JP2012027280A - 電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】例えば、要求が相違する複数の利用者に映画などの音声コンテンツを問題なく同時に提供するようなことができる携帯電話機などの電子機器を提供する。
【解決手段】電子機器１００では、複数の利用者ＣＵが発声した音声が複数のマイクロフォン１２１，１２２に入力されると、その入力結果から利用者ＣＵが発声した音声を音声認識部１３１が認識し、認識された音声から複数の利用者ＣＵの要求を音声判定部１３２が個々に判定する。このように判定された複数の要求で対応する利用者ＣＵの方向に音声コンテンツをパラメトリックスピーカ１１０で指向性制御部１３３が出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、携帯電話機などの電子機器に関し、特に、マイクロフォンとスピーカユニットとを備えた電子機器に関する。

近年、携帯電話機やノート型コンピュータなどの携帯型の電子機器の需要が拡大している。このような電子機器では、テレビ電話や動画再生、ハンズフリー電話などの音響機能を商品価値とした薄型の携帯端末の開発が進められている。このような開発の中、音響部品である電気音響変換器（スピーカ装置）に対して、高音質でかつ小型・薄型化への要求が高まっている。

現在、携帯電話機等の電子機器には、電気音響変換器として動電型電気音響変換器が利用されている。この動電型電気音響変換器は、永久磁石とボイスコイルと振動膜から構成されている。

しかし、動電型電気音響変換器は、その動作原理および構造から、薄型化には限界がある。一方、特許文献１、２には、圧電素子を電気音響変換器として使用することが記載されている。

また、圧電素子を用いた発振ユニットの他の例としては、スピーカ装置のほか、圧電素子から発振された音波を用いて対象物までの距離などを検出する音波センサ（特許文献３）など、種々の電子機器が知られている。

再表２００７−０２６７３６号公報 再表２００７−０８３４９７号公報 特開平０３−２７０２８２号公報

現在、電子機器である携帯電話機などでは、通話以外の機能も充実しており、例えば、音楽や映画などを視聴する機能もある。このような携帯電話機は、通話時には頭部側面に近接配置されて利用されるが、音楽や映画などを視聴する場合には、頭部前面から離間した状態で利用されることになる。

また、現在では上述の携帯電話機などが高機能化しており、例えば、複数の利用者が一個の携帯電話機で音楽や映画などをともに視聴するようなこともある。しかし、このよう場合、複数の利用者が音声コンテンツの出力状態に各々相違する要求があることがある。

例えば、耳が遠い利用者などは、音量を上げることを要求することがあり、反対に、耳が良い利用者などは、音量を下げることを要求することがある。また、嗜好により迫力のある音声を要求する利用者なども想定できる。しかし、一個の携帯電話機が出力する音声を上述のような複数の要求に対応させることは、現状では困難である。

本発明は上述のような課題に鑑みてなされたものであり、要求が相違する複数の利用者に映画などの音声コンテンツを問題なく同時に提供するようなことができる携帯電話機などの電子機器を提供するものである。

本発明の電子機器は、高指向性の音声の出力方向を制御自在なスピーカユニットと、複数の利用者が発声した音声が入力される複数のマイクロフォンと、複数のマイクロフォンの入力結果から利用者の発声位置を判定する位置判定手段と、複数のマイクロフォンの入力結果から利用者が発声した音声を認識する音声認識手段と、認識された音声から複数の利用者の要求を個々に判定する要求判定手段と、判定された複数の要求で対応する利用者の方向に音声コンテンツをスピーカユニットで出力する音声制御手段と、を有する。

本発明の電子機器では、複数の利用者が発声した音声が複数のマイクロフォンに入力されると、その入力結果から利用者が発声した音声を音声認識手段が認識し、認識された音声から複数の利用者の要求を要求判定手段が個々に判定する。このように判定された複数の要求で対応する利用者の方向に音声コンテンツをスピーカユニットで音声制御手段が出力するので、例えば、要求が相違する複数の利用者に映画などの音声コンテンツを問題なく同時に提供するようなことができる。

本発明の実施の形態の電子機器である携帯電話機の回路構造を示す模式的なブロック図である。 携帯電話機の外観を示す模式的な正面図である。 発振ユニットであるスピーカユニットの要部の構造を示す縦断側面図である。 スピーカユニットの構造を示す模式的な正面図である。 携帯電話機の処理動作を示すフローチャートである。 一変形例のスピーカユニットの構造を示す模式的な正面図である。

本発明の実施の形態について図１ないし図５を参照して説明する。本実施の形態の電子機器１００は、図１に示すように、高指向性の音声の出力方向を制御自在なスピーカユニットであるパラメトリックスピーカ１１０と、複数の利用者ＣＵが発声した音声が入力される複数のマイクロフォン１２１，１２２と、複数のマイクロフォンの入力結果から利用者の発声位置を判定する位置判定手段であるとともに利用者ＣＵが発声した音声を認識する音声認識部１３１と、認識された音声から複数の利用者ＣＵの要求を個々に判定する要求判定手段である音声判定部１３２と、判定された複数の要求で対応する利用者ＣＵの方向に音声コンテンツをパラメトリックスピーカ１１０で出力する音声制御手段である指向性制御部１３３と、を有する。

さらに、本実施の形態の電子機器１００では、指向性制御部１３３は、パラメトリックスピーカ１１０を時分割駆動して複数の利用者ＣＵの方向に複数の要求の音声コンテンツを略同時に出力する。

より具体的には、本実施の形態の電子機器１００は、例えば、携帯電話機からなり、図２に示すように、縦長の本体ハウジング１０１の前面の上半部にディスプレイユニット１０２、下半部にキーボードユニット１０３、が配置されている。

さらに、下端左右に二個のマイクロフォン１２１，１２２が一個ずつ配置されている。上端中央には通話用の一般的な動電型スピーカ１４０が配置されており、その側方に映画視聴や音楽視聴などに利用されるパラメトリックスピーカ１１０が配置されている。

図１に示すように、マイクロフォン１２１，１２２は増幅回路１２３，１２４を介して音声認識部１３１に接続されており、この音声認識部１３１が音声判定部１３２に接続されている。この音声判定部１３２が指向性制御部１３３に接続されており、この指向性制御部１３３がパラメトリックスピーカ１１０に接続されている。

また、マイクロフォン１２１，１２２は、入力された通話音声を無線送信する通話送信回路にも接続されており、動電型スピーカ１４０には、通話音声を無線受信して音声出力させる通話受信回路が接続されている(図示せず)。

音声認識部１３１と音声判定部１３２と指向性制御部１３３とは、ＡＳＩＣ(Application Specific Integrated Circuit)等のＬＳＩ(Large Scale Integration)などからなる。

パラメトリックスピーカ１１０は、図３に示すように、圧電素子１１１を弾性部材１１２で支持した圧電振動子１１３からなり、その弾性部材１１２は高剛性のフレーム１１４で支持されている。

そして、図４に示すように、パラメトリックスピーカ１１０は、上述のような複数の圧電振動子１１３がマトリクス状に配列されている。パラメトリックスピーカ１１０は、このようにマトリクス状に配列されている圧電振動子１１３を個々に駆動制御することで、高指向性の音声を所望の方向に出力する。

なお、圧電素子１１１は、圧電効果を有する材料であれば、無機材料、有機材料ともに特に限定されないが、電気機械変換効率が高い材料、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ：lead Zirco-titanate）や、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）などの材料が使用できる。

また、圧電素子１１１の厚みは、特に限定されないが、１０μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。例えば、脆性材料であるセラミック材料として厚み１０μｍ未満の薄膜を使用した場合、取り扱い時に機械強度の弱さから、欠けや破損などが生じて、取り扱いが困難となる。

また、厚み５００μｍを超えるセラミックを使用した場合は電気エネルギから機械エネルギに変換する変換効率が著しく低下し、パラメトリックスピーカ１１０として充分な性能が得られない。

一般的に、電気信号の入力により電歪効果を発生させる圧電セラミックにおいては、その変換効率は電界強度に依存する。この電界強度は分極方向に対する厚み／入力電圧で表されることから、厚みの増加は必然的に変換効率の低下を招いてしまう問題がある。

本発明の圧電素子１１１には、電界を発生させるために主面に上部／下部電極層(図示せず)が形成されている。上部／下部電極層は、電気伝導性を有する材料であれば特に限定されないが、銀や銀／パラジウムを使用することが好ましい。銀は低抵抗な汎用的な電極層として使用されており、製造プロセスやコストなどに利点がある。

また、銀／パラジウムは耐酸化に優れた低抵抗材料であるため、信頼性の観点から利点がある。また、上部／下部電極層の厚みについては、特に限定されないが、その厚みが１μｍ以上５０μｍ以下であるのが好ましい。

例えば、厚み１μｍ未満では、膜厚が薄いため、均一に成形できず、変換効率が低下する可能性がある。なお、薄膜状の上部／下部電極層を形成する技術として、ペースト状にして塗布する方法もある。

しかし、圧電素子１１１がセラミックのような多結晶では表面状態が梨地面であるため、塗布時の濡れ状態が悪く、ある程度の厚みがないと均一な電極膜が形成できない問題点がある。

一方、上部／下部電極層の膜厚が１００μｍを超える場合は、製造上に特に問題はないが、上部／下部電極層が圧電素子１１１である圧電セラミック材料に対して拘束面となり、エネルギ変換効率を低下させてしまう問題点がある。

本実施の形態のパラメトリックスピーカ１１０の圧電素子１１１は、その片側の主面が弾性部材１１２によって拘束されている。弾性部材１１２は、圧電素子１１１の基本共振周波数を調整する機能を持つ。機械的な圧電振動子１１３の基本共振周波数ｆは、以下の式で示されるように、負荷重量と、コンプライアンスに依存する。

[数１]
ｆ＝１／(２πＬ√(ｍＣ))
なお、"ｍ"は質量、"Ｃ"はコンプライアンス、である。

言い換えれば、コンプライアンスは圧電振動子１１３の機械剛性であるため、このことは圧電素子１１１の剛性を制御することで基本共振周波数を制御できることを意味する。

例えば、弾性率の高い材料の選択や、弾性部材１１２の厚みを低減することで、基本共振周波数を低域にシフトさせることが可能となる。この一方で、弾性率の高い材料を選択することや、弾性部材１１２の厚みを増加させることで基本共振周波数を高域にシフトさせることができる。

従来は、圧電素子１１１の形状や材質により基本共振周波数を制御していたところから設計上の制約やコスト、信頼性に問題があったが、本発明のように、構成部材である弾性部材１１２を変更することで所望の基本共振周波数に容易に調整できることから、工業上の価値は大きい。

なお、弾性部材１１２には、金属や樹脂など脆性材料であるセラミックに対して高い弾性率を持つ材料であれば特に限定されないが、加工性やコストの観点からリン青銅やステンレスなどの汎用材料が使用される。

また、弾性部材１１２の厚みについては、５μｍ以上１０００μｍ以下であることが好ましい。厚みが５μｍ未満の場合、機械強度が弱く、拘束部材として機能を損なうことや、加工精度の低下により、製造ロット間で圧電素子１１１の機械振動特性の誤差が生じてしまう。

また、厚みが１０００μｍを超える場合は、剛性増による圧電素子１１１への拘束が強まり、振動変位量の減衰を生じさせてしまう問題点がある。また、本実施の形態の弾性部材１１２は、材料の剛性を示す指標である縦弾性係数が、１ＧＰａ以上５００ＧＰａ以下であることが好ましい。上述のように、弾性部材１１２の剛性が過度に低い場合や、過度に高い場合は、機械振動子として特性や信頼性を損なう問題点がある。

以下に本実施の形態のパラメトリックスピーカ１１０の動作原理を説明する。本実施の形態のパラメトリックスピーカ１１０は、ＡＭ(Amplitude Modulation)変調やＤＳＢ(Double Sideband modulation)変調、ＳＳＢ(Single-Sideband modulation)変調、ＦＭ(Frequency Modulation)変調をかけた超音波を空気中に放射し、超音波が空気中に伝播する際の非線形特性により、可聴音が出現する原理で音響再生を行っている。

非線形としては、流れの慣性作用と粘性作用の比で示されるレイノルズ数が大きくなると、層流から乱流に推移する現象が挙げられる。すなわち、音波は流体内で微少にじょう乱しているため、音波は非線形で伝播している。

しかしながら、低周波数帯域での音波の振幅は非線形でありながら、振幅差が非常に小さく、通常、線形理論の現象として取り扱っている。これに対して、超音波では非線形性が容易に観察でき、空気中に放射した場合、非線形性に伴う高調波が顕著に発生する。

概略すれば、音波は空気中に分子集団が濃淡に混在する疎密状態であり、空気分子が圧縮よりも復元するのに時間が生じた場合、圧縮後に復元できない空気が、連続的に伝播する空気分子と衝突し、衝撃波が生じて可聴音が発生する原理である。

上述のような構成において、本実施の形態の電子機器１００は、例えば、図５に示すように、通常の通話時には(ステップＳ１−Ｙ)、頭部側面に近接配置され、下端の二個のマイクロフォン１２１，１２２で利用者ＣＵの発声を入力し、上端の動電型スピーカ１４０から相手の利用者(図示せず)の発声を出力する(ステップＳ１０)。

ただし、本実施の形態の電子機器１００は、上述のような一般的な利用方法だけでなく、例えば、パラメトリックスピーカ１１０を利用したパラメトリックモードにより(ステップＳ２−Ｙ)、映画視聴などにも利用される。

このような場合、電子機器１００は、例えば、図１に示すように、複数の利用者ＣＵの頭部前方に所定距離に配置される。このような状態で、例えば、複数の利用者ＣＵが各々の要求で映画視聴の開始を発声すると、この発声が二個のマイクロフォン１２１，１２２に入力される(ステップＳ３−Ｙ)。

すると、音声認識部１３１は、入力された複数の要求を個々に認識し(ステップＳ４)、その認識された要求が音声判定部１３２で判定される(ステップＳ５)。この要求の認識と判定は、例えば、事前に用意されている複数のキーワードとのマッチングにより実行される。

また、上述のように複数の要求が同時にマイクロフォン１２１，１２２に入力された場合は、その方向に基づいて要求が複数に分離される。つぎに、例えば、音声コンテンツが映画の場合、その音声データが判定された複数の要求に対応して音声判定部１３２で生成される(ステップＳ６)。

つぎに、指向性制御部１３３は、入力音声の時間差から複数の利用者ＣＵの発声位置の方向を個々に検出する(ステップＳ７)。そこで、この検出された複数の方向に各々の要求に対応した高指向性の音声がパラメトリックスピーカ１１０から出力される(ステップＳ８)。

このため、例えば、図１に示すように、ある利用者ＣＵが迫力ある音声を要求した場合、この音声を認識して要求を判定した電子機器１００は、周波数特性の調節により低音を強調した高指向性の音声データを、その利用者ＣＵに出力する。

この場合、複数の要求に適正な周波数特性で音声を出力することができる。例えば、一般的に高齢となると高周波が聞き取りにくくなるので、出力音声の周波数を全体に低周波に遷移させるとともに、音量を増加させる。

このような音量の増加を周波数特性の変更により実現することもできる。上述のように利用者ＣＵの年齢により聞き取りやすい周波数特性が相違するので、利用者ＣＵの年齢により周波数特性を変化させてもよい。

また、他の利用者ＣＵが、ゆっくりはっきりした音声を要求した場合、電子機器１００は、周波数特性の調節により高域を強調するとともに出力速度を低下させた高指向性の音声データを、その利用者ＣＵに出力する。この場合、音声コンテンツの再生速度などにより複数の要求ごとに適正な速度で音声を出力することができる。

従って、要求が相違する複数の利用者ＣＵが映画などの音声コンテンツを同時に堪能することができる。しかも、上述のようにパラメトリックスピーカ１１０から出力される音声は高指向性なので、複数の要求に対応した音声が混ざり合うこともなく、複数の利用者ＣＵは自身の要求に対応した音声のみ視聴することができる。

しかも、本実施の形態の電子機器１００では、利用者ＣＵの発声をリアルタイムで検出しつづける。このため、上述のような映画の視聴中に要求が相違する利用者ＣＵが増加した場合でも、その利用者ＣＵにも要求に対応した音声が提供される。

さらに、本実施の形態の電子機器１００は、上述のように利用者ＣＵの発声をリアルタイムで検出しつづけ、パラメトリックスピーカ１１０の高指向性の音声の出力方向をリアルタイムに調節する。このため、上述のような音声コンテンツの提供中などに利用者ＣＵの位置が変動しても、その利用者ＣＵが発声すれば高指向性の音声を的確に提供することができる。

また、本実施の形態の電子機器１００では、二個のマイクロフォン１２１，１２２が左右に離間した位置に配置されている。このため、利用者ＣＵの発声位置を左右方向で良好に検出することができる。

さらに、本実施の形態の電子機器１００では、上述のように二個のマイクロフォン１２１，１２２が左右に離間した位置に配置されているので、通常通話のときに右手で把持して利用する場合でも左手で把持して利用する場合でも利用者ＣＵの発声を良好に入力することができる。

なお、本発明は本実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で各種の変形を許容する。例えば、上記形態では二個のマイクロフォン１２１，１２２が左右に離間した位置に配置されており、パラメトリックスピーカ１１０の高指向性の音声が左右方向に制御されることを例示した。

しかし、携帯電話機(図示せず)に三個以上のマイクロフォンが離間して配置されており、利用者ＣＵの発声位置を三次元的に検出してパラメトリックスピーカ１１０の高指向性の音声の方向を制御してもよい。

その場合、三個以上のマイクロフォンが離間しているほど発声位置の検出精度が向上するので、例えば、携帯電話機の前面の上下左右の四隅にマイクロフォンを配置することが好適である(図示せず)。

さらに、このような携帯電話機などにおいて、複数のマイクロフォンの間である略中央にパラメトリックスピーカ１１０が配置されており、指向性制御部１３３は、複数のマイクロフォンの検出結果から発声位置の少なくとも方向を検出してもよい(図示せず)。

例えば、上述のように携帯電話機の前面の上下左右の四隅にマイクロフォンを配置し、携帯電話機の前面中央にパラメトリックスピーカ１１０を配置すれば、高精度に検出された発声位置に高精度に高指向性の音声を正確に出力することができる(図示せず)。

なお、上記形態ではパラメトリックスピーカ１１０とマイクロフォン１２１，１２２とが別体に形成されていることを例示した。しかし、図６に例示する発振ユニットであるスピーカユニット２００のように、マトリクス状に配列されている複数の圧電振動子１１３の一部がマイクロフォン２１０と置換されていてもよい。

この場合、指向性制御部１３３は、スピーカユニット２００のマイクロフォン２１０により利用者ＣＵの発声位置を検出する。このようなスピーカユニット２００でも、発声位置の検出精度を向上させるためには、マトリクス状に配列されている複数の圧電振動子１１３の外縁部の一部がマイクロフォン１２１，１２２と置換されていることが好適である。

より具体的には、図示するように、スピーカユニット２００のマトリクス状に配列されている複数の圧電振動子１１３の四隅にマイクロフォン２１０が配置されており、指向性制御部１３３は、四隅のマイクロフォン２１０の検出結果から発声位置を三次元的に検出することが好適である。

この場合、前述した電子機器１００などに比較して複数のマイクロフォン２１０の間隔は短縮されるので、発声位置の検出精度は低下する懸念がある。しかし、スピーカユニット２００にマイクロフォン２１０が最初から組み込まれているので、発声位置の検出精度を事前に高精度にチューニングしておくことができる。しかも、電子機器１００には折り畳み式などが多々あるが、上述のようなスピーカユニット２００は、そのような電子機器１００の構造の影響を受けない。

さらに、上記形態では高指向性の音声の出力方向を制御自在なスピーカユニットとして、複数の圧電素子１１１を複数の弾性部材１１２で個々に支持した複数の圧電振動子１１３がマトリクス状に配列されているパラメトリックスピーカ１１０を例示した。

しかし、一個の圧電振動子１１３を上下左右などの二軸方向に揺動自在に支持し、各方向にソレノイドなどで可動させるスピーカユニットなども実施可能である(図示せず)。

なお、当然ながら、上述した複数の実施の形態および複数の変形例は、その内容が相反しない範囲で組み合わせることができる。また、上述した実施の形態では、各部の構造などを具体的に説明したが、その構造などは本願発明を満足する範囲で各種に変更することができる。

１００ 電子機器
１０１ 本体ハウジング
１０２ ディスプレイユニット
１０３ キーボードユニット
１１０ パラメトリックスピーカ
１１１ 圧電素子
１１２ 弾性部材
１１３ 圧電振動子
１１４ フレーム
１２１，１２２ マイクロフォン
１２３，１２４ 増幅回路
１３１ 音声認識部
１３２ 音声判定部
１３３ 指向性制御部
１４０ 動電型スピーカ
２００ スピーカユニット
２１０ マイクロフォン
ＣＵ 利用者

Claims (10)

1. 高指向性の音声の出力方向を制御自在なスピーカユニットと、
   複数の利用者が発声した音声が入力される複数のマイクロフォンと、
   複数の前記マイクロフォンの入力結果から複数の前記利用者の発声位置を判定する位置判定手段と、
   複数の前記マイクロフォンの入力結果から前記利用者が発声した音声を認識する音声認識手段と、
   認識された音声から複数の前記利用者の要求を個々に判定する要求判定手段と、
   判定された複数の要求で対応する前記利用者の方向に音声コンテンツを前記スピーカユニットで出力する音声制御手段と、
   を有する電子機器。
2. 前記音声制御手段は、前記マイクロフォンの入力結果から所定条件を判定し、判定された所定条件に対応して前記スピーカユニットの出力音声の周波数特性を制御する請求項１に記載の電子機器。
3. 前記音声制御手段は、前記マイクロフォンの入力結果から所定条件を判定し、判定された所定条件に対応して前記スピーカユニットの出力音声の出力速度を制御する請求項１または２に記載の電子機器。
4. 前記音声制御手段は、前記マイクロフォンの入力結果から所定条件を判定し、判定された所定条件に対応して前記スピーカユニットの出力音声の音量を制御する請求項１ないし３の何れか一項に記載の電子機器。
5. 前記音声制御手段は、前記スピーカユニットを時分割駆動して複数の前記利用者の方向に複数の要求の前記音声コンテンツを略同時に出力する請求項１ないし４の何れか一項に記載の電子機器。
6. 前記スピーカユニットは、複数の圧電素子を複数の弾性部材で個々に支持した複数の圧電振動子がマトリクス状に配列されているパラメトリックスピーカからなる請求項１ないし５の何れか一項に記載の電子機器。
7. 前記スピーカユニットは、複数の前記圧電振動子が複数のマイクロフォンとともにマトリクス状に配列されており、
   前記音声制御手段は、前記スピーカユニットの前記マイクロフォンにより前記利用者の発声位置を検出する請求項６に記載の電子機器。
8. 前記スピーカユニットは、マトリクス状に配列されている複数の前記圧電振動子の外縁部の一部に前記マイクロフォンが配置されている請求項７に記載の電子機器。
9. 前記スピーカユニットは、マトリクス状に配列されている複数の前記圧電振動子の四隅の少なくとも二つに前記マイクロフォンが配置されている請求項８に記載の電子機器。
10. 複数の前記マイクロフォンの間に前記スピーカユニットが配置されており、
    前記音声制御手段は、複数の前記マイクロフォンの検出結果から前記発声位置の少なくとも方向を検出する請求項１ないし５の何れか一項に記載の電子機器。

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