JP4130443B2

JP4130443B2 - マイクロフォン、信号処理装置、コミュニケーションインタフェースシステム、音声話者認証システム、ｎａｍ音対応玩具装置

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Publication number: JP4130443B2
Application number: JP2005037532A
Authority: JP
Inventors: 力哉塙; 栄藤巻
Original assignee: Asahi Kasei Corp
Current assignee: Asahi Kasei Corp
Priority date: 2005-02-15
Filing date: 2005-02-15
Publication date: 2008-08-06
Anticipated expiration: 2025-02-15
Also published as: JP2006229301A

Description

本発明はコミュニケーションインタフェースシステムに関し、特に鼻軟骨上の皮膚表面に装着され、発声器官の運動に伴う共振フィルタ特性変化により調音された、声帯の規則振動を伴わない、外部からは非可聴な呼吸音の体内軟部組織を伝導する振動音である非可聴つぶやき音（Ｎｏｎ？ＡｕｄｉｂｌｅＭｕｒｍｕｒ；ＮＡＭ）あるいは通常音声などの体内軟部組織を伝導する振動音を採取して音声入力するマイクロフォン（肉伝導マイクロフォン）を用いたコミュニケーションインタフェースシステムに関する。

従来、耳介の下方部の、頭蓋骨の乳様突起直下の、胸鎖乳頭筋上の皮膚表面に装着され、発声器官の運動に伴う共振フィルタ特性変化により調音された、声帯の規則振動を伴わない、外部からは非可聴な呼吸音の体内軟部組織を伝導する振動音である非可聴つぶやき音（ＮＡＭ）を採取して、音声入力するマイクロフォン、および、これを用いたコミュニケーションインタフェースシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
国際公開ＷＯ２００４／０２１７３８号パンフレット

一般的に、音声は、声帯の規則振動により生じる規則波（ピッチ）または気道の狭めで生ずる乱流雑音を音源とし、のどから口蓋にかけての調音器官を経て出力される。したがって、耳介の下方部の、頭蓋骨の乳様突起直下の、胸鎖乳頭筋上の皮膚表面を音声採取位置とすると、調音器官からやや距離があるため、体内軟部組織を伝導する過程で体内伝導音声の高周波数成分が減衰し、やや明瞭性を欠いた、こもったような音になってしまうという問題があった。また、従来法では音声の変調器官よりも音源側で信号を採取するため、ＮＡＭ発声音声と通常発声音声で信号強度が大きく異なり、ＮＡＭ発声音声にあわせてマイクアンプのゲインを設定しておくと、通常発声音声入力時にはオーバーフローしてしまうという問題もあった。

本発明は上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、その目的はより聞きやすい音声を採取できるマイクロフォン、これを用いた信号処理装置、コミュニケーションインタフェースシステム、音声話者認証システム、ＮＡＭ音対応玩具装置を提供することである。

本発明の請求項１によるマイクロフォンは、鼻軟骨上の皮膚表面に装着される集音部を含み、発声器官の運動に伴う共振フィルタ特性変化により調音された、声帯の規則振動を伴わない、外部からは非可聴な呼吸音の体内軟部組織を伝導する振動音である非可聴つぶやき音または、通常音声を採取し、
さらに、
前記鼻軟骨上の皮膚表面に沿った形状を有し前記皮膚表面に前記集音部が接触している状態を維持する支持部、および、左右の耳介それぞれに掛けるための一対の耳掛け部、並びに、前記一対の耳掛け部と前記支持部との間を接続するアーム部と、
前記集音部を覆うキャップ部、および、前記キャップ部と左右の耳介それぞれとの間に設けられ弾性体の弾性力により前記皮膚表面に前記集音部が接触している状態を維持するための一対の弾性体と、
のいずれか一方を有することを特徴とする。軟骨上の皮膚表面にマイクロフォンを装着することにより、体内軟部組織を伝導する距離が短いため、体内伝導音声の高域成分の減衰が少なく、より聞きやすい音声を採取できる。また、鼻軟骨上の皮膚表面にマイクロフォンを安定して装着することにより、音源から変調器官を通り、エネルギーが口から多く放出されたあとで採取するので、通常発声音声でも固有鼻腔から鼻軟骨部に伝えられる音量はあまり増加しないため、ＮＡＭ発声音声と通常発声音声とを同一のマイクアンプゲインで採取できる。

本発明の請求項２によるマイクロフォンは、鼻軟骨上の皮膚表面に装着される集音部を含み、発声器官の運動に伴う共振フィルタ特性変化により調音された、声帯の規則振動を伴わない、外部からは非可聴な呼吸音の体内軟部組織を伝導する振動音である非可聴つぶやき音または、通常音声を採取し、
さらに、
前記鼻軟骨上の皮膚表面に沿った形状を有し前記皮膚表面に前記集音部が接触している状態を維持する支持部と、左右の耳介それぞれに掛けるための一対の耳掛け部と、前記一対の耳掛け部と前記支持部との間を接続するアーム部とを含むことを特徴とする。軟骨上の皮膚表面にマイクロフォンを装着することにより、体内軟部組織を伝導する距離が短いため、体内伝導音声の高域成分の減衰が少なく、より聞きやすい音声を採取できる。また、鼻軟骨上の皮膚表面にマイクロフォンを安定して装着することにより、音源から変調器官を通り、エネルギーが口から多く放出されたあとで採取するので、通常発声音声でも固有鼻腔から鼻軟骨部に伝えられる音量はあまり増加しないため、ＮＡＭ発声音声と通常発声音声とを同一のマイクアンプゲインで採取できる。

本発明の請求項３によるマイクロフォンは、鼻軟骨上の皮膚表面に装着される集音部を含み、発声器官の運動に伴う共振フィルタ特性変化により調音された、声帯の規則振動を伴わない、外部からは非可聴な呼吸音の体内軟部組織を伝導する振動音である非可聴つぶやき音または、通常音声を採取し、
さらに、
前記集音部を覆うキャップ部と、前記キャップ部と左右の耳介それぞれとの間に設けられた一対の弾性体とを有し、前記弾性体の弾性力により前記皮膚表面に前記集音部が接触している状態を維持することを特徴とする。軟骨上の皮膚表面にマイクロフォンを装着することにより、体内軟部組織を伝導する距離が短いため、体内伝導音声の高域成分の減衰が少なく、より聞きやすい音声を採取できる。また、鼻軟骨上の皮膚表面にマイクロフォンを安定して装着することにより、音源から変調器官を通り、エネルギーが口から多く放出されたあとで採取するので、通常発声音声でも固有鼻腔から鼻軟骨部に伝えられる音量はあまり増加しないため、ＮＡＭ発声音声と通常発声音声とを同一のマイクアンプゲインで採取できる。

本発明の請求項４による信号処理装置は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のマイクロフォンによって採取された信号に対して、信号処理を行うことを特徴とする。このような構成を採用することにより、軟骨上の皮膚表面に安定して装着したマイクロフォンによって採取された信号について種々の信号処理を行うことができる。
本発明の請求項５による信号処理装置は、請求項４において、前記マイクロフォンによって採取された信号を量子化するアナログデジタル変換部と、前記アナログデジタル変換部による量子化結果について加工を行うプロセッサ部と、前記プロセッサ部による加工結果を外部に送出する送出部とを含むことを特徴とする。このような構成により、量子化結果について加工を信号処理装置の内部で行うことができる。

本発明の請求項６による信号処理装置は、請求項４において、前記マイクロフォンによって採取された信号を量子化するアナログデジタル変換部と、前記アナログデジタル変換部による量子化結果を外部に送出する送出部とを含み、前記量子化結果の加工を外部装置において行うようにしたことを特徴とする。このような構成により、量子化結果について加工を信号処理装置の外部で行うことができる。

本発明の請求項７による信号処理装置は、請求項４において、前記マイクロフォンによって採取された信号を量子化するアナログデジタル変換部と、前記アナログデジタル変換部による量子化結果について加工を行うプロセッサ部と、前記プロセッサ部による加工結果について音声認識処理を行う音声認識部とを含むことを特徴とする。このような構成により、マイクロフォンによる採取音について音声認識処理を行うことができる。

本発明の請求項８によるコミュニケーションインタフェースシステムは、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のマイクロフォンと、請求項４から請求項７のいずれか１項に記載の信号処理装置と、を含み、前記信号処理装置による処理結果をコミュニケーションに使用するようにしたことを特徴とする。このような構成を採用することにより、軟骨上の皮膚表面に装着したマイクロフォンを、コミュニケーションに利用することができる。

本発明の請求項９による音声話者認証システムは、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のマイクロフォンと、認証用の体内伝導音声に関するデータが予め記憶されている記憶手段と、前記マイクロフォンにより入力された体内伝導音声に関するデータと前記記憶手段に記憶されている体内伝導音声に関するデータとを照合することによって認証を行う認証手段とを含み、前記認証手段の認証結果に応じて外部機器を制御するようにしたことを特徴とする。このような構成により、マイクロフォンによる採取音によって外部機器を制御することができる。

本発明の請求項１０によるＮＡＭ音対応玩具装置は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のマイクロフォンにより入力され、発声器官の運動に伴う共振フィルタ特性変化により調音された、声帯の規則変動を伴わない、外部からは非可聴な呼吸音の体内軟部組織を伝導する振動音である非可聴つぶやき音（ＮＡＭ音）に対応して所定動作を行うことを特徴とする。このような構成により、マイクロフォンによる採取音によって玩具装置を制御することができる。
本発明の請求項１１によるＮＡＭ音対応玩具装置は、請求項１０において、音声を出力するためのスピーカを有し、前記所定動作は、前記ＮＡＭ音に対応した音声を前記スピーカから出力する動作であることを特徴とする。このような構成により、玩具装置を制御して腹話術などを行うことができる。

本発明によれば、軟骨、特に鼻軟骨上の皮膚表面にマイクロフォンを装着することにより、体内軟部組織を伝導する距離が短いため、体内伝導音声の高域成分の減衰が少なく、より聞きやすい音声の採取が可能となる。また、調音器官の終端付近で採取するため、調音、すなわち、音素を特徴付けるフォルマントが形成されたあとの明瞭度の高い音声の採取が可能となる。さらに、音源から変調器官を通り、エネルギーが開口部（口）から多く放出されたあとで採取するので、通常発声音声でも固有鼻腔から鼻軟骨部に伝えられる音量はあまり増加しないため、ＮＡＭ発声音声と通常発声音声が同一のマイクアンプゲインで採取可能となる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、以下の説明において参照する各図では、他の図と同等部分は同一符号によって示されている。
まず、非可聴つぶやき（ＮＡＭ）とは、発声器官の運動に伴う共振フィルタ特性変化により調音された、声帯の規則変動を伴わない、外部からは非可聴な呼吸音の体内軟部組織を伝導する振動音である。

（装着位置）
図２（Ａ）は顔面正面図、図２（Ｂ）は頭蓋骨側面図、図２（Ｃ）は頭蓋骨正面図である。これらの図において、鼻軟骨２０１の皮膚表面に肉伝導マイクロフォンを装着する。この鼻軟骨２０１は鼻骨２０２の下方で、骨が存在しない部分である。なお、図２（Ｂ）および図２（Ｃ）では、鼻軟骨の位置が斜線により示されている。
ここで、軟骨とは、多少とも繊維を含んだ、弾性に富んだ軟骨基質と軟骨細胞よりなる支持組織である（「マグローヒル科学技術用語大辞典第３版、１９９８年、日刊工業新聞社」）。

（肉伝導マイクロフォンの構成例）
肉伝導マイクロフォン１０１の構成例が図３に示されている。同図において、本例の肉伝導マイクロフォン１０１は、皮膚表面への接触部３０１と、与えられた圧力に応じた電気信号を出力する圧電素子３０２と、環状のシールディング３０４と、空洞部３０３を確保するための硬質ゴム３０５と、吸音材３０６と、外部雑音の影響を抑えるための防振材３０７と、圧電素子３０２の出力信号を取り出すためのリード線３０８とを含んで構成されている。
接触部３０１には例えば金属板が使用される。シールディング３０４には例えば銅箔等が用いられる。吸音材３０６には例えばコルク等が用いられる。防振材３０７には例えばウレタン等が用いられる。

（肉伝導マイクロフォンの別の構成例）
肉伝導マイクロフォン１０１の別の構成例が図４に示されている。同図において、本例の肉伝導マイクロフォン１０１は、皮膚への接触部２２０１と、コンデンサマイクロフォン部２２０２を含んで構成されている。接触部２２０１は、皮膚からの振動音をコンデンサマイクロフォン２２０２へ伝導し、シリコーンゴムなどの体内軟部組織の音響インピーダンスに近い音響インピーダンスを有する生体適合性物質が使用される。コンデンサマイクロフォン部２２０２は、２枚の振動板電極２２０２ａ及び２２０２ｂと、受信した振動音を電気信号として導出するためのリード線２２０２ｃとを有している。

（スペクトラム及び振幅）
図５には、図３に示されている構造の肉伝導マイクロフォン１０１により、採取したＮＡＭ発声音声のスペクトラムが示されている。同図（Ａ）は鼻軟骨２０１の皮膚表面から、同図（Ｂ）は特許文献１に記載されている乳様突起直下の皮膚表面から、それぞれサンプリング周波数１６ｋＨｚで採取したＮＡＭ発声音声のスペクトラムである。両図を参照すると、乳様突起直下では約３ｋＨｚまでの音声信号しか採取できないのに対して、鼻軟骨では８ｋＨｚまでの音声信号が採取可能なことがわかる。

図６には、図３に示されている構造の肉伝導マイクロフォン１０１により、採取した通常発声音声のスペクトラムが示されている。同図（Ａ）は鼻軟骨２０１の皮膚表面から、同図（Ｂ）は特許文献１に記載されている乳様突起直下の皮膚表面から、それぞれサンプリング周波数１６ｋＨｚで採取した通常発声音声のスペクトラムである。両図を参照すると、乳様突起直下では安定して採取できる音声信号が４ｋＨｚ程度までなのに対して、鼻軟骨では８ｋＨｚまで音声信号が採取可能なことがわかる。

図７には、図３に示されている構造の肉伝導マイクロフォン１０１により、採取したＮＡＭ発声音声と通常発声音声の波形が示されている。同図（Ａ）は鼻軟骨２０１の皮膚表面から、同図（Ｂ）は特許文献１に記載されている乳様突起直下の皮膚表面から、それぞれサンプリング周波数１６ｋＨｚで採取したＮＡＭ発声音声の波形及び通常発声音声の波形である。両図を参照すると、乳様突起直下では、ＮＡＭ発声音声と通常発声音声とのレベル差が大きく、ＮＡＭ発声音声にあわせてマイクアンプのゲインを設定すると、通常発声音声が飽和してしまう。これに対し、鼻軟骨では、ＮＡＭ発声音声と通常発声音声とのレベル差が比較的小さく、ＮＡＭ発声音声にあわせてマイクアンプのゲインを設定しても、通常発声音声が飽和しないことがわかる。

図８には、図４に示されている構造の肉伝導マイクロフォン１０１により、採取されたＮＡＭ発声音声のスペクトラムが示されている。同図（Ａ）は鼻軟骨２０１の皮膚表面から、同図（Ｂ）は特許文献１に記載されている乳様突起直下の皮膚表面から、それぞれサンプリング周波数１６ｋＨｚで採取したＮＡＭ発声音声のスペクトラムである。また、図９には、図４に示されている構造の肉伝導マイクロフォン１０１により、採取された通常発声音声のスペクトラムが示されている。同図（Ａ）は鼻軟骨２０１の皮膚表面から、同図（Ｂ）は特許文献１に記載されている乳様突起直下の皮膚表面から、それぞれサンプリング周波数１６ｋＨｚで採取したＮＡＭ発声音声のスペクトラムである。ＮＡＭ発声音声、通常発声音声とも鼻軟骨２０１の皮膚表面からのほうが、乳様突起直下の皮膚表面からよりも、高域まで安定して音声信号が採取可能なことがわかる。

図１０には、図４に示されている構造の肉伝導マイクロフォン１０１により、採取されたＮＡＭ発声音声と通常発声の波形が示されている。同図（Ａ）は鼻軟骨２０１の皮膚表面から、同図（Ｂ）は特許文献１に記載されている乳様突起直下の皮膚表面から、それぞれサンプリング周波数１６ｋＨｚで採取したＮＡＭ発声音声の波形及び通常発声音声の波形である。両図を参照すると、鼻軟骨２０１の皮膚表面から採取したほうが、乳様突起直下の皮膚表面から採取するよりも、ＮＡＭ発声音声と通常発声のレベル差が小さくなることがわかる。

（肉伝導マイクロフォンの装着方法）
次に、肉伝導マイクロフォン１０１の装着方法について説明する。
（１）クリップ型
図１１（Ａ）は肉伝導マイクロフォン１０１の構成を示す正面図、同図（Ｂ）は同図（Ａ）矢印Ｙ方向から見たの側面図、である。同図（Ａ）及び同図（Ｂ）を参照すると、共通の支点となる支軸１０３に一端が接続された一対の支持部材１０３ａ及び１０３ｂと、これら一対の支持部材１０３ａ及び１０３ｂの他端同士を互いに接近させるように付勢するバネ７０２とによってクリップが形成され、支持部材１０３ａの他端に肉伝導マイクロフォン１０１が設けられている。そして、このクリップを、図１１（Ｃ）に示されているように、鼻軟骨をつまむようにして固定して装着する。ここで、同図（Ａ）を参照すると、本例では装着性を安定させるためのダミー７０１が設けられている。肉伝導マイクロフォン１０１の位置とダミー７０１の位置とが左右反対でもよく、ダミー７０１の代わりに、肉伝導マイクロフォン１０１と同様の肉伝導マイクロフォンを設けてもよい。

（２）耳掛けフレーム型
また、別の装着方法が図１２に示されている。図１２（Ａ）を参照すると、鼻軟骨上の皮膚表面に沿った逆Ｕ字形状を有し、その皮膚表面に肉伝導マイクロフォン１０１及びダミー７０１が接触している状態を維持する支持部８００と、左右の耳介それぞれに掛けるための一対の耳掛け部８０１Ｌ及び８０１Ｒと、一対の耳掛け部８０１Ｌ及び８０１Ｒと支持部８００との間を接続するアーム部８０１ａ及び８０１ｂとによって、耳掛けフレームが形成されている。そして、この耳掛けフレームを、同図（Ｂ）に示されているように装着する。すなわち、耳掛け部８０１Ｌを左耳の耳介に掛け、同様に耳掛け部８０１Ｒを右耳の耳介に掛ける。そして、支持部８００を、鼻軟骨上の皮膚表面に沿う位置に装着し、鼻軟骨上の皮膚表面に肉伝導マイクロフォン１０１及びダミー７０１が接触している状態とする。なお、肉伝導マイクロフォン１０１の位置とダミー７０１の位置とが左右反対でもよく、ダミー７０１の代わりに、肉伝導マイクロフォン１０１と同様の肉伝導マイクロフォンを設けてもよい。

（３）弾性バンド型
図１３（Ａ）に示されているような肉伝導マイクロフォン１０１及びダミー７０１が取り付けられたバンド９０１を用いてもよい。このバンド９０１は、鼻軟骨上の皮膚表面を含む頭部皮膚表面に装着された環状の弾性体であり、例えばゴムで形成される。そして、バンド９０１の内面には、肉伝導マイクロフォン１０１とダミー７０１とが取り付けられている。
同図（Ｂ）には、バンド９０１の装着状態が示されている。この装着状態においては、バンド９０１の弾性力により、鼻軟骨上の皮膚表面に肉伝導マイクロフォン１０１とダミー７０１とが接触している状態を維持することができる。なお、肉伝導マイクロフォン１０１の位置とダミー７０１の位置とが左右反対でもよく、ダミー７０１の代わりに、肉伝導マイクロフォン１０１と同様の肉伝導マイクロフォンを設けてもよい。

（４）鼻キャップ型
さらに、図１４（Ａ）に示されているように、鼻用キャップ１００１と耳掛けバンドとを組み合わせた構造を採用しても良い。この鼻用キャップ１００１は、道化師が付けるような卵型の中空構造である。鼻用キャップ１００１は例えば合成樹脂で成型し、その内面に肉伝導マイクロフォン１０１及びダミー７０１を設ける。鼻用キャップ１００１には、装着者の左右の耳介に掛けるための耳掛けバンド１００２Ｒ及び１００２Ｌが設けられている。耳掛けバンド１００２Ｒ及び１００２Ｌには、ゴムなど伸縮性のある素材を採用する。

同図（Ｂ）には、装着状態が示されている。同図に示されているように、耳掛けバンド１００２Ｒ、１００２Ｌと、装着者の左右の耳介それぞれとの間に、耳掛けバンドを掛ければ、耳掛けバンド１００２Ｒ、１００２Ｌの弾性力により鼻軟骨上の皮膚表面に肉伝導マイクロフォン１０１及びダミー７０１が接触している状態を維持することができる。なお、肉伝導マイクロフォン１０１の位置とダミー７０１の位置とが左右反対でもよく、ダミー７０１の代わりに、肉伝導マイクロフォン１０１と同様の肉伝導マイクロフォンを設けてもよい。

図１は、本発明によるコミュニケーションインタフェースシステムを携帯電話システムに適用した場合の構成例を示す図である。通話者１００は、肉伝導マイクロフォン１０１を鼻軟骨の皮膚表面にあてる。肉伝導マイクロフォン１０１を装着する鼻軟骨の位置が図２に示されている。
肉伝導マイクロフォン１０１は、マイクロフォンケーブル１０４、イヤフォン・マイクロフォンケーブル１０５により携帯電話機１０６に接続される。イヤフォン１０２は耳孔内に装着され、肉伝導マイクロフォン１０１と同じく、イヤフォン・マイクロフォンケーブル１０５により携帯電話機１０６に接続されている。イヤフォン１０２の代わりにスピーカを用いても良い。無線ネットワーク１０７は、例えば、無線基地局１０９ａ及び１０９ｂと、基地局制御装置１１０ａ及び１１０ｂと、交換機１１１ａ及び１１１ｂと、通信網１０８とを含んで構成されている。本例では、携帯電話機１１２が無線基地局１０９ｂと無線通信することにより、携帯電話機１０６と携帯電話機１１２との間で通話が可能となる。

図１５は通話者１００が発声した非可聴つぶやき音（ＮＡＭ）あるいは通常音声が相手側に伝わるまでのフローチャート、図１６は相手側が発声した音声が通話者１００に伝わるまでのフローチャートである。
図１５において、通話者１００の非可聴つぶやき音（ＮＡＭ）あるいは通常音声などの体内軟部組織を伝導する振動音１１０１は、鼻軟骨の皮膚表面から肉伝導マイクロフォン１０１の接触部３０１に伝わり（ステップ１１０２）、マイクロフォン内の圧電素子３０２を振動させることによって電気信号となりリード線３０８から取り出される（ステップ１１０３）。この電気信号が有線の通信手段により、携帯電話機１０６に送信される（ステップ１１０４）。
携帯電話機１０６に送信された電気信号は、無線ネットワーク１０７を介して、通話相手の携帯電話機１１２に送信され（ステップ１１０５）、通話相手の携帯電話機１１２のスピーカで電気信号から振動音に変換されて（ステップ１１０６）、通話者１００の再生音声１１０７となる。

一方、図１６において、通話相手の音声１２０１は、通話相手の携帯電話機１１２のマイクロフォンで電気信号に変換され（ステップ１２０２）、無線ネットワーク１０７を経由して、携帯電話機１０６に送信される（ステップ１２０３）。電気信号はさらに携帯電話機１０６から有線の通話手段により、イヤフォン１０２またはスピーカに送信され（ステップ１２０４）、イヤフォン１０２またはスピーカで電気信号から振動音に変換されて（ステップ１２０５）、通話相手の再生音声１２０６となる。なお、携帯電話機１０６に内蔵のスピーカから音声を直接聞く場合は、イヤフォン１０２は必要ない。この場合、例えば、図１７に示すように、プラスチックや形状記憶合金など弾性素材ででき、肉伝導マイクロフォン１０１と一体化され、肉伝導マイクロフォン１０１からの信号を携帯電話機１０６に伝達するマイク接続部２６０１の先端を携帯電話機１０６のイヤフォンマイク端子に差込み、肉伝導マイクロフォン１０１の接触部３０１が鼻軟骨の皮膚表面に安定して接触するようにマイク接続部２６０１の曲がり具合や携帯電話機１０６の位置を調整して、肉伝導マイクロフォン１０１と携帯電話機１０６に内蔵のスピーカを使用して通話を行っても良い。

図１８は、本発明によるコミュニケーションインタフェースシステムを携帯電話システムに適用した場合の他の構成例を示す図である。
本例では、肉伝導マイクロフォン１０１及びイヤフォン１０２が、携帯電話機１０６と無線の通信手段で接続されている。同図において、本例のシステムでは、肉伝導マイクロフォン１０１及びイヤフォン１０２側の第１の無線通信ユニット１３０１と、携帯電話機１０６側の第２の無線通信ユニット１３０２との間で無線通信を行う。

第１の無線通信ユニット１３０１及び第２の無線通信ユニット１３０２の内部構成例が図１９に示されている。同図に示されているように、第１の無線通信ユニット１３０１は、例えばBluetooth（登録商標）などの規格に準拠したデジタル無線通信部１４０１、アンテナ１４０６、マイクアンプ１４０２、スピーカアンプ１４０５、ＡＤコンバータ１４０３、ＤＡコンバータ１４０４、電池１４０７を含んで構成されている。

一方、携帯電話機１０９側の第２の無線通信ユニット１３０２は、デジタル無線通信部１４０１に対応したデジタル無線通信部１４０８とアンテナ１４１１、ＡＤコンバータ１４０９、ＤＡコンバータ１４１０、電池１４１２を含んで構成されている。
ここで、デジタル無線通信部１４０１とデジタル無線通信部１４０８とは同一ものでよく、第２の無線通信ユニット１３０２は、携帯電話機１０６内に収納されてもよい。第２の無線通信ユニット１３０２が、携帯電話機１０６内に収納されない場合、第２の無線通信ユニット１３０２は、携帯電話機１０９のイヤフォンマイク端子を介して携帯電話機１０６に接続される。また、第２の無線通信ユニット１３０２が携帯電話機１０６から電源を供給してもらえる場合には、電池１４１２は不要である。

このような構成において、通話者１００が発声した場合には、通話者１００の非可聴つぶやき音（ＮＡＭ）あるいは通常音声などにより生成され、リード線３０８から取り出された電気信号は、マイクアンプ１４０２で増幅され、ＡＤコンバータ１４０３でデジタル信号に変換された後、デジタル無線通信部１４０１でデジタル変調されてアンテナ１４０６より送信される。送信信号は、携帯電話機１０６側のアンテナ１４１１で受信され、デジタル無線通信部１４０８でデジタル復調された後に、ＤＡコンバータ１４２０でアナログ信号に変換され、携帯電話機１０６に取り込まれる。

一方、通話相手が発声した場合は、通話相手の音声はＡＤコンバータ１４０９でデジタル信号に変換され、デジタル無線通信部１４０８でデジタル変調された後、アンテナ１４１１から送信され、アンテナ１４０６で受信される。受信信号はデジタル無線通信部１４０１でデジタル復調され、ＤＡコンバータ１４０４でアナログ信号に変換された後、スピーカアンプ１４０５で増幅され、イヤフォン１０２に入力される。

デジタル無線通信部１４０１、デジタル無線通信部１４０８として、例えばBluetooth（登録商標） Ver1.1に準拠したものを使用した場合、最大通信速度は７２１ｋｂｐｓとなり、さらに出力がBluetooth（登録商標） Class2に対応している場合、デジタル無線通信部１４０２、デジタル無線通信部１４０８の出力は最大４ｄＢｍで、見通しの条件において１０ｍ程度の通信が可能となる。

図２０は、本発明によるコミュニケーションインタフェースシステムを、音声認識システムに応用した場合の構成例を示す図である。
図１の場合と同様に、使用者１５００は、肉伝導マイクロフォン１０１を鼻軟骨の皮膚表面に装着する。使用者１５００が非可聴つぶやき音（ＮＡＭ）あるいは通常音声などで発声したコマンドまたは、かな列によって生ずる、体内軟部組織を伝導する振動音は、鼻軟骨の皮膚表面から肉伝導マイクロフォン１０１の接触部３０１に伝わり、マイクロフォン内の圧電素子３０２を振動させることによって電気信号となりリード線３０８から取り出される。

この電気信号がマイクロフォンケーブル１０４により音声認識機能を持ったパーソナルコンピュータ１５０１または携帯端末１５０２に送信され、パーソナルコンピュータ１５０１または携帯端末１５０２において音声認識が行われる。認識結果は、例えば、パーソナルコンピュータ１５０１または携帯端末１５０２において動作するアプリケーションを起動／制御するためのコマンドとして使用される。また、肉伝導マイクロフォン１０１からの電気信号を、Bluetooth（登録商標）などの無線の通信手段により、パーソナルコンピュータ１５０１または携帯端末１５０２に送信してもよい。

図２１は、本発明によるコミュニケーションインタフェースシステムを、音声認証によるドアロック解錠システムに適用した場合の構成例を示すブロック図である。ここで、音声認証アルゴリズムには、例えば文献「生体認証技術」瀬戸洋一著、共立出版社２００２年５月Ｐ．６４〜６８に記載されているような方式を用いる。この方式は、まず、キーワードを発声して音声パターンを登録しておき、認証時に同一キーワードを発声して登録パターンとの類似度を計算し、予め設定した閾値と比較して本人かどうか判定を行う方式である。

同図において、ドアロック解錠システムは、肉伝導マイクロフォン１０１と、音声前処理部１６０１と、音声認証システム１６０４と、ドアロック制御システム１６０７と、ドア１６０８とから構成されている。さらに音声前処理部１６０１は、マイクアンプ１６０２とＡＤコンバータ１６０３とからなり、音声認証システム１６０４は音声認証部１６０５と登録パターン記憶部１６０６とからなる。

このような構成において、ドアロックを解錠したい場合、認証登録者１６００は、鼻軟骨の皮膚表面に肉伝導マイクロフォン１０１を装着し、認証用キーワードを、非可聴つぶやき音（ＮＡＭ音）または通常音で発声する。前記ＮＡＭ音または通常音は肉伝導マイクロフォン１０１により採取され電気信号に変換された後、マイクロフォンケーブル１０４を通して音声前処理部１６０１内のマイクアンプ１６０２に入力される。電気信号に変換されたＮＡＭ音または通常音は、マイクアンプ１６０２で増幅され、ＡＤコンバータ１６０３でデジタル化された後、音声認証部１６０５へ入力される。音声認証部１６０５は、あらかじめ登録用に発声されたＮＡＭ音または通常音をもとに作成・登録され、登録パターン記憶部１６０６に記憶された音声パターンと、認証時に発声されたＮＡＭ音または通常音との類似度を計算し、あらかじめ設定した閾値と比較して、発話者１６００が部屋への入出権限を持つものか否かを判断する。

音声認証部１６０５で得られた判断結果はドアロック制御システム１６０７へ送信され、ドアロック制御システム１６０７は前記判断結果に従い、入出権限を持つものと判断された場合に、ドア１６０８のドアロックを一定時間開錠する。
なお、認証対象者１６００は、ＮＡＭ発声、通常発声いずれの方法で発声してもよいが、登録時と認証時で同じ発声方法を用いる必要がある。ただし、登録時に、ＮＡＭ発声と通常発声の両方の登録パターンを用意し、認証時には、周囲の状況に応じて発声方法を選択することも可能である。また、肉伝導マイクロフォン１０１からの電気信号を、Bluetooth（登録商標）などの無線の通信手段により、音声前処理部１６０１に送信してもよい。

図２２は、本発明によるコミュニケーションインタフェースシステムを、腹話術システムに適用した場合の構成例を示すブロック図である。腹話術システムは、操作者１７００と腹話術人形１７０１から構成され、さらに腹話術人形１７０１は、音声処理ユニット１７０２とスピーカ１７０３を含む。音声処理ユニット１７０２の内部構成例を図２３に示す。音声処理ユニット１７０２は、マイクアンプ１８０１、ＡＤコンバータ１８０２、有音声出力部１８０３、ＤＡコンバータ１８０４、スピーカアンプ１８０５、電池１８０６を有する。

操作者１７００は、鼻軟骨の皮膚表面に肉伝導マイクロフォン１０１を装着し、腹話術人形１７０１に喋らせたい発話内容を、唇の動作を最小限に抑えて第三者には聞こえぬようにし、非可聴つぶやき音（ＮＡＭ音）でつぶやく。前記非可聴つぶやき音（ＮＡＭ音）は肉伝導マイクロフォン１０１により採取され、電気信号に変換された後、マイクロフォンケーブル１０４を通して腹話術人形内部の音声処理ユニット１７０２内のマイクアンプ１８０１に入力される。電気信号に変換されたＮＡＭ音は、マイクアンプ１８０１で増幅され、ＡＤコンバータ１８０２でデジタル化された後、有音声出力部１８０３へ入力される。

有音声出力部１８０３では入力されたＮＡＭ音を聞きやすい音声に変換する。音声変換された音声信号はＤＡコンバータ１８０４でアナログ信号に戻され、スピーカアンプ１８０５で出力レベルを調整された後、腹話術人形の喉付近に取り付けられたスピーカ１７０３から音声として出力される。操作者１７００はスピーカ１７０３から出る音声に応じて腹話術人形1の口を動かし、可聴音声を出力することで腹話術を実現することができる。なお、腹話術人形を動かす方法は、例えば、口形状変化制御装置を使ってもよいし、手動で動かしても構わない。また口形状変化制御装置を使う場合、その口形状変化制御装置の駆動を開始するタイミング、駆動している時間の情報を音声処理ユニット１７０２から得てもよい。

ここで、有音声出力部１８０３におけるつぶやき音から聞きやすい音声への変換は、例えば、フォルマント周波数と基本周波数の相関関係を利用して、つぶやき音のフォルマント周波数から基本周波数を推定し、つぶやき音に基本周波数を付与して有声音として出力することにより可能である。
また、音声処理ユニット１７０２は操作者１７００が保持してもよい。さらに、肉伝導マイクロフォン１０１からの電気信号を、Bluetooth（登録商標）などの無線の通信手段により、音声処理ユニット１７０２に送信してもよい。

図２４は、本発明によるコミュニケーションインタフェースシステムを、音声障害者会話支援システムとして利用した場合の構成例を示すブロック図である。音声障害者会話支援システムは、声帯を切除してしまったり、声帯に障害があるため声帯を使用した通常の発声が困難な人、または、呼吸筋が衰弱しているなどの原因で通常レベルの発声が困難な人の会話を支援するシステムである。本システムは、使用者１９００とスピーカ内蔵音声処理ユニット１９０１とから成り、スピーカ内蔵音声処理ユニット１９０１は、使用者の胸ポケット等に収納される。

スピーカ内蔵音声処理ユニット１９０１の内部構成例が図２５に示されている。同図において、スピーカ内蔵音声処理ユニット１９０１は、マイクアンプ２００１、ＡＤコンバータ２００２、有音声出力部２００３、ＤＡコンバータ２００４、スピーカアンプ２００５、スピーカ２００６、電池２００７を含んで構成されている。

使用者１９００は、鼻軟骨の皮膚表面に肉伝導マイクロフォン１０１を装着し、会話相手に伝えたい内容をつぶやく。このつぶやき音は肉伝導マイクロフォン１０１により採取され、電気信号に変換された後、マイクロフォンケーブル１０４を通してスピーカ内蔵音声処理ユニット１９０１内のマイクアンプ２００１に入力される。電気信号に変換されたつぶやき音は、マイクアンプ２００１で増幅され、ＡＤコンバータ２００２でデジタル化された後、有音声出力部２００３へ入力される。有音声出力部２００３では入力されたつぶやき音を聞きやすい音声に変換する。音声変換された音声信号はＤＡコンバータ２００４でアナログ信号に戻され、スピーカアンプ２００５で出力レベルを調整された後、スピーカ２００６から音声として出力される。
ここで、有音声出力部２００３におけるつぶやき音から聞きやすい音声への変換は、例えば、フォルマント周波数と基本周波数の相関関係を利用して、つぶやき音のフォルマント周波数から基本周波数を推定し、つぶやき音に基本周波数を付与して有声音として出力することにより可能である。

また、マイクアンプ２００１で増幅されたつぶやき音のままでも、会話相手が発話内容を十分理解できる場合は、図２６に示されているように、マイクアンプ２００１をスピーカ２００６と電池２００７のみからなる簡易型スピーカ内蔵音声処理ユニット２１０１を用いて、肉伝導マイクロフォン１０１により採取され電気信号に変換されたつぶやき音を、簡易型スピーカ内蔵音声処理ユニット１９０１内のマイクアンプ２００１で増幅し、スピーカ２００６から音声として出力してもよい。

肉伝導マイクロフォン１０１からの電気信号を、Bluetooth（登録商標）などの無線の通信手段により、スピーカ内蔵音声処理ユニット１９０１または簡易型スピーカ内蔵音声処理ユニット２１０１に送信してもよい。また、スピーカ内蔵音声処理ユニット１９０１または簡易型スピーカ内蔵音声処理ユニット２１０１からスピーカ２００６を取り出し、ユニット外部に設置してもよい。

本発明により、周囲の人に気づかれずに高品質の音声入力が可能となることにより、電車内などの公共の場所や秘匿性が要求されるような場所や状況でも、携帯電話などの通信装置、音声認識装置、音声認証装置が広く利用できるようになる。また、声帯の規則振動を用いない音声や、微小音声を入力できることから、声帯を切除してしまったり、声帯に障害がある人、または、呼吸筋が衰弱しているなどの原因で通常レベルの発声が困難な人も最適に利用できる。

本発明によるコミュニケーションインタフェースシステムを携帯電話システムに適用した場合の構成例を示すブロック図である。本発明によるコミュニケーションインタフェースシステムにおいてマイクロフォンの装着位置を示す図である。肉伝導マイクロフォンの一例を示す側面断面ブロック図、及びその構成部品単位に分解された状態を示すブロック図である。肉伝導マイクロフォンの別の一例を示す側面断面ブロック図である。鼻軟骨と乳様突起直下から採取されたＮＡＭ発声音声のスペクトルを示す図である。鼻軟骨と乳様突起直下から採取された通常発声音声のスペクトルを示す図である。鼻軟骨と乳様突起直下から採取されたＮＡＭ発声音声と通常発声音声の波形を示す図である。別の一例の肉伝導マイクロフォンにより、鼻軟骨と乳様突起直下から採取されたＮＡＭ発声音声のスペクトラムを示す図である。別の一例の肉伝導マイクロフォンにより、鼻軟骨と乳様突起直下から採取された通常発声音声のスペクトラムを示す図である。別の一例の肉伝導マイクロフォンにより、鼻軟骨と乳様突起直下から採取されたＮＡＭ発声音声と通常発声音声の波形を示す図である。本発明によるコミュニケーションインタフェースシステムにおいてマイクロフォンの装着方法の一例を示す図である。本発明によるコミュニケーションインタフェースシステムにおいてマイクロフォンの装着方法の別の一例を示す図である。本発明によるコミュニケーションインタフェースシステムにおいてマイクロフォンの装着方法の別の一例を示す図である。本発明によるコミュニケーションインタフェースシステムにおいてマイクロフォンの装着方法の別の一例を示す図である。本発明を用いたコミュニケーションインタフェースシステムを携帯電話システムに適用した場合の送信時の処理フロー例を示すブロック図である。本発明を用いたコミュニケーションインタフェースシステムを携帯電話システムに適用した場合の受信時の処理フロー例を示すブロック図である。本発明によるコミュニケーションインタフェースシステムを携帯電話システムに適用した場合の構成例を示す別のブロック図である。本発明によるコミュニケーションインタフェースシステムを携帯電話システムに適用した場合の構成例を示す別のブロック図である。無線通信ユニットの構成例を示す別のブロック図である。本発明によるコミュニケーションインタフェースシステムを音声認識システムに適用した場合の構成例を示す別のブロック図である。本発明によるコミュニケーションインタフェースシステムを音声認証によるドアロック解錠システムに適用した場合の構成例を示す別のブロック図である。本発明によるコミュニケーションインタフェースシステムを腹話術システムに適用した場合の構成例を示す別のブロック図である。音声処理ユニットの構成例を示す別のブロック図である。発明によるコミュニケーションインタフェースシステムを音声障害者会話支援システムに適用した場合の構成例を示す別のブロック図である。スピーカ付き音声処理ユニットの構成例を示す別のブロック図である。別のスピーカ付き音声処理ユニットの構成例を示す別のブロック図である。

符号の説明

１００通話者
１０１肉伝導マイクロフォン
１０２イヤフォン
１０３クリップ
１０４マイクロフォンケーブル
１０５イヤフォン・マイクロフォンケーブル
１０６、１１２携帯電話機
１０７無線ネットワーク
１０８通信網
１０９無線基地局
１１０基地局制御装置
１１１交換機
２０１鼻軟骨
２０２鼻骨
３０１接触部
３０２圧電素子
３０３空洞部
３０４シールディング
３０５硬質ゴム
３０６吸音材
３０７防振ウレタン
３０８リード線
７０１ダミー
７０２バネ
８０１フレーム
９０１バンド
１００１鼻用キャップ
１００２耳掛け
１３０１第１の無線通信ユニット
１３０２第２の無線通信ユニット
１４０１、１４０８デジタル無線通信部
１４０２マイクアンプ
１４０３、１４０９ＡＤコンバータ
１４０４、１４１０ＤＡコンバータ
１４０５スピーカアンプ
１４０６、１４１１アンテナ
１４０７、１４１２電池
１５００使用者
１５０１パーソナルコンピュータ
１５０２情報携帯端末
１６００認証登録者
１６０１音声前処理部
１６０２マイクアンプ
１６０３ＡＤコンバータ
１６０４音声話者認証システム
１６０５音声話者認証部
１６０６登録パターン記憶部
１６０７ドアロック制御システム
１６０８ドア
１７００操作者
１７０１腹話術人形
１７０２音声処理ユニット
１７０３スピーカ
１８０１マイクアンプ
１８０２ＡＤコンバータ
１８０３有音声出力部
１８０４ＤＡコンバータ
１８０５スピーカアンプ
１８０６電池
１９００使用者
１９０１スピーカ内蔵音声処理ユニット
２００１マイクアンプ
２００２ＡＤコンバータ
２００３有音声出力部
２００４ＤＡコンバータ
２００５スピーカアンプ
２００６スピーカ
２００７電池
２１０１簡易型スピーカ内蔵音声処理ユニット
２２０１接触部
２２０２コンデンサマイクロフォン部
２２０２ａ、２２０２ｂ振動電極
２２０２ｃリード線
２６０１マイク接続部

Claims

鼻軟骨上の皮膚表面に装着される集音部を含み、発声器官の運動に伴う共振フィルタ特性変化により調音された、声帯の規則振動を伴わない、外部からは非可聴な呼吸音の体内軟部組織を伝導する振動音である非可聴つぶやき音または、通常音声を採取し、
さらに、
前記鼻軟骨上の皮膚表面に沿った形状を有し前記皮膚表面に前記集音部が接触している状態を維持する支持部、および、左右の耳介それぞれに掛けるための一対の耳掛け部、並びに、前記一対の耳掛け部と前記支持部との間を接続するアーム部と、
前記集音部を覆うキャップ部、および、前記キャップ部と左右の耳介それぞれとの間に設けられ弾性体の弾性力により前記皮膚表面に前記集音部が接触している状態を維持するための一対の弾性体と、
のいずれか一方を有することを特徴とするマイクロフォン。
鼻軟骨上の皮膚表面に装着される集音部を含み、発声器官の運動に伴う共振フィルタ特性変化により調音された、声帯の規則振動を伴わない、外部からは非可聴な呼吸音の体内軟部組織を伝導する振動音である非可聴つぶやき音または、通常音声を採取し、
さらに、
前記鼻軟骨上の皮膚表面に沿った形状を有し前記皮膚表面に前記集音部が接触している状態を維持する支持部と、左右の耳介それぞれに掛けるための一対の耳掛け部と、前記一対の耳掛け部と前記支持部との間を接続するアーム部とを含むことを特徴とするマイクロフォン。
鼻軟骨上の皮膚表面に装着される集音部を含み、発声器官の運動に伴う共振フィルタ特性変化により調音された、声帯の規則振動を伴わない、外部からは非可聴な呼吸音の体内軟部組織を伝導する振動音である非可聴つぶやき音または、通常音声を採取し、
さらに、
前記集音部を覆うキャップ部と、前記キャップ部と左右の耳介それぞれとの間に設けられた一対の弾性体とを有し、前記弾性体の弾性力により前記皮膚表面に前記集音部が接触している状態を維持することを特徴とするマイクロフォン。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のマイクロフォンによって採取された信号に対して、信号処理を行うことを特徴とする信号処理装置。
前記マイクロフォンによって採取された信号を量子化するアナログデジタル変換部と、前記アナログデジタル変換部による量子化結果について加工を行うプロセッサ部と、前記プロセッサ部による加工結果を外部に送出する送出部とを含むことを特徴とする請求項４記載の信号処理装置。
前記マイクロフォンによって採取された信号を量子化するアナログデジタル変換部と、前記アナログデジタル変換部による量子化結果を外部に送出する送出部とを含み、前記量子化結果の加工を外部装置において行うようにしたことを特徴とする請求項４記載の信号処理装置。
前記マイクロフォンによって採取された信号を量子化するアナログデジタル変換部と、前記アナログデジタル変換部による量子化結果について加工を行うプロセッサ部と、前記プロセッサ部による加工結果について音声認識処理を行う音声認識部とを含むことを特徴とする請求項４記載の信号処理装置。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のマイクロフォンと、請求項４から請求項７のいずれか１項に記載の信号処理装置と、を含み、前記信号処理装置による処理結果をコミュニケーションに使用するようにしたことを特徴とするコミュニケーションインタフェースシステム。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のマイクロフォンと、認証用の体内伝導音声に関するデータが予め記憶されている記憶手段と、前記マイクロフォンにより入力された体内伝導音声に関するデータと前記記憶手段に記憶されている体内伝導音声に関するデータとを照合することによって認証を行う認証手段とを含み、前記認証手段の認証結果に応じて外部機器を制御するようにしたことを特徴とする音声話者認証システム。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のマイクロフォンにより入力され、発声器官の運動に伴う共振フィルタ特性変化により調音された、声帯の規則変動を伴わない、外部からは非可聴な呼吸音の体内軟部組織を伝導する振動音である非可聴つぶやき音（ＮＡＭ音）に対応して所定動作を行うことを特徴とするＮＡＭ音対応玩具装置。
音声を出力するためのスピーカを有し、前記所定動作は、前記ＮＡＭ音に対応した音声を前記スピーカから出力する動作であることを特徴とする請求項１０記載のＮＡＭ音対応玩具装置。