JP2009239631A - マイクロフォンユニット、接話型の音声入力装置、情報処理システム、及びマイクロフォンユニットの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】外形が小さく、かつ、深い雑音除去が可能な高品質のマイクロフォンユニットを提供すること。
【解決手段】マイクロフォンユニット１は、内部空間１００を有する筐体１０と、筐体内に設けられた、内部空間を第１の空間１０２と第２の空間１０４とに分割する、少なくとも一部が振動膜３０で構成された仕切り部材２０と、振動膜の振動に基づいて電気信号を出力する電気信号出力回路４０と、を含む。筐体１０には、第１の空間１０２と筐体の外部空間とを連通する第１の貫通穴１２と、第２の空間１０４と筐体の外部空間とを連通する第２の貫通穴１４とが形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、マイクロフォンユニット、接話型の音声入力装置、情報処理システム、及びマイクロフォンユニットの製造方法に関する。

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、雑音が存在する環境で使用される場合にもユーザの音声を正確に抽出することが可能にする、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、マイクロフォンユニット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

マイクロフォンユニット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、外形が小さく、かつ、深い雑音除去が可能な高品質のマイクロフォンユニット、接話型音声入力装置、情報処理システム、及びマイクロフォンユニットの製造方法を提供することにある。

（１）本発明に係るマイクロフォンユニットは、
内部空間を有する筐体と、
前記筐体内に設けられた、前記内部空間を第１の空間と第２の空間とに分割する、少なくとも一部が振動膜で構成された仕切り部材と、
前記振動膜の振動に基づいて電気信号を出力する電気信号出力回路と、
を含み、
前記筐体には、前記第１の空間と前記筐体の外部空間とを連通する第１の貫通穴と、前記第２の空間と前記筐体の外部空間とを連通する第２の貫通穴とが形成されている。

本発明によると、振動膜の両面に、ユーザ音声及び雑音が入射する。振動膜の両面に入射する音声のうち、雑音成分は、ほぼ同じ音圧になるため、振動膜で打ち消しあう。そのため、振動膜を振動させる音圧は、ユーザ音声を示す音圧であるとみなすことができ、振動膜の振動に基づいて取得された電気信号は、雑音が除去された、ユーザ音声を示す電気信号であるとみなすことができる。

このことから、本発明によると、簡単な構成で、深い雑音除去が可能な高品質のマイクロフォンユニットを提供することができる。

（２）このマイクロフォンユニットにおいて、
前記仕切り部材は、
音波を伝搬する媒質が、前記筐体の内部で、前記第１及び第２の空間の間を移動しないように設けられていてもよい。

（３）このマイクロフォンユニットにおいて、
前記筐体の外形は多面体となっており、
前記第１及び第２の貫通穴は、前記多面体の１つの面に形成されていてもよい。

すなわち、このマイクロフォンユニットでは、第１及び第２の貫通穴は、多面体の同じ面に形成されていてもよい。言い換えると、第１及び第２の貫通穴は、同じ方向を向いて形成されていてもよい。これにより、第１及び第２の貫通穴から、筐体内部に入射する雑音の音圧を（ほぼ）等しくすることができるため、雑音を、精度良く除去することが可能になる。

（４）このマイクロフォンユニットにおいて、
前記振動膜は、
法線が、前記面に平行になるように配置されていてもよい。

（５）このマイクロフォンユニットにおいて、
前記振動膜は、
法線が、前記面と直交するように配置されていてもよい。

（６）このマイクロフォンユニットにおいて、
前記振動膜は、
前記第１又は第２の貫通穴と重複しないように配置されていてもよい。

これによると、第１及び第２の貫通穴を介して、内部空間に異物が入り込んだ場合でも、当該異物によって振動膜が直接損傷を受ける可能性を低くすることができる。

（７）このマイクロフォンユニットにおいて、
前記振動膜は、
前記第１又は第２の貫通穴の側方に配置されていてもよい。

（８）このマイクロフォンユニットにおいて、
前記振動膜は、
前記第１の貫通穴からの距離と、前記第２の貫通穴からの距離とが等しくならないように配置されていてもよい。

（９）このマイクロフォンユニットにおいて、
前記仕切り部材は、
前記第１及び第２の空間の容積が同じになるように配置されていてもよい。

（１０）このマイクロフォンユニットにおいて、
前記第１及び第２の貫通穴の中心間距離が５．２mm以下であってもよい。

（１１）このマイクロフォンユニットにおいて、
前記電気信号出力回路の少なくとも一部は、前記筐体の内部に形成されていてもよい。

（１２）このマイクロフォンユニットにおいて、
前記筐体は、
前記内部空間と前記筐体の外部空間とを電磁的に遮蔽する遮蔽構造となっていてもよい。

（１３）このマイクロフォンユニットにおいて、
前記振動膜を、ＳＮ比が約６０デシベル以上の振動子で構成してもよい。

例えばＳＮ比が６０デシベル以上の振動子で構成してもよいし、６０±αデシベル以上の振動子で構成してもよい。

（１４）このマイクロフォンユニットにおいて、
前記第１及び第２の貫通穴の中心間距離が、１０kHz以下の周波数帯域の音に対して、前記振動膜を差動マイクとして使用した場合の音圧が単体マイクとして使用した場合の音圧を上回らない範囲の距離に設定されていてもよい。

前記第１及び第２の貫通穴を音源の音（例えば音声）の進行方向に沿って配置して、前記進行方向からの音に対して、前記振動膜を差動マイクとして使用した場合の音圧が単体マイクとして使用した場合の音圧を上回らない範囲の距離に前記第１及び第２の貫通穴の中心間距離が設定されていてもよい。

（１５）このマイクロフォンユニットにおいて、
前記第１及び第２の貫通穴の中心間距離が、抽出対象周波数帯域の音に対して、前記振動膜を差動マイクとして使用した場合の音圧が全方位において単体マイクとして使用した場合の音圧を上回らない範囲の距離に設定されていてもよい。

抽出対象周波数は、本マイクロフォンで抽出したい音の周波数である。例えば７kHz以下の周波数を抽出対象周波数として前記第１及び第２の貫通穴の中心間距離が設定されていてもよい。

（１６）本発明は、
上記のいずれかに記載のマイクロフォンユニットが実装された、接話型の音声入力装置である。

この音声入力装置によると、雑音が精度よく除去された、ユーザ音声を示す電気信号を取得することができる。そのため、本発明によると、精度の高い音声認識処理や、音声認証処理、あるいは、入力音声に基づくコマンド生成処理などの実現を可能にする音声入力装置を提供することができる。

（１７）本発明にかかる音声入力装置は、
前記筐体の外形は多面体となっており、
前記第１及び第２の貫通穴は、前記多面体の１つの面に形成されていてもよい。

（１８）本発明にかかる音声入力装置は、
前記第１及び第２の貫通穴の中心間距離が５．２mm以下であってもよい。

（１９）本発明にかかる音声入力装置は、
前記振動膜を、ＳＮ比が約６０デシベル以上の振動子で構成してもよい。

（２０）本発明にかかる音声入力装置は、
前記第１及び第２の貫通穴の中心間距離が、１０kHz以下の周波数帯域の音に対して、前記振動膜を差動マイクとして使用した場合の音圧が単体マイクとして使用した場合の音圧を上回らない範囲の距離に設定されていてもよい。

（２１）本発明にかかる音声入力装置は、
前記第１及び第２の貫通穴の中心間距離が、抽出対象周波数帯域の音に対して、前記振動膜を差動マイクとして使用した場合の音圧が全方位において単体マイクとして使用した場合の音圧を上回らない範囲の距離に設定されていてもよい。

（２２）本発明は、
上記のいずれかに記載のマイクロフォンユニットと、
前記電気信号に基づいて、前記マイクロフォンユニットに入射した音声の解析処理を行う解析処理部と、を含む情報処理システムである。

この情報処理システムによると、雑音が精度よく除去された、ユーザ音声を示す電気信号を取得することができる。そのため、本発明によると、精度の高い音声認識処理や、音声認証処理、あるいは、入力音声に基づくコマンド生成処理などの実現を可能にする音声入力装置を提供することができる。

（２３）本発明に係るマイクロフォンユニットの製造方法は、
内部空間を有する筐体と、前記筐体内に設けられた、前記内部空間を第１の空間と第２の空間とに分割する、少なくとも一部が振動膜で構成された仕切り部材と、前記振動膜の振動に基づいて電気信号を出力する電気信号出力回路と、を含むマイクロフォンユニットの製造方法であって、
前記筐体に、前記第１の空間と前記筐体の外部空間とを連通する第１の貫通穴と、前記第２の空間と前記筐体の外部空間とを連通する第２の貫通穴とを形成する貫通穴形成手順を含み、
前記貫通穴形成手順において、
前記第１及び第２の貫通穴の中心間距離を、１０kHz以下の周波数帯域の音に対して、前記振動膜を差動マイクとして使用した場合の音圧が単体マイクとして使用した場合の音圧を上回らない範囲の距離に設定することを特徴とする。

前記第１及び第２の貫通穴を音源の音（例えば音声）の進行方向に沿って配置して、前記進行方向からの音に対して、前記振動膜を差動マイクとして使用した場合の音圧が単体マイクとして使用した場合の音圧を上回らない範囲の距離に前記第１及び第２の貫通穴の中心間距離を設定してもよい。

（２４）本発明に係るマイクロフォンユニットの製造方法は、
内部空間を有する筐体と、前記筐体内に設けられた、前記内部空間を第１の空間と第２の空間とに分割する、少なくとも一部が振動膜で構成された仕切り部材と、前記振動膜の振動に基づいて電気信号を出力する電気信号出力回路と、を含むマイクロフォンユニットの製造方法であって、
前記筐体に、前記第１の空間と前記筐体の外部空間とを連通する第１の貫通穴と、前記第２の空間と前記筐体の外部空間とを連通する第２の貫通穴とを形成する貫通穴形成手順を含み、
前記貫通穴形成手順において、
前記第１及び第２の貫通穴の中心間距離を、抽出対象周波数帯域の音に対して、前記振動膜を差動マイクとして使用した場合の音圧が全方位において単体マイクとして使用した場合の音圧を上回らない範囲の距離に設定することを特徴とする。

抽出対象周波数は、本マイクロフォンで抽出したい音の周波数であり、例えば７kHz以下の周波数としてもよい。

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．マイクロフォンユニット１の構成
はじめに、本実施の形態に係るマイクロフォンユニット１の構成について説明する。

本実施の形態に係るマイクロフォンユニット１は、図１及び図２（Ａ）に示すように、筐体１０を含む。筐体１０は、マイクロフォンユニット１の外形を構成する部材である。筐体１０（マイクロフォンユニット１）の外形は多面体構造となっていてもよい。筐体１０の外形は、図１に示すように、六面体（直方体又は立方体）となっていてもよい。ただし、筐体１０の外形は六面体以外の多面体構造となっていてもよい。あるいは、筐体１０の外形は、球状構造（半球状構造）等の、多面体以外の構造となっていてもよい。

筐体１０は、図２（Ａ）に示すように、内部空間１００（第１及び第２の空間１０２，１０４）を有する。すなわち、筐体１０は所定の空間を区画する構造をなしており、内部空間１００とは、筐体１０によって区画される空間である。筐体１０は、内部空間１００と、筐体１０の外部の空間（外部空間１１０）とを電気的・磁気的に遮蔽する遮蔽構造（電磁シールド構造）をなしていてもよい。これにより、後述する振動膜３０及び電気信号出力回路４０が、筐体１０の外部（外部空間１１０）に配置された電子部品の影響を受けにくくすることができるため、精度の高い雑音除去機能を実現することが可能なマイクロフォンユニットを提供することができる。

そして、筐体１０には、図１及び図２（Ａ）に示すように、筐体１０の内部空間１００と外部空間１１０とを連通させる貫通穴が形成されている。本実施の形態では、筐体１０には、第１の貫通穴１２と第２の貫通穴１４とが形成されている。ここで、第１の貫通穴１２は、第１の空間１０２と外部空間１１０とを連通する貫通穴である。また、第２の貫通穴１４は、第２の空間１０４と外部空間１１０とを連通する貫通穴である。なお、第１及び第２の空間１０２，１０４については後で詳述する。第１及び第２の貫通穴１２，１４の外形は特に限定されるものではないが、例えば図１に示すように、円形となっていてもよい。ただし、第１及び第２の貫通穴１２，１４の外形は、円形以外の形状であってもよく、例えば矩形であってもよい。

本実施の形態では、図１及び図２（Ａ）に示すように、第１及び第２の貫通穴１２，１４は、六面体構造（多面体構造）をなす筐体１０の１つの面１５に形成されている。ただし、変形例として、第１及び第２の貫通穴１２，１４は、それぞれ、多面体の異なる面に形成されていてもよい。例えば、第１及び第２の貫通穴１２，１４は、六面体の対向する面に形成されていてもよく、六面体の隣り合う面に形成されていてもよい。また、本実施の形態では、筐体１０には、１つの第１の貫通穴１２と１つの第２の貫通穴１４とが形成されている。ただし、本発明はこれに限られず、筐体１０には、複数の第１の貫通穴１２及び複数の第２の貫通穴１４が形成されていてもよい。

本実施の形態に係るマイクロフォンユニット１は、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、仕切り部材２０を含む。ここで、図２（Ｂ）は、仕切り部材２０を正面から観察した図である。仕切り部材２０は、筐体１０内に、内部空間１００を分割するように設けられる。本実施の形態では、仕切り部材２０は、内部空間１００を、第１の空間１０２及び第２の空間１０４に分割するように設けられる。すなわち、第１及び第２の空間１０２，１０４は、それぞれ、筐体１０及び仕切り部材２０で区画された空間であるといえる。

仕切り部材２０は、音波を伝搬する媒質が、筐体１０の内部で、第１の空間１０２と第２の空間１０４との間を移動しないように（移動できないように）設けられていてもよい。例えば、仕切り部材２０は、内部空間１００（第１及び第２の空間１０２，１０４）を筐体１０内部で気密に分離する、気密隔壁であってもよい。

仕切り部材２０は、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、少なくとも一部が振動膜３０で構成されている。振動膜３０は、音波が入射すると、法線方向に振動する部材である。そして、マイクロフォンユニット１では、振動膜３０の振動に基づいて電気信号を抽出することで、振動膜３０に入射した音声を示す電気信号を取得する。すなわち、振動膜３０は、マイクロフォン（音響信号を電気信号に変換する電気音響変換器）の振動膜であってもよい。

以下、本実施の形態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２００の構成について説明する。なお、図３は、コンデンサ型マイクロフォン２００について説明するための図である。

コンデンサ型マイクロフォン２００は、振動膜２０２を有する。なお、振動膜２０２が、本実施の形態に係るマイクロフォンユニット１の振動膜３０に相当する。振動膜２０２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２００は、また、電極２０４を有する。電極２０４は、振動膜２０２と対向して配置されている。これにより、振動膜２０２と電極２０４とは容量を形成する。コンデンサ型マイクロフォン２００に音波が入射すると、振動膜２０２が振動して、振動膜２０２と電極２０４との間隔が変化し、振動膜２０２と電極２０４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取り出すことによって、振動膜２０２の振動に基づく電気信号を取得することができる。すなわち、コンデンサ型マイクロフォン２００に入射する音波を、電気信号に変換して出力することができる。なお、コンデンサ型マイクロフォン２００では、電極２０４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２０４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（振動膜３０）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、振動膜３０は、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、種々のマイクロフォンの振動膜であってもよい。

あるいは、振動膜３０は、半導体膜（例えばシリコン膜）であってもよい。すなわち、振動膜３０は、シリコンマイク（Ｓｉマイク）の振動膜であってもよい。シリコンマイクを利用することで、マイクロフォンユニット１の小型化、及び、高性能化を実現することができる。

振動膜３０の外形は特に限定されるものではない。図２（Ｂ）に示すように、振動膜３０の外形は円形をなしていてもよい。このとき、振動膜３０と第１及び第２の貫通穴１２，１４とは、径が（ほぼ）同じ円形であってもよい。ただし、振動膜３０は、第１及び第２の貫通穴１２，１４よりも大きくてもよく、小さくてもよい。また、振動膜３０は、第１及び第２の面３５，３７を有する。第１の面３５は第１の空間１０２を向く面であり、第２の面３７は第２の空間１０４を向く面である。

なお、本実施の形態では、振動膜３０は、図２（Ａ）に示すように、法線が筐体１０の面１５に平行に延びるように設けられていてもよい。言い換えると、振動膜３０は、面１５と直交するように設けられていてもよい。そして、振動膜３０は、第２の貫通穴１４の側方（近傍）に配置されていてもよい。すなわち、振動膜３０は、第１の貫通穴１２からの距離と、第２の貫通穴１４からの距離とが等しくならないように配置されていてもよい。ただし、変形例として、振動膜３０は、第１及び第２の貫通穴１２，１４の中間に配置されていてもよい（図示せず）。

本実施の形態では、仕切り部材２０は、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、振動膜３０を保持する保持部３２を含んでいてもよい。そして、保持部３２は、筐体１０の内壁面に密着していてもよい。保持部３２を筐体１０の内壁面に密着させることで、第１及び第２の空間１０２，１０４を気密に分離することができる。

本実施の形態に係るマイクロフォンユニット１は、振動膜３０の振動に基づいて電気信号を出力する電気信号出力回路４０を含む。電気信号出力回路４０は、少なくとも一部が、筐体１０の内部空間１００内に形成されてもよい。電気信号出力回路４０は、例えば、筐体１０の内壁面に形成されてもよい。すなわち、本実施の形態では、筐体１０を電気回路の回路基板として利用してもよい。

図４には、本実施の形態に適用可能な電気信号出力回路４０の一例を示す。電気信号出力回路４０は、コンデンサ４２（振動膜３０を有するコンデンサ型マイクロフォン）の静電容量の変化に基づく電気信号を、信号増幅回路４４で増幅して出力するように構成されていてもよい。コンデンサ４２は、例えば、振動膜ユニット４１の一部を構成していてもよい。なお、電気信号出力回路４０は、チャージポンプ回路４６と、オペアンプ４８とを含んで構成されていてもよい。これにより、コンデンサ４２の静電容量の変化を精密に取得することが可能になる。本実施の形態では、例えば、コンデンサ４２、信号増幅回路４４、チャージポンプ回路４６、オペアンプ４８は、筐体１０の内壁面に形成されていてもよい。また、電気信号出力回路４０は、ゲイン調整回路４５を含んでいてもよい。ゲイン調整回路４５は、信号増幅回路４４の増幅率（ゲイン）を調整する役割を果たす。ゲイン調整回路４５は、筐体１０の内部に設けられていてもよいが、筐体１０の外部に設けられていてもよい。

ただし、振動膜３０としてシリコンマイクを適用する場合には、電気信号出力回路４０は、シリコンマイクの半導体基板に形成された集積回路によって実現してもよい。

また、電気信号出力回路４０は、アナログ信号をデジタル信号に変換する変換回路や、デジタル信号を圧縮（符号化）する圧縮回路などをさらに含んでいてもよい。

前記振動膜を、ＳＮ（Signal to Noise）比が約６０デシベル以上の振動子で構成してもよい。振動子を差動マイクとして機能させる場合には単体マイクとして機能させる場合に比べてＳＮ比が低下する。従ってＳＮ比に優れた振動子（例えばＳＮ比が６０デシベル以上のＭＥＭＳ振動子）を用いて前記振動膜を構成することで、感度のよいマイクロフォンユニットを実現することができる。

例えば話者とマイク間の距離を約２．５cm程度（接話型のマイクロフォンユニット）として、単体マイクを差動マイクとして使用する場合には、単体マイクとし使用する場合にくらべ感度が１０数デシベル程度低下する。しかしＳＮ比が約６０デシベル以上の振動子で前記振動膜を構成することにより、前記感度の低下による影響を鑑みてもマイクとしての機能の必要レベルを満たしたマイクロフォンユニットを実現することができる。

本実施の形態に係るマイクロフォンユニット１は、以上のように構成されていてもよい。マイクロフォンユニット１によると、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できる。以下、マイクロフォンユニット１の雑音除去原理について説明する。

２．マイクロフォンユニット１の雑音除去原理
（１）マイクロフォンユニット１の構成と、振動膜３０の振動原理
はじめに、マイクロフォンユニット１の構成から導き出される、振動膜３０の振動原理について説明する。

本実施の形態では、振動膜３０は、両側（第１及び第２の３５，３７）から音圧を受ける。そのため、振動膜３０の両側に、同時に、同じ大きさの音圧がかかると、当該２つの音圧は振動膜３０で打ち消しあい、振動膜３０を振動させる力とはならない。逆に言うと、振動膜３０は、両側に受ける音圧に差があるときに、その音圧の差によって振動する。

また、第１及び第２の貫通穴１２，１４に入射した音波の音圧は、第１及び第２の空間１０２，１０４の内壁面に均等に伝達される（パスカルの原理）。そのため、振動膜３０の第１の空間１０２を向く面（第１の面３５）は、第１の貫通穴１２に入射した音圧と等しい音圧を受け、振動膜３０の第２の空間１０４を向く面（第２の面３７）は、第２の貫通穴１４に入射した音圧と等しい音圧を受ける。

すなわち、第１及び第２の面３５，３７が受ける音圧は、それぞれ、第１及び第２の貫通穴１２，１４に入射した音の音圧であり、振動膜３０は、第１及び第２の面３５，３７（第１及び第２の貫通穴１２，１４）に入射した音波の音圧の差によって振動する。

（２）音波の性質
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、

と表すことができる。なお、式（１）中、ｋは比例定数である。図５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。

マイクロフォンユニット１を接話型の音声入力装置に適用する場合、ユーザの音声は、マイクロフォンユニット１（第１及び第２の貫通穴１２，１４）の近傍から発生する。そのため、ユーザの音声は、第１及び第２の貫通穴１２，１４の間で大きく減衰し、第１及び第２の貫通穴１２，１４に入射するユーザ音声の音圧、すなわち、第１及び第２の面３５，３７に入射するユーザ音声の音圧には、大きな差が現れる。

これに対して雑音成分は、ユーザの音声に比べて、音源が、マイクロフォンユニット１（第１及び第２の貫通穴１２，１４）から遠い位置に存在する。そのため、雑音の音圧は、第１及び第２の貫通穴１２，１４の間でほとんど減衰せず、第１及び第２の貫通穴１２，１４に入射する雑音の音圧には、ほとんど差が現れない。

（３）雑音除去原理
上述したように、振動膜３０は、第１及び第２の面３５，３７に同時に入射する音波の音圧の差によって振動する。そして、第１及び第２の面３５，３７に入射する雑音の音圧の差は非常に小さいため、振動膜３０で打ち消される。これに対して、第１及び第２の面３５，３７に入射するユーザ音声の音圧の差は大きいため、ユーザ音声は振動膜３０で打ち消されず、振動膜３０を振動させる。

このことから、マイクロフォンユニット１によると、振動膜３０は、ユーザの音声のみによって振動しているとみなすことができる。そのため、マイクロフォンユニット１（電気信号出力回路４０）から出力される電気信号は、雑音が除去された、ユーザ音声のみを示す信号とみなすことができる。

すなわち、本実施の形態に係るマイクロフォンユニット１によると、簡易な構成で、雑音が除去されたユーザ音声を示す電気信号を取得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。

３．マイクロフォンユニット１で、より精度の高い雑音除去機能を実現するための条件 上述したように、マイクロフォンユニット１によると、雑音が除去された、ユーザ音声のみを示す電気信号を取得することが可能になる。ただし、音波は位相成分を含んでいる。そのため、第１及び第２の貫通穴１２，１４（振動膜３０の第１及び第２の面３５，３７）に入射する音波の位相差を考慮すれば、より精度の高い雑音除去機能を実現することが可能な条件（マイクロフォンユニット１の設計条件）を導出することができる。以下、より精度の高い雑音除去機能を実現するために、マイクロフォンユニット１が満たすべき条件について説明する。

マイクロフォンユニット１によると、先に説明したように、振動膜３０を振動させる音圧（第１及び第２面３５，３７が受ける音圧の差：以下、適宜、「差分音圧」と称する）に基づいて出力される信号を、ユーザ音声を示す信号とみなす。このマイクロフォンユニットによると、振動膜３０を振動させる音圧（差分音圧）に含まれる雑音成分が、第１又は第２の面３５，３７に入射する音圧に含まれる雑音成分よりも小さくなったことをもって、雑音除去機能が実現されたと評価することができる。詳しくは、差分音圧に含まれる雑音成分の強度の、第１又は第２の面３５，３７に入射する音圧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、差分音圧に含まれるユーザ音声成分の強度の、第１又は第２の面３５，３７に入射する音圧に含まれるユーザ音声成分の強度に対する比を示すユーザ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、マイクロフォンユニット１（筐体１０）が満たすべき具体的な条件について説明する。

はじめに、振動膜３０の第１及び第２の面３５，３７（第１及び第２の貫通穴１２，１４）に入射する音声の音圧について検討する。ユーザ音声の音源から第１の貫通穴１２までの距離をＲ、第１及び第２の貫通穴１２，１４の中心間距離をΔｒとすると、位相差を無視すれば、第１及び第２の貫通穴１２，１４に入射する、ユーザ音声の音圧（強度）Ｐ（Ｓ１）及びＰ（Ｓ２）は、

と表すことができる。

そのため、ユーザ音声の位相差を無視したときの、第１の面３５（第１の貫通穴１２）に入射するユーザ音声の音圧の強度に対する、差分音圧に含まれるユーザ音声成分の強度の比率を示すユーザ音声強度比ρ（Ｐ）は、

と表される。

ここで、マイクロフォンユニット１が接話型の音声入力装置に利用される場合、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、

と変形することができる。

すなわち、ユーザ音声の位相差を無視した場合のユーザ音声強度比は、式（Ａ）と表されることがわかる。

ところで、ユーザ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、

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、ユーザ音声強度比ρ（Ｓ）は、

と表される。式（７）を考慮すると、ユーザ音声強度比ρ（Ｓ）の大きさは、

と表すことができる。

ところで、式（８）のうち、sinωt−sin（ωt−α）項は位相成分の強度比を示し、Δｒ／Ｒsinωt項は振幅成分の強度比を示す。ユーザ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、ユーザ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−sin（ωt−α）と、Δｒ／Ｒsinωtとは、

の関係を満たしていることが重要である。

ここで、

と表すことができるため、上述の式（Ｂ）は、

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マイクロフォンユニット１は、

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、sin（α／２）は充分小さいとみなすことができ、

と近似することができる。

そのため、式（Ｃ）は、

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、

と表せば、式（Ｄ）は、

と変形することができる。

すなわち、本実施の形態では、マイクロフォンユニット１が式（Ｅ）に示す関係を満たしていれば、ユーザ音声を精度よく抽出することができる。

次に、第１及び第２の面３５，３７（第１及び第２の貫通穴１２，１４）に入射する雑音の音圧について検討する。

第１及び第２の面３５，３７に入射す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、

と表すことができ、第１の面３５（第１の貫通穴１２）に入射する雑音成分の音圧の強度に対する、差分音圧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、

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の面３５，３７（第１及び第２の貫通穴１２，１４）に入射する雑音成分の振幅（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、

と変形することができる。

そして、雑音強度比の大きさは、

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、

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、

と変形することができる。

ここで、式（Ｄ）を参照すれば、雑音強度比の大きさは、

と表すことができる。なお、Δｒ／Ｒとは、式（Ａ）に示すように、ユーザ音声の振幅成分の強度比である。式（Ｆ）から、このマイクロフォンユニット１では、雑音強度比がユーザ音声の強度比Δｒ／Ｒよりも小さくなることがわかる。

以上のことから、ユーザ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マイクロフォンユニット１によれば（式（Ｂ）参照）、雑音強度比がユーザ音声強度比よりも小さくなる（式（Ｆ）参照）。逆に言うと、雑音強度比がユーザ音声強度比よりも小さくなるように設計されたマイクロフォンユニット１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。

４．マイクロフォンユニット１の製造方法
以下、本実施の形態に係るマイクロフォンユニット１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の貫通穴１２，１４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、マイクロフォンユニット１を製造してもよい。

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、

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６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６の横軸は、Δｒ／λとみなすことができる。すなわち、図６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、マイクロフォンユニット１を製造する。図７は、このデータを利用してマイクロフォンユニット１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６参照）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低下するマイクロフォンユニット１を製造する場合について考える。

はじめに、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６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、マイクロフォンユニット１（筐体１０）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６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マイクロフォンユニットを製造することが可能になる。

なお、本実施の形態に係るマイクロフォンユニット１を接話型の音声入力装置に利用する場合、ユーザ音声の音源とマイクロフォンユニット１（第１及び第２の貫通穴１２，１４）との間隔は、通常５ｃｍ以下である。また、ユーザ音声の音源とマイクロフォンユニット１（第１及び第２の貫通穴１２，１４）との間隔は、マイクロフォンユニット１が収納される筐体の設計によって設定することが可能である。そのため、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、このマイクロフォンユニット１で除去される。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、マイクロフォンユニット１（振動膜３０）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マイクロフォンユニット１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の貫通穴１２，１４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の貫通穴１２，１４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マイクロフォンユニット１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マイクロフォンユニット１によると、すべての方向から入射する雑音を除去することができる。

５．効果
以下、マイクロフォンユニット１が奏する効果についてまとめる。

先に説明したように、マイクロフォンユニット１によると、振動膜３０の振動を示す電気信号（振動膜３０の振動に基づく電気信号）取得するだけで、雑音成分が除去された音声を示す電気信号を取得することができる。すなわち、マイクロフォンユニット１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、簡単な構成で、深い雑音除去が可能な高品質のマイクロフォンユニットを提供することができる。特に、第１及び第２の貫通穴１２，１４の中心間距離Δｒを５．２mm以下に設定することで、より精度の高い雑音除去機能を実現することが可能なマイクロフォンユニットを提供することができる。

また前記第１及び第２の貫通穴の中心間距離を、１０kHz以下の周波数帯域の音に対して、前記振動膜を差動マイクとして使用した場合の音圧が単体マイクとして使用した場合の音圧を上回らない範囲の距離に設定してもよい。

前記第１及び第２の貫通穴を音源の音（例えば音声）の進行方向に沿って配置して、前記進行方向からの音に対して、前記振動膜を差動マイクとして使用した場合の音圧が単体マイクとして使用した場合の音圧を上回らない範囲の距離に前記第１及び第２の貫通穴の中心間距離を設定されていてもよい。

図２２から図２４はマイク間距離と音声強度比ρの関係について説明するための図である。図２２から図２４は横軸はΔｒ／λであり、縦軸は音声強度比ρである。音声強度比ρとは差動マイクと単体マイクの音圧比であり、差動マイクを構成するマイクを単体マイクとして使用した場合の音圧が差動音圧と同じになるところを０デシベルとしている。

すなわち図２２から図２４のグラフは、Δｒ／λに対応した差動音圧の遷移を示しており、縦軸が０デシベル以上のエリアは、遅延ひずみ（ノイズ）が大きいと考えることができる。

現行の電話回線は３．４kHzの音声周波数帯域で設計されているが、より高品質な音声通信を実現しようとした場合、７kHz以上、好ましくは１０kHzの音声周波数帯域が必要とされる。以下、１０kHzの音声周波数帯域を想定した場合における、遅延による音声歪みの影響について考察する。

図２２はマイク間距離（Δｒ）が５mmである場合の、１kHz、７kHz、１０kHzの周波数の音を差動マイクでとらえた場合の音声強度比ρの分布を示している。

マイク間距離が５mmの場合には、図２２に示すように１kHz、７kHz、１０kHzのいずれの周波数の音についても音声強度比ρは０デシベル以下である。

また図２３はマイク間距離（Δｒ）が１０mmである場合の、１kHz、７kHz、１０kHzの周波数の音を差動マイクでとらえた場合の音声強度比ρの分布を示している。

マイク間距離が１０mmになると、図２３に示すように１kHz、７kHzの周波数の音については音声強度比ρは０デシベル以下であるが、１０kHzの周波数の音については音声強度比ρが０デシベル以上となり遅延ひずみ（ノイズ）が大きくなっている。

また図２４はマイク間距離（Δｒ）が２０mmである場合の、１kHz、７kHz、１０kHzの周波数の音を差動マイクでとらえた場合の音声強度比ρの分布を示している。

マイク間距離が２０mmになると、図２４に示すように１kHzの周波数の音については音声強度比ρは０デシベル以下であるが、７kHz、１０kHzの音については音声強度比ρが０デシベル以上となり遅延ひずみ（ノイズ）が大きくなっている。

従ってマイク間距離を約５mm〜６mm程度（より具体的には５．２mm以下）にすることで、周波数が１０kHz帯域まで話者音声を忠実に抽出し、かつ遠方雑音の抑制効果の高いマイクロフォンを実現することができる。

本実施の形態では第１及び第２の貫通穴１２，１４の中心間距離を約５mm〜６mm程度（より具体的には５．２mm以下）にすることで、１０kHz帯域まで話者音声を忠実に抽出し、かつ遠方雑音の抑制効果の高いマイクロフォンユニットを実現することができる。

また、マイクロフォンユニット１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、筐体１０（第１及び第２の貫通穴１２，１４の位置）を設計することが可能になる。そのため、このマイクロフォンユニット１によると、全方位から入射する雑音を除去することができる。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マイクロフォンユニットを提供することができる。

図２５（Ａ）（Ｂ）から図３１（Ａ）（Ｂ）は周波数帯域とマイク間距離とマイク−音源間の距離毎の差動マイクの指向性について説明するための図である。

図２５（Ａ）（Ｂ）は音源の周波数帯域が１kHz、マイク間距離が５mm、マイク−音源間距離がそれぞれ２．５cm（接話型の話者の口元からマイクまでの距離に相当）、１m（遠方雑音に相当）の場合の差動マイクの指向性を示す図である。

１１１０は差動マイクの全方位に対する感度（差動音圧）を示すグラフであり、差動マイクの指向特性を示している。また１１１２は差動マイクを単体マイクとして使用した場合の全方位に対する感度（音圧）を示すグラフであり、単体マイクの指向特性を示している。

１１１４はマイクを２つ用いて差動マイクを構成する場合の両マイクを結ぶ直線の方向又はマイクを１つで差動マイクを実現する場合にマイクの両面に音波を到達させるための第１の貫通穴と第２の貫通穴を結ぶ直線の方向（０度−１８０度、差動マイクを構成する２つのマイクＭ１、Ｍ２又は第１の貫通穴と第２の貫通穴はこの直線上に置かれている）を示している。この直線の方向を０度、１８０度とし、この直線の方向と直角な方向を９０度、２７０度とする。

１１１２、１１２２に示すように単体マイクは全方位から均一に音を取っており指向性を有していない。また音源が遠くなるほど取得する音圧は減衰している。

１１１０、１１２０に示すように差動マイクは９０度、２７０度方向で多少感度が落ちるが全方位にほぼ均一な指向性を有している。また単体マイクより取得する音圧が減衰しており、単体マイクと同様に音源が遠くなるほど取得する音圧は減衰している。

図２５（Ｂ）に示すように音源の周波数帯域が１kHz、マイク間距離が５mmの場合には、差動マイクの指向性を示す差動音圧のグラフ１１２０の示す領域は単体マイクの指向性を示すグラフ１１２２の示す領域に内包されており、差動マイクは単体マイクに比べ遠方雑音の抑制効果に優れているといえる。

図２６（Ａ）（Ｂ）は音源の周波数帯域が１kHz、マイク間距離が１０mm、マイク−音源間距離がそれぞれ２．５cm、１mの場合の差動マイクの指向性を説明する図である。かかる場合にも、図２６（Ｂ）に示すように、差動マイクの指向性を示すグラフ１１４０の示す領域は単体マイクの指向性を示すグラフ１４２２の示す領域に内包されており、差動マイクは単体マイクに比べ遠方雑音の抑制効果に優れているといえる。

図２７（Ａ）（Ｂ）は音源の周波数帯域が１kHz、マイク間距離が２０mm、マイク−音源間距離がそれぞれ２．５cm、１mの場合の差動マイクの指向性を示す図である。かかる場合にも、図２７（Ｂ）に示すように、差動マイクの指向性を示すグラフ１１６０の示す領域は単体マイクの指向性を示すグラフ１４６２の示す領域に内包されており、差動マイクは単体マイクに比べ遠方雑音の抑制効果に優れているといえる。

図２８（Ａ）（Ｂ）は音源の周波数帯域が７kHz、マイク間距離が５mm、マイク−音源間距離がそれぞれ２．５cm、１mの場合の差動マイクの指向性を示す図である。かかる場合にも、図２８（Ｂ）に示すように、差動マイクの指向性を示すグラフ１１８０の示す領域は単体マイクの指向性を示すグラフ１１８２の示す領域に内包されており、差動マイクは単体マイクに比べ遠方雑音の抑制効果に優れているといえる。

図２９（Ａ）（Ｂ）は音源の周波数帯域が７kHz、マイク間距離が１０mm、マイク−音源間距離がそれぞれ２．５cm、１mの場合の差動マイクの指向性を示す図である。かかる場合には、図２９（Ｂ）に示すように、差動マイクの指向性を示すグラフ１２００の示す領域は単体マイクの指向性を示すグラフ１２０２の示す領域に内包されておらず、差動マイクは単体マイクに比べ遠方雑音の抑制効果に優れているとはいえない。

図３０（Ａ）（Ｂ）は音源の周波数帯域が７kHz、マイク間距離が２０mm、マイク−音源間距離がそれぞれ２．５cm、１mの場合の差動マイクの指向性を示す図である。かかる場合にも、図３０（Ｂ）に示すように、差動マイクの指向性を示すグラフ１２２０の示す領域は単体マイクの指向性を示すグラフ１２２２の示す領域に内包されておらず、差動マイクは単体マイクに比べ遠方雑音の抑制効果に優れているとはいえない。

図３１（Ａ）（Ｂ）は音源の周波数帯域が３００Hz、マイク間距離が５mm、マイク−音源間距離がそれぞれ２．５cm、１mの場合の差動マイクの指向性を示す図である。かかる場合には、図３１（Ｂ）に示すように、差動マイクの指向性を示すグラフ１２４０の示す領域は単体マイクの指向性を示すグラフ１２４２の示す領域に内包されており、差動マイクは単体マイクに比べ遠方雑音の抑制効果に優れているといえる。

図３２（Ａ）（Ｂ）は音源の周波数帯域が３００Hz、マイク間距離が１０mm、マイク−音源間距離がそれぞれ２．５cm、１mの場合の差動マイクの指向性を示す図である。かかる場合にも、図３２（Ｂ）に示すように、差動マイクの指向性を示すグラフ１２６０の示す領域は単体マイクの指向性を示すグラフ１２６２の示す領域に内包されており、差動マイクは単体マイクに比べ遠方雑音の抑制効果に優れているといえる。

図３３（Ａ）（Ｂ）は音源の周波数帯域が３００Hz、マイク間距離が２０mm、マイク−音源間距離がそれぞれ２．５cm、１mの場合の差動マイクの指向性を示す図である。かかる場合にも、図３３（Ｂ）に示すように、差動マイクの指向性を示すグラフ１２８０の示す領域は単体マイクの指向性を示すグラフ１２８２の示す領域に内包されており、差動マイクは単体マイクに比べ遠方雑音の抑制効果に優れているといえる。

マイク間距離が５mmである場合には、図２５（Ｂ）、図２８（Ｂ）、図３１（Ｂ）に示すよう音の周波数帯域が１kHz、７kHz、３００Hzのいずれの場合についても、差動マイクの指向性を示すグラフの示す領域は単体マイクの指向性を示すグラフの示す領域に内包されている。すなわちマイク間距離が５mmである場合については音の周波数帯域が７kHz以下の帯域では、差動マイクは単体マイクに比べ遠方雑音の抑制効果に優れているといえる。

ところがマイク間距離が１０mmである場合には、図２６（Ｂ）、図２９（Ｂ）、図３２（Ｂ）に示すように音の周波数帯域が７ｋHzの場合には、差動マイクの指向性を示すグラフの示す領域は単体マイクの指向性を示すグラフの示す領域に内包されていない。すなわちマイク間距離が１０mmである場合については音の周波数帯域が７kHz付近では、差動マイクは単体マイクに比べ遠方雑音の抑制効果に優れているといえない。

またマイク間距離が２０mmである場合には、図２７（Ｂ）、図３０（Ｂ）、図３３（Ｂ）に示すように音の周波数帯域が７kHzの場合には、差動マイクの指向性を示すグラフの示す領域は単体マイクの指向性を示すグラフの示す領域に内包されていない。すなわちマイク間距離が２０mmである場合については音の周波数帯域が７kHz付近では、差動マイクは単体マイクに比べ遠方雑音の抑制効果に優れているといえない。

従って差動マイクのマイク間距離を約５mm〜６mm程度（より具体的には５．２mm以下）にすることで、７kHz帯域以下の音については指向性によらず全方位の遠方雑音の抑圧効果が単体マイクに比べ高いといえる。

なおマイク１つで差動マイクを実現する場合には、マイクの両面に音波を到達させるための第１の貫通穴と第２の貫通穴の距離について上記と同様のことがいえる。従って本実施の形態では第１及び第２の貫通穴１２，１４の中心間距離を約５mm〜６mm程度（より具体的には５．２mm以下）にすることで、７kHz帯域以下の音については指向性によらず全方位の遠方雑音を抑圧することが可能なマイクロフォンユニットを実現することができる。

なお、マイクロフォンユニット１によると、壁などで反射した後に振動膜３０（第１及び第２の面３５，３７）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は、長距離を伝搬した後にマイクロフォンユニット１に入射するため、通常のユーザ音声よりも遠くに存在する音源から発生した音声である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の貫通穴１２，１４の間で音圧が大きく減衰することがない。そのため、このマイクロフォンユニット１によると、壁などで反射した後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、マイクロフォンユニット１を利用すれば、雑音を含まない、ユーザ音声を示す信号を取得することができる。そのため、マイクロフォンユニット１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。

６．音声入力装置
次に、マイクロフォンユニット１を有する音声入力装置２について説明する。

（１）音声入力装置２の構成
はじめに、音声入力装置２の構成について説明する。図８及び図９は、音声入力装置２の構成について説明するための図である。なお、以下に説明する音声入力装置２は、接話型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。

図８は、音声入力装置２の構造を説明するための図である。

音声入力装置２は、筐体５０を有する。筐体５０は、音声入力装置２の外形を構成する部材である。筐体５０には基本姿勢が設定されていてもよく、これにより、ユーザ音声の進行径路を規制することができる。筐体５０には、ユーザの音声を受け付けるための開口５２が形成されていてもよい。

音声入力装置２では、マイクロフォンユニット１は、筐体５０内部に設置される。マイクロフォンユニット１は、第１及び第２の貫通穴１２，１４が開口５２に連通（重複）するように、筐体５０に設置されていてもよい。マイクロフォンユニット１は、弾性体５４を介して、筐体５０に設置されていてもよい。これにより、筐体５０の振動がマイクロフォンユニット１（筐体１０）に伝わりにくくなるため、マイクロフォンユニット１を精度よく動作させることができる。

マイクロフォンユニット１は、第１及び第２の貫通穴１２，１４がユーザ音声の進行方向に沿ってずれて配置されるように、筐体５０に設置されていてもよい。そして、ユーザ音声の進行径路の上流側に配置される貫通穴を第１の貫通穴１２とし、下流側に配置される貫通穴を第２の貫通穴１４としてもよい。振動膜３０が第２の貫通穴１４の側方に配置されたマイクロフォンユニット１を、上記のように配置すると、ユーザ音声を、振動膜３０の両面（第１及び第２の面３５，３７）に同時に入射させることができる。詳しくは、マイクロフォンユニット１では、第１の貫通穴１２の中心から第１の面３５までの距離が、第１の貫通穴１２から第２の貫通穴１４までの距離とほぼ等しくなるため、第１の貫通穴１２を通過したユーザ音声が第１の面３５に入射するまでに必要な時間は、第１の貫通穴１２上を通過したユーザ音波が第２の貫通穴１４を介して第２の面３７に入射するまでに必要な時間と、ほぼ等しくなる。すなわち、ユーザが発声した音声が、第１の面３５に入射するまでにかかる時間と、第２の面３７に入射するまでにかかる時間とが等しくなる。そのため、ユーザ音声を、第１及び第２の面３５，３７に同時に入射させることができ、位相ずれによるノイズが発生しないように、振動膜３０を振動させることができる。言い換えると、先に説明した式（８）においてα＝０となり、sinωt−sin（ωt−α）＝０となることから、Δｒ／Ｒsinωt項（振幅成分のみ）が抽出されることがわかる。そのため、人の音声としては高周波帯域である７ＫＨｚ程度のユーザ音声が入力された場合でも、第１の面３５に入射する音圧と第２の面３７に入射する音圧との位相ひずみの影響を無視することができ、ユーザ音声を正確に示す電気信号を取得することが可能になる。

（２）音声入力装置２の機能
次に、図９を参照して、音声入力装置２の機能について説明する。なお、図９は、音声入力装置２の機能を説明するためのブロック図である。

音声入力装置２は、マイクロフォンユニット１を有する。マイクロフォンユニット１は、振動膜３０の振動に基づいて生成された電気信号を出力する。なお、マイクロフォンユニット１から出力される電気信号は、雑音成分が除去された、ユーザ音声を示す電気信号である。

音声入力装置２は、演算処理部６０を有していてもよい。演算処理部６０は、マイクロフォンユニット１（電気信号出力回路４０）から出力された電気信号に基づいて各種の演算処理を行う。演算処理部６０は、電気信号に対する解析処理を行ってもよい。演算処理部６０は、マイクロフォンユニット１からの出力信号を解析することにより、ユーザ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６０は、マイクロフォンユニット１の出力信号を解析処理することにより、ユーザ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６０は、マイクロフォンユニット１からの出力信号に基づいて、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６０は、マイクロフォンユニット１からの出力信号を増幅する処理を行ってもよい。また、演算処理部６０は、後述する通信処理部７０の動作を制御してもよい。なお、演算処理部６０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。あるいは、演算処理部６０は、上記各機能を、専用のハードウエアによって実現してもよい。

音声入力装置２は、通信処理部７０をさらに含んでいてもよい。通信処理部７０は、音声入力装置２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７０は、ネットワークを介して、他の端末に信号（マイクロフォンユニット１からの出力信号）を送信する機能を有していてもよい。通信処理部７０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７０を介して取得した出力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２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２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２は、通信処理部７０を有しない構成となっていてもよい。

なお、上述した演算処理部６０及び通信処理部７０は、パッケージングされた半導体装置（集積回路装置）として、筐体５０内に配置されていてもよい。ただし、本発明はこれに限られるものではない。例えば、演算処理部６０は、筐体５０の外部に配置されていてもよい。演算処理部６０が筐体５０の外部に配置されている場合、演算処理部６０は、通信処理部７０を介して、差分信号を取得してもよい。

なお、音声入力装置２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、音声入力装置２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。

音声入力装置２は、以上の構成をなしていてもよい。この音声入力装置２は、マイクロフォンユニット１を利用する。そのため、この音声入力装置２は、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、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、音声入力装置２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。

図１０〜図１２には、音声入力装置２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１３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。

７．変形例
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。

以下、具体的な変形例を示す。

（１）第１の変形例
図１４には、本発明を適用した実施の形態の第１の変形例に係るマイクロフォンユニット３を示す。

マイクロフォンユニット３は、振動膜８０を含む。振動膜８０は、筐体１０の内部空間１００を第１の空間１１２と、第２の空間１１４とに分割する仕切り部材の一部を構成する。振動膜８０は、法線が面１５と直交するように（すなわち、面１５と平行になるように）設けられている。振動膜８０は、第２の貫通穴１４の側方に、第１及び第２の貫通穴１２，１４と重複しないように設けられていてもよい。また、振動膜８０は、筐体１０の内壁面と間隔をあけて配置されていてもよい。

（２）第２の変形例
図１５には、本発明を適用した実施の形態の第２の変形例に係るマイクロフォンユニット４を示す。

マイクロフォンユニット４は、振動膜９０を含む。振動膜９０は、筐体１０の内部空間１００を第１の空間１２２と、第２の空間１２４とに分割する仕切り部材の一部を構成する。振動膜９０は、法線が面１５と直交するように設けられている。振動膜９０は、筐体１０の内壁面（面１５とは反対側の面）と面一になるように設けられていてもよい。振動膜９０は、筐体１０の内側（内部空間１００）から、第２の貫通穴１４をふさぐように設けられていてもよい。すなわち、マイクロフォンユニット３では、第２の貫通穴１４の内部空間のみを第２の空間１２４とし、内部空間１００のうち、第２の空間１２４以外の空間を第１の空間１２２としてもよい。これによると、筐体１０を薄く設計することが可能になる。

（３）第３の変形例
図１６には、本発明を適用した実施の形態の第３の変形例に係るマイクロフォンユニット５を示す。

マイクロフォンユニット５は、筐体１１を含む。筐体１１は、内部空間１０１を有する。そして、内部空間１０１は、仕切り部材２０によって、第１の領域１３２と第２の領域１３４とに分割されている。マイクロフォンユニット５では、仕切り部材２０は、第２の貫通穴１４の側方に配置される。また、マイクロフォンユニット５では、仕切り部材２０は、内部空間１０１を、第１及び第２の空間１３２，１３４の容積が等しくなるように分割する。

（４）第４の変形例
図１７には、本発明を適用した実施の形態の第４の変形例に係るマイクロフォンユニット６を示す。

マイクロフォンユニット６は、図１７に示すように、仕切り部材２１を有する。そして、仕切り部材２１は、振動膜３１を有する。振動膜３１は、筐体１０内部で、法線が面１５と斜めに交差するように保持されている。

（５）第５の変形例
図１８には、本発明を適用した実施の形態の第５の変形例に係るマイクロフォンユニット７を示す。

マイクロフォンユニット７では、図１８に示すように、仕切り部材２０が、第１及び第２の貫通穴１２，１４の中間に配置されている。すなわち、第１の貫通穴１２と仕切り部材２０との距離が、第２の貫通穴１４と仕切り部材２０との距離と等しくなっている。なお、マイクロフォンユニット７では、仕切り部材２０は、筐体１０の内部空間１００を均等に分割するように配置されていてもよい。

（６）第６の変形例
図１９には、本発明を適用した実施の形態の第６の変形例に係るマイクロフォンユニット８を示す。

マイクロフォンユニット８では、図１９に示すように、筐体が、凸曲面１６を有する構造となっている。そして、第１及び第２の貫通穴１２，１４は、凸曲面１６に形成されている。

（７）第７の変形例
図２０には、本発明を適用した実施の形態の第７の変形例に係るマイクロフォンユニット９を示す。

マイクロフォンユニット９では、図２０に示すように、筐体が、凹曲面１７を有する構造となっている。そして、第１及び第２の貫通穴１２，１４は、凹曲面１７の両側に配置されていてもよい。ただし、第１及び第２の貫通穴１２，１４は、凹曲面１７に形成されていてもよい。

（８）第８の変形例
図２１には、本発明を適用した実施の形態の第８の変形例に係るマイクロフォンユニット１３を示す。

マイクロフォンユニット１３では、図２１に示すように、筐体が、球面１８を有する構造となっている。なお、球面１８の底面は円形であってもよいが、これに限られるものではなく、底面は楕円形となっていてもよい。そして、第１及び第２の貫通穴１２，１４は、球面１８に形成されている。

これらのマイクロフォンユニットによっても、上述と同様の効果を奏することができる。そのため、振動膜の振動に基づいて電気信号を取得することで、雑音成分を含まない、ユーザ音声のみを示す電気信号を取得することができる。

マイクロフォンユニットについて説明するための図。 マイクロフォンユニットについて説明するための図。 マイクロフォンユニットについて説明するための図。 マイクロフォンユニットについて説明するための図。 音波の減衰特性について説明するための図。 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図。 マイクロフォンユニットを製造する手順を示すフローチャート図。 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。 変形例に係るマイクロフォンユニットについて説明するための図。 変形例に係るマイクロフォンユニットについて説明するための図。 変形例に係るマイクロフォンユニットについて説明するための図。 変形例に係るマイクロフォンユニットについて説明するための図。 変形例に係るマイクロフォンユニットについて説明するための図。 変形例に係るマイクロフォンユニットについて説明するための図。 変形例に係るマイクロフォンユニットについて説明するための図。 変形例に係るマイクロフォンユニットについて説明するための図。 マイク間距離が５mmの場合の音声強度比ρの分布の関係について説明するための図。 マイク間距離が１０mmの場合の音声強度比ρの分布について説明するための図。 マイク間距離が２０mmの場合の音声強度比ρの分布について説明するための図。 マイク間距離５mm、周波数帯域１kHz、マイク−音源間の距離２．５cm、１mの場合の差動マイクの指向性について説明するための図。 マイク間距離１０mm、周波数帯域１kHz、マイク−音源間の距離２．５cm、１mの場合の差動マイクの指向性について説明するための図。 マイク間距離２０mm、周波数帯域１kHz、マイク−音源間の距離２．５cm、１mの場合の差動マイクの指向性について説明するための図。 マイク間距離５mm、周波数帯域７kHz、マイク−音源間の距離２．５cm、１mの場合の差動マイクの指向性について説明するための図。 マイク間距離１０mm、周波数帯域７kHz、マイク−音源間の距離２．５cm、１mの場合の差動マイクの指向性について説明するための図。 マイク間距離２０mm、周波数帯域７kHz、マイク−音源間の距離２．５cm、１mの場合の差動マイクの指向性について説明するための図。 マイク間距離５mm、周波数帯域３００Hz、マイク−音源間の距離２．５cm、１mの場合の差動マイクの指向性について説明するための図。 マイク間距離１０mm、周波数帯域３００Hz、マイク−音源間の距離２．５cm、１mの場合の差動マイクの指向性について説明するための図。 マイク間距離２０mm、周波数帯域３００Hz、マイク−音源間の距離２．５cm、１mの場合の差動マイクの指向性について説明するための図。

符号の説明

１…マイクロフォンユニット、 ２…音声入力装置、 ３…マイクロフォンユニット、 ４…マイクロフォンユニット、 ５…マイクロフォンユニット、 ６…マイクロフォンユニット、 ７…マイクロフォンユニット、 ８…マイクロフォンユニット、 ９…マイクロフォンユニット、 １０…筐体、 １１…筐体、 １２…第１の貫通穴、 １３…マイクロフォンユニット、 １４…第２の貫通穴、 １６…凸曲面、 １７…凹曲面、 １８…球面、 ２０…仕切り部材、 ２１…仕切り部材、 ３０…振動膜、 ３１…振動膜、 ３２…保持部、 ４０…電気信号出力回路、 ４１…振動膜ユニット、 ４２…コンデンサ、 ４４…信号増幅回路、 ４５…ゲイン調整回路、 ４６…チャージポンプ回路、 ４８…オペアンプ、 ５０…筐体、 ５２…開口、 ５４…弾性体、 ６０…演算処理部、 ７０…通信処理部、 ８０…振動膜、 １００…内部空間、 １０１…内部空間、 １０２…第１の空間、 １０４…第２の空間、 １１２…第１の空間、 １１４…第２の空間、 １１０…外部空間、 １１２…第１の空間、 １１４…第２の空間、 １２２…第１の空間、 １２４…第２の空間、 １３２…第１の空間、 １３４…第２の空間、 ２００…コンデンサ型マイクロフォン、 ２０２…振動膜、 ２０４…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…音声入力装置、 ６０４…ホストコンピュータ

Claims (24)

1. 内部空間を有する筐体と、
   前記筐体内に設けられた、前記内部空間を第１の空間と第２の空間とに分割する、少なくとも一部が振動膜で構成された仕切り部材と、
   前記振動膜の振動に基づいて電気信号を出力する電気信号出力回路と、
   を含み、
   前記筐体には、前記第１の空間と前記筐体の外部空間とを連通する第１の貫通穴と、前記第２の空間と前記筐体の外部空間とを連通する第２の貫通穴とが形成されているマイクロフォンユニット。
2. 請求項１記載のマイクロフォンユニットにおいて、
   前記仕切り部材は、
   音波を伝搬する媒質が、前記筐体の内部で、前記第１及び第２の空間の間を移動しないように設けられているマイクロフォンユニット。
3. 請求項１又は請求項２記載のマイクロフォンユニットにおいて、
   前記筐体の外形は多面体となっており、
   前記第１及び第２の貫通穴は、前記多面体の１つの面に形成されているマイクロフォンユニット。
4. 請求項３記載のマイクロフォンユニットにおいて、
   前記振動膜は、
   法線が、前記面に平行になるように配置されているマイクロフォンユニット。
5. 請求項３記載のマイクロフォンユニットにおいて、
   前記振動膜は、
   法線が、前記面と直交するように配置されているマイクロフォンユニット。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載のマイクロフォンユニットにおいて、
   前記振動膜は、
   前記第１又は第２の貫通穴と重複しないように配置されているマイクロフォンユニット。
7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載のマイクロフォンユニットにおいて、
   前記振動膜は、
   前記第１又は第２の貫通穴の側方に配置されているマイクロフォンユニット。
8. 請求項１から請求項７のいずれかに記載のマイクロフォンユニットにおいて、
   前記振動膜は、
   前記第１の貫通穴からの距離と、前記第２の貫通穴からの距離とが等しくならないように配置されているマイクロフォンユニット。
9. 請求項１から請求項８のいずれかに記載のマイクロフォンユニットにおいて、
   前記仕切り部材は、
   前記第１及び第２の空間の容積が同じになるように配置されているマイクロフォンユニット。
10. 請求項１から請求項９のいずれかに記載のマイクロフォンユニットにおいて、
    前記第１及び第２の貫通穴の中心間距離が５．２mm以下であるマイクロフォンユニット。
11. 請求項１から請求項１０のいずれかに記載のマイクロフォンユニットにおいて、
    前記電気信号出力回路の少なくとも一部は、前記筐体の内部に形成されているマイクロフォンユニット。
12. 請求項１から請求項１１のいずれかに記載のマイクロフォンユニットにおいて、
    前記筐体は、
    前記内部空間と前記筐体の外部空間とを電磁的に遮蔽する遮蔽構造となっているマイクロフォンユニット。
13. 請求項１から請求項１２のいずれかに記載のマイクロフォンユニットにおいて、
    前記振動膜を、ＳＮ比が約６０デシベル以上の振動子で構成することを特徴とするマイクロフォンユニット。
14. 請求項１から請求項１３のいずれかに記載のマイクロフォンユニットにおいて、
    前記第１及び第２の貫通穴の中心間距離が、１０kHz以下の周波数帯域の音に対して、前記振動膜を差動マイクとして使用した場合の音圧が単体マイクとして使用した場合の音圧を上回らない範囲の距離に設定されていることを特徴とするマイクロフォンユニット。
15. 請求項１から請求項１４のいずれかに記載のマイクロフォンユニットにおいて、
    前記第１及び第２の貫通穴の中心間距離が、抽出対象周波数帯域の音に対して、前記振動膜を差動マイクとして使用した場合の音圧が全方位において単体マイクとして使用した場合の音圧を上回らない範囲の距離に設定されていることを特徴とするマイクロフォンユニット。
16. 請求項１から請求項１５のいずれかに記載のマイクロフォンユニットが実装された、接話型の音声入力装置。
17. 請求項１６に記載のマイクロフォンユニットにおいて、
    前記筐体の外形は多面体となっており、
    前記第１及び第２の貫通穴は、前記多面体の１つの面に形成されている音声入力装置。
18. 請求項１６から請求項１７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の貫通穴の中心間距離が５．２mm以下である音声入力装置。
19. 請求項１６から請求項１８のいずれかに記載の音声入力装置において、
    前記振動膜を、ＳＮ比が約６０デシベル以上の振動子で構成することを特徴とする音声入力装置。
20. 請求項１６から請求項１９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の貫通穴の中心間距離が、１０kHz以下の周波数帯域の音に対して、前記振動膜を差動マイクとして使用した場合の音圧が単体マイクとして使用した場合の音圧を上回らない範囲の距離に設定されていることを特徴とする音声入力装置。
21. 請求項１６から請求項２０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の貫通穴の中心間距離が、抽出対象周波数帯域の音に対して、前記振動膜を差動マイクとして使用した場合の音圧が全方位において単体マイクとして使用した場合の音圧を上回らない範囲の距離に設定されていることを特徴とする音声入力装置。
22. 請求項１から請求項１５のいずれかに記載のマイクロフォンユニットと、
    前記電気信号に基づいて、前記マイクロフォンユニットに入射した音声の解析処理を行う解析処理部と、を含む情報処理システム。
23. 内部空間を有する筐体と、前記筐体内に設けられた、前記内部空間を第１の空間と第２の空間とに分割する、少なくとも一部が振動膜で構成された仕切り部材と、前記振動膜の振動に基づいて電気信号を出力する電気信号出力回路と、を含むマイクロフォンユニットの製造方法であって、
    前記筐体に、前記第１の空間と前記筐体の外部空間とを連通する第１の貫通穴と、前記第２の空間と前記筐体の外部空間とを連通する第２の貫通穴とを形成する貫通穴形成手順を含み、
    前記貫通穴形成手順において、
    前記第１及び第２の貫通穴の中心間距離を、１０kHz以下の周波数帯域の音に対して、前記振動膜を差動マイクとして使用した場合の音圧が単体マイクとして使用した場合の音圧を上回らない範囲の距離に設定することを特徴とするマイクロフォンユニットの製造方法。
24. 内部空間を有する筐体と、前記筐体内に設けられた、前記内部空間を第１の空間と第２の空間とに分割する、少なくとも一部が振動膜で構成された仕切り部材と、前記振動膜の振動に基づいて電気信号を出力する電気信号出力回路と、を含むマイクロフォンユニットの製造方法であって、
    前記筐体に、前記第１の空間と前記筐体の外部空間とを連通する第１の貫通穴と、前記第２の空間と前記筐体の外部空間とを連通する第２の貫通穴とを形成する貫通穴形成手順を含み、
    前記貫通穴形成手順において、
    前記第１及び第２の貫通穴の中心間距離を、抽出対象周波数帯域の音に対して、前記振動膜を差動マイクとして使用した場合の音圧が全方位において単体マイクとして使用した場合の音圧を上回らない範囲の距離に設定することを特徴とするマイクロフォンユニットの製造方法。

Images