示す。また、図12には、情報入力端末としての音声入力装置602と、ホストコンピュータ604とを含む、情報処理システム600の概略図を示す。
なお、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成(例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成)を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
音声入力装置について説明するための図。 音声入力装置について説明するための図。 音声入力装置について説明するための図。 音声入力装置について説明するための図。 音声入力装置を製造する方法について説明するための図。 音声入力装置を製造する方法について説明するための図。 音声入力装置について説明するための図。 音声入力装置について説明するための図。 音声入力装置の一例としての携帯電話を示す図。 音声入力装置の一例としてのマイクを示す図。 音声入力装置の一例としてのリモートコントローラを示す図。 情報処理システムの概略図。
符号の説明
1…音声入力装置、 10…第1のマイクロフォン、 12…第1の振動膜、 20…第2のマイクロフォン、 22…第2の振動膜、 30…差分信号生成部、 40…筐体、 50…演算処理部、 60…通信処理部、 70…基部、 72…主面、 74…凹部、 75…底面、 76…領域、 78…開口、 80…基部、 82…主面、 84…第1の凹部、 85…第1の開口、 86…第2の凹部、 87…第2の開口、 100…コンデンサ型マイクロフォン、 102…振動膜、 104…電極、 300…携帯電話、 400…マイク、 500…リモートコントローラ、 600…情報処理システム、 602…情報入力端末、 604…ホストコンピュータ

Claims (18)

  1. 接話型の音声入力装置であって、
    第1の振動膜を有する第1のマイクロフォンと、
    第2の振動膜を有する第2のマイクロフォンと、
    前記第1のマイクロフォンで取得された第1の電圧信号と、前記第2のマイクロフォンで取得された第2の電圧信号との差を示す差分信号を生成する差分信号生成部と、
    を含み、
    前記第1及び第2の振動膜は、前記差分信号に含まれる雑音成分の強度の、前記第1又は第2の電圧信号に含まれる前記雑音成分の強度に対する比率を示す雑音強度比が、前記差分信号に含まれる入力音声成分の強度の、前記第1又は第2の電圧信号に含まれる前記入力音声成分の強度に対する比率を示す入力音声強度比よりも小さくなるように配置されている音声入力装置。
  2. 請求項1記載の音声入力装置において、
    主面に凹部が形成された基部をさらに含み、
    前記第1の振動膜は前記凹部の底面に設置され、
    前記第2の振動膜は前記主面に設置されている音声入力装置。
  3. 請求項2記載の音声入力装置において、
    前記基部が、前記凹部に連通する開口が、前記主面における前記第2の振動膜の形成領域よりも、前記入力音声のモデル音源の近くに配置されるように設置された音声入力装置。
  4. 請求項2又は請求項3記載の音声入力装置において、
    前記凹部は、前記開口と前記第2の振動膜の形成領域との間隔よりも浅い音声入力装置。
  5. 請求項1記載の音声入力装置において、
    主面に、第1の凹部と、前記第1の凹部よりも浅い第2の凹部が形成された基部をさらに含み、
    前記第1の振動膜は前記第1の凹部の底面に設置され、
    前記第2の振動膜は前記第2の凹部の底面に設置されている音声入力装置。
  6. 請求項5記載の音声入力装置において、
    前記基部が、前記第1の凹部に連通する第1の開口が、前記第2の凹部に連通する第2の開口よりも、前記入力音声のモデル音源の近くに配置されるように設置された音声入力装置。
  7. 請求項5又は請求項6記載の音声入力装置において、
    前記第1及び第2の凹部の深さの差は、前記第1及び第2の開口の間隔よりも小さい音声入力装置。
  8. 請求項2から請求項7のいずれかに記載の音声入力装置において、
    前記基部が、前記入力音声が、第1及び第2の振動膜に同時に到着するように設置された音声入力装置。
  9. 請求項1から請求項8のいずれかに記載の音声入力装置において、
    前記第1及び第2の振動膜は、法線が平行になるように配置されている音声入力装置。
  10. 請求項1から請求項9のいずれかに記載の音声入力装置において、
    前記第1及び第2の振動膜は、法線が同一直線とならないように配置されている音声入力装置。
  11. 請求項1から請求項10のいずれかに記載の音声入力装置において、
    前記第1及び第2のマイクロフォンは、半導体装置として構成されている音声入力装置。
  12. 請求項1から請求項11のいずれかに記載の音声入力装置において、
    前記第1及び第2の振動膜の中心間距離は、5.2mm以下である音声入力装置。
  13. 第1の振動膜を有する第1のマイクロフォンと、第2の振動膜を有する第2のマイクロフォンと、前記第1のマイクロフォンで取得された第1の電圧信号と、前記第2のマイクロフォンで取得された第2の電圧信号との差を示す差分信号を生成する差分信号生成部と、を含む接話型の音声入力装置と、
    前記差分信号に基づいて、前記音声入力装置に入力された音声情報の解析処理を行う解析処理部と、
    を含み、
    前記音声入力装置は、
    前記第1及び第2の振動膜が、前記差分信号に含まれる雑音成分の強度の、前記第1又は第2の電圧信号に含まれる前記雑音成分の強度に対する比率を示す雑音強度比が、前記差分信号に含まれる入力音声成分の強度の、前記第1又は第2の電圧信号に含まれる前記入力音声成分の強度に対する比率を示す入力音声強度比よりも小さくなるように配置されている情報処理システム。
  14. 第1の振動膜を有する第1のマイクロフォンと、第2の振動膜を有する第2のマイクロフォンと、前記第1のマイクロフォンで取得された第1の電圧信号と、前記第2のマイクロフォンで取得された第2の電圧信号との差を示す差分信号を生成する差分信号生成部と、通信処理部と、を含む接話型の音声入力装置と、
    前記差分信号に基づいて、前記音声入力装置に入力された音声情報の解析処理を行うホストコンピュータと、
    を含み、
    前記音声入力装置は、
    前記第1及び第2の振動膜が、前記差分信号に含まれる雑音成分の強度の、前記第1又は第2の電圧信号に含まれる前記雑音成分の強度に対する比率を示す雑音強度比が、前記差分信号に含まれる入力音声成分の強度の、前記第1又は第2の電圧信号に含まれる前記入力音声成分の強度に対する比率を示す入力音声強度比よりも小さくなるように配置されており、
    前記通信処理部によって、前記ホストコンピュータとのネットワークを介した通信処理を行う情報処理システム。
  15. 第1の振動膜を有する第1のマイクロフォンと、第2の振動膜を有する第2のマイクロフォンと、前記第1のマイクロフォンで取得された第1の電圧信号と、前記第2のマイクロフォンで取得された第2の電圧信号との差を示す差分信号を生成する差分信号生成部と、を含む、雑音成分を除去する機能を有する接話型の音声入力装置を製造する方法であって、
    前記第1及び第2の振動膜の中心間距離Δrと雑音の波長λとの比率を示すΔr/λの値と、前記差分信号に含まれる前記雑音成分の強度の、前記第1又は第2の電圧信号に含まれる前記雑音成分の強度に対する比率を示す雑音強度比との対応関係を示すデータを用意する手順と、
    前記データに基づいて、前記Δr/λの値を設定する手順と、
    設定された前記Δr/λの値、及び、前記雑音の波長に基づいて、前記中心間距離を設定する手順と、
    を含む音声入力装置の製造方法。
  16. 請求項15記載の音声入力装置の製造方法において、
    前記Δr/λの値を設定する手順では、
    前記データに基づいて、前記雑音強度比が、前記差分信号に含まれる入力音声成分の強度の、前記第1又は第2の電圧信号に含まれる前記入力音声成分の強度に対する比率を示す入力音声強度比よりも小さくなるように、前記Δr/λの値を設定する音声入力装置の製造方法。
  17. 請求項15又は請求項16記載の音声入力装置の製造方法において、
    前記入力音声強度比は、前記入力音声の振幅成分に基づく強度比である音声入力装置の製造方法。
  18. 請求項15から請求項17のいずれかに記載の音声入力装置の製造方法において、
    前記雑音強度比は、前記雑音成分の位相差に基づく強度比である音声入力装置の製造方法。
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