JP2012029101A

JP2012029101A - 音響機器

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Publication number: JP2012029101A
Application number: JP2010166535A
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】周囲に迷惑となることなく利用者のみ音声を所定距離で聞くような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】パラメトリックスピーカ１１０が出力する高指向性音波の可聴域音波が、キャンセリングスピーカ１３０が出力するキャンセリング音波でキャンセリングされる。このため、パラメトリックスピーカ１１０が出力する高指向性音波から復調される可聴域音波の範囲を制限することができ、例えば、周囲に迷惑とならないように可聴域音波を所定距離で聞くようなことができる。
【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２０００−０３６９９３号公報

また、現在の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、周囲に迷惑となることなく利用者のみ音声を所定距離で聞くような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、低周波の可聴域音波を高周波の超音波で変調した高指向性音波を出力するパラメトリックスピーカと、少なくとも可聴域音波をキャンセリングするキャンセリング音波を出力するキャンセリングスピーカと、を有する。

本発明の音響機器では、パラメトリックスピーカが出力する高指向性音波の可聴域音波が、キャンセリングスピーカが出力するキャンセリング音波でキャンセリングされる。このため、パラメトリックスピーカが出力する高指向性音波から復調される可聴域音波の範囲を制限することができ、例えば、周囲に迷惑とならないように可聴域音波を所定距離で聞くようなことができる。

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。

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、低周波の可聴域音波を高周波の超音波で変調した高指向性音波を出力するパラメトリックスピーカ１１０と、少なくとも可聴域音波をキャンセリングするキャンセリング音波を出力するキャンセリングスピーカ１３０と、を有する。

なお、キャンセリングスピーカ１３０は、可聴域音波をキャンセリングする低周波のキャンセリング音波を出力する。また、キャンセリングスピーカ１３０は、高指向性のスピーカユニットからなり、パラメトリックスピーカ１１０が出力する高指向性音波と同一方向に低周波のキャンセリング音波を出力する。

さらに、本実施の形態の携帯電話機１００は、図１に示すように、パラメトリックスピーカ１１０から出力されて復調された可聴域音波が入力されるマイクロフォン１２１，１２２と、マイクロフォン１２１，１２２に入力された可聴域音波から低周波のキャンセリング音波を生成するキャンセリング生成部１５０とを、さらに有し、キャンセリングスピーカ１３０は、生成されたキャンセリング音波を出力する。

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、その両側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と、キャンセリングスピーカ１３０と、が個々に配置されている。

図１に示すように、マイクロフォン１２１，１２２はキャンセリング生成部１５０に接続されており、このキャンセリング生成部１５０がキャンセリングスピーカ１３０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)。

キャンセリング生成部１５０は、ＡＳＩＣ(Application Specific Integrated Circuit)等のＬＳＩ(Large Scale Integration)などからなる。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。

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音波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。

上述のような構成において、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、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の同一音声の入力時間から利用者ＣＵの発声位置を検出する(ステップＳ４)。すると、このように検出された方向にパラメトリックスピーカ１１０から高指向性音波が出力される(ステップＳ５)。

このように出力される高指向性音波は、低周波の可聴域音波を高周波の超音波で変調したものなので、所定距離で可聴域音波に復調される。すると、この可聴域音波がマイクロフォン１２１，１２２に入力される(ステップＳ６−Ｙ)。

すると、キャンセリング生成部１５０は、入力音声を位相変調するなどして、低周波のキャンセリング音波を生成する(ステップＳ７)。このように生成されたキャンセリング音波はキャンセリングスピーカ１３０から出力される(ステップＳ８)。

パラメトリックスピーカ１１０から出力される高指向性音波は遠距離まで到達するが、キャンセリングスピーカ１３０から出力されるキャンセリング音波は短距離までしか到達しない。

このため、携帯電話機１００から出力されたキャンセリング音波が到達する範囲では、パラメトリックスピーカ１１０から出力されて復調された可聴域音波がキャンセリングされる。

本実施の形態の携帯電話機１００では、上述のようにパラメトリックスピーカ１１０が出力する高指向性音波の可聴域音波が、キャンセリングスピーカ１３０が出力するキャンセリング音波でキャンセリングされる。

このため、パラメトリックスピーカ１１０が出力する高指向性音波から復調される可聴域音波の範囲を制限することができ、例えば、周囲に迷惑とならないように可聴域音波を所定距離で聞くようなことができる。

さらに、本実施の形態の携帯電話機１００では、例えば、キャンセリングスピーカ１３０がホーンスピーカなどの高指向性スピーカからなる。このため、パラメトリックスピーカ１１０が出力する高指向性音波の可聴域音波にキャンセリング音波を良好に重畳させることができる。

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、上記形態ではパラメトリックスピーカ１１０から出力されて復調された可聴域音波をマイクロフォン１２１，１２２で検出してキャンセリング生成部１５０がキャンセリング音波を生成することを例示した。しかし、パラメトリックスピーカ１１０から出力される高指向性音波からキャンセリング生成部１５０がキャンセリング音波を直接に生成してもよい。

また、上記形態ではマイクロフォン１２１，１２２が携帯電話機１００に搭載されていることを例示した。しかし、図６に例示する音響機器２００のように、マイクロフォン２１０が着脱自在で利用者ＣＵの近辺に配置できる構造でもよい。

また、上記形態ではキャンセリングスピーカ１３０は、可聴域音波をキャンセリングする低周波のキャンセリング音波を出力することを例示した。しかし、キャンセリングスピーカ１３０が、超音波をキャンセリングする高周波のキャンセリング音波を出力してもよい。

さらに、上記形態ではキャンセリングスピーカ１３０もパラメトリックスピーカ１１０も音声を直接出力することを例示した。しかし、キャンセリングスピーカ１３０に、出力するキャンセリング音波を減衰させる音声減衰手段である粘弾性フィルタなどが装着されていてもよい。この場合、キャンセリング音波の到達範囲が低減するので、パラメトリックスピーカ１１０から出力されて復調される可聴域音波の範囲を拡大することができる。

反対に、パラメトリックスピーカ１１０に、出力する高指向性音波を減衰させる音声減衰手段である粘弾性フィルタなどが装着されていてもよい。この場合、高指向性音波の到達範囲が低減するので、可聴域音波の範囲を削減することができる。

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キャンセリングスピーカ
１４０動電型スピーカ
１５０キャンセリング生成部
２００音響機器
２１０マイクロフォン
ＣＵ利用者

Claims

低周波の可聴域音波を高周波の超音波で変調した高指向性音波を出力するパラメトリックスピーカと、
少なくとも前記可聴域音波をキャンセリングするキャンセリング音波を出力するキャンセリングスピーカと、
を有する音響機器。
前記キャンセリングスピーカは、前記可聴域音波をキャンセリングする低周波の前記キャンセリング音波を出力する請求項１に記載の音響機器。
前記キャンセリングスピーカは、高指向性のスピーカユニットからなり、前記パラメトリックスピーカが出力する前記高指向性音波と同一方向に低周波の前記キャンセリング音波を出力する請求項１または２に記載の音響機器。
前記パラメトリックスピーカから出力される前記高指向性音波から低周波の前記キャンセリング音波を生成するキャンセリング生成手段を、さらに有する請求項１ないし３の何れか一項に記載の音響機器。
前記パラメトリックスピーカから出力されて復調された可聴域音波が入力されるマイクロフォンと、
前記マイクロフォンに入力された前記可聴域音波から低周波の前記キャンセリング音波を生成するキャンセリング生成手段とを、さらに有し、
前記キャンセリングスピーカは、生成された前記キャンセリング音波を出力する請求項１ないし３の何れか一項に記載の音響機器。
前記キャンセリングスピーカは、前記超音波をキャンセリングする高周波の前記キャンセリング音波を出力する請求項１に記載の音響機器。
前記キャンセリングスピーカは、出力する前記キャンセリング音波を減衰させる音声減衰手段が装着されている請求項１ないし６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、出力する前記高指向性音波を減衰させる音声減衰手段が装着されている請求項１ないし７の何れか一項に記載の音響機器。