JP2012029093A - 携帯端末装置 - Google Patents

Abstract

【課題】携帯端末装置を小型に維持しつつも、携帯端末装置から使用者までの方向及び距離を正確に求めて、使用者の位置に選択的に音場を形成する。
【解決手段】携帯端末装置１００は、音声が再生される音場２を特定の領域３に形成するパラメトリックスピーカ１０を有する。携帯端末装置１００は、使用者９の画像を撮像する撮像部と、撮像部による撮像結果に基づいて使用者９の方向を判定する判定部を有する。携帯端末装置１００は、使用者９に向けて超音波を発振し、使用者９からはね返った超音波を検出することにより、使用者９までの距離を計測する距離計測部を有する。携帯端末装置１００は、判定部により判定された方向と、距離計測部により計測された距離とに応じて、使用者９の位置を判定し、該判定した位置に音場２が形成されるようにパラメトリックスピーカ１０の指向性を制御する制御部６を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、携帯端末装置に関する。

パラメトリックスピーカは、変調された音声信号を発振後に復調することにより、可聴域の音を再生するものである。パラメトリックスピーカは、指向性スピーカなどとも呼ばれ、出力される音の指向性が高いという特徴がある。このため、パラメトリックスピーカを用いることにより、特定の領域に選択的に音場を形成することが可能である。

特許文献１には、予め登録された聴取者の位置を画像認識装置によって認識し、音情報の指向方向を聴取者に追従させる技術が記載されている。

特許文献２には、画像認識によって使用者のまでの距離を求め、その距離に応じて音源を定位させる技術が記載されている。

特許文献３には、画像認識によって求めた使用者の方向に基づき、指向性スピーカの指向性と音量の少なくとも何れか一方を制御する技術が記載されている。

特開２００３−１１６１９２号公報 特開２００６−１５７５５８号公報 特開２００８−０４７９４７号公報

ところで、携帯端末装置が備えるパラメトリックスピーカから出力される音を、使用者に対して選択的に聞かせるようにするためには、携帯端末装置から見た使用者の方向及び携帯端末装置から使用者までの距離の情報が必要である。このうち距離を正確に求めるには、例えば、高精度のオートフォーカス機能を利用することが考えられる。しかし、携帯端末装置は、小型であることが要求されるため、携帯端末装置に高精度のオートフォーカス機能を搭載することは困難である。

本発明の目的は、携帯端末装置を小型に維持しつつも、携帯端末装置から使用者までの方向及び距離を正確に求めて、使用者の位置に選択的に音場を形成することが可能な携帯端末装置を提供することにある。

本発明によれば、超音波を発振し、前記超音波が復調されることにより音声が再生される音場を特定の領域に形成するパラメトリックスピーカと、
使用者の画像を撮像する撮像部と、
前記撮像部による撮像結果に基づいて前記使用者の方向を判定する判定部と、
前記使用者に向けて超音波を発振し、前記使用者からはね返った超音波を検出することにより、前記使用者までの距離を計測する距離計測部と、
前記判定部により判定された方向と、前記距離計測部により計測された距離と、に応じて前記使用者の位置を判定し、該判定した位置に前記音場が形成されるように前記パラメトリックスピーカの指向性を制御する制御部と、
を有することを特徴とする携帯端末装置が提供される。

本発明によれば、携帯端末装置を小型に維持しつつも、携帯端末装置から使用者までの方向及び距離を正確に求めて、使用者の位置に選択的に音場を形成することができる。

第１の実施形態に係る携帯端末装置を説明するための模式図である。 第１の実施形態に係る携帯端末装置のブロック図である。 第１の実施形態に係る携帯端末装置が有するパラメトリックスピーカを示す模式的な平面図である。 第１の実施形態に係る携帯端末装置の動作の流れを示すフローチャートである。 第１の実施形態に係る携帯端末装置が備える発振装置の模式図である。 振動子の層構造を示す断面図である。 第２の実施形態に係る携帯端末装置を説明するための模式図である。 図７の拡大図である。 第３の実施形態に係る携帯端末装置のブロック図である。 第４の実施形態に係る携帯端末装置が備える発振装置の振動子として用いられるＭＥＭＳアクチュエータの構成を示す分解斜視図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様の構成要素には同一の符号を付し、適宜に説明を省略する。

〔第１の実施形態〕
図１は第１の実施形態に係る携帯端末装置１００を説明するための模式図、図２は第１の実施形態に係る携帯端末装置１００のブロック図、図３は第１の実施形態に係る携帯端末装置１００が有するパラメトリックスピーカ１０を示す模式的な平面図である。図４は第１の実施形態に係る携帯端末装置１００の動作の流れを示すフローチャートである。

第１の実施形態に係る携帯端末装置１００は、超音波を発振し、超音波が復調されることにより音声が再生される音場２を特定の領域３に形成するパラメトリックスピーカ１０を有している。携帯端末装置１００は、更に、使用者９の画像を撮像する撮像部７と、撮像部７による撮像結果に基づいて使用者９の方向を判定する判定部８とを有している。携帯端末装置１００は、更に、使用者９に向けて超音波を発振し、使用者９からはね返った超音波を検出することにより、使用者９までの距離を計測する距離計測部（例えば、超音波センサ４と制御部６とにより構成される）と、を有している。携帯端末装置１００は、更に、判定部８により判定された方向と、距離計測部により計測された距離とに応じて、使用者９の位置を判定し、該判定した位置に音場２が形成されるようにパラメトリックスピーカ１０の指向性を制御する制御部６を有している。なお、携帯端末装置は、例えば、携帯電話機、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、小型ゲーム機器、ラップトップ型パーソナルコンピュータなどである。以下、詳細に説明する。

図１及び図２に示すように、携帯端末装置１００は、パラメトリックスピーカ１０と、モニタ５と、制御部６と、を有している。

図３に示すように、パラメトリックスピーカ１０は、例えば、それぞれ超音波を発振する複数の発振装置１をアレイ状に備えて構成されている。これら発振装置１は、例えばマトリクス状に配置されている。パラメトリックスピーカ１０の発振装置１を制御部６によって制御することにより、音声が再生される音場２を特定の領域３に形成することができる。

モニタ５は、使用者９の方向をリアルタイムで連続的に（或いは間欠的に）監視する。

図２に示すように、モニタ５は、使用者９を撮像する撮像部（カメラ）７と、この撮像部７による撮像結果に基づいて、携帯端末装置１００から見た使用者９の方向を判定する判定部８と、を有している。

撮像部７は、リアルタイムで連続的に（或いは間欠的に）画像を取得し、取得した画像データを判定部８へ供給する。

判定部８は、例えば、携帯端末装置１００の使用者９の顔を識別するための識別情報を予め記憶保持しておき、撮像部７による撮像結果と識別情報とをリアルタイムで連続的に（或いは間欠的に）照合することにより、画像認識によって使用者９を判定する。なお、識別情報としては、例えば、両目の間隔の大きさ、或いは、両目及び鼻を結ぶ三角形の大きさ及び形状などが挙げられる。

そして、判定部８は、使用者９として認識された人物の方向についても、画像認識により判定し、その判定した方向を示す情報を制御部６へ通知する。

また、パラメトリックスピーカ１０の発振装置１のうちの少なくとも１つは、超音波センサ４として機能する。超音波センサ４以外の発振装置１は、音声の再生用に用いられるのに対し、超音波センサ４は、ソナーとして用いられる。すなわち、超音波センサ４は、使用者９に向けて超音波を発振し、使用者９からはね返った超音波を検出する。制御部６は、超音波センサ４から超音波を発振してから、使用者９にてはね返った超音波を超音波センサ４によって検出するまでの時間に基づいて、携帯端末装置１００から使用者９までの距離を演算する。このように、パラメトリックスピーカ１０が距離計測部の機能を兼ねる。なお、単一の超音波センサ４によって超音波の発振と検出とを行うようにしても良いし、超音波を発振する超音波センサ４とは別に、超音波を検出する超音波センサ４を設けても良い。

制御部６は、演算した距離と、判定部８により判定された方向とに応じて、使用者９の位置を判定し、その位置に音場２が形成されるようにパラメトリックスピーカ１０から出力される音波の指向性を制御する。これにより、常に使用者９の位置に音場２を形成することができる。

図５は第１の実施形態に係る携帯端末装置１００が備える発振装置１の模式図である。

発振装置１は、例えば、シート状の振動部材３０と、振動子２０と、支持部材４０と、信号生成部５４と、を備えている。振動子２０は例えば圧電振動子であり、振動部材３０の一方の面に取り付けられている。支持部材４０は、振動部材３０の縁を支持している。また、支持部材４０は、例えば、携帯端末装置１００の回路基板（図示略）或いは筐体に固定されている。信号生成部５４及び制御部６は、振動子２０に発振信号を入力することによって振動子２０を振動させて、振動子２０及び振動部材３０より音波を発振させる発振回路（入力部）を構成している。

振動部材３０は、振動子２０から発生した振動によって振動し、例えば周波数が２０ｋＨｚ以上の音波を発振する。なお、振動子２０も、自身が振動することによって、例えば周波数が２０ｋＨｚ以上の音波を発振する。また振動部材３０は、振動子２０の基本共振周波数を調整する。機械振動子の基本共振周波数は、負荷重量と、コンプラインスに依存する。コンプラインスは振動子の機械剛性であるため、振動部材３０の剛性を制御することで、振動子２０の基本共振周波数を制御できる。なお、振動部材３０の厚みは５μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。また、振動部材３０は、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。振動部材３０の剛性が低すぎる場合や、高すぎる場合は、機械振動子として特性や信頼性を損なう可能性が出てくる。なお、振動部材３０を構成する材料は、金属や樹脂など、脆性材料である振動子２０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が好ましい。

本実施形態において振動子２０の平面形状は円形である。ただし振動子２０の平面形状は円形に限定されない。振動子２０は、振動部材３０に対向する面の全面が接着剤によって振動部材３０に固定されている。これにより、振動子２０の片面の全面が振動部材３０によって拘束される。

信号生成部５４は、振動子２０に入力する電気信号、すなわちパラメトリックスピーカにおける変調信号を生成する。変調信号の輸送波は、例えば、周波数が２０ｋＨｚ以上の超音波であり、具体的には、例えば１００ｋＨｚの超音波である。制御部６は、外部から入力される音声信号に応じて、信号生成部５４を制御する。

図６は、振動子２０の厚さ方向の層構造を示す断面図である。振動子２０は、圧電体２２、上面電極２４、及び下面電極２６を有している。

圧電体２２は厚さ方向に分極している。圧電体２２を構成する材料は、圧電効果を有する材料であれば、無機材料及び有機材料のいずれであってもよい。ただし、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塩（ＰＺＴ）やチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）であるのが好ましい。圧電体２２の厚さｈ１は、例えば１０μｍ以上１ｍｍ以下である。厚さｈ１が１０μｍ未満の場合、発振装置１の製造時に振動子２０が破損する可能性が生じる。また厚さｈ１が１ｍｍ超の場合、電気機械変換効率が低くなりすぎてしまい、十分な大きさの振動を得られない可能性がある。その理由は、振動子２０の厚さが厚くなると、圧電振動子内における電界強度は反比例して小さくなるためである。

上面電極２４及び下面電極２６を構成する材料は特に限定されないが、例えば、銀や銀／パラジウムを使用することができる。銀は低抵抗で汎用的な電極材料として使用されているため、製造プロセスやコストなどに利点がある。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、上面電極２４及び下面電極２６の厚さｈ２は特に限定されないが、その厚さｈ２が１μｍ以上５０μｍ以下であるのが好ましい。厚さｈ２が１μｍ未満では、上面電極２４及び下面電極２６を均一に成形することが難しくなり、その結果、電気機械変換効率が低下する可能性がある。また、上面電極２４及び下面電極２６の膜厚が１００μｍを超える場合は、上面電極２４及び下面電極２６が圧電体２２に対して拘束面となり、エネルギー変換効率を低下させてしまう可能性が生じる。

振動子２０は、外径＝φ１８ｍｍ、内径＝φ１２ｍｍ、厚み＝１００μｍとすることができる。また上面電極２４及び下面電極２６としては、例えば厚み８μｍの銀／パラジウム合金（重量比は例えば７：３）を用いることができる。また振動部材３０は、外径＝φ２０ｍｍ、厚み＝５０μｍ（０．３ｍｍ）のリン青銅を用いることができる。支持部材４０は発振装置１のケースとして機能するものであり、例えば、外径＝φ２２ｍｍ、内径＝φ２０ｍｍの筒状（例えば円筒状）に形成されている。

パラメトリックスピーカ１０は、複数の発振源それぞれからＡＭ変調やＤＳＢ変調、ＳＳＢ変調、ＦＭ変調をかけた超音波（輸送波）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、可聴音を出現させるものである。ここでの非線形とは、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ことを示す。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。特に超音波周波数帯では音波の非線形性が容易に観察できる。そして超音波を空気中に放射した場合、音波の非線形性に伴う高調波が顕著に発生する。また音波は、空気中において分子密度に濃淡が生じる疎密状態である。そして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、衝撃波が生じる。この衝撃波により可聴音が発生する、つまり可聴音が再生（復調）される。パラメトリックスピーカ１０は、音の指向性が高いという利点がある。

次に、一連の動作を説明する。

先ず、予め、使用者９の識別情報の登録を行う。このためには、例えば、使用者９が携帯端末装置１００を操作して、自らの顔を撮影する。制御部６は、撮影された顔の画像を分析することにより、識別情報を生成する。例えば、先ず、撮像された全体画像の中から顔の画像を抽出し、その抽出した顔の画像の中から、両目及び鼻を抽出し、それらを結ぶ三角形の大きさ及び形状に関する情報を識別情報として生成及び記憶する。

使用者９が音声再生を指示する操作を行うと、先ず、制御部６からモニタ５へ指令を送り、モニタ５によって、携帯端末装置１００から見た使用者９の方向を判定する（図４のステップＳ１１）。

一方、制御部６から超音波センサ４へ指令を送り、超音波センサ４に超音波の発振と検出とを行わせる。そして、制御部６は、超音波センサ４による検出結果に基づいて、携帯端末装置１００から使用者９までの距離を演算する（図４のステップＳ１２）。

次に、制御部６は、演算により求めた距離と、判定部８により判定された方向とに応じて、使用者９の位置を判定する。そして、例えば、その位置に音場２が形成されるように各発振装置１から出力される超音波の位相を制御することにより、パラメトリックスピーカ１０から出力される音波の指向性を制御する（図４のステップＳ１３）。

これにより、図１（ａ）に示すように、使用者９の位置にプライベートな音場２が形成される。

なお、モニタ５は使用者９の方向を随時監視しており、使用者９が移動すると、移動後の方向を示す情報を制御部６へ通知する。また、距離計測部も使用者９の距離を随時監視しており、使用者９が移動すると、制御部６は、移動後の距離を認識する。そして、制御部６は、移動後の方向及び距離に応じて、使用者９の位置に音場２が形成されるように各発振装置１から出力される超音波の位相を制御することにより、パラメトリックスピーカ１０から出力される音波の指向性を制御する。つまり、使用者９の移動に合わせて音場２の位置を移動させる。このため、使用者９が移動しても、常に使用者９の位置に音場２を形成することができる（図１（ｂ））。

以上の第１の実施形態によれば、使用者９の方向については撮像部７を有するモニタ５によって判定し、使用者９までの距離については超音波を用いたソナーである距離計測部によって判定する。
仮に、使用者９までの距離の計測用に、携帯端末装置１００に高精度のオートフォーカス機能を持たせるならば、携帯端末装置１００の大型化（奥行き寸法の大型化）を招いてしまう。これに対し、本実施形態では、オートフォーカス装置に比べてコンパクトな距離計測部を利用して距離を判定する。このため、携帯端末装置１００を小型に維持しつつも、携帯端末装置１００から使用者までの方向及び距離を正確に求めて、使用者９の位置に選択的に音場２を形成することができる。
そして、判定部８により判定された方向と、距離計測部により計測された距離とに応じて、使用者９の位置に音場２が形成されるようにパラメトリックスピーカ１０の指向性を制御するので、使用者９の位置にプライベートな音場２を形成することができる。

〔第２の実施形態〕
図７は第２の実施形態に係る携帯端末装置１００を説明するための模式図、図８は図７の拡大図である。

上記の第１の実施形態では、パラメトリックスピーカ１０の各発振装置１から出力される超音波の位相を制御することによって、音場２の形成範囲を移動させる例を説明した。
これに対し、第２の実施形態では、発振装置１からの音波の出力方向をアクチュエータ１２によって変化させることにより、パラメトリックスピーカ１０の指向性を制御し、音場２の形成範囲を移動させる。

本実施形態の場合、複数の発振装置１をアレイ状に有するパラメトリックスピーカ１０に代えて、単一の発振装置１からなるパラメトリックスピーカ１０と、パラメトリックスピーカ１０の向きを変化させるための複数のアクチュエータ１２と、これらアクチュエータ１２が固定された支持部１１と、を有している。

支持部１１は、携帯端末装置１００の筐体に直接的又は間接的に固定されている。支持部１１は、例えば、平板状に形成されている。

アクチュエータ１２は、例えば、圧電素子であり、印加する電圧を制御することによって、伸縮する。各アクチュエータ１２の一端は、それぞれ支持部１１に固定され、他端は発振装置１の例えば支持部材４０にそれぞれ固定されている。例えば、図８に示すように、各アクチュエータ１２は、支持部１１の一方の面上からそれぞれ垂直に起立するように設けられている。

アクチュエータ１２の数は２つ又は３つとすることができる。３つのアクチュエータ１２を設ける場合の方が、パラメトリックスピーカ１０の向きの調節の自由度が高まる。なお、図７及び図８には、２つのアクチュエータ１２を設けた例を示している。

常態においては、発振装置１からの超音波の出力方向は、支持部１１に対して反対方向となるようになっている（つまり、常態においては発振装置１の振動部材３０と支持部１１とが互いに平行となるようになっている）（図８（ａ））。

また、何れか一方のアクチュエータ１２を縮める（又は何れか一方のアクチュエータ１２を伸ばす）ことにより、支持部１１に対する発振装置１の角度を変更し、発振装置１からの超音波の出力方向を変化させることができる（つまり支持部１１に対して振動部材３０を傾斜させた状態とすることができる）（図８（ｂ））。

なお、本実施形態の場合、複数の発振装置１をアレイ状に有するパラメトリックスピーカ１０を用いないため、超音波センサ４も単一の発振装置１として携帯端末装置１００に備えられている。

その他の点においては、第２の実施形態は、第１の実施形態と同様である。

第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
また、第２の実施形態の場合、パラメトリックスピーカ１０からの音波の出力方向をアクチュエータ１２によって変化させることによって、音場２の形成範囲を移動させるので、パラメトリックスピーカ１０は複数の発振装置１をアレイ状に有する必要が無く、例えば、単一の発振装置１を有するだけでも構わない。

〔第３の実施形態〕
図９は第３の実施形態に係る携帯端末装置１００のブロック図である。上記の第１の実施形態では、超音波センサ４がパラメトリックスピーカ１０を構成する例を説明したが、図９に示すように、パラメトリックスピーカ１０とは別に、単一の素子により構成される超音波センサ４を設けても良い。この場合も、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

〔第４の実施形態〕
本実施形態に係る携帯端末装置１００の発振装置１は、振動子２０の代わりに、図１０に示したＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）アクチュエータ７０を有している。その他の点では、本実施形態に係る携帯端末装置１００は、第１乃至第３の実施形態に係る携帯端末装置１００と同様に構成されている。

図１０に示す例において、ＭＥＭＳアクチュエータ７０の駆動方式は圧電方式であり、圧電薄膜層７２を上部可動電極層７４及び下部可動電極層７６ではさんだ構造を有している。ＭＥＭＳアクチュエータ７０は、信号生成部５４から上部可動電極層７４及び下部可動電極層７６に信号が入力されることにより動作する。ＭＥＭＳアクチュエータ７０の製造には、例えばエアロゾルデポジション法が用いられるが、この方法に限定されない。ただしエアロゾルデポジション法を用いた場合、圧電薄膜層７２、上部可動電極層７４及び下部可動電極層７６をそれぞれ曲面上にも成膜できるため好ましい。なおＭＥＭＳアクチュエータ７０の駆動方式は、静電方式、電磁方式、又は熱伝導方式であってもよい。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

例えば、モニタ５により判定された使用者９の方向へ向けて超音波センサ４から超音波が発振されるように、超音波センサ４の向きをアクチュエータ（図示略）により調節しても良い。

また、上記においては、使用者９の識別情報が予め登録されている例を説明したが、使用者９が音声再生を指示する操作を行ったときに、撮像部７の視野に位置する人物の識別情報を使用者９の識別情報として登録するようにしても良い。

１ 発振装置
２ 音場
３ 特定の領域
４ 超音波センサ
５ モニタ
６ 制御部
７ 撮像部
８ 判定部
９ 使用者
１０ パラメトリックスピーカ
１１ 支持部
１２ アクチュエータ
２０ 振動子
２２ 圧電体
２４ 上面電極
２６ 下面電極
３０ 振動部材
４０ 支持部材
５４ 信号生成部
７０ ＭＥＭＳアクチュエータ
７２ 圧電薄膜層
７４ 上部可動電極層
７６ 下部可動電極層
１００ 携帯端末装置

Claims (5)

1. 超音波を発振し、前記超音波が復調されることにより音声が再生される音場を特定の領域に形成するパラメトリックスピーカと、
   使用者の画像を撮像する撮像部と、
   前記撮像部による撮像結果に基づいて前記使用者の方向を判定する判定部と、
   前記使用者に向けて超音波を発振し、前記使用者からはね返った超音波を検出することにより、前記使用者までの距離を計測する距離計測部と、
   前記判定部により判定された方向と、前記距離計測部により計測された距離と、に応じて前記使用者の位置を判定し、該判定した位置に前記音場が形成されるように前記パラメトリックスピーカの指向性を制御する制御部と、
   を有することを特徴とする携帯端末装置。
2. 前記パラメトリックスピーカが前記距離計測部の機能を兼ねることを特徴とする請求項１に記載の携帯端末装置。
3. 前記パラメトリックスピーカは、それぞれ超音波を発振する複数の発振装置をアレイ状に有することを特徴とする請求項１又は２に記載の携帯端末装置。
4. 前記パラメトリックスピーカは、振動子として圧電振動子を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の携帯端末装置。
5. 前記パラメトリックスピーカは、振動子としてＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）を有し、その駆動方式は圧電方式、静電方式、電磁方式又は熱伝導方式であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の携帯端末装置。

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