(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
耳で保持するよう構成され、ユーザの頭部の近傍で生成された音響だけを検出するマイクロフォン要素を備えたイヤー・ピース・デバイスにおいて、
ユーザの耳管に一端が位置するよう構成され、マイクロフォン区画を形成する内部表面を備えているハウジングと、
マイクロフォン区画内に配置されたマイクロフォンであって、外部表面を有する剛体のケーシングと、該ケーシング内に保持されアクティブ・マイクロフォン要素とからなるマイクロフォンと、
ケーシングとハウジングとの間にブリッジを形成するように、マクロフォン要素を内蔵しているケーシングの周りに該ケーシングに調整可能な支持ガスケットであって、ハウジングの内部表面と接触する２つの異なる接触点を備えた外辺部と、ケーシングと接触する２つの異なる接触点を備えた内辺部とを有し、ハウジングの内部表面とケーシングの外部表面との間で該２つの接触点で固定保持され、これら２つの接触点は、ケーシングを通過するほぼ平行な第１及び第２の平面に共通であり、マイクロフォン要素を含む平面の両側からほぼ同一距離に配置されて、ハウジング内の機械的振動が、ハウジングから支持ガスケットを介して２つの接触点においてケーシングに伝搬され、それと同時に、幾何的振動が相反する位相でマイクロフォン要素に到着し、これによって、機械的振動が相互にキャンセルされるよう構成されている支持ガスケットと
マイクロフォン要素から出力された信号を信号処理のために音響回路に結合する結合手段と
からなり、
マイクロフォン区画は、周囲の音響波をマイクロフォン要素に伝達するための音響伝達ポートを形成する、ハウジング内に少なくとも第１及び第２の開口を有し、第１及び第２の開口は、マイクロフォン要素の対向する側にそれぞれ位置決めされて、ユーザの頭部近傍ではなく遠方からの空中伝搬によってマイクロフォン区画内に到来する遠方からの背景音響を表す音響波をキャンセルすることができるように構成されている
ことを特徴とするイヤー・ピース・デバイス。
【請求項２】
請求項１記載のデバイスにおいて、支持ガスケットの外辺部及びマイクロフォン区画を形成するハウジングの内部表面は、非円筒形状で形成されており、これら非円筒形状は、マイクロフォン区画内に支持ガスケットが貼着材料を使用することなく所定の位置に固定されるように、相互配置されていることを特徴とするデバイス。
【請求項３】
請求項２記載のデバイスにおいて、ハウジングの内部表面の非円筒形状はほぼ凹形状であり、支持ガスケットの外辺部はほぼ凸形状であり、支持ガスケットがハウジングの凹形状内にかみ合うように構成されていることを特徴とするデバイス。
【請求項４】
請求項３記載のデバイスにおいて、非円筒形状の支持ガスケットの外辺部及びハウジングの内部表面はそれぞれ、第１及び第２の対向する端部を有する円筒形の中央部分と、該第１及び第２の対向する端部と連接部を形成する一方の端部において径が大きくかつ他方の端部において径が小さい第１及び第２の円錐部分とを有し、これら円錐部分は、円筒形の中央部分から外部に反対方向に延びて、該中央部分の中心軸に向かって、それぞれの連接部から内部方向にテーパ状に形成され、他の端部が円筒形の中央部分の平面から内部方向に向かって凹形状及び凸形状それぞれを形成していることを特徴とするデバイス。
【請求項５】
請求項３記載のデバイスにおいて、該デバイスはさらに、支持ガスケットとハウジングとの間に配置され、支持ガスケットの外辺部の周りに中心が配置された環状のキャビティを備え、これにより、支持ガスケットのハウジングとの連接部を上側部及び下側部とに分割する絶縁性のキャビティ・リングを構成していることを特徴とするデバイス。
【請求項６】
請求項１記載のデバイスにおいて、支持ガスケットの内辺部は、支持ガスケットとケーシングとの間に配置され、支持ガスケットの内辺部の周りに中心が配置された環状のキャビティを備え、これにより、支持ガスケットのケーシングとの連接部を上側部及び下側部とに分割する絶縁性のキャビティ・リングを構成し、これら上側部及び下側部は、マイクロフォン要素を含む平面からそれぞれ同一距離にあることを特徴とするデバイス。
【請求項７】
請求項６記載のデバイスにおいて、支持ガスケットの内辺部の上側部及び下側部はそれぞれ、ケーシングの周囲に連続的な連接部を形成することを特徴とするデバイス。
【請求項８】
通信システムにおいて使用されるイヤー・ピース・デバイスにおいて、
スピーカ側とマイクロフォン側とを有するハウジングであって、スピーカ側は、ユーザの耳管に適切に適合する構造を有し、スピーカ側及びマイクロフォン側は、音響分離壁によって分割され、該分離壁がハウジング内にマイクロフォン側を含んで、ハウジングの内部表面によって画定されるマイクロフォン区画を形成しているハウジングと、
マイクロフォン区画内に配置されたマイクロフォンであって、外部表面を有する剛体のケーシングと、該ケーシングに内蔵されるアクティブ・マイクロフォン要素とを備えたマイクロフォンと、
ユーザの耳管に向かう音響指向を有するようにスピーカ要素であって、該スピーカ要素とハウジングとの間に結合された分離手段を含み、該分離手段により、ハウジングのマイクロフォン側での音響ピックアップの感度に干渉して、不所望の周波数成分を選択的に分離するよう構成されたスピーカ要素と、
ケーシングとハウジングとの間にブリッジを形成するように、ケーシングの周りに該ケーシングに適合可能な支持ガスケットであって、ハウジングの内部表面と接触する２つの異なる接触点を備えた外辺部と、ケーシングと接触する２つの異なる接触点を備えた内辺部とを有し、ハウジングの内部表面とケーシングの外部表面との間で該２つの接触点で固定保持され、これら２つの接触点は、ケーシングを通過するほぼ平行な第１及び第２の平面に共通であり、マイクロフォン要素を含む平面の両側からほぼ同一距離に配置されて、ハウジング内の機械的振動が、ハウジングから支持ガスケットを介して２つの接触点においてケーシングに伝搬され、それと同時に、幾何的振動が相反する位相でマイクロフォン要素に到着し、これによって、機械的振動が相互にキャンセルされるよう構成されている支持ガスケットと、
マイクロフォン要素から出力された信号を、処理のために音響回路に結合する手段と
を備え、
マイクロフォン区画は、周囲の音響波をマイクロフォン要素に伝達するための音響伝達ポートを形成する、ハウジング内に少なくとも第１及び第２の開口を有し、第１及び第２の開口は、マイクロフォン要素の対向する側にそれぞれ位置決めされて、ユーザの頭部近傍と対比して遠方からの空中伝搬によってマイクロフォン区画内に到来する遠方からの背景音響を表す音響波をキャンセルすることができるように構成されている
ことを特徴とするイヤー・ピース・デバイス。
【請求項９】
小さなマイクロフォンによって検出された耳骨の所望の振動を、該マイクロフォンを内蔵するハウジング内の背景振動から分離するための方法において、
ａ）ハウジング内に形成され、該ハウジングの内部表面によって画定されるマイクロフォン区画内に位置するアクティブ・マイクロフォン要素を備えたマイクロフォン・ケーシングを位置決めするステップと、
ｂ）周囲の音響波をマイクロフォン要素に伝達するための音響伝達ポートを形成する少なくとも２つの開口を形成するステップであって、マイクロフォン要素の対向する側にそれぞれ位置決めされて、ユーザの頭部近傍ではなく比較的遠方からの空中伝搬によってマイクロフォン区画内に到来する遠方からの背景音響を表す音響波をキャンセルすることができるように構成されている少なくとも２つの開口を、ハウジング内に形成するステップと、
ｃ）ケーシングとマイクロフォン要素とを支持ガスケット内に位置決めするステップであって、支持ガスケットは、ケーシングとマイクロフォン要素との間にブリッジを形成するように、ケーシングの周りに該ケーシングに適合可能であり、支持ガスケットは、ハウジングの内部表面と接触する２つの接触点を備えた外辺部と、ケーシングと接触する２つの異なる接触点を備えた内辺部とを有し、ハウジングの内部表面とケーシングの外部表面との間で該２つの接触点で固定保持され、これら２つの接触点は、ケーシングを通過するほぼ平行な第１及び第２の平面に共通であり、かつマイクロフォン要素を含む平面の両側からほぼ同一距離に配置されて、ハウジング内の機械的振動が、ハウジングから支持ガスケットを介して２つの接触点においてケーシングに伝搬され、それと同時に、幾何的振動が相反する位相でマイクロフォン要素に到着し、これによって、機械的振動が相互にキャンセルされるよう構成されている支持ガスケットを位置決めするステップと、
マイクロフォン要素から出力された信号を、処理のために音響回路に結合するステップと
からなることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
1.発明の技術分野
本発明は、単方向性（unidirectional）ベースでスピーチ（発話）振動を拾い上げて音響処理のために分離された信号を生じ、それによって背景の音響信号を排除できるようにした、マイクロフォン／スピーカの組み合わせに関する。更に詳しくは、本発明は、ユーザからのスピーチに応答する耳取付型マイクロフォン／スピーカであって、周囲の背景雑音から実質的に分離されフィードバックが発生することなく二重にすなわち共用して（in  duplex）使用し得るマイクロフォン／スピーカに関する。
2.従来の技術
日常生活のほとんどすべての側面におけるコンピュータを基礎とする制御システムの出現で、声による直接的な命令能力を提供する安価なシステムの必要性が再び強調されている。現在では、ほとんどのコンピュータ・システムは、データ及び処理命令を与える手段として、キーボード入力に依存している。これは、時間がかかることと両手がキー・パッド上に位置していなければならないという物理的な要求との点で制約を受けるだけではなく、データ入力の効率をユーザのタイプ速度に制限してしまう。実際、今日のコンピュータ・システムの成熟度と比較すると、一度に１つの文字又は数字ずつ行われる、命令を入力する際に支配的であるこのようなデータ入力方法は、ほとんど原始的にさえ見える。
これは、音声で付勢される入力システムの開発が無視されてきたと言っているのではない。コンピュータへの入力装置としてのキーボードを不要にするであろう声による指令方法を実現する必要性は、以前から認識されていることは明らかである。しかし、多くの問題点が未解決のままであり、音声による付勢システムは、費用の点から見て、一般の市場が負担可能な限度を超えている。たとえば、商業的なソフトウェアの音声認識の一般的な信頼度は、45〜60％である。この割合では、システムは、平均で２語の内の１語を正しく識別するだけである。これでは、一般的な応用には不適切である。この信頼度は、コンピュータにおいて受信される音声信号を変更することになる背景雑音やユーザの移動性やそれ以外の予測不可能な変数などの環境的なファクタが含まれると、更に低下する。
音声による付勢システムの典型的な応用例では、ディクテーションの最中に電話が鳴ることがあろうし、異なる音声パターンを有する別の音声やクラクションや時計のアラーム等、任意の多数の外部の背景雑音による中断が生じることが予想される。話している個人の位置がシフトするだけでも、コンピュータの音声認識を混乱させるほど音声信号を変更してしまう。話者が単に顔を別の方向に向けるだけで、音声認識を危うくするのである。
音声指令システムが一般に使用されるには、これらのアノマリ（anomaly）が解決されなければならない。音声信号の迷路をふるい分けして進み背景雑音を分類し排除しようとする複雑なアルゴリズムの作成に、現在のところ、努力が集中されている。結果的に検出されるあらゆる潜在的な不必要な信号を、完全に予測しプログラムするのが不可能であることは明らかである。ユーザによる音声の種類は、これよりも更に困難である。というのは、風邪をひいた時の鼻の問題やマイクロフォンへの声の方向の変動は、分類し定量化するにはあまりに困難である。その結果、音声指令システムは全体的な運用において例外的（marginal）であって、極端に高価なものである。
疑いなく、音声認識の問題は、部分的には、音声信号処理の媒体として従来型のマイクロフォンを使用することによって生じる。音声認識のためには、音声入力をデジタル又はアナログ信号に変換する必要があるのは明らかである。一般に、デジタル変換がなされた後にデータベース情報との比較が可能になる。通常のマイクロフォンは音声を無差別に拾い上げるので、それにより、混乱の主な原因である背景雑音を付加してしまう。
音声のいくらかの識別は、周波数フィルタや、接近減衰器や、その他の、周波数又は振幅の共通の特徴に関する音声特性をグループ分けする装置によって達成されるが、話者が孤立していない環境にいる場合には、所望の音声を完全に分離することは一般的には達成できない。単方向性のマイクロフォンを応用することによって分離能力が向上してはいるが、そのような完全に選択的マイクロフォンの開発は長い間にわたって必要とされてきたし、該マイクロフォンが用いることができたとすれば、数え切れない応用例において大きな効果を奏したであろう。例えば、両手が自由でありマイクロフォンが一次的な話者の声と共に背景信号を拾い上げるような任意の電話システムについて、効果を奏したであろう。セルラー式自動車電話のためのバイザー・マイクロフォンは、その一例である。ビデオ及び音響作品を記録または再生している最中に、静かにコミュニケーションをしなければならないテレビ及び舞台カメラマンやそれ以外のサウンド・テクニシャンは、分離されたモードで最良に機能する一定のコミュニケーションを要求される。スイッチボード・オペレータ、パイロット、モーターサイクリストなど、高ノイズ環境下でのオンライン通信システムにおけるすべての作業者は、音声信号をすべての非必要な音から分離する通信システムを必要としている。
コノミ（Konomi）による米国特許第4588867号は、これらの問題のいくつかについて述べており、空気中を伝達される音波を排除し話者の音声の骨の中の伝達を利用する耳取付型マイクロフォンの使用の可能性を開示している。この装置が適切に動作できない原因である技術的な問題以外にも、実際的な考慮から、この耳取付型マイクロフォン・システムは、一般的に受け入れられることが難しい。たとえば、このコノミによる装置は、マイクロフォン要素を耳管（ear canal）の奥深くに配置され骨からアクセスされるべき振動を受ける。これによって、補聴器の場合と同様に、ユーザの耳のそれぞれの構成に応じて大きさが決められた挿入部分を作成する、という高いコストが必要になる。また、更に、耳の中に物を挿入されるという不快感があり、不自然で受け入れられない感覚を生じ、それにより、この装置の普及が妨げられているのは疑いないことである。
更なる問題として、コノミ文献は、デュープレックス・モードが選択されているマイクロフォン要素とスピーカとが極めて近接していることから生じる音声フィードバックも受けてしまう。コノミ文献においては、装置のマイクロフォン部分とスピーカ部分との間に音声（音響）吸収バリアを挿入することによって、このようなフィードバックを低減しようとしている。バリア全体を垂直に形成することが不可能なため、いくらかの音声が回り込んでしまい、ある程度のフィードバックを生じてしまう。言うまでもなく、受け入れ可能な耳取付型マイクロフォンの提供という目標は、コノミによっては達成できない。
ノリス（Norris）による米国特許第4930156号は、耳マイクロフォン／スピーカの組み合わせを開示することによって音声フィードバックの問題に触れている。しかし、マイクロフォンは耳の外部に配置され、周辺の雑音を感知する。従来のものよりも優れてはいるものの、話者の音声の分離がなされていないので、この装置は限定的にしか受け入れられるものではない。
ポラドスキ（Poradowski）による米国特許第400355号並びにガブラ（Gabr）による米国特許第3995124号及び3922488号には、単方向性システムとして通常参照される、複数の一連の方向性マイクロフォンについて開示されている。これらのマイクロフォンは、典型的には、マイクロフォンのケーシングの向き合う両端部において対向する開口を有している。これにより、音波が包囲されているスピーカ要素に対して別の方向からケーシングに侵入することが可能になる。複数の音波の源（原点）がマイクロフォンからある実質的に等しい距離にあれば、対向する開口それぞれにおける各音波の到着は実質的に同時になる。これによってスピーカのケーシング内に２つの対向する音波が設定されるので、この波は打ち消しあい、スピーカ要素では音は基本的に検出されず、すなわち記録されない。
この技術が用いられることで、周囲の雑音が削減され、上述の電話オペレータ、カメラスタッフ、それ以外の分離通信システムのためのスピーチ（会話）の分離がなされてきた。典型的には、この単指向性マイクロフォンは、話者の口の直前にこのマイクロフォンを位置させるブーム又は前方に延長する支持アーム内に配置されている。口に極めて接近していることにより、各開口での波の到着の時間差に基づいて、対向する開口における音波の差動応答が与えられる。結果的には、直近の音波は相殺せず近くのスピーチに幾らかの選択性を与えるが、音響波がスピーカ・ケースメント内のそれぞれの開口に同時に到着するに十分な距離で発生した音とは異なる。
しかし、話者の顔の前に下げられたブームの不便さに伴う不快感が残る。このブームは、ユーザの顔の方向への食べ物や飲み物を運ぶときに干渉して障害となるし、また、マイクロフォンをその適切な位置から移動させる動きを制限するファクタにもなる。化粧の点からも、それは明らかに不人気である。しかし、従来技術では、マイクロフォンを顔から離して耳に近づけようとすると、ユーザの耳に位置する関連のスピーカとのフィードバックの問題が生じてしまうので、ブームは、スピーチをマイクロフォン・システムにおいて分離するために必要な手段である。
単一方向性マイクロフォン・システムは、今まで、分離されたマイクロフォン・アプリケーションに限られていたが、これは、スピーカ要素を備えたマイクロフォンの複合体が通常フィードバックを伴っているからである。マイクロフォン／スピーカ複合体に関する共用（デュプレックス）モードにおけるフィードバック制御は、多年にわたって継続的研究の対象であった。耳がマイクロフォン／スピーカ共用体の理想的な支持位置であることは通常認識されていることであるが、フィードバック及び音声分離等の解決すべき技術的問題は、非常に大きなチャレンジすべき目的である。
したがって、必要なのは、話者の声を周囲環境からより効果的に分離し、かつフィードバックなしに同一のハウジング内に備えられるスピーカを使用することが可能な、マイクロフォンを提供することである。このような装置は、耳管内への物理的構造物の挿入を不要とし、それに付随する適合装着のための費用や不快感も不要となるものである。
目的及び発明の概要
本発明の目的は、話者の声をすべての無関係な背景雑音から分離する能力を有する耳取付型マイクロフォンを提供することである。
本発明の更なる目的は、耳管内にいかなる物理的構造物を侵入させることを必要とせずに、話者の音声をすべての外部の雑音から分離する耳取付型マイクロフォンを提供することである。
また、本発明の別の目的は、スピーカを含み、該スピーカがマイクロフォンの近傍にあっても送話／受話モードで双方向（共用）動作が可能な耳取付型マイクロフォンを提供することである。
本発明の更に別の目的は、耳に取り付けられて、両手が自由でフィードバックのない双方向コミュニケーションを可能にするマイクロフォン／スピーカ装置を提供することである。
本発明の更に別の目的は、コンピュータ又はモデムに音声入力を与え、制御を行う音声による直接命令のための、音声認識を容易にすることが可能な耳取付型マイクロフォンを提供することである。
本発明の他の目的は、電話システムと相互接続可能なマイクロフォン／スピーカ複合体を提供して、双方向モードで送話及び受話が両手が自由な状態でできるようにすることである。
本発明の更に別の目的は、無線周波数信号を受け取ることのできるモデム、コンピュータ、そのほかの受信装置とワイヤレスで通信を行うためにテレメトリ・ユニットの中に結合できる耳取付型マイクロフォンを介して、音声のピックアップを可能にすることである。
これらの及びこれ以外の目的は、スピーカ端部とマイクロフォン端部とを有するハウジングを含む通信システムで用いるイヤー・デバイス（耳装置）において実現され、このスピーカ端部は、動作中に耳管に侵入させる構造体を含むことがなく、ユーザの耳管において不快感なく最適に適合するように構成されている。スピーカ端部とマイクロフォン端部とは、このマイクロフォン端部を包囲してマイクロフォン区画を形成する音響的絶縁壁によって隔てられている。音響的絶縁手段が、スピーカ要素とハウジングとの間に結合され、ハウジングのマイクロフォン端部での音声ピックアップの感度に干渉する不所望の周波数を選択的に分離する。マイクロフォン要素が、区画の中に実質的に含まれかつハウジングによって頭蓋骨との接触から分離される位置に、該マイクロフォン要素がハウジングのマイクロフォン端部に取り付けられる。このマイクロフォン区画は、ユーザの頭蓋骨の近接位置と比較してある実質的な距離からこの区画に入るマイクロフォン要素における音波を排除する手段を含む。マイクロフォン要素からの信号出力を処理のために音響回路に結合する手段が提供される。背景雑音及び遠距離信号の排除のために、ハウジング内に多数の開口を提供するための、実現方法が開示されている。
本発明の他の目的及び特徴は、当業者にとって添付図面を参照すれば明らかとなろう。
図面の説明
図１は、スピーカ要素とマイクロフォン要素とを含むイヤー・デバイスの全体的な立面図を示す。
図２は、線２−２に沿って見た、図１のデバイスのハウジングの断面を示す断面図である。
図３は、装置のマイクロフォン要素の水平的構造を表している一部切断した形態の、第２の実施例を示している。
図４は、マイクロフォン区画部の内部構造の拡大図を示している。
図５は、マイクロフォン区画部のハウジングの内部構造を示している。
図６は、図３の組み立てられたデバイスの上面図である。
図７は、図３の底面図である。
図８は、マイクロフォン区画部とともにある音声吸収ガスケットを図解的に示している。
図９は、図８のガスケットの上面図である。
図10は、図８のガスケットの、線10−10に沿った断面図である。
図11は、図３のデバイスの斜視図である。
図12は、ユーザの耳に位置決めして用いられる電話システムの一部分として、本発明を使用する場合の回路図である。
図13は、電話回路と組み合わせたイヤー・ピース・デバイスの概略図を示している。
図14は、テレメトリ・システムとともに本発明のイヤー・ピース・デバイスを用いた状態を示している。
図15は、本発明のイヤー・ピース・デバイスをコンピュータ及びモデムと共に用い、音声認識及び音声指令を可能にするようにした使用状態を図解して示している。
発明の詳細な説明
図面には、耳の位置決めされて耳管の軟骨によって支持されるマイクロフォン・スピーカ・デバイスの２つの実施例が示されている。それぞれの例におけるマイクロフォン要素は、着用者のスピーチをピックアップするために、集中的な感度が得られ、一方、背景雑音に対応する遠距離の音声に無関係となるように構成される。両方の実施例は、ハウジング内に生じる振動からマイクロフォン要素を音響的に分離することによって、さらには、着用者の音声信号の検出及び送信を阻害する背景雑音を排除することによって、フィードバックをほぼゼロにするように構成されている。
両方のデバイスにほぼ共通の特徴は、スピーカ及びマイクロフォンのケーシングすなわちハウジング内に生じた振動信号を、マイクロフォンによってピックアップすることがないようにするための技術である。マイクロフォン要素で受け取ったこのような振動は、通常フィードバックを生じ、このフィードバックが、耳取付型双方向デバイスの形成に対して主要な問題点となっていた。本発明は、エネルギがマイクロフォンに到達する前に、ほとんどのエネルギを吸収する特別に構成された支持ガスケットを用いており、また、マイクロフォンのアクティブ要素、すなわち垂直構造に残っている信号を排除するためにガスケット内にマイクロフォン用の特殊な支持構造を用いている。これらの特徴は、図１の垂直構造及び図３の水平構造に示されている。
図１の実施例に戻ると、本発明のイヤー・ピース・デバイス10は、ユーザの耳16の位置に置かれた際にその指向性の向き14が耳管15（図14）の方向になるようにスピーカ要素13を包囲することができる空洞12を形成するハウジング11を含む。ハウジング11内に含まれるマイクロフォン要素17は、ユーザが発生する音声振動を主に検出する。
ハウジング11は、一端19が、周囲の耳の組織20、21との摩擦接触によって耳管15において不快感なく最適に適合するよう構成されている。重要な点であるが、ハウジングとそれに付随する構造は耳管15の中には延長せず、したがって、このデバイスの使用のときに、いかなる不快感も与えないし、特別の適合要素を課したりもしない。ハウジングは、ABSプラスチック等の任意の適切な物質で形成され、好ましくは、スピーカ13とマイクロフォン17との間の振動の伝達を最小にする物質で作成される。
マイクロフォン17は、炭素、エレクトレット、圧電クリスタルなどの任意の従来型のものである。図２に示した実施例は、エレクトレット・マイクロフォンであり、マイクロフォン・ケースメント25と共に配置されたアルミニウム処理したマイラー・ダイアフラム及びプレート18を有している。このケースメント25は、ハウジングからの振動を機械的及び音響的に分離する音響的な取付リング28によって示される特殊なガスケット構造有するマイクロフォン端部のハウジング34内に挿入される。ガスケットによって吸収されない振動、すなわち、取付リングを通過する振動は、マイクロフォン要素18からのほぼ等しい侵入距離で、マイクロフォン・ケーシング25内に伝達される。各取付リング28から中央に配置されたマイクロフォン要素18までの距離がほぼ等しいことにより、ハウジングからの振動は、マイクロフォン要素にほぼ同時に、しかし反対の位相関係で到着する。したがって、対向する振動の波動は相殺し、波動エネルギーすなわち振動を生じない。よって、マイクロフォン要素は、機械的にも音響的にも、音の絶縁とマイクロフォン・ケーシング25での相互接続構造によって与えられる音の相殺とによって、分離される。厳密な分離距離は、相殺の効果が最大になるまでケーシングに沿って取付リングを調整することによって、物理的に同調可能である
背景音声の振動は、ハウジングとケーシングとを介して周囲の環境とコミュニケーションする少なくとも２つの対向する開口22a、22bを用いることによって、相殺される。ユーザの口からイヤー・デバイスへの距離と比較してある実質的な距離から移動してくる音波に関しては、そのような波は、開口22a、22bそれぞれに同時に到着する。音波は、各開口で同時に形成され、相殺するまでマイクロフォン要素の方向へ伝播する。したがって、ディスタント（distant）音声送信は、開口22a、22bそれぞれを通過して侵入する対向する波の重ね合わせにより、効果的に相殺されてしまう。図３に示されるように、マイクロフォン要素のそれぞれの端部に、１つの開口ではなく複数の開口を用いることで、同様の音の相殺がなされることは明らかである。
第２のハウジング部分42を形成したことにより、外に出るワイヤ43、44、45のためのコンジット（管）として機能する。ワイヤ43は、マイクロフォン要素から延長する外部部分を表している。ワイヤ44、45は、スピーカ要素13と結合する接続用である。
同じハウジングの中のスピーカ及びマイクロフォン両方の二重動作（duplex  operation）を可能にするためには、スピーカ要素13をケーシングから音響的に絶縁（分離）する必要がある。本発明では、これは、無線回路の中のバンドパスフィルタと類似の動作をする絶縁手段50を同調することによって達成される。具体的には、スピーカ要素13が、スピーカ要素の周囲に延長しハウジングをスピーカ要素から分離するように動作する、音響的絶縁手段としての非振動リング50を介して、端部ハウジング36に取り付けられる。これは、更に、ハウジングを通ってマイクロフォン要素の中への音響的振動の送信を防止するのに役立つのだが、これは防止できなければ不都合なフィードバックを引き起こす。クレトン（tm）、ソフト・ポリマー、これは所望のガスケットの計上を射出形成できるものであるが、音声吸収には極めて大きな効果を有するものである。これは、本発明の実施例において用いられる音声吸収材料として、現在において好適な材料である。
この問題は、スピーカ要素13とマイクロフォン要素17とが非常に近接しているので、二重動作の際には重大である。このように近接している場合には、スピーカ要素に付随する振動は、通常ハウジング内に伝達され、直ちにマイクロフォン要素17に与えられてしまう。サイド・トーンが存在する二重電話システムでは、マイクロフォン要素17からの信号はスピーカ13にフィードバックされて、ユーザは自分自身の声が再生されて聞き取れることになる。スピーカを音響的に分離できないと、結果として振動エネルギがハウジング内に移動し、それにより話者の声がループ内を再度回転することになる。この結果、フィードバックと称されるよく見られる現象が生じる。
この絶縁リング50は、スピーカに与えられる周波数よりも実質的に低い特定の周波数範囲に特に選択すなわち同調され、よってスピーカを音響的に分離する、クレトン等の物質から成る。シリコンを含み他の適切な物質もまた用いることができ、絶縁リング50を特定の周波数範囲に同調させるために用いられる。特殊な材料の選択は、検出され、振動エネルギを吸収するための特別の周波数に同調し、そしてハウジング11への侵入経路をブロックする周波数帯域に依存するものである。そのような物質を、細いスピーカ・ワイヤ44、45がハウジングを通過してコンジット42に出て行くハウジング11の後方部分24でも使うことができる。スピーカと、付随するワイヤリングとの両方が絶縁されれば、スピーカの振動は分離され、フィードバックなしの二重動作が容易になる。
図３には、本発明の第２の実施例が示されており、該第２の実施例においては、マイクロフォンがハウジング46内に配置されており、該ハウジングは、マイクロフォン区画47a及び47bを含んでいる。アクティブのマイクロフォン要素48は、支持ガスケット51内にある角形ケース49に吊り下げられている。この支持ガスケットは、図２に関連して説明した複数のリング28と同様な機能有する。しかしながら、この第２の例においては、ガスケットは一つの射出形成要素で構成されており、リング28と同様な雑音除去を行う。この機能については、以降により詳細に説明する。
マイクロフォン要素は、ハウジングに少なくとも２つの開口を備えており、これらの開口は、マイクロフォン要素に音響波を通過させるよう動作する音声伝達部分を形成する。一方向技術については既に上記で説明した。この実施例は、少なくとも３つの開口52a,52b及び53を含み、マイクロフォン要素に音響波を通過させるよう動作する音声伝達部分を形成する。少なくとも２つの開口52a及び52bは、ハウジングの上部の側面部分に配置されており、アクティブ要素48によって画定される中間平面54の上に形成されている。残りの開口53は、中間平面の反対側のハウジングに形成され、すでに説明したような、距離がある背景音声を表す音響波を排除することができるように構成されている。
図示した実施例は、３つの開口52a、52b及び53を共通平面55内に配置している。このようにすることにより、アクティブ要素の両側部から前の波の伝達に好適であり、不所望の背景雑音をより十分に除去することができる。この仮想的な共通平面は、マイクロフォン要素の中心軸を含み、中間平面の両側部分から伝搬された波の前端の最も強い相（アスペクト）が、アクティブのマイクロフォン要素48の中心部分に到達するようになる。
同様に、ハウジングの上部に形成された２つの開口52a、52bは、相反対側に形成され、かつマイクロフォン要素に関して高さが同一となるように位置決めされている。分離された開口を有する構成により、波前端のフォーメイションを増強し、これにより背景音声波の完全な除去を可能にする。この開口の分割構造はまた、マイクロフォン・ケーシング上の空間を減少させることができ、また、滑らかな連続的上部表面56（図６）を備えることによって、ハウジングに改善された美学的構造を提供することができる。
それぞれの開口52a、52b及び53を介して伝達される背景雑音に同一の振幅を保持するために、中間平面の一つの側面にあるすべての開口のトータルの開口サイズが、該中間平面の反対側の他方の側面にあるすべての開口のトータルの開口サイズと等しくすることが好ましい。したがって、円状の開口53の表面エリアは、２つの矩形の開口52a、52bの表面エリアとほぼ等しい。
ハウジングの幾何学的形状の変更は、開口の構造及び量の選択に影響を及ぼす。このようなハウジング及びほぼ矩形ボックスに形成されたマイクロフォン区画に関して、開口の図示された配列は、図２に示された対向する単一開口の使用に比べて、非常に大きな改善をもたらす。図３の実施例においては、ボックスの上部側部が対向する長い縁を有し、該縁が、対向する垂直側部壁57、58に上部壁56を接続している、曲線状のまたは傾斜を有する側部壁を形成する。既に発見されているように、対向する傾斜のある側部壁にそれぞれ２つの開口52a及び52bを配置することにより、背景雑音をより効果的に排除して、所望の信号をより明確にすることができる。
多数の開口52a、52b及び53によって実現される単一方向マイクロフォン技術によって背景信号をろ波することに加えて、本発明においては、フィードバックを効果的に阻止するために、マイクロフォン要素をハウジング内に生じる機械的振動から分離することが要求される。これは、支持リング28を備えた図１の実施例によって達成される。図３の実施例は、周囲に配置され、ハウジングとマイクロフォン・ケーシングとの間にブリッジを形成し、かつアクティブ要素48を含んでいる支持ガスケットを用いた、改善された構造である。
支持ガスケット51は、ユニークな構造及び配置を提供し、ハウジングから受け取る音声振動を吸収または消散させ、マイクロフォン要素48に伝達された残りの振動を排除するよう機能する。この構造は、ハウジングの内部表面81と密接に接触するよう構成された外部周囲体80を備えている。この接触は、ハウジングの振動のガスケットへの均一伝達を得るために、密接に接触している必要があり、波の除去がアクティブ要素48において生じるようにするためである。
図示された実施例においては、ガスケットの外部周囲体80及びハウジングの内部表面81は、非円形構造であり、これらは対向して配置されて、接着剤を必要とせずに、マイクロフォン区画内にガスケットを固定位置に確実に位置決めする。接着剤は固化または脆くなり、そして振動エネルギを低減または吸収することを効果的に行えなくなってしまうので、ガスケットとハウジングとの間の接着剤を不要にすることは、重要なことである。ハウジング内にガスケットを固定するために非球形構造を用いたことは、タグ・イン・グループ（tongue−in−groove）方式で動作し、ハウジングの対向する側部46a、46bの間のガスケットの強固な圧縮を可能にする。
図示されたハウジングの間の接触表面の構造は、ほぼ凹部とみることができ、また、ガスケットの外部周囲体はほぼ凸部を有しており、ガスケットがハウジングの凹部構造に包囲されるようにすることができる。特別な非円形の接触構造は、中央部82を有し、該中央部は、円形であるが上部83及び下部84に結合されている。周囲体のこれらの上部及び下部は、反転コニカル構造をそれぞれ形成し、該構造は、円形の中央部分の上部縁85と底部縁86との接合を形成する１つの縁で、大きな直径を有し、円形中央部分の平面から離れて伸びる残りの縁87及び88において、小さい直径を有している。同様に、ハウジングの内部表面は、円形表面105及びコニカル表面106、107と鏡像関係にある、同様な構造を有しており、凹部接触表面81及び凸部接触表面80をそれぞれ形成する。
これらの接触表面は、図３及び図４に示されている。小さい環状キャビティすなわちギャップ89がガスケットの外部周囲体の回りであって、ガスケットとハウジングとの間に設けられて、絶縁キャビティ・リングを形成し、該キャビティ・リングは、ガスケットのハウジングとの接触部を上方部分83と下方部分84とに分割する。中央部分82ではなく、ガスケットの上方表面83と下方表面84を介して音響波が伝達されることには、利点がある。これは、ハウジング及びガスケットの接触表面の他の構造では、ここで説明した発明の技術と同様に働くことができないと、言う訳ではない。
発明のこれらの技術の主要アスペクト（観点）は、ガスケットの内部周囲体100の提供も含んでおり、該内部周囲体は、マイクロフォン・ケーシングにおける接触102及び102の２つの分離された周囲点を画定する。リング28に関して、これらの接触表面101及び102がそれぞれ、アクティブ要素48を含む平面の上の対向する側部から同一の距離にある。これら表面は、マイクロフォン・ケーシングに残存する振動の伝達接触を提供し、そこで、これらは、アクティブ要素48に伝達される。アクティブ要素からこれら表面が等しい距離を隔てている結果、波の前端（wavefront）は同時に到着し、かつこれらが反対の位相を有していることがらキャンセルされる。
これは、ガスケットの内部周囲体が、環状キャビティ103を含み、該環状キャビティが、ガスケットの内部周囲体回りでかつガスケットとマイクロフォン・ケーシングとの間に配置されていることから、生じることである。これにより、絶縁キャビティ・リングを形成し、該リングは、ガスケットのケーシングへの接触を上部部分と下部部分とに分割し、これら上部及び下部部分は、アクティブ・マイクロフォン要素を含む平面から等しい距離となるものである。ガスケットの内部周囲体の上部及び下部部分がそれぞれ、マイクロフォン・ケーシングの回りの円形状の連続接触として示されているが、周囲体の回りに不連続接触点が存在してもよく、またアクティブ要素においてある程度の雑音除去がなされるようにしてもよい。したがって、他の構造のマイクロフォンとガスケットとのインターフェースを用いることも可能であり、例えば、それぞれの接触表面80、81が全体的に接触しているような構造も用いることができる。
図１及び図３に示された装置はハウジングから到来する不所望な音声振動を消散及びキャンセルすることができるので、該装置の一部分としてスピーカが挿入されても動作することができる。したがって、スピーカ・キャビティ110を装置のスピーカ端部111に備えることができる。スピーカ端部は、マイクロフォン区画47と反対側のハウジング端部112に設けられるよう構成されている。スピーカ・リード線113が、スピーカを、装置へのそして装置から信号を処理する回路に接続するために備えられる。これらのリード線は、ハウジングを出て、カラー115及びケーブル・シールド116を介してことになる。同様にして、マイクロフォンがリード線117によって処理回路と接続される。バリア壁120によって、マイクロフォン区画47とスピーカ区画とが分離されている。
ハウジングは、図３に示されるように２つの部分に射出成型することができる。ガスケット51、マイクロフォン及び接続ワイアは、受信チャンネル81に配置されたガスケットとともに適宜の位置に配置し、該２つの半分のものは、スピーカ端部111と固定される。マイクロフォン要素は、受信チャンネル81の構造によって、マイクロフォン区画内に適切な関係で自動的に配置される。マイクロフォン区画は、ほぼ等しい体積の２つの部分47a、47bに分割される。これは、マイクロフォン要素48に生じるキャンセル作用を平衡させることに役立つ。
図12は、マイクロフォン信号及びスピーカ信号を処理するための回路の一例を示しており、該回路は、２重動作が可能な電話用イヤー・ピースの一部分を構成している。この技術分野の当業者には、他の回路も、マイクロフォンだけの装置またはスピーカとマイクロフォンとの組み合わせ装置に適用可能であることは、明らかであろう。
図13には、通信ネットワークに接続される電話の標準的ジャックに結合された基本的な電話ユニット及びケースメント60が図解されている。80として示されている本発明のイヤー・デバイスは、マイクロフォン及びスピーカ信号を提供し、この信号は処理されて電話ユニット60に結合された従来型のワイヤリング61を関して送信される。このシステムを標準的な４本のリード線の電話ワイヤに適合させる一般的な結合構成は、米国特許第4930156号に開示されており、図13に示されている。このシステムの更なる詳細については、この米国特許を参照することによって得られる。
本発明は、モード切換装置63を使用することによって、この標準的な電話システムに結合される。これは、制御回路と本発明のイヤー・デバイスとがあたかも接続されていないかのように、１つの位置が信号を直接にハンドセット64に転送するトグル・スイッチによって構成される。二次的な位置に切り換えられると、信号は、上述の米国特許に記載されているように動作する相互接続ジャック62に転送される。出力線67が、スピーカ信号を伝送し、スピーカ増幅器とマイク前置増幅器と位相制御とを含む主たる制御回路68に印加する。第２の出力線69は、マイクロフォン信号を、ダイオード・ブリッジ70を介して主たる制御回路68まで伝送する。マイクロフォン信号とスピーカ信号との両方が、４本のワイヤ接続線78に沿って、耳に取り付けられている本発明の図１と図３とで示したスピーカ／マイクロフォンの組み合わせ装置まで送信される。また、明らかであるが、相互接続リード線78は、この二重電話システムにワイヤレス・モードを提供することができる無線周波数の送信機／受信機によって使用される。同様にして、このシステムは、図14に示したベルト送信機82にワイヤ接続することができる。このシステムでは、マイクロフォン又はマイクロフォン／スピーカの組み合わせのどちらか一方を有するイヤー・デバイスを、耳からベルト送信機82にワイヤ接続して、ハウジング11内に位置する送信機ユニットの重量を増加させることなく、便利な動作が可能になる。
図14に示した実施例は、音声認識能力を有するコンピュータ・システムに向かって声音命令を送信するのに特に有用である。これは、音声再生が分離された内容を有するからである。マイクロフォン・モードでは、このデバイスは、ユーザの音声から音波を受信する。他方で、遠い距離からの音波は、マイクロフォンに受信されるが、上述したように相殺されてしまう。同様に、ユーザの頭部の回転は音声送信の質に影響しない。これは、耳と口との間の相対的な距離が不変だからである。
話者の音声を環境から分離するこの方法から考えると、この耳取付型マイクロフォンによれば、音声認識を実現させるためのアルゴリズムを大幅に簡略化できる。本質的には、話者の声は一般に同じであって、アルゴリズムとコンピュータとを訓練することにより、ハウジング11の中に伝達される音響的振動に伴う対応する命令を再生するのに用いることができる。
45〜60％の信頼度を有していた従来型の音声認識システム内において、本発明を代替的に用いた場合には、音声認識は平均で80〜90％まで向上した。この著しい改善は、この出願に開示され特許請求された本発明のマイクロフォン要素の使用によるものであり、コンピュータ・システム一般に対する音声による命令の新たな時代を開くものである。
たとえば、図15には、音声認識能力をもつソフトウェアを含むコンピュータ90での音声命令の使用を図解してある。音声命令は、本発明の耳のマイクロフォン91を介して与えられ、このマイクロフォンは、適切な信号を増幅してコンピュータの背面にあるコンピュータ・モデム（図示せず）に供給する制御回路93の中にワイヤ接続されている。これで音声の命令が可能になり、ユーザは、直接に所望のアクションを声によって述べることができ、コンピュータはそれに直ちに応答することができる。更に音声コミュニケーションも、ユーザが第三者との同時の音声による通信を可能にするよう結合された電話線94を介して、可能になる。
このシステムに基づいて、ユーザは、文書の準備やその他の事項に関して生じる種々の論点について会議電話で議論することができ、これらは、コンピュータ・システムの計算によって容易になっている。また、ユーザは、直ちにコンピュータに対して声の命令を与えて、所望の動作を実行することができる。これは、すべて、両手が自由なモードで、オペレータのいる場所に関係する環境的な雑音について気遣いすることなく達成できる。このシステムは、更には、相互的なコミュニケーションのために可動式にすることもでき、オペレータがオフィスビルの中を移動しても、このオフィスビルをマイクロセル通信システムによって構築しておけば、コミュニケーションが可能となる。この例におけるテレメトリ・システムが図14に示されており、セクションからセクションへと移動しながらでも、種々のマイクロセルを単一の通信ネットワークに結び付けている共通の周波数で直接に通信するオペレータによって使用することができる。この場合には、オペレータは、コンピュータに向かって音声で命令し、何らかの動作をさせ、マイクロセル内の他の個人とも直接に通信可能であり、音声の命令だけによって複数の仕事を実行することが可能である。更に、ユーザは、マイクロセルの外部の第三者へ電話することをコンピュータに命じることができるし、この相手との直接の電話線による通信を、イヤー・デバイス10内の二重モードにより実行することが可能である。このようなシステムによれば、オペレータは全体的な柔軟性を得ることができて、移動も可能だし、両手が自由であるから複数の仕事をしながら複数の人間と通信ができる。
これらの種々の利点と改善とは、小さなマイクロフォンを含んでいるハウジング内の背景雑音から、該小さなマイクロフォンによって検出された所望の耳骨振動を分離する方法によって提供されるが、この方法は、一般に以下のステップによって表される。すなわち、
ａ）マイクロフォン・ケーシングと、ハウジングを形成するマイクロフォン区画内のマイクロフォン要素とを位置決めするステップと、
ｂ）図３に示された構造にしたがって、マイクロフォン要素へ周囲の音声波を通過させるよう作用する音声伝達部としての、少なくとも２つの開口をハウジングに形成するステップと、
ｃ）マイクロフォン・ケーシングと、ハウジング及びマイクロフォン・ケーシングの間にブリッジを形成する支持ガスケット内のアクティブ要素とを位置決めするステップであって、ガスケットが、ハウジングと接触する外部周囲体と、マイクロフォン・ケーシングと接触する円周上の２つの点を分離する内部周囲体とを有し、これらが、アクティブ要素を含んでいる平面から等しい距離にありかつ該平面上の対向する側に配置される、ステップと、
ｄ）マイクロフォン要素からの信号出力を信号処理のために音響回路に結合するステップと
である。
好適実施例の装置は、中間平面の一方の側に少なくとも３つの開口を備えており、これら開口は、マイクロフォン区画の側壁に近く、それぞれの開口の間の空間的距離がほぼ等しく、かつアクティブ・マイクロフォン要素からの水平方向の高さが等しくなるように配置されている。
好適実施例と特定の例示を開示してきたが、開示した例の種種の変形が可能であることが理解できるであろう。例えば、図11に示された実施例は、上部（トップ）121に３つまたは４つ開口120を使用して、マイクロフォンの方向性感度を増大することができる。図３に示された３つの開口は、それぞれの開口を結んだ線に沿った方向性感度を有していることが明らかである。ハウジング及びマイクロフォン区画の上部又は底部の回りの開口を増加することにより、方向性感度をより高くすることができる。
したがって、本発明の範囲は、次の請求の範囲だけによって決定され、ここで説明した実施例に限定されないことは、当業者ならば理解するであろう。
【図４】
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【図５】
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【図１】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図２】
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【図９】
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【図１０】
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【図３】
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【図１１】
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【図１４】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１５】
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