JP4371268B2 - 指向性スピーカーの駆動方法および指向性スピーカー - Google Patents

指向性スピーカーの駆動方法および指向性スピーカー Download PDF

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Description

本発明は、外部からの電気信号により振動板を振動させて超音波領域の音波を発振する指向性スピーカーの駆動方法および指向性スピーカーに関する。特に、超音波の特性である狭指向特性を用いて可聴音場を発生させる指向性スピーカーの駆動方法および指向性スピーカーに関する。
指向性スピーカーとして、超音波の特性である狭指向特性を用いて可聴音場を発生させる超音波スピーカーが知られている。超音波スピーカーを電子機器等に搭載した場合には、その狭指向特性を利用することにより、使用者以外に音声が聞こえないような効果を持たせることができる。
超音波スピーカーとして、多数の超音波スピーカーをアレイ状に配置した構成を持ち、パラメトリック効果により指向性を持たせたものが知られている（例えば特許文献１参照）。
この指向性スピーカーの概略を図２３、図２４を用いて説明する。図２３は、指向性スピーカーの構成を説明するための上部平面図であり、図２４は、指向性スピーカーを成す超音波スピーカーの構成を説明するための断面図である。
図２３に示すように、指向性スピーカー１０９は、多数の超音波を発生する超音波スピーカー１００をプリント基板１０８上にアレイ状に複数個配置して超音波スピーカーアレイを構成する。この超音波スピーカーアレイに可聴音信号で振幅変調された超音波信号を入力することで指向性音場を形成している。
ここに示す指向性スピーカー１０９は、搬送波である超音波信号を可聴音により振幅変調した変調信号によって超音波スピーカー１００を駆動して超音波を出力する。超音波スピーカー１００から出力された超音波は、空気中を伝達する間に超音波の非線形現象により可聴音の２次音波を発生し、パラメトリック効果を得ることが出来る。
また、この指向性スピーカー１０９を成す超音波スピーカー１００は、図２４に示すように、ベース１０１に電極１０２を固定し、さらに電極１０２の先端部に絶縁性接着剤１０３を用いて振動板１０４を貼り付けた構造になっている。さらに、この振動板１０４には、振動発生源として圧電素子１０５が貼り付けられている。この圧電素子１０５の上には、放出する音圧を大きくすることができるように共振子１０６を貼り付ける場合もある。またさらに、圧電素子１０５は、電極１０２とリード線１０７で接続され、外部の電気回路（図示していない）からの信号で圧電素子１０５を振動させることができる形態としている。
上述した指向性スピーカーは、パラメトリック効果を用いて超音波から２次音波を生成しているため、可聴音を再生する際に超音波から可聴音への変換効率が低いという問題がある。そのため、１つの超音波スピーカー１００では大きな可聴音を再生することは難しく、図２３に示すように多数の超音波スピーカー１００をアレイ状に配置しなければならない。そのため、スピーカー装置全体のサイズが大きくなるため、アレイ状に構成した指向性スピーカーでは小型の電子機器や携帯端末などへ搭載することが困難である。
上述したアレイ状に構成した指向性スピーカーの他に、超音波を搬送波として使用する指向性スピーカーが提案されている。この指向性スピーカーの一つとして、超音波の搬送波を音声信号で振幅変調し、得られた変調信号を超音波振動子から音声出力する構成が提案されている（例えば、特許文献２，３参照）。
上述した振幅変調を用いた指向性スピーカーは、高い音圧の音声を発生することができないという問題があり、増幅器の増幅率を高めるなど出力を増大させる構成が必要であることが指摘されている。
また、超音波を搬送波として使用する別の指向性スピーカーとして、超音波の搬送波を音声信号で周波数変調し、得られた変調信号を超音波振動子から音声出力する構成が提案されている（例えば、特許文献４参照）。
図２５は周波数変調を用いた指向性スピーカーの構成を説明するためのブロック図である。この指向性スピーカーは、音声発生手段１１０、超音波の搬送波を発生する超音波発生手段１２０、超音波発生手段１２０で発生した超音波を音声発生手段１１０で発生した音声信号で周波数変調する周波数変調手段１３０、周波数変調手段１３０で変調した変調信号を増幅する増幅手段１４０、変調信号を音響信号に変換する電気音響変換手段１５０とから構成される。
特許文献４に記載される上記指向性スピーカーでは、当該文献に記述するように、電気音響変換手段１００から放射された超音波と可聴音声信号とが混在する音響振動となり、この音響振動が超音波として空気中に伝搬していく過程で非線形相互作用を起こし、低周波成分からなる超音波性音声に復調される。
特開２００３−４７０８５号公報（第３頁、図１−図２） 特開平３−１５９４００号公報 特開平３−２９６３９９号公報 特開平１１−１６４３８４号公報
本願の発明者は、上記特許文献４に記載される従来の指向性スピーカーのような周波数変調を用いた構成により得られる可聴音は、出力しようとする目的の音声信号と比較して音質に低下しており、その要因として、周波数変調波を超音波スピーカーで駆動して得られる可聴音の音圧と、出力しようとする目的の音声の音圧とが相違することを見出した。
図２６は、周波数変調を用いた従来の指向性スピーカーにより得られる可聴音の音圧変化を説明するための図である。
図２６（ａ）は出力しようとする目的の音声の音圧分布を示している。聴取者は音圧が高い部分ａと音圧が低い部分ｂとの繰り返しからなる音圧分布を音として認識する。図２６（ｂ）はこの音声の音声信号を示している。なお、ここでは、音声信号を所定周波数の正弦波信号により表している。
図２６（ｃ）に示す超音波の搬送波を図２６（ｂ）の音声信号で周波数変調すると、図２６（ｄ）に示す周波数変調波が得られる。この周波数変調波により振動板を駆動することで図２６（ｅ）に示す音圧分布の可聴音が得られる。
ここで、図２６（ａ）に示す目的の音声の音圧分布と、図２６（ｅ）に示す周波数変調により得られる音圧分布とを比較すると、その音圧分布が異なっていることが認識される。聴取者はこの周波数変調により得られる可聴音を聴取すると、この音圧分布の変化は音質の低下として認識される。
図２７は、出力しようとする目的の音声の音圧分布に変化がある場合について示している。図２６では、音声信号が一定の周波数であるため、図２６（ａ）に示す目的の音声の音圧分布と、図２６（ｅ）に示す周波数変調により得られる音圧分布とは、一見位相のずれとしてのみ認識されるが、前記した図２６と同様に、図２７（ａ）に示す目的の音声の音圧分布と、図２７（ｅ）に示す周波数変調により得られる音圧分布とを比較すると、その音圧分布が異なっていることがより明確に認識される。
上記したように、従来のパラメトリック効果を利用した指向性スピーカーでは、スピーカー装置全体のサイズが大きくなるという問題があり、また、従来の超音波の搬送波を振幅変調する指向性スピーカーでは高い音圧を得ることが難しいという問題がある。
また、従来の超音波の搬送波を周波数変調する指向性スピーカーでは、良好な音質が得にくいという問題がある。
そこで、本発明は上記課題を解決して、超音波スピーカーを１つもしくは少数を配置した小型のスピーカーアレイにより狭指向性の可聴音場を形成すること、また、良好な音質を得ることができる指向性スピーカーの駆動方法と、指向性スピーカーを提供することを目的とする。
本発明は、超音波の搬送波を音声信号で変調する構成とすることで、パラメトリック効果によらない小型で狭指向性の可聴音場を形成すると共に、超音波の搬送波の変調において、出力使用とする目的の音声信号（再生可聴音信号）の音圧分布が得られるような変調処理を行うことによって、指向性スピーカーから出力される音響信号の音質を向上させるものである。
本発明の指向性スピーカーの駆動方法及び指向性スピーカーは、再生可聴音信号の音圧分布が得られるような変調処理を行う態様として、再生可聴音信号で搬送波信号を微分信号で位相変調する第１の位相変調の態様と、再生可聴音信号の傾きに基づいて搬送波信号を位相変調する第２の位相変調の態様の二つの態様を備える。
本発明は、再生可聴音信号で搬送波信号を位相変調することにより変調搬送波信号を得るものであり、振動板を振動させて音波を発信させる指向性スピーカーにおいて、再生可聴音信号を出力する再生信号発生手段と、超音波帯域の周波数の搬送波信号を出力する超音波信号発生手段と、再生可聴音信号により搬送波信号を位相変調させて変調搬送波信号を得る位相変調手段と、変調搬送波信号の疎密周期に基づいて振動板を振動させる振動板駆動手段とを有する構成とする。
位相変調手段は、超音波信号発生手段で出力した超音波帯域の周波数の搬送波信号を、再生信号発生手段から出力した再生可聴音信号によって位相変調し、この位相変調で得られた変調搬送波信号の疎密周期に基づいて振動板を振動させて音波を発信させる。この位相変調により、指向性スピーカーからは再生可聴音信号と同様の音圧分布が得られる。
ここで、搬送波信号は４０kHz〜１００kHzの周波数の信号波とし、位相変調手段は０．１radから２５radの範囲内の変調位相により搬送波信号を位相変調する。
本発明の第１の態様の位相変調は、再生可聴音信号の微分信号による搬送波を変調して位相変調を行う第１の位相変調の態様であり、第１の位相変調手段は、再生可聴音信号を微分する微分回路と、微分回路の出力信号により搬送波信号を周波数変調する周波数変調回路とにより構成することができる。
本発明の第２の態様の位相変調は、再生可聴音信号の傾きに基づいて搬送波信号を変調する第２の位相変調の態様であり、第２の位相変調手段は、傾きに応じた搬送波信号の変調において、再生可聴音信号の増加信号部分において搬送波信号を密に変調し、再生可聴音信号の減少信号部分において搬送波信号を疎に変調する。
また、この搬送波信号を信号の増減部分に応じて疎密に変調する形態として、再生可聴音信号の増加部分の信号幅に応じて搬送波信号を密に変調し、再生可聴音信号の減少部分の信号幅に応じて搬送波信号を疎に変調する形態とする他、再生可聴音信号の増加部分の増加率に応じて搬送波信号を密に変調し、再生可聴音信号の減少部分の減少率に応じて搬送波信号を疎に変調する形態とすることもできる。
また、再生可聴音信号の増加信号部分のみについて搬送波信号を変調してもよい。通常、聴取者は、音圧分布において高い音圧部分を認識し、低い音圧部分は音声認識への寄与が少ないため、高い音圧が生成される再生可聴音信号の増加信号部分のみについて搬送波信号を変調することでも十分であり、これにより消費電力を低減させることができる。
また、上記した本発明の第１及び第２の態様において、搬送波信号を矩形波とし、そのデューティー比を所定値とすることで音質を向上させることができる。
搬送波信号を矩形波としたとき、そのデューティー比（Lowの時間幅に対するHighの時間幅の比率）が低い場合（Highの時間比率が小さい場合）には、可聴音での音圧が低くなって可聴が困難となり、逆にデューティー比が高い場合（Highの時間比率が大きい場合）には高調波の音圧が可聴音の音圧を越えるようになるため、可聴音の識別が難しくなる。
そこで、矩形波のデューティー比を再生可聴音信号の波長域における音圧が高調波成分の音圧よりも大とする比率に設定する。
例えば、４０kHz〜１００kHzの周波数の矩形波とし、矩形波のデューティー比を２０％〜８０％の中から選択する。矩形波のデューティー比は、２０％を下回る場合には可聴音での音圧が低くなって可聴が困難となり、８０％を越える場合には高調波の音圧が可聴音の音圧を越えるようになり可聴音の識別が難しくなるため、この２０％〜８０％の中から選択した例えば６０％のデューティー比の搬送波を用いる。
また、上記した本発明の第１及び第２の態様において、変調して得られた変調搬送波信号の周波数特性を調整することにより音質を向上させることができる。
変調搬送波信号の周波数特性を調整する手段として、変調手段と振動板駆動手段との間に前記変調搬送波信号の所定周波数成分を通過させるフィルターを備える。フィルターの通過域は、振動板駆動手段が備える周波数に対する音圧特性において共振点を含まない一つの周波数域とする。
振動板駆動手段は周波数に対して共振点を有し、この共振周波数を境にして音圧特性の傾きが変化する。そのため、共振点を挟んで周波数帯域で変調を行うと、音圧の周波数に対する直線性が無くなり、音質に影響があらわれる。フィルターはこの共振点部分を除くように周波数帯域を設定することで、音圧の周波数に対する非直線性による影響を除くことができる。
また、変調搬送波信号の周波数特性を調整する手段として、変調手段と振動板駆動手段との間に振幅変更手段を備える。振幅変更手段が備える周波数に対する振幅特性により、振動板駆動手段が備える周波数に対する音圧特性を所定の音圧特性に変更する。
上記した、搬送波信号を矩形波とする構成や、変調搬送波信号の周波数特性を調整する手段としてのフィルターや振幅変更手段は、前記した位相変調等の変調の態様に限らず周波数変調にも適用することができる。
周波数変調に矩形波を適用した態様では、振動板を振動させて音波を発信させる指向性スピーカーにおいて、再生可聴音信号を出力する再生信号発生手段と、超音波帯域の周波数の搬送波信号を出力する超音波信号発生手段と、再生可聴音信号により前記搬送波信号を変調させて変調搬送波信号を得る角度変調手段と、変調搬送波信号の疎密周期に基づき前記振動板を振動させる振動板駆動手段とを有した構成とし、搬送波信号を４０kHz〜１００kHzの周波数の矩形波でそのデューティー比を２０％〜８０％ｎ範囲内から選択する。また、変調周波数は０．１kHzから３０kHzで搬送波信号を変調する。
また、周波数変調にフィルターを適用した構成では、振動板を振動させて音波を発信させる指向性スピーカーにおいて、再生可聴音信号を出力する再生信号発生手段と、超音波帯域の周波数の搬送波信号を出力する超音波信号発生手段と、再生可聴音信号により搬送波信号を変調させて変調搬送波信号を得る角度変調手段と、変調搬送波信号の疎密周期に基づき前記振動板を振動させる振動板駆動手段と、位相変調手段と振動板駆動手段との間に変調搬送波信号の所定周波数成分を通過させるフィルターとを備えた構成とし、フィルターの通過域を、振動板駆動手段が備える周波数に対する音圧特性において共振点を含まない一つの周波数域に設定する。
また、周波数変調に振幅変更を適用した構成では、振動板を振動させて音波を発信させる指向性スピーカーにおいて、再生可聴音信号を出力する再生信号発生手段と、超音波帯域の周波数の搬送波信号を出力する超音波信号発生手段と、再生可聴音信号により搬送波信号を変調させて変調搬送波信号を得る角度変調手段と、変調搬送波信号の疎密周期に基づき前記振動板を振動させる振動板駆動手段と、位相変調手段と振動板駆動手段との間に設ける振幅変更手段とを備えた構成とし、振幅変更手段が備える周波数に対する振幅特性により、振動板駆動手段が備える周波数に対する音圧特性を所定の音圧特性に補正する。
本発明によれば、超音波から可聴音への変換効率が高くすることができるため、多数の超音波スピーカーを用いなくとも指向性スピーカーを作ることができる。そのため、この指向性スピーカーを搭載した装置サイズを小型にできることにより、今まで実現できなかった携帯電子機器に超音波スピーカーを搭載することが可能になる。
また、本発明により特定周波数の領域のみで可聴音を再生することで、使用者以外には音が聞こえない機能を持つ電子機器への利用が可能となり、超音波スピーカーを１つもしくは少数を配置した小型のスピーカーアレイにより狭指向性の可聴音場を形成することができる。
また、本発明によれば、指向性スピーカーにおいて良好な音質を得ることができる。
以下、図面を用いて本発明の実施形態における指向性スピーカーの駆動方法およびその駆動方法を用いた指向性スピーカーについて説明する。以下に示す本発明の指向性スピーカーの駆動方法は、基本的には、背景技術中の図２４で示したスピーカー構造と同じ物を用いた場合について説明をするが、他の構成の超音波スピーカーにも適用することができることを留意されたい。
まず、図１を用いて本発明の指向性スピーカーの構成及び駆動方法の概略について説明する。図１は、本発明の指向性スピーカーの構成と、その駆動方法を示す概略図である。
本図面に示す本発明の指向性スピーカーは、再生したい可聴音の音源としての再生信号発生手段１０と、搬送波信号として超音波を発振させる超音波信号発生手段２０と、再生信号発生手段１０の信号で搬送波信号を位相変調して変調搬送波を得る角度変調手段３０と、変調搬送波信号の疎密周期に基づき振動板を振動させてなる振動板駆動手段５０を備えた構成とし、振動板駆動手段５０により振動板（図示していない）を振動させることで超音波を出力する。角度変調手段３０と振動板駆動手段５０との間には所定の周波数を通過させるフィルター４０を設けることもできる。
また、この振動板駆動手段５０からの出力が足りない場合は、角度変調手段３０と振動板駆動手段５０との間に、変調された搬送波信号を増幅させる増幅器（アンプ）（図示していない）を入れ、電気信号を増幅させても良い。
図２は、指向性スピーカーに用いる位相変調を説明するための図面であり、図２（ａ）は再生可聴音信号を示す図であり、図２（ｂ）は搬送波信号を示す図であり、図２（ｃ）は変調搬送波信号を示す図である。
以下、角度変調について説明する。角度変調手段３０は、可聴音音源である再生信号発生手段１０からの再生可聴音信号１１（図２（ａ））によって、超音波帯域の搬送波信号１２（図２（ｂ））を周波数変調や本発明の位相変調等により角度変調させ、変調搬送波信号１３（図２（ｃ））を作成する。
なお、本発明の指向性スピーカーでは、位相変調等を用いることで音質を向上させているが、後述するように位相変調を微分と周波数変調の組み合わせで行う場合には、変調の一部において周波数変調を行うため、以下では周波数変調を含めた角度変調について説明する。この変調搬送波信号１３は、一定周期の超音波の搬送波信号１２が再生可聴音信号１１の振幅に合わせて変調されて、部分的に周期が異なる波形となる。なお、ここでは、波形の振幅は同一としている。
角度変調において周波数変調を行う場合には、図２（ａ）における再生可聴音信号１１の交流信号の振幅に比例して搬送波信号１２の角周波数を変化させて、搬送波信号を伸縮させた変調搬送波信号１３を作成する。
本発明で用いている超音波帯域の変調搬送波信号１３は、４０kHzから１００kHzの間の周波数を用いるのが好ましい。一般的には、人間の耳に聞こえないと言われている１８kHzから２０kHz以上の周波数帯域を超音波としている。しかし、４０kHz未満の搬送波信号では可聴音周波数に近すぎるため、前述した再生可聴音信号でこの搬送波信号を変調した搬送波信号は、その周波数の伸縮の度合いが小さい。そのため、この周波数帯域では、実際に使用者が認識できる可聴音は再生され難い。仮に、この変調搬送波信号が再生されたとしても、音圧は非常に低くなってしまい、使用者は殆ど聞くことはできない。
逆に、１００kHzより高い周波数帯域の搬送波信号を用いた場合、周波数変調や本発明の位相変調等を行うことによって可聴音の再生は可能となるが、搬送波の振動と変調された部分の振動との間に差がありすぎるため、使用者には再生される音が割れて聞こえてしまう。そのため、純音（本来聞えるべき音）の再生などに、このような高い周波数帯域の搬送波を使用することは適していない。
また、１００kHzより高い周波数の搬送波信号１２は、超音波発生手段１１において高周波の信号を発生させるために、消費電力が大きくなってしまう。上記理由により、１００kHzより高い周波数の搬送波信号１２の使用は、本発明が用途の一つとする携帯型電子機器への搭載が困難になってしまうため好ましくない。
さらに、前述した周波数変調を行う場合には、０．１kHzから３０kHzの変調周波数で搬送波を周波数変調することが好ましい。それは、再生させる可聴音によって変調周波数を調節し、可聴音が歪みなくきれいに再生されるところに合わせる際に、３０kHzを越える変調周波数になると、変調の度合いが高くなり再生される可聴音の歪みが大きく音が割れて聞こえるようになり、使用者が聞き取りにくくなってしまうためである。また、０．１kHzを下回る周波数では周波数が低いため、変調の度合いが低くなり可聴音が再生されなくなってしまうからである。
位相変調は、先に説明をした周波数変調に代えて行うことができ、再生可聴音信号１１の交流信号の振幅に比例して搬送波信号１２の位相を変化させ、搬送波信号を伸縮させた変調搬送波信号１３を作成する。この両者のいずれの変調方法であっても、搬送波信号１２から、この搬送波信号１２に伸縮部を持たせた搬送波信号１３に変換させることができる。
ここで用いる超音波帯域の搬送波信号１２においても、前述したと同じ理由から、先に説明した４０kHzから１００kHzの間の周波数を用いることが好ましい。
また、前述した位相変調等を行う場合には、位相変調は数百radの範囲まで変調することができるが、０．１radから２５radの間の範囲の変調位相で搬送波を変調することが好ましい。それは、再生させる可聴音によって変調位相を調節し、可聴音は歪みなくきれいに再生されるように合わせる際に、２５rad以上の変調では再生される可聴音の歪みが大きすぎて割れて聞こえ、きれいな音で再生できなくなるためである。また、０．１rad以下の変調では変調が低すぎて可聴音は再生されなくなってしまうからである。
次に、可聴音再生の原理について図３（ａ），（ｂ）を用いて説明する。図３（ａ）は、本発明の指向性スピーカーから出射された超音波において、変調搬送波信号の疎密周期の状態を示す説明図であり、図３（ｂ）は、その疎密周期が使用者の耳に聞こえる音圧分布を示す説明図である。
超音波スピーカー１００において、振動板駆動手段５０に変調搬送波信号１３が印加すされると、振動板が振動して大気中に空気の疎密状態を発生させ（図３（ｂ））、図２（ｃ）に示す変調搬送波信号１３の波形に応じた空気圧を発生させる。その結果、大気中に放出された変調搬送波信号１３は、超音波帯域の細かい振動からくる空気圧の高い部分１４と、振動の緩和された空気圧の低い部分１５を発生させる（図３（ａ））。
この波形が聴取者の耳に到達すると、聴取者は超音波帯域の空気の圧力振動を聞き取ることができないが、可聴音域の圧力振動のみを聞き取ることができる。そのため、図３（ｂ）に示すように空気圧の高い部分１４と低い部分１５とを、その空気圧の異なる領域として認知されることとなり、この領域の変化を音として聞くことになる。
これは、聴取者の耳が一種のローパスフィルターの作用をするため、この指向性スピーカーの聴取者は、超音波帯域の振動から可聴音域の振動を取り出すことができるためである。
また、指向性の音場を形成する原理について図４を用いて説明する。図４は、本発明の指向性スピーカーの指向性原理を説明するための概略図である。
一般的に、ある平坦な板を可聴音域から超音波帯域まで徐々に振動周波数を高くしていくと、振動周波数が高くなるにつれて、振動している平坦な板の中心軸６３を中心とした領域に、音圧６１の高い高音圧領域６２が集中するようになってくることが知られている。この現象は、指向性スピーカーに対しても当てはまり、高音圧領域６２よりも外側では音圧が極端に低くなるため、超音波スピーカー１００から発信された音波は、高音圧領域６２よりも外側では長い距離を伝播することができなくなってしまう。そのため、超音波スピーカー１００から遠く離れた位置では、高音圧領域６２内のみで音が伝播するようになり、結果として狭い指向性を持つようになる。
この様に、超音波スピーカー１００から出力される変調搬送波信号１３は超音波帯域の振動であるので、超音波スピーカー１００の前方に伝搬する超音波は、広角に広がらずにある狭い指向性を持つことになる。
したがって、指向性スピーカーの聴取者は、変調搬送波信号が伝播する狭い範囲内でのみ可聴音を聞くことができ、この範囲外では可聴音を聞くことはできないようにすることができる。
本発明の指向性スピーカーの駆動方法及び指向性スピーカーは、前記した発明が解決し うとする課題で記載したように、本願の発明者は、従来の指向性スピーカーのような周波数変調により得られる可聴音は、出力しようとする目的の再生可聴音とその音圧分布が異なり、この音圧分布の相違によって音質が低下することを見出し、この見知に基づいて、再生可聴音信号の音圧分布が得られるよう変調を行う指向性スピーカーの構成、行う駆動方法を発明し、これにより出力しようとする目的の再生可聴音と同様の音圧分布を得られることができ、指向性スピーカーの出力の音質を向上させることができる。
この再生可聴音信号の音圧分布を得る変調の態様として、本発明は、再生可聴音信号で搬送波信号を位相変調する第１の態様と、再生可聴音信号の傾きに基づいて搬送波信号を変調する第２の態様の二つの態様を備える。
はじめに、再生可聴音信号で搬送波信号を位相変調する第１の態様について説明する。第１の態様は、再生可聴音信号で搬送波信号を位相変調する態様である。以下、この第１の態様の構成について図５を用いて説明する。
図５において、第１の態様による指向性スピーカーは、再生可聴音信号を出力する再生信号発生手段１０と、超音波帯域の周波数の搬送波信号を出力する超音波信号発生手段２０と、再生可聴音信号により搬送波信号を位相変調させて変調搬送波信号を得る第１の位相変調手段３１と、変調搬送波信号の疎密周期に基づいて振動板を振動させる振動板駆動手段５０とを備え、第１の位相変調手段３１と振動板駆動手段５０との間にフィルター４０を備える。フィルター４０は、位相変調された変調搬送波信号から所定周波数帯域を抽出して、音質を向上させる。
第１の位相変調手段３１は、超音波信号発生手段２０で出力した超音波帯域の周波数の搬送波信号を、再生信号発生手段１０から出力した再生可聴音信号によって位相変調し、この位相変調で得られた変調搬送波信号の疎密周期に基づいて振動板を振動させて音波を発信させる。この位相変調により、指向性スピーカーからは再生可聴音信号と同様の音圧分布が得られる。
図６は再生可聴音信号で搬送波信号を位相変調する態様における信号及び音圧分布を説明するための図である。
図６（ａ）は出力しようとする目的の再生可聴音の音圧分布を示している。聴取者は、再生可聴音を、音圧が高い部分ａ（実線の矢印）と音圧が低い部分ｂ（破線の矢印）との繰り返しからなる音圧分布を音として認識する。図６（ｂ）はこの再生可聴音の音声信号を示している。なお、ここでは、音声信号を所定周波数の正弦波信号により表している。
図６（ｃ）に示す超音波の搬送波を図６（ｂ）の音声信号で位相変調すると、図６（ｄ）に示す位相変調波が得られる。この位相変調波により振動板を駆動することで図６（ｅ）に示す音圧分布の可聴音が得られる。
ここで、図６（ａ）に示す再生可聴音の音圧分布と、図６（ｅ）に示す位相変調により得られる音圧分布とを比較すると、その音圧分布が一致していることが認識される。聴取者はこの位相変調により得られる可聴音を聴取することで、再生可聴音と同様の音圧分布により高い音質で認識することができる。
一般に、変調出力信号をｓ(t)、搬送波周波数をｆc、瞬時位相角をθ(t)、瞬時周波数をｆi(t) 、音声信号をｍ(t)としたとき、位相変調の瞬時位相角θ P (t)と周波数変調の瞬時周波数f F (t)は
ｓ(t)＝Ａc・cos［θ(t)］＝Ａc・cos［２π∫ｆ(t)dt］
位相変調 ＰＭ：θ P (t)＝２πｆcｔ＋kpｍ(t) ［kp：rad/V］
周波数変調ＦＭ：ｆ F (t)＝ｆc＋kfｍ(t) ［kf：Hz/V］
と定義される。
この時、位相変調された変調出力信号ｓ(t)の瞬時周波数ｆ P (t)は
位相変調 ＰＭ：ｆ P (t)＝（１／２π）・（ｄθ P (t)／dt）
＝ｆc＋（１／２π）・kpｄｍ(t)/dt
と表される。ここで、kf＝kp/２πであれば、
ｆ P (t)＝ｆc＋kfｄm(t)/dt
となるので、音声信号ｍ(t)で位相変調した変調出力信号ｓ(t)は、ｍ(t)を微分してから周波数変調した信号と等しくなる。
また逆に、周波数変調された変調出力信号ｓ(t)の瞬時位相角θ F (t)は
周波数変調ＦＭ：θ F (t)＝２π∫ｆ F (t)dt
＝２πｆcｔ＋２πkf∫ｍ(t)dt
と表され、上記同様にkf＝kp/２πであれば、
θ F (t) ＝２πｆcｔ＋kp∫ｍ(t)dt
となるので、音声信号ｍ(t)で周波数変調した変調出力信号ｓ(t)は、ｍ(t)を積分してから位相変調した信号と等しくなる。
従って、位相変調と周波数変調は、ｍ(t)を積分してから位相変調すれば周波数変調が得られ、微分した後に周波数変調すれば位相変調が得られるという関係にある。
この関係を元にして、第１の位相変調手段３１は、再生可聴音信号を微分する微分回路３１ａと、微分回路３１ａの出力信号により搬送波信号を周波数変調する周波数変調回路３１ｂとにより構成することができる。
図７は再生可聴音信号で搬送波信号を微分回路を用いて位相変調した場合の信号及び音圧分布を説明するための図である。
図７（ａ）は図６（ａ）と同様の再生可聴音の音圧分布を示し、図７（ｂ）は図６（ｂ）と同様の再生可聴音の音声信号を示している。なお、ここでは、音声信号を所定周波数の正弦波信号により表している。
図７（ｂ）の再生可聴音を微分すると図７（ｃ）の微分信号が得られる。図７（ｄ）に示す超音波の搬送波を図７（ｃ）の微分信号で周波数変調すると、図７（ｅ）に示す位相変調波が得られる。この位相変調波により振動板を駆動することで図７（ｆ）に示す音圧分布の可聴音が得られる。
図７（ａ）に示す再生可聴音の音圧分布と、図７（ｆ）に示す位相変調により得られる音圧分布とを比較すると、図６の場合と同様に、その音圧分布が一致していることが認識される。聴取者はこの位相変調により得られる可聴音を聴取することで、再生可聴音と同様の音圧分布により高い音質で認識することができる。
ここで、搬送波信号は４０kHz〜１００kHzの周波数の信号波とし、第１の位相変調手段は０．１radから２５radの範囲内の変調位相により搬送波信号を位相変調する。搬送波信号は正弦波を用いる他に矩形波を用いてもよい。搬送波信号を矩形波とする場合については後述する。また、搬送波信号を変調する変調周波数は、０．１kHz〜３０kHz程度とする。
次に、再生可聴音信号の傾きに基づいて搬送波信号を変調する第２の態様について説明する。第２の態様は、再生可聴音信号で搬送波信号を位相変調する態様である。以下、この第２の態様の構成について図８を用いて説明する。
図８において、第２の態様による指向性スピーカーは、再生可聴音信号を出力する再生信号発生手段１０と、超音波帯域の周波数の搬送波信号を出力する超音波信号発生手段２０と、再生可聴音信号により搬送波信号を変調させて変調搬送波信号を得る第２の位相変調手段３２と、変調搬送波信号の疎密周期に基づいて振動板を振動させる振動板駆動手段５０とを備え、第２の位相変調手段３２と振動板駆動手段５０との間にフィルター４０を備える。フィルター４０は、位相変調された変調搬送波信号から所定周波数帯域を抽出して、音質を向上させる。
第２の位相変調手段３２は、再生可聴音信号の傾きに応じて搬送波信号を変調する手段である。この傾きに応じた搬送波信号の変調では、再生可聴音信号の増加信号部分において搬送波信号を密に変調し、再生可聴音信号の減少信号部分において搬送波信号を疎に変調する。
また、この搬送波信号を信号の増減部分に応じて疎密に変調する形態として、再生可聴音信号の増加部分の信号幅に応じて搬送波信号を密に変調し、再生可聴音信号の減少部分の信号幅に応じて搬送波信号を疎に変調する形態とする他、再生可聴音信号の増加部分の増加率に応じて搬送波信号を密に変調し、再生可聴音信号の減少部分の減少率に応じて搬送波信号を疎に変調する形態とすることもできる。
信号幅に応じた搬送波信号の疎密変調は、信号幅と変調度との関係を予め設定しておき、再生可聴音信号の増加部分の信号幅に対応した変調度で密に変調し、再生可聴音信号の減少部分の信号幅に対応した変調度で疎に変調する他、再生可聴音信号の増加部分及び減少部分の信号幅のデューティー比と変調度との関係を予め設定しておき、このデューティー比に応じた変調度で再生可聴音信号の増加部分を密に変調し、再生可聴音信号の減少部分を疎に変調する。
図９は再生可聴音信号で搬送波信号を再生可聴音信号の傾きに基づいて変調する態様における信号及び音圧分布を説明するための図である。
図９（ａ）は図７（ａ）と同様の再生可聴音の音圧分布を示し、図９（ｂ）は図７（ｂ）と同様の再生可聴音の音声信号を示している。なお、ここでは、音声信号を所定周波数の正弦波信号により表している。
図９（ｂ）の再生可聴音の傾きを求めると図９（ｃ）の傾き信号が得られる。なお、傾き信号は段階的に求めた一例であり、段階数は任意に設定することができ、また、連続的に求めてもよい。連続的に求めた場合には、図７の場合の微分信号と同様となる。
図９（ｄ）に示す超音波の搬送波を図９（ｃ）の傾き信号で変調すると、図９（ｅ）に示す変調波が得られる。この変調波により振動板を駆動することで図９（ｆ）に示す音圧分布の可聴音が得られる。
図９（ａ）に示す再生可聴音の音圧分布と、図９（ｆ）に示す位相変調により得られる音圧分布とを比較すると、図７の場合と同様に、その音圧分布が一致していることが認識される。聴取者はこの位相変調により得られる可聴音を聴取することで、再生可聴音と同様の音圧分布により高い音質で認識することができる。
また、再生可聴音信号の増加信号部分のみについて搬送波信号を変調してもよい。通常、聴取者は、音圧分布において高い音圧部分を認識し、低い音圧部分は音声認識への寄与が少ないため、高い音圧が生成される再生可聴音信号の増加信号部分のみについて搬送波信号を変調することでも十分であり、これにより消費電力を低減させることができる。
この再生可聴音信号の増加信号部分のみでの搬送波信号の変調は、第２の位相変調手段３２内の周波数変調手段３２ｂで行うことができる。
図１０は再生可聴音信号の増加信号部分のみ搬送波信号を変調する態様における信号及び音圧分布を説明するための図である。
図１０（ａ）は図９（ａ）と同様の再生可聴音の音圧分布を示し、図１０（ｂ）は図９（ｂ）と同様の再生可聴音の音声信号を示している。なお、ここでは、音声信号を所定周波数の正弦波信号により表している。
図１０（ｂ）の再生可聴音の増加信号部分を求めると図１０（ｄ）の変調区間が得られる。図１０（ｃ）に示す超音波の搬送波を図１０（ｄ）の変調区間で変調すると、図１００（ｅ）に示す変調波が得られる。この変調波により振動板を駆動することで図１０（ｆ）に示す音圧分布の可聴音が得られる。なお、変調の程度は、変調区間の幅に応じて設定することができる。
図１０（ａ）に示す再生可聴音の音圧分布と、図１０（ｆ）に示す位相変調により得られる音圧分布とを比較すると、図９の場合と同様に、その音圧分布が一致していることが認識される。聴取者はこの位相変調により得られる可聴音を聴取することで、再生可聴音と同様の音圧分布により高い音質で認識することができる。
前記図６，７，９，１０で示した例では、再生可聴音の振幅は一定の場合を示しているが、再生可聴音の振幅が変動した場合であっても同様に変調することができる。図１１は再生可聴音の振幅が変動した場合の態様における信号及び音圧分布を説明するための図である。
図１１（ａ）は図７（ａ）と同様の再生可聴音の音圧分布を示し、図１１（ｂ）は図７（ｂ）と同様の再生可聴音の音声信号を示している。なお、ここでは、音声信号を所定周波数の正弦波信号により表している。
図１１（ｃ）に示す超音波の搬送波を図１１（ｂ）の音声信号で位相変調すると、図１１（ｄ）に示す位相変調波が得られる。位相変調波の振幅は、再生可聴音の振幅に応じて変調される。この位相変調波により振動板を駆動することで図１１（ｅ）に示す音圧分布の可聴音が得られる。
ここで、図１１（ａ）に示す再生可聴音の音圧分布と、図１１（ｅ）に示す位相変調により得られる音圧分布とを比較すると、その音圧分布が一致していることが認識される。聴取者はこの位相変調により得られる可聴音を聴取することで、再生可聴音と同様の音圧分布により高い音質で認識することができる。
図１２に可聴音の元の音波形、搬送波、本発明による位相変調、及び従来の周波数変調による各波形の実験データを示し、図１２（ａ）は可聴音の波形、図１２（ｂ）は搬送波の波形、図１２（ｃ）は本発明による位相変調による波形、図１２（ｄ）は従来の周波数変調による波形をそれぞれ示している。
図１２（ｃ）の位相変調による波形では、可聴音信号の上り坂の部分（増加部分）で搬送波が圧縮され、下り坂の部分（減少部分）で搬送波が伸展される。図１２（ｄ）の周波数変調による波形では、可聴音信号の山の部分で搬送波が圧縮され、谷の部分で搬送波が伸展される。
一方、可聴音信号をそのままスピーカーから出力した場合には、信号の上り坂部分でスピーカーのコーンが前進して空気を圧縮し、信号の下り坂部分でスピーカーのコーンが後退して空気を伸展して、疎密波を形成する。
したがって、位相変調により搬送波を変調することで、実際にスピーカーから出力されて形成される空気の疎密波と同じ疎密波を形成することができる。
また、図１３は従来の振幅変調及び周波数変調と、本発明による変調との結果を比較するための音圧周波数特性を示す図である。
図１３では、同じ可聴音信号を従来の振幅変調及び周波数変調と、本発明による変調でそれぞれ変調し、スピーカーから出力したときの音圧周波数特性の測定結果である。従来の振幅変調及び周波数変調と本発明の変調とを比較すると、本発明の変調による音圧は全般的に広い周波数範囲で高い音圧を示している。
次に、指向性スピーカーに用いる搬送波について、図１４〜図１８を用いて説明する。
通常、超音波の搬送波としては正弦波が用いられるが、本発明では矩形波の超音波信号を用い、そのデューティー比を所定範囲に設定することによって、可聴音信号の歪みを低減することができる。
図１４は、搬送波として用いる矩形波の一例を示している。図１４（ａ）はデューティー比が１：１の矩形波を示し、図１４（ｂ）はHigh区間が長いデューティー比の矩形波を示し、図１４（ｃ）はLow区間が長いデューティー比の矩形波を示している。
図１５は、デューティー比が１：１の矩形波による信号及び音圧分布を説明するための図である。
図１５（ａ）は再生可聴音の音圧分布を示し、図１５（ｂ）はこの再生可聴音の音声信号を示している。なお、ここでは、音声信号を所定周波数の正弦波信号により表している。
図１５（ｃ）に示す超音波の矩形波による搬送波を図１５（ｂ）の音声信号で位相変調すると、図１５（ｄ）に示す位相変調波が得られる。この位相変調波により振動板を駆動することで図１５（ｅ）に示す音圧分布の可聴音が得られる。
ここで、図１５（ａ）に示す再生可聴音の音圧分布と、図１５（ｅ）に示す位相変調により得られる音圧分布とを比較すると、その音圧分布が一致していることが認識される。
図１６は、High区間が長いデューティー比の矩形波による信号及び音圧分布を説明するための図である。
図１６（ａ）は再生可聴音の音圧分布を示し、図１６（ｂ）はこの再生可聴音の音声信号を示している。なお、ここでは、音声信号を所定周波数の正弦波信号により表している。
図１６（ｃ）に示す超音波の矩形波による搬送波を図１６（ｂ）の音声信号で位相変調すると、図１６（ｄ）に示す位相変調波が得られる。この位相変調波により振動板を駆動することで図１６（ｅ）に示す音圧分布の可聴音が得られる。
ここで、図１６（ａ）に示す再生可聴音の音圧分布と、図１６（ｅ）に示す位相変調により得られる音圧分布とを比較すると、その音圧分布が一致していることが認識される。
また、図１７は、Low区間が長いデューティー比の矩形波による信号及び音圧分布を説明するための図である。
図１７（ａ）は再生可聴音の音圧分布を示し、図１７（ｂ）はこの再生可聴音の音声信号を示している。なお、ここでは、音声信号を所定周波数の正弦波信号により表している。
図１７（ｃ）に示す超音波の矩形波による搬送波を図１７（ｂ）の音声信号で位相変調すると、図１７（ｄ）に示す位相変調波が得られる。この位相変調波により振動板を駆動することで図１７（ｅ）に示す音圧分布の可聴音が得られる。
ここで、図１７（ａ）に示す再生可聴音の音圧分布と、図１７（ｅ）に示す位相変調により得られる音圧分布とを比較すると、その音圧分布が一致していることが認識される。
図１８は搬送波のデューティー比を変えた場合の周波数に対する音圧特性の実験データを示し、図１８（ａ）はデューティー比が６０％の場合であり、図１８（ｂ）はデューティー比が２０％の場合であり、図１８（ｃ）はデューティー比が８０％の場合を示している。なお、ここでは、搬送波の周波数を３７．９３kHzとし、変調する可聴音の周波数を２kHzで振幅１．５Ｖp-p（上ピークと下ピーク間の電圧）として位相変調させ、スピーカーからの出力をマイクで取り込んでＦＦＴ解析した場合を示している。
図１８（ａ）に示すデューティー比が６０％の場合には、可聴音である２kHzの音の音圧が高く（図１８（ａ）中の矢印）、高調波による影響は小さいため、可聴音を良好に再生することができる。なお、図では示していないが、デューティー比が７０％〜３０％の場合には、ほぼ同様の特性が得られる。
図１８（ｂ）に示すデューティー比が２０％の場合には、高調波はなくなるが、可聴音である２kHzの音の音圧も低くなり（図１８（ｂ）中の矢印）、実用的な範囲外となる。
また、図１８（ｃ）に示すデューティー比が８０％の場合には、高調波成分が増え、可聴音である２kHzの音の音圧は観察されなくなり（図１８（ｃ）中の矢印）、目的の音と異なる音が出力される。
図１４（ｂ）や図１４（ｃ）に示すようなHigh区間あるいはLow区間が長いデューティー比の矩形波では、そのデューティー比が極端に大きい場合や小さい場合には、振動の連続性の影響が現れ、一時的な停止状態となるため、再生される可聴音に含まれる歪みが大きくなり音質が劣化する。なお、ここでは、デューティー比は、Positive側の区間に比で表し、デューティー比＝（High区間の長さ）／（High区間の長さ＋Low区間の長さ）を％で表している。
以上の説明によれば、この矩形波のデューティー比が再生可聴音信号の波長域における音圧を高調波成分の音圧よりも大とする比率に設定する必要があることが判る。
したがって、矩形波の搬送波において、音質的にはデューティー比は２０％〜８０％の範囲内とすることで歪みのない可聴音を出力することができ、６０％付近のデューティー比が好適である。
搬送波として正弦波を使用する場合には、正弦波に少しでも歪みが含まれると、可聴音に目的とする音以外の音が形成されノイズが発生する。一般に、歪みのない正弦波を形成することは難しく、複雑な回路構成を要し、回路サイズも大きくなるという問題が生じる。
これに対して、本発明の矩形波を搬送波とする構成では、歪みのない矩形波を形成することは容易であり、回路も小型とすることができるため装置構成を小型とすることが可能である。
次に、本発明の指向性スピーカーでは、変調して得られた変調搬送波信号の周波数特性を調整することにより音質を向上させることができる。変調搬送波信号の周波数特性を調整する手段として、変調手段と振動板駆動手段との間に前記変調搬送波信号の所定周波数成分を通過させるフィルターを備える。これは、例えば前記した図１中のフィルター４０で構成することができる。
図１９は、振動板駆動手段が持つ周波数に対する音圧特性を模式的に示している。超音波スピーカーの振動源である圧電素子は、ある中心周波数を共振点とする特性を有している。
図１９（ｂ）において、振動板駆動手段が持つ周波数音圧特性は共振点を有しており、この共振点の周波数で高い音圧を出力する。この周波数音圧特性を持つ振動板駆動手段において、共振点を挟む周波数帯域で変調を行うと、図１９（ｂ）に示すように音圧特性が線形でないために、出力された音圧に歪みが生じてノイズとなる音質の劣化を招くことになる。
そこで、共振点をまたぐ周波数帯域をローパスフィルターでカットすることで、歪みによるノイズを低減する。また、再生しても聴取者に聞こえないような低周波数帯についても、ハイパスフィルターによってカットすることで、有効な信号のみを超音波スピーカーに入力して、歪みのない音声信号を形成し再生させる。
図１９（ａ）中に示す周波数帯域は、ローパスフィルターとハイパスフィルターとの組み合わせによって形成することができる。この周波数帯域において周波数は変動した場合には、周波数と音圧とはリニアな関係で得られるため、歪みの発生を抑制することができる。
また、変調搬送波信号の周波数特性を調整する手段として、変調手段と振動板駆動手段との間に振幅変更手段を備える。図２０は、この振幅変更手段の一構成例を示し、第１の位相変調手段３１と振動板駆動手段５０あるいはフィルター４０との間に設ける。
振幅変更手段６０は周波数に対する振幅特性を有し、この振幅特性により、振動板駆動手段５０が備える周波数に対する音圧特性を所定の音圧特性に変更する。
図２１は、音圧特性の変更を説明するための図である。図２１（ａ）は、再生可聴音の周波数特性とする。なお、ここでは、周波数に対して一定の信号強度を周波数特性としているが、これに限らず任意の周波数特性とすることができる。
これに対して、図２１（ｃ）は前記したように振動板駆動手段が備える周波数特性であり、前記したフィルターで設定した周波数帯域内において、周波数の増加に伴って音圧が増加する特性を有している。ここで、図２１（ａ）に示す再生可聴音を図２１（ｃ）の特性を持つ振動板駆動手段で再生すると、図２１（ｄ）の破線で示すような周波数特性の音圧が得られ、低い周波数では音圧が下がることになる。
ここで、図２１（ａ）の再生可聴音と同様の特性で音圧を出力するために、図２１（ｂ）で示す周波数特性を持つ振幅変更手段によって、変調信号の振幅を変更する。図２１（ｂ）に示す周波数特性を、図２１（ｃ）に示す振動板駆動手段の周波数特性と逆特性とすることによって、図２１（ｄ）の実線で示すような、図２１（ａ）の再生可聴音と同様の特性の音圧を得ることができる。
なお、ここでは、再生可聴音と同様に特性となるように振幅を変更したが、異なる特性となるように振幅を変更することもでき、振幅変更手段の周波数特性を設定することで任意に変更することができる。
背景技術に示す一般的なパラメトリック効果を用いた指向性スピーカーでは、前述したように超音波の搬送波を可聴音で振幅変調する方法を用いている。この振幅変調は、振幅変調された搬送波が、大気中を伝播する過程で波形が歪んで、可聴音が生成されるという非線形理論を用いた方式であるため、振幅変調された搬送波から可聴音が出現する割合が低く、変換効率が非常に低い。したがって、この駆動方法により大きな音を得ようとすると、図２３に示す様に、数多くの超音波スピーカーが必要となり、装置全体が大型化し、さらには、電気回路の消費電力も大きくなるという問題がある。
これに対し、本発明の変調を用いた指向性スピーカーによれば、変調された超音波の変調搬送波信号は、聴取者が超音波を聞き取れない耳の作用を用いて直接可聴音を聞き取ることができるため、超音波から可聴音への変換効率を高くすることができる。そのため、超音波スピーカーは、１つもしくは数個で、聴取者が聞き取れるだけの十分大きな音を得ることが可能となる。そのため、この指向性スピーカーを搭載した装置全体を小型化することができる。また、装置に搭載する超音波スピーカーの数を少なくすることができるので、低消費電力化が可能となる。
図２２は超音波スピーカーの具体的な適用例を示した概略図である。図に示すように、小型の携帯型電子機器７０のスピーカー部に、本発明の超音波スピーカー１００を搭載して使用することが可能となる。本図面において、超音波スピーカー１００を１つ配した例を示しているが、携帯型電子機器７０の任意の箇所に所望の数を配すれば、その分だけ出力できる音圧を大きくすることができる。
以上の説明のごとく、本発明によれば、再生したい可聴音信号で超音波の搬送波を位相変調する指向性スピーカーの駆動方法を採用することで、より指向性の強いスピーカーを作製することが可能となる。
このような効果のある小型薄型の指向性スピーカーを、携帯電話、携帯情報端末、携帯テレビ、もしくはパーソナルコンピューター等の電子機器へ搭載すれば、聴取者のみに音が聞こえ、周辺へ音が聞こえることがない機器とすることができる。
本発明は、携帯電話、携帯情報端末、携帯テレビ、もしくはパーソナルコンピューター等の電子機器に適用することができる。
本発明の指向性スピーカーの構成と、その駆動方法を示す概略図である。 本発明の指向性スピーカーに用いる位相波変調を説明するための図面である。 可聴音再生の原理を説明するための図である。 指向性の音場を形成する原理を説明するための図である。 本発明の再生可聴音信号で搬送波信号を位相変調する第１の態様を説明するための図である。 本発明の再生可聴音信号で搬送波信号を位相変調する態様における信号及び音圧分布を説明するための図である。 本発明の再生可聴音信号で搬送波信号を、微分回路を用いて位相変調した場合の信号及び音圧分布を説明するための図である。 本発明の再生可聴音信号で搬送波信号を位相変調する第２の態様を説明するための図である。 本発明の再生可聴音信号で搬送波信号を再生可聴音信号の傾きに基づいて変調する態様における信号及び音圧分布を説明するための図である。 本発明の再生可聴音信号の増加信号部分のみ搬送波信号を変調する態様における信号及び音圧分布を説明するための図である。 本発明の再生可聴音の振幅が変動した場合の態様における信号及び音圧分布を説明するための図である。 可聴音の元の音波形、搬送波、本発明による位相変調、及び従来の周波数変調による各波形の実験データを示す図である。 従来の振幅変調及び周波数変調と、本発明による変調との結果を比較するための音圧周波数特性を示す図である。 本発明の搬送波として用いる矩形波の一例を示す図である。 デューティー比が１：１の矩形波による信号及び音圧分布を説明するための図である。 High区間が長いデューティー比の矩形波による信号及び音圧分布を説明するための図である。 Low区間が長いデューティー比の矩形波による信号及び音圧分布を説明するための図である。 搬送波のデューティー比を変えた場合の周波数に対する音圧特性の実験データを示す図である。 振動板駆動手段が持つ周波数に対する音圧特性を模式的に示す図である。 振幅変更手段の一構成を説明するための図である。 音圧特性の変更を説明するための図である。 超音波スピーカーの具体的な適用例を示した概略図である。 指向性スピーカーの構成を説明するための上部平面図である。 指向性スピーカーを成す超音波スピーカーの構成を説明するための断面図である。 周波数変調を用いた指向性スピーカーの構成を説明するためのブロック図である。 周波数変調を用いた従来の指向性スピーカーにより得られる可聴音の音圧変化を説明するための図である。 再生可聴音の音圧信号及び音圧分布に変化を説明するための図である。
符号の説明
１０ 再生信号発生手段
１１ 再生可聴音信号
１２ 搬送波信号
１３ 変調搬送波信号
１４ 空気圧の高い部分
１５ 空気圧の低い部分
２０ 超音波信号発生手段
３０ 角度変調手段
３１ 第１の位相変調手段
３１ａ 微分手段
３１ｂ 周波数変調手段
３２ 第２の位相変調手段
３２ａ 傾き検出手段
３２ｂ 周波数変調手段
４０ フィルター
５０ 振動板駆動手段
６０ 振幅変更手段
６１ 音圧
６２ 高音圧領域
６３ 中心軸
７０ 携帯型電子機器
１００ 超音波スピーカー
１０１ ベース
１０２ 電極
１０３ 絶縁性接着剤
１０４ 振動板
１０５ 圧電素子
１０６ 共振子
１０７ リード線
１０８ プリント基板
１１０ 音声発生手段
１２０ 超音波発生手段
１３０ 周波数変調手段
１４０ 増幅手段
１５０ 電気音響変換手段

Claims (32)

  1. 振動板を振動させて音波を発信させる指向性スピーカーにおいて、
    再生可聴音信号を出力する再生信号発生装置と、
    超音波帯域の周波数の搬送波信号を出力する超音波信号発生手段と、
    前記再生可聴音信号により前記搬送波信号を位相変調し、時間軸上で伸縮させた変調搬送波信号を得る位相変調手段と、
    前記変調搬送波信号の疎密周期に基づいて前記振動板を振動させ、前記再生可聴音信号の位相に対応した可聴音域の音圧分布を形成する振動板駆動手段とを有することを特徴とする指向性スピーカー。
  2. 前記搬送波信号は４０kHz〜１００kHzの周波数の信号波であり、
    前記位相変調手段は０．１radから２５radの範囲内の変調位相により前記搬送波信号を位相変調することを特徴とする請求項１に記載の指向性スピーカー。
  3. 前記位相変調手段は、前記再生可聴音信号の微分信号により搬送波を変調して位相変調を行う第１の位相変調手段であることを特徴とする請求項１又は２に記載の指向性スピーカー。
  4. 前記第１の位相変調手段は、前記再生可聴音信号を微分する微分回路と、当該微分回路の出力信号により搬送波信号を周波数変調する周波数変調回路とを備えることを特徴とする請求項３に記載の指向性スピーカー。
  5. 前記位相変調手段は、前記再生可聴音信号の傾きに応じて搬送波信号を変調する第２の位相変調手段であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の指向性スピーカー。
  6. 前記第２の位相変調手段は、前記再生可聴音信号の増加信号部分において搬送波信号を密に変調し、前記再生可聴音信号の減少信号部分において搬送波信号を疎に変調すること特徴とする、請求項５に記載の指向性スピーカー。
  7. 前記第２の位相変調手段は、前記再生可聴音信号の増加部分の信号幅に応じて搬送波信号を密に変調し、前記再生可聴音信号の減少部分の信号幅に応じて搬送波信号を疎に変調すること特徴とする、請求項６に記載の指向性スピーカー。
  8. 前記第２の位相変調手段は、前記再生可聴音信号の増加部分の増加率に応じて搬送波信号を密に変調し、前記再生可聴音信号の減少部分の減少率に応じて搬送波信号を疎に変調することを特徴とする、請求項６に記載の指向性スピーカー。
  9. 前記第２の位相変調手段は、前記再生可聴音信号の増加信号部分のみ搬送波信号を変調すること特徴とする、請求項６乃至８の何れかに記載の指向性スピーカー。
  10. 前記搬送波信号は４０kHz〜１００kHzの周波数の矩形波であり、前記矩形波のデューティー比は２０％〜８０％内で選択した値であることを特徴とする、請求項１乃至９の何れかに記載の指向性スピーカー。
  11. 前記搬送波信号は矩形波の周期信号であり、前記矩形波のデューティー比は前記再生可聴音信号の波長域における音圧を高調波成分の音圧よりも大とする比率であることを特徴とする、請求項１乃至９の何れかに記載の指向性スピーカー。
  12. 前記位相変調手段と前記振動板駆動手段との間に前記変調搬送波信号の所定周波数成分を通過させるフィルターを備え、
    前記フィルターの通過域は、前記振動板駆動手段が備える周波数に対する音圧特性において共振点を含まない一つの周波数域であることを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれかに記載の指向性スピーカー。
  13. 前記位相変調手段と前記振動板駆動手段との間に振幅変更手段を備え、
    前記振幅変更手段が備える周波数に対する振幅特性により、前記振動板駆動手段が備える周波数に対する音圧特性を所定の音圧特性に変更することを特徴とする、請求項１乃至１２のいずれかに記載の指向性スピーカー。
  14. 振動板を振動させて音波を発信させる指向性スピーカーにおいて、
    再生可聴音信号を出力する再生信号発生手段と、
    超音波帯域の周波数の搬送波信号を出力する超音波信号発生手段と、
    前記再生可聴音信号により前記搬送波信号を変調し、時間軸上で伸縮させた変調搬送波信号を得る角度変調手段と、
    前記変調搬送波信号の疎密周期に基づいて前記振動板を振動させ、前記再生可聴音信号の位相に対応した可聴音域の音圧分布を形成する振動板駆動手段とを有し、
    前記搬送波信号は４０ｋHz〜１００KHzの周波数の矩形波であり、前記矩形波のデューティー比は２０％〜８０％内で選択した値であることを特徴とする、指向性スピーカー。
  15. 振動板を振動させて音波を発信させる指向性スピーカーにおいて、
    再生可聴音信号を出力する再生信号発生手段と、
    超音波帯域の周波数の搬送波信号を出力する超音波信号発生手段と、
    前記再生可聴音信号により前記搬送波信号を変調し、時間軸上で伸縮させた変調搬送波信号を得る角度変調手段と、
    前記変調搬送波信号の疎密周期に基づいて前記振動板を振動させ、前記再生可聴音信号の位相に対応した可聴音域の音圧分布を形成する振動板駆動手段と、
    前記角度変調手段と前記振動板駆動手段との間に設け、前記変調搬送波信号の所定周波数成分を通過させるフィルターとを備え、
    前記フィルターの通過域は、前記振動板駆動手段が備える周波数に対する音圧特性において共振点を含まない一つの周波数域であることを特徴とする指向性スピーカー。
  16. 振動板を振動させて音波を発信させる指向性スピーカーにおいて、
    再生可聴音信号を出力する再生信号発生手段と、
    超音波帯域の周波数の搬送波信号を出力する超音波信号発生手段と、
    前記再生可聴音信号により前記搬送波信号を変調し、時間軸上で伸縮させた変調搬送波信号を得る角度変調手段と、
    前記変調搬送波信号の疎密周期に基づいて前記振動板を振動させ、前記再生可聴音信号の位相に対応した可聴音域の音圧分布を形成する振動板駆動手段と、
    前記角度変調手段と前記振動板駆動手段との間に設ける振幅変更手段とを備え、
    前記振幅変更手段が備える周波数に対する振幅特性により、前記振動板駆動手段が備える周波数に対する音圧特性を所定の音圧特性に補正することを特徴とする指向性スピーカー。
  17. 振動板を振動させて音波を発信させる指向性スピーカーの駆動方法において、
    位相変調手段において、超音波発生手段で出力した超音波帯域の周波数の搬送波信号を、再生信号発生手段から出力した再生可聴音信号によって位相変調して時間軸上で伸縮させた変調搬送波信号を得て、当該位相変調で得られた変調搬送波信号の疎密周期に基づいて前記振動板を振動させ、前記再生可聴音信号の位相に対応した可聴音域の音圧分布を形成することを特徴とする指向性スピーカーの駆動方法。
  18. 前記搬送波信号は４０kHz〜１００kHzの周波数の信号波であり、
    前記位相変調手段は０．１radから２５radの範囲内の変調位相により前記搬送波信号を位相変調することを特徴とする請求項１７に記載の指向性スピーカーの駆動方法。
  19. 前記位相変調手段は、前記再生可聴音信号の微分信号により搬送波を変調する第１の位相変調を行うことを特徴とする請求項１７又は１８に記載の指向性スピーカーの駆動方法。
  20. 前記第１の位相変調は、前記再生可聴音信号を微分し、当該微分信号により搬送波信号を周波数変調することを特徴とする請求項１９に記載の指向性スピーカーの駆動方法。
  21. 前記位相変調手段は、前記再生可聴音信号の傾きに応じて搬送波を変調する第２の位相変調を行うことを特徴とする請求項１７又は１８に記載の指向性スピーカーの駆動方法。
  22. 前記第２の位相変調は、前記再生可聴音信号の増加信号部分において搬送波信号を密に変調し、前記再生可聴音信号の減少信号部分において搬送波信号を疎に変調すること特徴とする、請求項２１に記載の指向性スピーカーの駆動方法。
  23. 前記第２の位相変調は、前記再生可聴音信号の増加部分の信号幅に応じて搬送波信号を密に変調し、前記再生可聴音信号の減少部分の信号幅に応じて搬送波信号を疎に変調すること特徴とする、請求項２２に記載の指向性スピーカーの駆動方法。
  24. 前記第２の位相変調は、前記再生可聴音信号の増加部分の増加率に応じて搬送波信号を密に変調し、前記再生可聴音信号の減少部分の減少率に応じて搬送波信号を疎に変調することを特徴とする、請求項２２に記載の指向性スピーカーの駆動方法。
  25. 前記第２の位相変調は、前記再生可聴音信号の増加信号部分のみ搬送波信号を変調すること特徴とする、請求項２１乃至２４の何れかに記載の指向性スピーカーの駆動方法。
  26. 前記搬送波信号は４０kHz〜１００kHzの周波数の矩形波であり、当該矩形波のデューティー比を２０％〜８０％の範囲内で選択することを特徴とする、請求項１７乃至２５の何れかに記載の指向性スピーカーの駆動方法。
  27. 前記搬送波信号は矩形波の周期信号であり、前記矩形波のデューティー比を前記再生可聴音信号の波長域における音圧を高調波成分の音圧よりも大とする比率に設定することを特徴とする、請求項１７乃至２５の何れかに記載の指向性スピーカーの駆動方法。
  28. 前記位相変調手段が出力する変調搬送波信号の内で、振動板駆動手段が備える周波数に対する音圧特性において共振点を含まない一つの所定周波数成分を通過させ、当該所定周波数成分の変調搬送波信号により振動板を振動させることを特徴とする、請求項１７乃至２７のいずれかに記載の指向性スピーカーの駆動方法。
  29. 前記位相変調手段が出力する変調搬送波信号を振幅変更し、当該振幅の周波数特性によって前記振動板を駆動する前記振動板駆動手段が備える周波数に対する音圧特性を所定の音圧特性に変更することを特徴とする、請求項１７至２８のいずれかに記載の指向性スピーカーの駆動方法。
  30. 振動板を振動させて音波を発信させる指向性スピーカーの駆動方法において、
    角度変調手段において、超音波発生手段で出力した超音波帯域の周波数の搬送波信号を、再生信号発生手段から出力した再生可聴音信号によって位相変調して時間軸上で伸縮させた変調搬送波信号を得て、当該変調で得られた変調搬送波信号の疎密周期に基づいて前記振動板を振動させ、
    前記搬送波信号を４０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの周波数の矩形波とし、デューティー比を２０％〜８０％から選択し、
    前記再生可聴音信号の位相に対応した可聴音域の音圧分布を形成することを特徴とする指向性スピーカーの駆動方法。
  31. 振動板を振動させて音波を発信させる指向性スピーカーの駆動方法において、
    角度変調手段において、超音波発生手段で出力した超音波帯域の周波数の搬送波信号を、再生信号発生手段から出力した再生可聴音信号によって位相変調して時間軸上で伸縮させた変調搬送波信号を得て、当該変調で得られた変調搬送波信号の疎密周期に基づいて前記振動板を振動させ、
    前記角度変調手段が出力する変調搬送波信号の内で、前記振動板を駆動する振動板駆動手段が備える周波数に対する音圧特性において共振点を含まない一つの所定周波数成分を通過させ、当該所定周波数成分の変調搬送波信号により前記振動板を振動させ、前記再生可聴音信号の位相に対応した可聴音域の音圧分布を形成することを特徴とする指向性スピーカーの駆動方法。
  32. 振動板を振動させて音波を発信させる指向性スピーカーの駆動方法において、
    角度変調手段において、超音波発生手段で出力した超音波帯域の周波数の搬送波信号を、再生信号発生手段から出力した再生可聴音信号によって位相変調して時間軸上で伸縮させた変調搬送波信号を得て、当該変調で得られた変調搬送波信号の疎密周期に基づいて前記振動板を振動し、
    前記角度変調手段が出力する変調搬送波信号を振幅変更し、当該振幅の周波数特性によって前記振動板を駆動する振動板駆動手段が備える周波数に対する音圧特性を所定の音圧特性に補正し、前記再生可聴音信号の位相に対応した可聴音域の音圧分布を形成することを特徴とする指向性スピーカーの駆動方法。
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