(57)【要約】【課題】複雑な演算処理を行うことなく、周波数に応じた音の認識を行うことのできる音響センサを得る。【解決手段】共振部２と、共振部２を構成する共振子７，８をその片端で保持する保持部３と、保持部３の両端において伝搬部５を介して設けられたダイヤフラム４，６とを有する音響センサである。共振子７，８は、特定の周波数の音に対して共振し、共振子７，８上には、当該共振子７，８の共振に伴う振動量に応じた電圧を発生する圧電素子が設けられている。そして、共振部２は、相互に異なる長さを有する複数の共振子７，８で構成され、これらの共振子７，８が相互に異なる周波数で共振するようになっている。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定の周波数の音に対して共振する共振子であって、
前記共振子上には、当該共振子の共振に伴う振動量に応じた電圧を発生する圧電素子が設けられていることを特徴とする共振子。
【請求項２】
相互に異なる長さを有する複数または複数対の請求項１記載の共振子で構成され、これらの共振子が相互に異なる周波数で共振することを特徴とする共振子アレイ。
【請求項３】
複数の前記共振子のうち少なくとも一つまたは一対は除去すべき音の周波数に共振するようにされていることを特徴とする請求項２記載の共振子アレイ。
【請求項４】
請求項２または３記載の共振子アレイと、
前記共振子アレイを構成する前記共振子をその片端で保持する保持部と、
前記保持部の両端において伝搬部を介して設けられたダイヤフラムとを有することを特徴とする音響センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、音声認識処理や音響信号処理等において音信号の特徴を抽出するために用いられ、各周波数帯域における音信号の強度を検出する音響センサおよびこの音響センサに用いられる共振子ならびに共振子アレイに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来において、例えば、音声認識を実行するシステムにおいては、音声信号を受信したマイクロフォンの振動を、アンプにて電気信号に変換・増幅した後、Ａ／Ｄ変換器でアナログ信号をディジタル化して音声ディジタル信号を得、この音声ディジタル信号にコンピュータ上でソフトウェアにより高速フーリエ変換を施し、音声の特徴を抽出する。このような音声認識のシステムについては、ＩＥＥＥ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｍａｇａｚｉｎｅ，Ｖｏｌ．１３，Ｎｏ．４，ｐｐ．４４−４７（１９９６）に開示されている。
【０００３】
音声信号の特徴を効率良く抽出するためには、音声信号が定常であると見做せる時間内の音響スペクトルを計算する必要がある。音声信号の場合には、通常１０〜２０ｍｓｅｃの時間内で定常と見做せると考えられている。したがって、１０〜２０ｍｓｅｃを周期として、その時間内に含まれる音声ディジタル信号に対して、コンピュータ上のソフトウェアにより高速フーリエ変換等の信号処理を実行する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように従来の音声認識技術では、瞬時の全帯域を含んだ音声信号をマイクロフォンによって電気信号に変換し、その電気信号のスペクトルを分析するためにＡ／Ｄ変換を施して各周波数をディジタル化し、その音声ディジタル信号データを特定の音声波形のデータと比較して、音声の特徴を抽出している。
【０００５】
しかしながら、このような音声認識技術では、ディジタル音響信号に高速フーリエ変換処理を施して、その音響信号のスペクトル分析するため、計算量が莫大となって計算負荷が大きくなるという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、複雑な演算処理を行うことなく、周波数に応じた音の認識を行うことのできる技術を適用することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために、本発明の共振子は、特定の周波数の音に対して共振する共振子であって、共振子上には、当該共振子の共振に伴う振動量に応じた電圧を発生する圧電素子が設けられたものである。
【０００８】
また、この課題を解決するために、本発明の共振子アレイは、相互に異なる長さを有する複数または複数対の請求項１記載の共振子で構成され、これらの共振子が相互に異なる周波数で共振するものである。
【０００９】
そして、この課題を解決するために、本発明の音響センサは、前述した共振子アレイと、共振子アレイを構成する共振子をその片端で保持する保持部と、保持部の両端において伝搬部を介して設けられたダイヤフラムとを有する構成としたものである。
【００１０】
これにより、特定周波数の音による共振子の振動を圧電素子により直接電圧に変換しているので、複雑な演算処理を行うことなく、周波数に応じた音の認識を行うことが可能になる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、特定の周波数の音に対して共振する共振子であって、共振子上には、当該共振子の共振に伴う振動量に応じた電圧を発生する圧電素子が設けられている共振子であり、特定周波数の音による共振子の振動を圧電素子により直接電圧に変換しているので、複雑な演算処理を行うことなく、周波数に応じた音の認識を行うことが可能になるという作用を有する。
【００１２】
本発明の請求項２に記載の発明は、相互に異なる長さを有する複数または複数対の請求項１記載の共振子で構成され、これらの共振子が相互に異なる周波数で共振する共振子アレイであり、特定周波数の音による共振子の振動を圧電素子により直接電圧に変換しているので、複雑な演算処理を行うことなく、周波数に応じた音の認識を行うことが可能になるという作用を有する。
【００１３】
本発明の請求項３に記載の発明は、請求項２記載の発明において、複数の共振子のうち少なくとも一つまたは一対は除去すべき音の周波数に共振するようにされている共振子アレイであり、特定周波数の音による共振子の振動を圧電素子により直接電圧に変換しているので、複雑な演算処理を行うことなく、周波数に応じた音の認識を行うことが可能になるという作用を有する。
【００１４】
本発明の請求項４に記載の発明は、請求項２または３記載の共振子アレイと、共振子アレイを構成する共振子をその片端で保持する保持部と、保持部の両端において伝搬部を介して設けられたダイヤフラムとを有する音響センサであり、特定周波数の音による共振子の振動を圧電素子により直接電圧に変換しているので、複雑な演算処理を行うことなく、周波数に応じた音の認識を行うことが可能になるという作用を有する。
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図１および図２を用いて説明する。なお、これらの図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。
【００１６】
まず初めに薄膜ピエゾ素子（圧電素子）について説明する。
【００１７】
電気信号が与えられると機械的動作を行うアクチュエータとして、２つの電極と、これらの電極間に設けられた圧電体よりなる圧電アクチュエータが知られている。圧電アクチュエータは、圧電体の圧電効果を利用して電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換するものであり、例えばインクジェット式記録装置のヘッド等のアクチュエータなど、幅広い用途に利用されている。
【００１８】
ところで、近年はインクジェットヘッド等の小型化に伴い、圧電アクチュエータ自体の小型化が望まれており、そのために、圧電体の薄膜化が切望されている。しかし、圧電膜は、膜自体の性質を変えることなく単に薄膜化しただけでは、絶縁破壊を起こしやすくなる。したがって、耐電圧性を確保する観点から、圧電膜の薄膜化には一定の限界があった。
【００１９】
そこで、圧電アクチュエータのさらなる小型化、ひいては圧電アクチュエータを利用したインクジェットヘッドおよびインクジェット式記録装置のより一層の小型化を進めるためには、従来と異なる性質を有する耐電圧性に優れた圧電膜が必要とされる。例えば、Ｐｂ、ＺｒおよびＴｉを含むペロブスカイト型構造を有する圧電膜であって、膜厚が１μｍ〜１０μｍで比誘電率が１４０〜４００の圧電膜によって形成されるものが提案されている。
【００２０】
さて、図１は本発明の一実施の形態である音響センサを示す斜視図である。
【００２１】
音響センサのセンサ本体１は、全ての部分が半導体シリコンで形成されており、相互に長さが異なる複数対（本実施の形態では６対）の共振子７，８からなる共振部（共振子アレイ）２と、この共振部２を共振の固定端側（片端）を保持する板状の保持部３と、保持部３の一方の端部に立設された短寸棒状の第１の伝搬部（図示せず）と、第１の伝搬部に連なり空気中を伝搬した音波を受ける板状の第１のダイヤフラム４と、保持部３の他方の端部に立設された短寸棒状の第２の伝搬部５と、第２の伝搬部５に連なり保持部３を伝搬した不要な成分を吸収する板状の第２のダイヤフラム６とから構成されている。さらに、共振部２は片持ち梁となっており、前述した共振子７，８は、特定の周波数に共振するように長さが調整された５対の共振子７、７、７・・・と、１対のダミー共振子（共振子）８とからなっている。
【００２２】
そして、共振子７は検出される音の周波数に対して共振し、ダミー共振子８は除去すべき音の周波数に共振するように、共振周波数がそれぞれ設定されている。なお、図示する場合には、ダミー共振子８は一対であるが、複数対設けられていてもよい。
【００２３】
ここで、片持ち梁の作製方法の一例を説明する。
【００２４】
シリコン基板を熱酸化して所望の厚さのＳｉＯ２膜を形成し、その上に例えばＴｉ／Ｐｔよりなる下部電極を形成する。次に、スパッタリング法によりＰＺＴ層を所望の厚さに形成し、その上に例えばＡｌよりなる上部電極を形成する。その後、フォトリゾグラフィ技術により、レジストを梁形状に形成する。そして、ウエットエッチング液で上部電極であるＡｌをエッチングした後、レジストを剥離すると、梁形状が作製される。
【００２５】
また、シリコン基板からカンチレバー構造を形成するために、シリコン基板の裏側を酸化被膜により保護する。さらに、反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｈｃｉｎｇ）によりカンチレバーの下部電極までエッチングを行う。その後、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）１５ｗｔ％水溶液９０℃中で、シリコン基板を異方性エッチングすると、片持ち梁が作製される。
【００２６】
図２は図１の音響センサにおける共振子を示す断面図である。図示するように、共振子７，８の上には、第１の電極９、薄膜ピエゾ素子である圧電素子１０、第２の電極１１が順次積層されて構成されている。
【００２７】
保持部３は、その幅が第２のダイヤフラム６の近傍で最も太く、そこから第１のダイヤフラム４側に向かうに従って除々に細くなり、第１のダイヤフラム４近傍で最も細くなっている。
【００２８】
そして、このような保持部３に保持された各共振子７およびダミー共振子８は、下記（１）式で表される共振周波数ｆにて選択的に応答振動するようになっている。
【００２９】
ｆ＝（ＣＨＥ１／２）／（Ｌ２ρ１／２）　・・・（１）
但し、Ｃは実験的に決定される定数、Ｈは各共振子７または各ダミー共振子８の厚さ、Ｌは各共振子７または各ダミー共振子８の長さ、Ｅは材料物質（半導体シリコン）のヤング率、ρは材料物質（半導体シリコン）の密度である。
【００３０】
この（１）式から分かるように、各共振子７または各ダミー共振子８の厚さＨまたは長さＬを変えることにより、その共振周波数ｆを所望の値に設定することができるので、これを利用して各共振子７または各ダミー共振子８が固有の共振周波数を持つように設定している。なお、保持部３の長手方向の同じ位置に連なる一対の共振子７および一対のダミー共振子８は、同一の共振周波数を持っている。また、全ての共振子７およびダミー共振子８の厚さＨは一定となっている。但し、全ての共振子７，８が相互に異なる長さとされ、異なる共振周波数を持っていてもよい。
【００３１】
また、第１のダイヤフラム４側から第２のダイヤフラム６側に向かうにつれて順次長さＬが長くなるように共振子７を配置し、最も第２のダイヤフラム６側にダミー共振子８が配置されている。
【００３２】
これによって、第１のダイヤフラム４側から第２のダイヤフラム６側に向かうにつれて各共振子７が固有に振動する共振周波数を高周波数から低周波数に設定され、最も第２のダイヤフラム６側のダミー共振子８を最も低周波数に設定されている。具体的には、共振子７は、第１のダイヤフラム４側から第２のダイヤフラム６側に向かって例えば可聴帯域の１４Ｈｚ〜２０ｋＨｚ程度の範囲内で高周波数から低周波数まで対応できるようになっている。また、ダミー共振子８は、通常、可聴帯域の１４Ｈｚ〜２０ｋＨｚの範囲内の最も低周波数側近傍の周波数にて生じる本音響センサ全体の固有振動、つまり全体振動を吸収するために設けられたダミーとなっている。
【００３３】
このような構成において、音波が第１のダイヤフラム４に伝わると、この板状の第１のダイヤフラム４が振動する。そして、音波を示すその振動は第１の伝搬部を経て保持部３に伝搬し、これに保持された共振部２の棒状の各共振子７および各ダミー共振子８をそれぞれの特定の周波数にて順次共振させながら伝わっていくようになっている。
【００３４】
次に、本実施の形態における音響センサの動作について説明する。
【００３５】
空気中を伝搬した音波がセンサ本体１の第１のダイヤフラム４に伝わると、板状の第１のダイヤフラム４が振動してその振動がセンサ本体１内を伝搬する。この際、第１のダイヤフラム４側から第２のダイヤフラム６側へ、順次長さが長くなっていく（順次共振周波数が低くなっていく）片持ち梁の各共振子７および各ダミー共振子８を振動させながら音波が伝わっていく。
【００３６】
前述のように、各共振子７および各ダミー共振子８は固有の共振周波数を有しており、それら固有の周波数の音波が伝搬すると共振し、その先端部が上下に振動する。すると、共振子７上に形成されている圧電素子１０が振動し、その振動量に応じて圧電素子１０が発生する電圧が変化するので、この発生電圧の変化を第１の電極９と第２の電極１１とで検出することにより音の認識を行うことができる。
【００３７】
このように、本実施の形態によれば、特定周波数の音による共振子の振動を圧電素子により直接電圧に変換しているので、複雑な演算処理を行うことなく、周波数に応じた音の認識を行うことが可能になる。
【００３８】
なお、何れの共振子７にも吸収されなかった周波数成分の一部はダミー共振子８によって吸収され、さらにダミー共振子８にも吸収されなかった周波数成分は、保持部３の遠位端まで伝搬して第２のダイヤフラム６に吸収されるようになっている。これによって、外乱振動等の影響によって振動する音響センサの全体振動の周波数成分は、ダミー共振子８および第２のダイヤフラム６によってほぼ吸収されてしまうので、不要な周波数成分に伴う反射波の発生が防止される。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、特定周波数の音による共振子の振動を圧電素子により直接電圧に変換しているので、複雑な演算処理を行うことなく、周波数に応じた音の認識を行うことが可能になるという有効な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態である音響センサを示す斜視図
【図２】図１の音響センサにおける共振子を示す断面図
【符号の説明】
１　センサ本体
２　共振部（共振子アレイ）
３　保持部
４　第１のダイヤフラム
５　第２の伝搬部
６　第２のダイヤフラム
７　共振子
８　ダミー共振子（共振子）
９　第１の電極
１０　薄膜ピエゾ素子（圧電素子）
１１　第２の電極
【図１】
2004085419.tif 000003
【図２】
2004085419.tif 000004