(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-11-08
(45)【発行日】2022-11-16
(54)【発明の名称】音方向探知センサー
(51)【国際特許分類】
G01S 3/803 20060101AFI20221109BHJP
G01H 3/00 20060101ALI20221109BHJP
H04R 1/40 20060101ALI20221109BHJP
【ＦＩ】
G01S3/803
G01H3/00 A
H04R1/40 320A
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2018150145
(22)【出願日】2018-08-09
(65)【公開番号】P2019045481
(43)【公開日】2019-03-22
【審査請求日】2021-07-21
(31)【優先権主張番号】10-2017-0111921
(32)【優先日】2017-09-01
(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR
(73)【特許権者】
【識別番号】390019839
【氏名又は名称】三星電子株式会社
【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．
【住所又は居所原語表記】１２９，Ｓａｍｓｕｎｇ－ｒｏ，Ｙｅｏｎｇｔｏｎｇ－ｇｕ，Ｓｕｗｏｎ－ｓｉ，Ｇｙｅｏｎｇｇｉ－ｄｏ，Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ
(74)【代理人】
【識別番号】110000671
【氏名又は名称】八田国際特許業務法人
(72)【発明者】
【氏名】姜 誠 贊
(72)【発明者】
【氏名】金 載 興
(72)【発明者】
【氏名】朴 相 河
(72)【発明者】
【氏名】尹 容 燮
(72)【発明者】
【氏名】李 忠 鎬
(72)【発明者】
【氏名】洪 赫 基
【審査官】渡辺 慶人
(56)【参考文献】
【文献】実開昭５０－０４９４５９（ＪＰ，Ｕ）
【文献】米国特許出願公開第２００４／００６０３５８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】国際公開第２００８／０１０２６９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２００５－２１０１７２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１０－１０４３２９（ＪＰ，Ａ）
【文献】栗原 徹 ほか，生物模倣型音源定位ＭＥＭＳセンサの設計，平成２１年 電気学会全国大会講演論文集 ［ＣＤ－ＲＯＭ］，日本，一般社団法人電気学会，2009年03月17日，Page: 207
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｓ １／７２ － １／８２
３／８０ － ３／８６
５／１８ － ５／３０
７／５２ － ７／６４
１５／００ － １５／９６
Ｇ０１Ｈ １／００ － １７／００
Ｈ０４Ｒ １／２０ － １／４０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の第１共振器を有する第１共振器アレイと、複数の第２共振器を有する第２共振器アレイと、
互いに対して傾くように配置された第１基板及び第２基板と、
前記第１基板を貫通した開口として形成された第１音引込み口と、
前記第２基板を貫通した開口として形成された第２音引込み口と、を含み、
前記第１共振器アレイは、前記第１音引込み口に対向し、前記第１基板に固定され、前記第２共振器アレイは、前記第２音引込み口に対向し、前記第２基板に固定されて、前記第１共振器アレイと第２共振器アレイは、互いに異なる指向性を有するように配置され、
前記第１共振器アレイの出力及び前記第２共振器アレイの出力を基に、音方向を計算する計算機をさらに含み、
前記計算機は、前記第１共振器アレイの出力と、前記第２共振器アレイの出力とを比較して、音方向を探知するように構成され、
前記計算機は、時間ドメインにおいて、前記第１共振器アレイの前記複数の第１共振器の出力の二乗平均平方根の平均を計算することで前記第１共振器アレイの出力を計算するとともに、前記時間ドメインにおいて、第２共振器アレイの前記複数の第２共振器の出力の二乗平均平方根の平均を計算することで前記第２共振器アレイの出力を計算するように構成された音方向探知センサー。
【請求項2】
前記第１共振器アレイと前記第２共振器アレイは、同一の周波数応答特性を有する、請求項１に記載の音方向探知センサー。
【請求項3】
前記第１共振器アレイの前記複数の第１共振器と、前記第２共振器アレイの前記複数の第２共振器の共振周波数は、可聴周波数帯域内にある、請求項１または２に記載の音方向探知センサー。
【請求項4】
前記第１共振器アレイと前記第２共振器アレイは、指向性が９０°差があるように配置された、請求項１～３のいずれか一項に記載の音方向探知センサー。
【請求項5】
前記複数の第１共振器のそれぞれは、前記第１基板に固定される固定部と、音響信号に応答して動く可動部と、前記可動部の動きを検知する検知部と、を含み、前記複数の第２共振器それぞれは、前記第２基板に固定される固定部と、音響信号に応答して動く可動部と、前記可動部の動きを検知する検知部と、を含む請求項１～４のいずれか一項に記載の音方向探知センサー。
【請求項6】
前記第１基板の一辺と、前記第２基板の一辺とが互いに連結されており、前記第１基板と、第２基板との角度が９０°である、請求項１～５のいずれか一項に記載の音方向探知センサー。
【請求項7】
第３音引込み口を有する第３基板と、第４音引込み口を有する第４基板と、
前記第３音引込み口に対向し、前記第３基板に固定された第３共振器アレイと、
前記第４音引込み口に対向し、前記第４基板に固定された第４共振器アレイと、をさらに有し、
前記第１基板～前記第４基板は、四角筒状に配列されている、請求項１～６のいずれか一項に記載の音方向探知センサー。
【請求項8】
第３音引込み口を有する第３基板と、第４音引込み口を有する第４基板と、
第５音引込み口を有する第５基板と、
第６音引込み口を有する第６基板と、
前記第３音引込み口に対向し、前記第３基板に固定された第３共振器アレイと、
前記第４音引込み口に対向し、前記第４基板に固定された第４共振器アレイと、
前記第５音引込み口に対向し、前記第５基板に固定された第５共振器アレイと、
前記第６音引込み口に対向し、前記第６基板に固定された第６共振器アレイと、をさらに含み、
前記第１基板～前記第６基板は、六面体状に配列された、請求項１～６のいずれか一項に記載の音方向探知センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、音方向探知センサーに係り、さらに詳細には、複数の共振器アレイを利用し、音が来る方向を探知することができる音方向探知センサーに関する。
【背景技術】
【0002】
生活家電製品、映像ディスプレイ装置、仮想現実装置、拡張現実装置、人工知能スピーカーなどに装着され、音が来る方向を探知し、音声を認識することができるセンサーの活用性が増大している。音の方向を探知するセンサーは、一般的に、多数の無指向性音響センサー（omnidirectional acoustic sensor）に到逹する音の時間差を利用して、音が来る方向を計算する。多数の無指向性音響センサーを使用する場合、時間差を検知するためには、多数の無指向性音響センサー間の距離が十分に離れていなければならない。音方向探知センサーの角度分解能は、無指向性音響センサー間の距離と、サンプリング周波数とによって決定されるが、当該距離が長く、サンプリング周波数が大きいほど、分解能が低くなってしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特許第３３５３７２８号明細書
【文献】米国特許第６９０１８０２号明細書
【文献】韓国特許第１５０９３４２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明は、音が来る方向を正確に探知することができる音方向探知センサーを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0005】
上記課題は、以下の手段により解決される。
【0006】
複数の第１共振器を有する第１共振器アレイと、複数の第２共振器を有する第２共振器アレイと、を含み、前記第１共振器アレイと第２共振器アレイは、互いに異なる指向性を有するように配置された音方向探知センサー。
【0007】
前記第１共振器アレイと前記第２共振器アレイは、同一の周波数応答特性を有し得る。
【0008】
前記第１共振器アレイの前記複数の第１共振器と、前記第２共振器アレイの前記複数の第２共振器の共振周波数は、可聴周波数帯域内にあり得る。
【0009】
前記第１共振器アレイと前記第２共振器アレイは、指向性が９０°差があるように配置され得る。
【0010】
前記第１共振器アレイの出力及び前記第２共振器アレイの出力を基に、音方向を計算する計算機をさらに含み得る。
【0011】
前記計算機は、前記第１共振器アレイの出力と、前記第２共振器アレイの出力とを比較して、音方向を探知するように構成され得る。
【0012】
前記計算機は、時間ドメインにおいて、前記第１共振器アレイの前記複数の第１共振器の二乗平均平方根の平均を計算することで前記第１共振器アレイの出力を計算するとともに、前記時間ドメインにおいて、第２共振器アレイの前記複数の第２共振器の二乗平均平方根の平均を計算することで前記第２共振器アレイの出力を計算するように構成され得る。
【0013】
前記計算機は、前記複数の第１共振器のうちから選択された少なくとも１つの共振器の出力と、前記複数の第２共振器のうちから選択された選択された少なくとも１つの共振器の出力と、を比較し、音方向を探知するように構成され得る。
【0014】
前記計算機は、前記複数の第１共振器のうちから選択された少なくとも１つの共振器の出力と、前記複数の第２共振器のうちから選択された選択された少なくとも１つの共振器の出力と、から誘導された時間ドメインデータまたは周波数ドメインデータを比較し、音方向を探知するように構成され得る。
【0015】
互いに対して傾くように配置された第１基板及び第２基板と、前記第１基板を貫通した開口として形成された第１音引込み口と、前記第２基板を貫通した開口として形成された第２音引込み口と、をさらに含み得る。
【0016】
前記第１共振器アレイは、前記第１音引込み口に対向し、前記第１基板に固定され、前記第２共振器アレイは、前記第２音引込み口に対向し、前記第２基板に固定され得る。
【0017】
前記複数の第１共振器のそれぞれは、前記第１基板に固定される固定部と、音響信号に応答して動く可動部と、前記可動部の動きを検知する検知部と、を含み、前記複数の第２共振器それぞれは、前記第２基板に固定される固定部と、音響信号に応答して動く可動部と、前記可動部の動きを検知する検知部と、を含み得る。
【0018】
前記第１基板の一辺と、前記第２基板の一辺とが互いに連結されており、前記第１基板と、第２基板との角度が９０°であり得る。
【0019】
第３音引込み口を有する第３基板と、第４音引込み口を有する第４基板と、前記第３音引込み口に対向し、前記第３基板に固定された第３共振器アレイと、前記第４音引込み口に対向し、前記第４基板に固定された第４共振器アレイと、をさらに有し、前記第１基板～前記第４基板は、四角筒状に配列され得る。
【0020】
第３音引込み口を有する第３基板と、第４音引込み口を有する第４基板と、第５音引込み口を有する第５基板と、第６音引込み口を有する第６基板と、前記第３音引込み口に対向し、前記第３基板に固定された第３共振器アレイと、前記第４音引込み口に対向し、前記第４基板に固定された第４共振器アレイと、前記第５音引込み口に対向し、前記第５基板に固定された第５共振器アレイと、前記第６音引込み口に対向し、前記第６基板に固定された第６共振器アレイと、をさらに含み、前記第１基板～前記第６基板は、六面体状に配列され得る。
【0021】
第１基板と、前記第１基板を貫通する開口としてそれぞれ形成された第１音引込み口及び第２音引込み口と、前記第１基板と間隔をおいて配置された第２基板と、前記第２基板を貫通する開口として形成された音排出口と、前記第１音引込み口に対向し、前記第１基板に固定された第１共振器と、前記第２音引込み口に対向し、前記第１基板に固定された第２共振器と、を含む音方向探知センサー。
【0022】
前記第１基板及び前記第２基板は互いに平行に配置され、前記第１基板のエッジと、前記第２基板のエッジとの間に配置されたスペーサーをさらに含み得る。
【0023】
前記第１音引込み口と前記第２音引込み口は、互いに離して配置されており、前記第１音引込み口と前記音排出口とが、第１方向の音経路を形成し、前記第２音引込み口と前記音排出口とが、第１方向と異なる第２方向の音経路を形成し得る。
【0024】
前記第１共振器と前記第２共振器は、互いに平行に配置され得る。
【0025】
前記第１共振器は、複数の第１共振器を含み、前記第２共振器は、複数の第２共振器を含み得る。
【0026】
前記複数の第１共振器、及び前記複数の第２共振器のそれぞれは、前記第１基板に固定される固定部と、音響信号に応答して動く可動部と、前記可動部の動きを検知し得る。
【0027】
前記複数の第１共振器の前記可動部は、前記第１音引込み口を介して、入射音波に露出されるように配置され、前記複数の第２共振器の前記可動部は、前記第２音引込み口を介して、入射音波に露出されるように配置され得る。
【0028】
前記複数の第１共振器の前記固定部は、前記第１音引込み口の一辺に沿って、互いに重なることがないように配列され、前記複数の第２共振器の前記固定部は、前記第２音引込み口の一辺に沿って、互いに重なることがないように配列され得る。
【図面の簡単な説明】
【0029】
【図1】実施形態による音方向探知センサーの構造を示す概略的な平面図である。
【図3A】実施形態による音方向探知センサーの概略的な背面図である。
【図3B】実施形態による音方向探知センサーの概略的な背面図である。
【図3C】実施形態による音方向探知センサーの概略的な背面図である。
【図9】２個の共振器アレイの出力を基に、音方向を計算する計算機を示すブロック図である。
【図10】２個の共振器アレイで測定された音を利用し、音が来る方向を計算する過程を概略的に示すフローチャートである。
【図11】測定された音方向と、実際音の方向とを比較して示すグラフである。
【図12】ノイズがある環境において、第１共振器アレイの出力を周波数ドメインで平均化することを例示的に示ス図面である
【図13】ノイズがある環境において、第２共振器アレイの出力を周波数ドメインで平均化することを例示的に示す図面である。
【図14】実施形態による音方向探知センサーの構造を示す概略的な斜視図である。
【図17】実施形態による音方向探知センサーの構造を示す概略的な斜視図である。
【図18】実施形態による音方向探知センサーの構造を示す概略的な斜視図である。
【図19】実施形態による音方向探知センサーの構造を示す概略的な斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0030】
以下、添付された図面を参照し、複数の共振器アレイを含む音方向探知センサーについて詳細に説明する。以下の図面において、同一の符号は、同一の構成要素を指し、図面において、各構成要素の大きさは、説明の明瞭性及び便宜のために、誇張されている。また、以下で説明する実施形態は、例示的なものに過ぎず、実施形態から多様な変形が可能である。また、以下で説明する層構造において、「上部」や「上」と記載された表現は、接触して真上にあるものだけではなく、非接触で上にあるものも含み得る。
【0031】
本明細書で考慮される音方向探知センサーは、２以上の共振構造が互いに異なる指向性を有するように配置される。それぞれの共振構造は、１つの共振器、または複数の共振器を有することができる。なお、たとえ以下の説明と図面が複数の共振器を含む共振構造を示している場合であっても、複数の共振器が必要でなければ、１つの共振器のみ有する共振構造により代替され得る。例えば、以下の説明においては、音方向探知センサーが、複数の共振器をそれぞれ含む２個の共振器アレイを使用すると記述されているが、それは、単に例示であり、２個の共振器アレイの代わりに、２個の共振器を使用することも可能である。
【0032】
図１は、実施形態による音方向探知センサーの構造を示す概略的な平面図である。図１を参照すれば、実施形態による音方向探知センサー１００は、互いに異なる共振周波数を有する複数の共振器を有する第１共振器アレイ１１０、及び互いに異なる共振周波数を有する複数の共振器を有する第２共振器アレイ１２０を含んでもよい。第１共振器アレイ１１０と第２共振器アレイ１２０の共振器は、同一であってもよい。言い換えれば、第１共振器アレイ１１０と第２共振器アレイ１２０の共振器が、同一の周波数応答特性を有することができる。しかし、必ずしもそれに限定されず、第１共振器アレイ１１０の複数共振器と、第２共振器アレイ１２０の複数共振器とが互いに異なる周波数応答特性を有してもよい。
【0033】
このような第１共振器アレイ１１０と第２共振器アレイ１２０は、音を検知することができる音響センサーの役割を担う。そのために、第１共振器アレイ１１０の複数の共振器と、第２共振器アレイ１２０の複数の共振器の共振周波数は、例えば、可聴周波数帯域内とし得る。例えば、第１共振器アレイ１１０及び第２共振器アレイ１２０は、５００Ｈｚから始まり、共振周波数の増加分が７５Ｈｚである４８個の共振器を含むことができる。また、第１共振器アレイ１１０と、第２共振器アレイ１２０の複数の共振器のうちの一部は、可聴周波数より低い共振周波数を有するか、あるいは可聴周波数より高い共振周波数を有することもできる。
【0034】
また、第１共振器アレイ１１０と第２共振器アレイ１２０は、実質的に平らな上部基板１０１上で、隣接して配置される。例えば、第１共振器アレイ１１０と第２共振器アレイ１２０は、互いに平行に一列に配置される。第１共振器アレイ１１０及び第２共振器アレイ１２０に音が到逹するように、上部基板１０１を貫通した開口として、第１音引込み口１３０及び第２音引込み口１４０が設けられる。第１音引込み口１３０と第２音引込み口１４０は、間隔をおいて一列に配置される。第１共振器アレイ１１０は、第１音引込み口１３０に対向して配置され、第１音引込み口１３０を介して、入射音波に露出される。また、第２共振器アレイ１２０は、第２音引込み口１４０に対向して配置され、第２音引込み口１４０を介して、入射音波に露出される。
【0035】
図２は、図１に図示された音方向探知センサー１００の概略的な断面図である。図２を参照すれば、音方向探知センサー１００は、上部基板１０１に対向し、上部基板１０１と間隔をおいて配置された下部基板１０２、及び上部基板１０１と下部基板１０２との間隔を一定に維持するために、上部基板１０１のエッジと、下部基板１０２のエッジとの間に、各基板１０１、１０２に垂直に配置されたスペーサー１０３をさらに含んでもよい。下部基板１０２は、実質的に平らな平板形態を有し、上部基板１０１と平行に配置されるが、必ずしもそれに限定されない。例えば、下部基板１０２は、湾曲された曲面の形態を有することもできる。
【0036】
また、下部基板１０２を貫通した開口として、１つの音排出口１５０が設けられる。外部から、第１音引込み口１３０及び第２音引込み口１４０を通過した音は、音排出口１５０を介して、音方向探知センサー１００の下部に抜け出す。従って、第１音引込み口１３０と音排出口１５０とにより、第１方向の音経路（acoustic path）が形成され、第２音引込み口１４０と音排出口１５０とにより、第２方向の音経路が形成される。第１音引込み口１３０と第２音引込み口１４０とが、上部基板１０１上で互いに離れて配置されているために、第１方向と第２方向は、互いに異なる方向になる。
【0037】
図３Ａ～図３Ｃは、多様な実施形態による音方向探知センサー１００の概略的な背面図であり、音排出口１５０の多様な位置及び形態を例示的に示している。例えば、図３Ａを参照すれば、長方形の形態を有する音排出口１５０が、下部基板１０２の中心部に配置され得る。また、図３Ｂに図示されているように、長方形状の音排出口１５０が、下部基板１０２の左側に偏って配置され得る。また、図３Ｃに図示されているように、円形態を有する音排出口１５０が、下部基板１０２の中心部に配置され得る。それ以外にも、音排出口１５０は、多様な他の形態、大きさ及び位置を有することができる。そのような音排出口１５０の位置は、第１方向と第２方向とを決定し、音排出口１５０の形態及び大きさは、音方向探知センサー１００の特性に影響を与える。従って、音方向探知センサー１００の用途により、音排出口１５０の形態、大きさ、及び位置を適切に選択することができる。
【0038】
再び図２を参照すれば、第１共振器アレイ１１０は、第１音引込み口１３０に対向し、上部基板１０１の下部面に固定され、第２共振器アレイ１２０は、第２音引込み口１４０に対向し、上部基板１０１の下部面に固定される。従って、第１共振器アレイ１１０は、第１音引込み口１３０から音排出口１５０に、第１方向に沿って進む音に応答し、第２共振器アレイ１２０は、第２音引込み口１４０から音排出口１５０に、第２方向に沿って進む音に応答することができる。多様なスペクトルを有する音に対して、均一な精度を維持するために、第１共振器アレイ１１０及び第２共振器アレイ１２０は、共振周波数が互いに異なる複数の共振器を含んでもよい。第１共振器アレイ１１０及び第２共振器アレイ１２０のそれぞれの共振器が、それに対応する周波数を有する音に応答して振動するように、それぞれの共振器の一端は、上部基板１０１に固定され、第１音引込み口１３０または第２音引込み口１４０を介して、入射音波に露出された他端は、自由端になる。
【0039】
例えば、図４は、図１に図示された音方向探知センサー１００の１つの共振器の構造を概略的に示す断面図である。図４を参照すれば、方向探知センサー１００の共振器Ｒは、上部基板１０１に固定される固定部１０、音響信号に反応して動く可動部３０、及び可動部３０の動きをセンシングする検知部２０を含む。また、共振器Ｒは、可動部３０に、所定の質量ｍを提供するための質量体４０をさらに含んでもよい。
【0040】
第１共振器アレイ１１０及び第２共振器アレイ１２０の複数の共振器Ｒは、音響信号の入力経路に、全体的に同時に露出されるように、互いに重なることがないように、単一平面に配列される。例えば、第１共振器アレイ１１０の複数の共振器Ｒの固定部１０は、第１音引込み口１３０の一辺に沿って、互いに重なることがないように配列され、第２共振器アレイ１２０の複数の共振器Ｒの固定部１０も、第２音引込み口１４０の一辺に沿って、互いに重なることがないように配列される。そして、第１共振器アレイ１１０の複数の共振器Ｒの可動部３０は、第１音引込み口１３０を介して、入射音波に露出されるように配置され、第２共振器アレイ１２０の複数の共振器Ｒの可動部３０も、第２音引込み口１４０を介して、入射音波に露出されるように配置される。
【0041】
可動部３０は、音響信号（入射音波）によって弾性振動が可能になるように、弾性フィルムからなる。例えば、弾性フィルムとして、シリコン、金属、ポリマーなどの材質が使用される。弾性フィルムの長さは、質量体４０の質量ｍと共に、共振器Ｒの共振特性を決める要素になる。言い換えれば、弾性フィルムの長さにより、共振器Ｒの共振周波数が異なる。例えば、長さが短いほど、可動部３０は、相対的に高周波数の音響によって振動し、長さが長いほど、可動部３０は、相対的に低周波数の音響により、振動することができる。従って、可動部３０の長さが短い共振器Ｒの共振周波数は、相対的に高く、可動部３０の長さが長い共振器Ｒの共振周波数は、相対的に低い。
【0042】
感知部２０は、可動部３０の動きをセンシングするセンサー層を含んでもよい。検知部２０は、例えば、圧電素子を含んでもよい。その場合、検知部２０は、電極層、圧電物質層及び電極層が順に積層された構造を有することができる。圧電物質としては、例えば、ＺｎＯ、ＳｎＯ、ＰＺＴ、ＺｎＳｎＯ３、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリ（フッ化ビニリデン－トリフルオロエチレン）（Ｐ（ＶＤＦ－ＴｒＦＥ））、ＡｌＮまたはＰＭＮ－ＰＴなどが使用される。また、電極層としては、金属の他、多様な導電性材料が使用される。
【0043】
共振器Ｒは、例えば、およそ数μｍ以下の幅、およそ数μｍ以下の厚み、及びおよそ数ｍｍ以下の長さを有することができる。このように微細な大きさを有する共振器Ｒは、ＭＥＭＳ（micro electro mechanical system）工程によって製作され得る。そのような共振器Ｒは、それ自体の共振周波数と一致する外部の音響信号に反応し、上下に振動することができる。また、共振器Ｒが振動する振動振幅は、音響信号の圧力勾配（pressure gradient）に比例することができる。そのように共振器Ｒが上下に振動するために、第１共振器アレイ１１０及び第２共振器アレイ１２０は、双指向性（bi-directional）を有することになる。
【0044】
図５は、図１に図示された音方向探知センサー１００の動作原理を示す概略的な断面図である。前述のように、第１音引込み口１３０及び音排出口１５０により、第１方向の音経路が形成され、第２音引込み口１４０及び音排出口１５０により、第２方向の音経路が形成される。それにより、第１共振器アレイ１１０は、第１方向に沿う双指向性を有し、第２共振器アレイ１２０は、第２方向に沿う双指向性を有し、同一平面上で平行に配置されたにもかかわらず、互いに異なる指向性を有することができる。
【0045】
例えば、図５に図示されているように、第１音引込み口１３０と第２音引込み口１４０との間の下部基板１０２の真中に、音排出口１５０が配置され、第１方向と第２方向とが上部基板１０１の平面の法線方向に対し、角度θだけ傾く。図６及び図７は、図５に図示された実施形態において、音方向探知センサー１００の第１共振器アレイ１１０及び第２共振器アレイ１２０の指向性を例示的に示す。図６に図示されているように、第１共振器アレイ１１０は、正面に対して反時計回り方向に、θだけ傾いた双指向性を有する。一方、図７に図示されているように、第２共振器アレイ１２０は、正面に対し、時計回り方向にθだけ傾いた双指向性を有することができる。言い換えれば、第１共振器アレイ１１０と第２共振器アレイ１２０とが、互いに異なる方向に傾いた指向性を有するということが分かる。図６及び図７において、音方向探知センサー１００の上部基板１０１の平面の法線方向は０°と定義され、最外側の円は、０ｄＢを示し、最内側の円は、－４０ｄＢを示す。
【0046】
従って、音方向探知センサー１００に入射する入射音（incident sound）の方向により、第１共振器アレイ１１０の共振器が振動する振動振幅と、第２共振器アレイ１２０の共振器が振動する振動振幅とが異なる。例えば、図５において、音方向探知センサー１００の左側から、音方向探知センサー１００の上部基板１０１の平面の法線方向に対して角度θｓだけ傾いた角度で音が入射する場合、第１共振器アレイ１１０には、その固有指向性に対して、θ－θｓの角度で音が入射し、第２共振器アレイ１２０には、その固有指向性に対して、θ＋θｓの角度で音が入射する。音方向探知センサー１００の上部基板１０１の平面の法線方向を０゜と定義し、θが４５゜であるならば、θｓが０゜であるとき、第１共振器アレイ１１０と第２共振器アレイ１２０との共振器の振動振幅が同一であり、－４５゜＜θｓ＜０゜であるとき、第１共振器アレイ１１０の共振器の振動振幅が、第２共振器アレイ１２０の共振器の振動振幅より大きく、０゜＜θｓ＜４５゜であるとき、第２共振器アレイ１２０の共振器の振動振幅が、第１共振器アレイ１１０の共振器の振動振幅より大きくなる。
【0047】
図８は、音方向探知センサー１００の第１共振器アレイ１１０及び第２共振器アレイ１２０の、前述の指向性特性を測定した結果を示すグラフである。図８において、横軸は、音方向探知センサー１００の上部基板１０１の平面の法線方向に対し、音方向探知センサー１００に音が入射する角度を示し、縦軸は、第１共振器アレイ１１０及び第２共振器アレイ１２０の共振器の振動振幅を示す。図８のグラフは、音方向探知センサー１００の上部基板１０１の平面の法線方向に対し、０°～３６０°の角度で、それぞれ１ｋＨｚの周波数を有する音を発生させ、第１共振器アレイ１１０及び第２共振器アレイ１２０の平均振動振幅をノーマライズして得たものである。図８に図示されているように、音が入射する角度により、第１共振器アレイ１１０の平均振動振幅と、第２共振器アレイ１２０の平均振動振幅が異なり得る。
【0048】
従って、第１共振器アレイ１１０の出力と、第２共振器アレイ１２０の出力とを比較することにより、音が入射する方向を探知することが可能である。例えば、図９は、第１共振器アレイ１１０及び第２共振器アレイ１２０の出力を基に、音方向を計算する計算機を示すブロック図である。図９を参照すれば、音方向探知センサー１００は、第１共振器アレイ１１０及び第２共振器アレイ１２０と連結され、第１共振器アレイ１１０及び第２共振器アレイ１２０から受信した出力を基に、音が入射する方向を計算する計算機１６０をさらに含み得る。計算機１６０は、第１共振器アレイ１１０の出力と、第２共振器アレイ１２０の出力とを比較し、その結果を利用して、音方向を計算することができる。第１共振器アレイ１１０の出力と、第２共振器アレイ１２０の出力とを比較し、音方向を決定するアルゴリズムは多様に具現される。
【0049】
例えば、図１０は、第１共振器アレイ１１０及び第２共振器アレイ１２０で測定された音を利用し、音が来る方向を計算する過程を概略的に示すフローチャートである。まず、計算機１６０は、一定時間の間、第１共振器アレイ１１０から出力を受信する（Ｓ１０）。計算機１６０は、同時に、同じ一定時間の間、第２共振器アレイ１２０から出力を受信する（Ｓ１１）。その後、計算機１６０は、第１共振器アレイ１１０からの出力を平均化する（Ｓ１２）。例えば、計算機１６０は、時間ドメイン（time domain）において、第１共振器アレイ１１０の複数の共振器の二乗平均平方根（ＲＭＳ：root-mean-square）の平均を計算することができる。同様に、計算機１６０は、時間ドメインにおいて、第２共振器アレイ１２０の複数の共振器の二乗平均平方根の平均を計算することができる（Ｓ１３）。その後、計算機１６０は、第１共振器アレイ１１０の出力と、第２共振器アレイ１２０の出力とを比較するために、第１共振器アレイ１１０の出力の平均（第１ＲＭＳの平均）を第２共振器アレイ１２０の出力の平均（第２ＲＭＳの平均）で除算することができる（Ｓ１４）。
【0050】
そのように得られた比較値は、第１共振器アレイ１１０及び第２共振器アレイ１２０に、音が入射する方向が同一であるとしても、第１共振器アレイ１１０及び第２共振器アレイ１２０の特性によって異なり得る。従って、第１共振器アレイ１１０及び第２共振器アレイ１２０の特性を考慮し、計算機１６０は、段階（Ｓ１４）で得られた比較値を補償する補償段階を実行する（Ｓ１５）。例えば、第１共振器アレイ１１０及び第２共振器アレイ１２０の指向性、配置方向、周波数応答特性などに基づく補償パラメータは、計算機１６０に前もって保存されている。計算機１６０は、前もって保存された補償パラメータを利用し、段階（Ｓ１４）で得られた比較値を補正することができる。最後に、計算機１６０は、段階（Ｓ１５）で得られた補正された比較値を利用し、音方向を計算することができる。例えば、計算機１６０には、補正された比較値及び角度で示した音の方向間の関係に係わるデータが、ルックアップテーブルの形態で、前もって保存されている。それにより、計算機１６０は、別途の演算を行わず、ルックアップテーブルを参照し、補正された比較値に対応する音方向を求めることができる。
【0051】
前述の段階（Ｓ１０～Ｓ１３）は、多様な他の方法でも実行される。例えば、計算機１６０は、第１共振器アレイ１１０の複数の共振器のうちから選択された一つ、または複数の共振器の出力を基に、出力の平均を得て、第２共振器アレイ１２０の複数の共振器のうちから選択された一つ、または複数の共振器の出力を基に、出力の平均を得ることができる。ここで、第１共振器アレイ１１０で選択された共振器と、第２共振器アレイ１２０で選択された共振器は、互いに同一の共振周波数を有することができる。出力の平均を計算する段階（Ｓ１２、Ｓ１３）において、計算機１６０は、第１共振器アレイ１１０で選択された共振器によって得られた出力から誘導された時間ドメインデータと、第２共振器アレイ１２０で選択された共振器によって得られた出力から誘導された時間ドメインデータとを比較することができる。言い換えれば、計算機１６０は、選択された共振器のＲＭＳの平均を、時間ドメインに対して計算し、第１共振器アレイ１１０と、第２共振器アレイ１２０との比較値を求めることができる。
【0052】
一方、計算機１６０は、第１共振器アレイ１１０で選択された共振器によって得られた出力から誘導された周波数ドメインデータと、第２共振器アレイ１２０で選択された共振器によって得られた出力から誘導された周波数ドメインデータとを比較することができる。言い換えれば、計算機１６０は、選択された共振器のＲＭＳの平均を、周波数ドメインに対して計算し、第１共振器アレイ１１０と、第２共振器アレイ１２０との比較値を求めることができる。周波数ドメインを基に比較値を計算する場合、第１共振器アレイ１１０及び第２共振器アレイ１２０から、一定時間の間出力を受ける必要がなく、第１共振器アレイ１１０で受信した音のスペクトル、及び第２共振器アレイ１２０で受信した音のスペクトルのみを利用することができる。
【0053】
図１１は、そのように測定された音方向と、実際の音方向とを比較して示すグラフである。図１１において、横軸は、実際の音方向を角度で表示したものであり、縦軸は、測定された音方向を角度で表示したものである。図１１を参照すれば、実際の音方向と、測定された音方向とが線形的な関係を有することから、本実施形態による音方向探知センサー１００は、比較的高い精度で、音方向を探知することができるということが分かる。
【0054】
そのような音方向探知センサー１００は、互いに異なる指向性を有している第１共振器アレイ１１０と、第２共振器アレイ１２０とを利用し、音方向を探知するために、第１共振器アレイ１１０と第２共振器アレイ１２０との距離に関する制約がない。その結果、第１共振器アレイ１１０と第２共振器アレイ１２０との距離が近いとしても、比較的良好な角度分解能で、音方向を探知することができる。従って、本実施形態による音方向探知センサー１００は、小型化が可能であり、小型電子製品に搭載することができる。また、本実施形態による音方向探知センサー１００は、時間の経過に伴い、連続的に音方向を測定することも可能である。
【0055】
音方向探知センサー１００は、共振周波数が異なる複数の共振器を使用するために、広帯域測定が可能であり、ノイズがある環境でも、音方向を正確に探知することができる。また、周波数帯域情報を有しているので、音の復元も可能である。例えば、図１２は、ノイズがある環境において、第１共振器アレイ１１０の出力を、周波数ドメインにおいて平均化することを例示的に示し、図１３は、ノイズがある環境において、第２共振器アレイ１２０の出力を周波数ドメインにおいて平均化することを例示的に示す。図１２及び図１３に図示されているように、第１共振器アレイ１１０及び第２共振器アレイ１２０の出力を、周波数ドメインで平均化し、第１共振器アレイ１１０及び第２共振器アレイ１２０の平均化された出力を互いに比較するために、例えば、自動車ノイズのように、特定周波数帯域のノイズによる影響を減らすことができる。従って、特定周波数帯域のノイズがある環境においては、音方向探知センサー１００がロバストな特性を維持することができる。
【0056】
また、音方向探知センサー１００は、複数の共振器を利用し、入射音のスペクトルを分析することができるので、持続的にノイズが発生する特定周波数領域を除去し、第１共振器アレイ１１０及び第２共振器アレイ１２０の出力を平均化することも可能である。従って、第１共振器アレイ１１０及び第２共振器アレイ１２０の出力を平均化するとき、ノイズ成分を除去することができ、測定精度をさらに向上させることができる。また、入射音のうち、特定周波数成分のみを選択し、当該周波数成分を有する音の方向を選択的に探知することもできる。また、多くの周波数成分の音に対し、それぞれの音方向を同時に探知することも可能である。そのように、複数の周波数成分の音方向を同時に探知することにより、立体的な音響情報を得ることができる。
【0057】
図１４は、他の実施形態による音方向探知センサーの構造を示す概略的な斜視図である。図１４を参照すれば、実施形態による音方向探知センサー２００は、互いに対して傾くように配置された第１基板２０１及び第２基板２０２、第１基板２０１を貫通した開口として形成された第１音引込み口２１０、第２基板２０２を貫通した開口として形成された第２音引込み口２２０、第１音引込み口２１０に対向し、第１基板２０１に固定される第１共振器アレイ１１０、及び第２音引込み口２２０に対向し、第２基板２０２に固定される第２共振器アレイ１２０を含んでもよい。
【0058】
図１４には、第１基板２０１と第２基板２０２とが互いに連結されているように図示されている。例えば、第１基板２０１の一辺と、第２基板２０２の一辺とが互いに接して連結されている。その場合、第１基板２０１と第２基板２０２とを一体に形成することができる。しかし、第１基板２０１と第２基板２０２とが互いに分離させてもよく、その場合、第１基板２０１と第２基板２０２とが個別的に製作され得る。第１共振器アレイ１１０及び第２共振器アレイ１２０に、互いに異なる指向性を与えるために、第１基板２０１と第２基板２０２は、互いに対して傾くように配置され得る。それにより、第１共振器アレイ１１０と第２共振器アレイ１２０とが互いに異なる方向に向かって配置され、互いに異なる指向性を有することができる。例えば、第１基板２０１と第２基板２０２との内角が９０°とする。それにより、第１共振器アレイ１１０と第２共振器アレイ１２０は、指向性に９０°の差があるように配置される。
【0059】
第１共振器アレイ１１０及び第２共振器アレイ１２０は、前述の構造と同一構造を有することができる。例えば、第１共振器アレイ１１０及び第２共振器アレイ１２０は、それぞれ共振周波数が互いに異なる複数の共振器を含んでもよい。また、第１共振器アレイ１１０及び第２共振器アレイ１２０のそれぞれの共振器は、図４に図示された固定部１０、可動部３０、感知部２０及び質量体４０を含んでもよい。第１共振器アレイ１１０の固定部１０は、第１基板２０１に固定され、第２共振器アレイ１２０の固定部１０は、第２基板２０２に固定される。また、第１共振器アレイ１１０の複数共振器の固定部１０は、第１音引込み口２１０の一辺に沿って、互いに重なることがないように配列され、第２共振器アレイ１２０の複数共振器の固定部１０も、第２音引込み口２２０の一辺に沿って、互いに重なることがないように配列される。また、第１共振器アレイ１１０の複数共振器の可動部３０は、第１音引込み口２１０を介して、入射音波に露出されるように配置され、第２共振器アレイ１２０の複数共振器の可動部３０は、第２音引込み口２２０を介して、入射音波に露出されるように配置される。それにより、第１共振器アレイ１１０及び第２共振器アレイ１２０の可動部３０が、外部から第１音引込み口２１０及び第２音引込み口２２０を通過する音に反応して振動することができる。
【0060】
図１５は、図１４に図示された音方向探知センサー２００の動作原理を示す概略的な断面図である。前述のように、第１共振器アレイ１１０と第２共振器アレイ１２０は、互いに異なる方向に向けて配置されており、互いに異なる指向性を有する。例えば、図１５に図示されているように、第１基板２０１と第２基板２０２とが互いに接する尖った部分が正面に向けて配置され、第１基板２０１と水平面との角度、及び第２基板２０２と水平面との角度がθであると仮定すれば（第１基板２０１と第２基板２０２との角度＋２θが１８０°になるように、第１基板２０１、第２基板２０２及び水平面が三角形をなす）、第１共振器アレイ１１０の法線は、正面に対して反時計回り方向にθだけ傾いた双指向性を有し、第２共振器アレイ１２０の法線は、正面に対して時計回り方向にθだけ傾いた双指向性を有することができる。
【0061】
従って、音方向探知センサー２００に入射する入射音（incident sound）の方向により、第１共振器アレイ１１０の共振器が振動する振動振幅と、第２共振器アレイ１２０の共振器が振動する振動振幅とが異なり得る。例えば、図１５において、音方向探知センサー２００の左側から、音方向探知センサー２００の正面方向に対して、角度θｓだけ傾いた角度で音方向探知センサー２００に音が入射する場合、第１共振器アレイ１１０の法線に対して、θ－θｓの角度で、第１共振器アレイ１１０に音が入射し、第２共振器アレイ１２０の法線に対して、θ＋θｓの角度で、音が第２共振器アレイ１２０に入射することになる。音方向探知センサー２００の正面方向を０゜と定義し、θが４５゜であるならば、第１共振器アレイ１１０と第２共振器アレイ１２０は、９０゜の指向性差を有する。それにより、θｓが０゜であるとき、第１共振器アレイ１１０と第２共振器アレイ１２０との共振器の振動振幅が同一であり、－４５゜＜θｓ＜０゜であるとき、第１共振器アレイ１１０の共振器の振動振幅が、第２共振器アレイ１２０の共振器の振動振幅より大きく、０゜＜θｓ＜４５゜であるとき、第２共振器アレイ１２０の共振器の振動振幅が、第１共振器アレイ１１０の共振器の振動振幅より大きくなる。
【0062】
図１６は、音方向探知センサー２００の第１共振器アレイ１１０及び第２共振器アレイ１２０の前述の指向性特性を測定した結果を示すグラフである。図１６において、横軸は、正面方向に対して、音方向探知センサー２００に音が入射する角度を示し、縦軸は、第１共振器アレイ１１０及び第２共振器アレイ１２０の共振器の振動振幅を示す。図１６のグラフは、音方向探知センサー２００に対して、０°～３６０°の角度でそれぞれ１ｋＨｚの周波数を有する音を発生させ、第１共振器アレイ１１０及び第２共振器アレイ１２０の平均振動振幅をノーマライズして得たものである。図１６に図示されているように、音が入射する角度により、第１共振器アレイ１１０の平均振動振幅と、第２共振器アレイ１２０との平均振動振幅とが異なり得る。また、入射音の方向が、０゜、９０゜、１８０゜、２７０゜に近接するとき、第１共振器アレイ１１０及び第２共振器アレイ１２０の平均振動振幅が同一になるということが分かる。従って、第１共振器アレイ１１０の出力と、第２共振器アレイ１２０の出力とを比較することにより、音が入射する方向を探知することが可能である。
【0063】
一方、図１４に図示された音方向探知センサー２００は、単に２個の共振器アレイ１１０，１２０のみを有するように図示されたが、これに限定されない。例えば、図１７～図１９は、多様な他の実施形態による音方向探知センサーの構造を示す概略的な斜視図である。
【0064】
図１７を参照すれば、実施形態による音方向探知センサー２００ａは、第１音引込み口２１０を有する第１基板２０１、第２音引込み口２２０を有する第２基板２０２、第３音引込み口２３０を有する第３基板２０３、第４音引込み口２４０を有する第４基板２０４、第１音引込み口２１０に対向し、第１基板２０１に固定された第１共振器アレイ１１０、第２音引込み口２２０に対向し、第２基板２０２に固定された第２共振器アレイ１２０、第３音引込み口２３０に対向し、第３基板２０３に固定された第３共振器アレイ１３０、及び第４音引込み口２４０に対向し、第４基板２０４に固定された第４共振器アレイ１４０を含み得る。例えば、第１基板２０１～第４基板２０４は、正四角形または長方形の筒を形成するように配置され得る。それにより、第１共振器アレイ１１０～第４共振器アレイ１４０は、水平面に対して、４個の互いに異なる指向性を有することができる。
【0065】
図１８を参照すれば、図１７に図示された音方向探知センサー２００ａの構成に追加し、実施形態による音方向探知センサー２００ｂは、第５音引込み口２５０を有する第５基板２０５、第６音引込み口２６０を有する第６基板２０６、第５音引込み口２５０に対向し、第５基板２０５に固定された第５共振器アレイ１５０、及び第６音引込み口２６０に対向し、第６基板２０６に固定された第６共振器アレイ１６０をさらに含んでもよい。例えば、第５基板２０５と第６基板２０６は、互いに対向して配置され、第１基板２０１～第４基板２０４に対して垂直に配置される。従って、第１基板２０１～第６基板２０６は、正六面体または直方体を形成することができる。それにより、第１共振器アレイ１１０～第６共振器アレイ１６０は、６個の互いに異なる指向性を有することができる。
【0066】
図１９を参照すれば、実施形態による音方向探知センサー２００ｃは、円形の第１音引込み口２７０を有する第１基板２０１、円形の第２音引込み口２８０を有する第２基板２０２、第１音引込み口２７０に対向し、第１基板２０１に固定された第１共振器アレイ２１０、及び第２音引込み口２８０に対向し、第２基板２０２に固定された第２共振器アレイ２２０を含み得る。前述の実施形態において、音引込み口１３０，１４０，２１０，２２０，２３０，２４０，２５０，２６０は、いずれも長方形の形態を有しているが、図１９に図示されているように、円形態の音引込み口２７０，２８０とすることも可能である。また、前述の実施形態において、共振器アレイ１１０，１２０，１３０，１４０，１５０，１６０の共振器は、音引込み口１３０，１４０，２１０，２２０，２３０，２４０，２５０，２６０の一辺に沿って一列に配置されたが、図１９に図示されているように、第１共振器アレイ２１０及び第２共振器アレイ２２０の複数の共振器が、それぞれ第１音引込み口２７０及び第２音引込み口２８０の円弧に沿って円形に配列され得る。
【0067】
前述した複数の共振器アレイを含む音方向探知センサーは、図面に示された実施形態を参照して説明されたが、前述したように、１つの共振器のみを有する共振構造でも代替し得る。また、前述の実施形態は、例示的なものに過ぎず、当該分野において、当業者でならば、それらから多様な変形が可能であるということを理解するであろう。従って、開示された実施形態は、限定的な観点ではなく、説明的な観点から考慮されなければならない。本明細書の権利範囲は、前述の実施形態ではなく、特許請求の範囲に示されており、それと同等な範囲内にある全ての差異は、権利範囲に含まれるものであると解釈されなければならない。
【符号の説明】
【0068】
１０ 固定部、
２０ 感知部、
３０ 可動部、
４０ 質量体、
１００，２００，２００ａ，２００ｂ，２００ｃ 音方向探知センサー、
１０１，１０２，２０１，２０２，２０３，２０４，２０５，２０６ 基板、
１０３ スペーサー、
１１０，１２０，１３０，１４０，１５０，１６０，２１０，２２０ 共振器アレイ、
１３０，１４０，２１０，２２０，２３０，２４０，２５０，２６０，２７０，２８０ 音引込み口、
１５０ 音排出口、
１６０ 計算機。
２０ 感知部、
３０ 可動部、
４０ 質量体、
１００，２００，２００ａ，２００ｂ，２００ｃ 音方向探知センサー、
１０１，１０２，２０１，２０２，２０３，２０４，２０５，２０６ 基板、
１０３ スペーサー、
１１０，１２０，１３０，１４０，１５０，１６０，２１０，２２０ 共振器アレイ、
１３０，１４０，２１０，２２０，２３０，２４０，２５０，２６０，２７０，２８０ 音引込み口、
１５０ 音排出口、
１６０ 計算機。
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
