JP2012029099A

JP2012029099A - 音響機器

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Publication number: JP2012029099A
Application number: JP2010166533A
Authority: JP
Inventors: Yuichiro Kishinami; 雄一郎岸波; Yasuharu Onishi; 康晴大西; Motoyoshi Komoda; 元喜菰田; Yukio Murata; 行雄村田; Atsushi Kuroda; 淳黒田; Shigeo Sato; 重夫佐藤
Original assignee: NEC Casio Mobile Communications Ltd
Current assignee: NEC Casio Mobile Communications Ltd
Priority date: 2010-07-23
Filing date: 2010-07-23
Publication date: 2012-02-09

Abstract

【課題】利用者の所定属性を判定してスピーカユニットの出力音声を制御することができる携帯電話機などの音響機器を提供する。
【解決手段】携帯電話機１００は、マイクロフォン１２１，１２２の入力音声から利用者ＣＵの所定属性を判定してスピーカユニット１１０の出力音声を制御する。このため、例えば、利用者ＣＵの年齢層に対応した周波数特性などでスピーカユニット１１０に音声を出力させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、携帯電話機などの音響機器に関し、特に、マイクロフォンとパラメトリックスピーカとを備えた音響機器に関する。

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(特許文献４)。

再表２００７−０２６７３６号公報再表２００７−０８３４９７号公報特開平０３−２７０２８２号公報特開２００８−０４７９４７号公報

利用者に利用される音響機器である携帯電話機などは、平均的な利用者に対応してチューニングされている。しかし、例えば、聞き取りやすい周波数特性は年齢により相違することなどが知られている。

このため、上述のような携帯電話機を高齢の利用者が使用したときには、音声が聞き取りにくいことが発生しやすい。このような課題を解決するため、例えば、音声出力を大音量とすることがある。

しかし、音響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。しかし、このような状態で上述のように出力音声を大音量とすると、周囲の迷惑となることになる。

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、利用者の所定属性を判定してスピーカユニットの出力音声を制御することができる携帯電話機などの音響機器を提供するものである。

本発明の音響機器は、利用者に音声を出力するスピーカユニットと、利用者が発声した音声を入力するマイクロフォンと、マイクロフォンの入力音声から利用者の所定属性を判定してスピーカユニットの出力音声を制御する音声制御手段と、を有する。

本発明の音響機器では、マイクロフォンの入力音声から利用者の所定属性を判定してスピーカユニットの出力音声を制御する。このため、例えば、利用者の年齢層に対応した周波数特性などでスピーカユニットに音声を出力させることができる。

本発明の実施の形態の音響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パラメトリックスピーカの要部の構造を示す縦断側面図である。パラメトリックスピーカ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。一変形例のパラメトリックスピーカ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４を参照して説明する。本実施の形態の音響機器である携帯電話機１００は、図１および図２に示すように、利用者に音声を出力するスピーカユニット１１０，１４０と、利用者が発声した音声を入力するマイクロフォン１２１，１２２と、マイクロフォン１２１，１２２の入力音声から利用者の所定属性を判定してスピーカユニット１１０，１４０の出力音声を制御する音声制御手段である指向性制御部１３０と、を有する。

より具体的には、本実施の形態の携帯電話機１００は、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、その側方にハンズフリー通話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を介して指向性制御部１３０に接続されており、この指向性制御部１３０がパラメトリックスピーカ１１０および動電型スピーカ１４０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)。

指向性制御部１３０は、ＡＳＩＣ(Application Specific Integrated Circuit)等のＬＳＩ(Large Scale Integration)などからなり、二個のマイクロフォン１２１，１２２の入力音声から利用者ＣＵの声紋を検出して年齢層を所定属性として判定する。

そして、指向性制御部１３０は、上述のように判定した利用者ＣＵの年齢層に対応してスピーカユニット１１０，１４０の出力音声の周波数特性を制御する。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、出力音声を低周波に遷移させるとともに、音量を増加させる。

なお、本実施の形態の携帯電話機１００は、詳細には後述するが、動電型スピーカ１４０を駆動する通常通話モードとパラメトリックスピーカ１１０を駆動するパラメトリックモードとが切換自在に設定される。

そして、パラメトリックモードで上述のように利用者ＣＵの年齢層を判定してパラメトリックスピーカ１１０の出力音声の周波数特性を制御するときには、二個のマイクロフォン１２１，１２２の出力から利用者ＣＵの発声位置を左右方向で検出し、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も左右に制御する。

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、製造上は特に問題はないが、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。

そして、本実施の形態の携帯電話機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、本実施の形態の携帯電話機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)、ハンズフリー通話や音楽の視聴などにも利用される。

このような場合、携帯電話機１００は、例えば、図１に示すように、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、利用者ＣＵがハンズフリー通話や音楽の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、指向性制御部１３０は、入力音声を声紋分析し(ステップＳ４)、分析結果の声紋から年齢層を判定する(ステップＳ５)。また、入力音声の時間差から発声位置の方向を検出する(ステップＳ６)。

そこで、上述のように判定された年齢層に対応してパラメトリックスピーカ１１０から出力される音声の周波数特性が制御される(ステップＳ７)。このとき、上述のように検出された方向にパラメトリックスピーカ１１０から高指向性の音声が出力される(ステップＳ８)。

本実施の形態の携帯電話機１００では、上述のようにマイクロフォン１２１，１２２の入力音声から利用者の年齢層を判定してパラメトリックスピーカ１１０の周波数特性を制御する。

このため、利用者の年齢層に対応した周波数特性などで音楽などの音声をパラメトリックスピーカ１１０から出力させることができる。一般的に高齢となると一定周波数以上の音声が聞きづらくなるが、これを本実施の形態の携帯電話機１００は補助することができる。

特に、本実施の形態の携帯電話機１００は、マイクロフォン１２１，１２２の入力音声から利用者ＣＵの声紋を検出して年齢層を判定する。このため、既存技術により良好な精度で利用者ＣＵの年齢層を判定することができる。

しかも、本実施の形態の携帯電話機１００では、上述のようなパラメトリックスピーカ１１０の音声が高指向性なので、周囲に騒音となることなく、利用者ＣＵに充分な音量の音声を提供することができる。

また、本実施の形態の携帯電話機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、本実施の形態の携帯電話機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、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、上記形態では携帯電話機１００がマイクロフォン１２１，１２２の入力音声から利用者ＣＵの所定属性として年齢層を判定することを例示した。しかし、利用者ＣＵの所定属性として性別を判定し、この性別に対応してパラメトリックスピーカ１１０の周波数特性を調節してもよい。

また、上記形態ではマイクロフォン１２１，１２２の入力音声から利用者ＣＵの声紋を検出して年齢層を判定することを例示した。しかし、声紋を分析することなく周波数特性などから年齢層を判定してもよい。

さらに、上記形態では携帯電話機１００が検出された利用者ＣＵの年齢層に対応してパラメトリックスピーカ１１０の出力音声の周波数特性を制御することを例示した。

しかし、検出された利用者ＣＵの年齢層に対応してパラメトリックスピーカ１１０の出力音声の出力速度を制御してもよい。例えば、出力音声が勉強用の英語などの場合、年齢層に対応して出力音声の出力速度を制御することが好適である。

また、携帯電話機１００が、パラメトリックスピーカ１１０から出力される音楽などの音声コンテンツを取得するコンテンツ取得部も有し、指向性制御部１３０は、パラメトリックスピーカ１１０から出力される音声コンテンツを切換制御してもよい。

この場合、利用者ＣＵの年齢層に対応した音楽などを自動的に選定して出力することができる。なお、コンテンツ取得部は、例えば、指向性制御部１３０に内蔵されており、音声コンテンツを事前に格納していてもよく、外部から無線通信などで取得してもよい。

なお、上記形態では上述のように利用者ＣＵの特性に対応して制御する音声をパラメトリックスピーカ１１０から出力することを例示した。しかし、このような音声を動電型スピーカ１４０から出力してもよい。

さらに、上記形態では単体の携帯電話機１００を音響機器として例示した。しかし、通話する一対の携帯電話機１００等と通話を仲介する基地局等のサービスプロバイダからなるシステムを音響機器とすることもできる。

その場合、一方の携帯電話機の入力音声に対応して、他方の携帯電話機の入力音声を、仲介機器が仲介するときに周波数変換などすることになる。この場合、例えば、老齢の利用者と若い利用者とが携帯電話機で通話するときに、双方に最適な出力音声を提供するようなことができる。

また、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、パラメトリックスピーカ１１０を略中心に複数のマイクロフォン１２１，１２２が配置されており、指向性制御部１３０は、複数のマイクロフォン１２１，１２２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。

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５に例示する発振ユニットであるパラメトリックスピーカ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１３０は、パラメトリックスピーカ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。このようなパラメトリックスピーカ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６に示すように、パラメトリックスピーカ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１３０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、前述した携帯電話機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、パラメトリックスピーカ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、携帯電話機１００には折り畳み式などが多々あるが、上述のようなパラメトリックスピーカ２００は、そのような携帯電話機１００の構造の影響を受けない。

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携帯電話機
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
１３０指向性制御部
１４０動電型スピーカ
２００パラメトリックスピーカ
２１０マイクロフォン
ＣＵ利用者

Claims

利用者に音声を出力するスピーカユニットと、
前記利用者が発声した音声を入力するマイクロフォンと、
前記マイクロフォンの入力音声から前記利用者の所定属性を判定して前記スピーカユニットの出力音声を制御する音声制御手段と、
を有する音響機器。
前記音声制御手段は、前記マイクロフォンの入力音声から前記利用者の前記所定属性として年齢層と性別との少なくとも一方を判定する請求項１に記載の音響機器。
前記音声制御手段は、前記マイクロフォンの入力音声から前記利用者の声紋を検出して前記所定属性を判定する請求項１または２に記載の音響機器。
前記音声制御手段は、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ないし３の何れか一項に記載の音響機器。
前記音声制御手段は、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ないし４の何れか一項に記載の音響機器。
前記スピーカユニットから出力される音声コンテンツを取得するコンテンツ取得手段を、さらに有し、
前記音声制御手段は、前記スピーカユニットから出力される前記音声コンテンツを切換制御する請求項１ないし５の何れか一項に記載の音響機器。
前記マイクロフォンは、前記利用者の通話音声を入力し、
前記マイクロフォンに入力された前記通話音声を無線送信する通話送信手段と、
前記通話音声を無線受信する通話受信手段とを、さらに有し、
前記スピーカユニットは、無線受信された前記通話音声を出力する請求項１ないし６の何れか一項に記載の音響機器。
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て高指向性の音声の出力方向を制御自在なパラメトリックスピーカと、
前記利用者が発声した音声を入力する複数の前記マイクロフォンとを、さらに有し、
前記音声制御手段は、複数の前記マイクロフォンの入力結果から前記利用者の発声位置の少なくとも方向を検出して前記パラメトリックスピーカの音声出力の方向を制御する請求項１ないし７の何れか一項に記載の音響機器。
前記パラメトリックスピーカは、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一部が前記マイクロフォンと置換されており、
前記音声制御手段は、前記パラメトリックスピーカ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８に記載の音響機器。
前記パラメトリックスピーカは、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が前記マイクロフォンと置換されている請求項９に記載の音響機器。