JP4725643B2 - 音波出力装置、通話装置、音波出力方法、及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、音波出力装置、通話装置、音波出力方法、及びプログラムに関する。

従来、音声の聴取者に指向性を向けて音波を出力する様々な技術の開発が進められてきている。例えば、下記特許文献１では、音声信号を振幅変調して生成した超音波を空気中に放射して非線形パラメトリック作用により可聴音を得ている。また、下記特許文献２又は下記特許文献３では、音声信号を振幅変調して生成した超音波を２つのスピーカの一方から出力し、他方から無変調の超音波を出力することで、うなりを発生させて、そのうなりの２次成分によりユーザに音声を提供している。

さらに、下記特許文献４には、撮像装置やセンサ等を用いてユーザの位置を検出し、可聴域の音波の指向性を最適化する手法が開示されている。

特開昭５８−１１９２９３号公報 特開平１１−１４５９１５号公報 特開２００４−１４７３１１号公報 特開平７−８７５９０号公報

しかしながら、上記特許文献１〜３に記載の手法では、対象の位置に適応的に指向性を調節することができなかった。そのため、聴取者の位置が予め予測可能な展示物の説明などにその用途が限定されていた。

また、上記特許文献４に記載の手法では、予めスピーカに対向してマイクアレイを敷設しておき、そのマイクアレイからのフィードバックと予め組み立てた係数とに基づいて指向性を決定するという複雑な手順が要求されていた。さらに、当該手法では、スピーカとマイクアレイの位置関係の制約から配置を都度設定することが必要となり、従ってその用途が限定されるという課題もあった。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、予め限定されない任意の方向又は場所に位置する対象に指向性を向けて音波を出力することのできる、新規かつ改良された音波出力装置、通話装置、音波出力方法、及びプログラムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、所定の信号源から送信される無線信号を受信する受信部と、前記受信部により受信された前記無線信号から、前記信号源の位置に依存するパラメータ値を決定する決定部と、前記パラメータ値に基づいて、前記信号源の方向へ指向性を有する音波を出力する音波出力部と、を備える音波出力装置が提供される。

また、前記受信部は、前記無線信号を受信する複数の受信アンテナを有し、前記音波出力部は、それぞれ所定の遅延量をもって音波を出力可能な複数のスピーカを有し、前記決定部は、前記無線信号の前記受信アンテナ間の到来時間差又は位相差に応じて、前記スピーカごとの前記遅延量を決定してもよい。

また、前記受信部は、前記無線信号を受信する複数の受信アンテナを有し、前記決定部は、前記無線信号の前記受信アンテナ間の到来時間差又は位相差に応じて、当該無線信号の到来方向を決定してもよい。

また、前記受信部は、前記無線信号を受信する３本以上の受信アンテナを有し、前記決定部は、前記無線信号の前記受信アンテナ間の２以上の到来時間差又は位相差に応じて、前記信号源の位置を決定してもよい。

また、前記音波出力部の各スピーカは、前記受信部の各受信アンテナのそれぞれ近傍に設けられており、前記決定部は、前記無線信号の到来時間又は位相の前記受信アンテナごとの前後関係を反転させて前記スピーカごとの前記遅延量を決定してもよい。

また、前記無線信号は、前記信号源の個体又は前記信号源を保持するユーザを識別する識別子を含むビーコンであり、前記音波出力装置は、前記ビーコンに含まれる前記識別子に応じて、前記音波出力部に音波を出力させるか否かを制御する制御部、をさらに備えてもよい。

また、前記音波出力装置は、前記信号源の方向から集音された音声に基づいて、既知のユーザの中から当該音声の話し手のユーザを特定する音声解析部、をさらに備えてもよい。

また、前記音波出力装置は、前記信号源の方向から集音された音声に所定の音声コマンドが含まれているか否かに応じて、前記音波出力部からの音波の出力を制御する制御部、をさらに備えてもよい。

また、前記受信部は、前記無線信号としての赤外線を受光する複数の受光素子を有し、前記決定部は、前記赤外線を受光した前記受光素子の位置に応じて前記信号源の位置を決定してもよい。

上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、所定の信号源から送信される無線信号を受信する受信部と、前記受信部により受信された前記無線信号から、前記信号源の位置に依存するパラメータ値を決定する決定部と、前記パラメータ値に基づいて、前記信号源の方向へ指向性を有する音波を出力する音波出力部と、前記パラメータ値に基づいて、前記信号源の方向からの音声を集音する音声入力部と、を備える通話装置が提供される。

上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、所定の信号源から送信される無線信号を受信するステップと、受信された前記無線信号から、前記信号源の位置に依存するパラメータ値を決定するステップと、前記パラメータ値に基づいて、前記信号源の方向へ指向性を有する音波を出力するステップと、を含む音波出力方法が提供される。

上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、所定の信号源から送信される無線信号を受信可能な受信部と音波を出力可能なスピーカとを備える音波出力装置を制御するコンピュータを、前記受信部により受信された前記無線信号から、前記信号源の位置に依存するパラメータ値を決定する決定部と、前記パラメータ値に基づいて、前記スピーカから出力される音波の指向性を前記信号源の方向へ向けさせる音波出力部と、として機能させるためのプログラムが提供される。

以上説明したように、本発明に係る音波出力装置、通話装置、音波出力方法、及びプログラムによれば、予め限定されない任意の方向又は場所に位置する対象に指向性を向けて音波を出力することができる。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

また、以下の順序にしたがって当該「発明を実施するための最良の形態」を説明する。
１．一実施形態に係る音波出力装置の概要
２．第１の実施形態の説明
３．第２の実施形態の説明
４．第３の実施形態の説明
５．第４の実施形態の説明
６．まとめ

＜１．一実施形態に係る音波出力装置の概要＞
まず、図１〜図３を参照しながら、本発明の一実施形態に係る音波出力装置の概要について説明する。

図１は、一実施形態に係る音波出力装置が使用される場面の一例を示す模式図である。図１を参照すると、音波出力装置１００ａ、並びに音波出力装置１００ａの周囲に位置する信号源１０ａ及びユーザ２０ａが示されている。

図１の例において、信号源１０ａは、無線信号を周囲へ送信することにより、当該無線信号を受信した音波出力装置１００ａに自らの位置又は方向へ音波の指向性を向けさせる。図１では信号源１０ａの一例として携帯電話端末を示しているが、信号源１０ａは携帯電話端末に限定されない。例えば、信号源１０ａは、ＰＣ（Personal Computer）やＰＤＡ（Personal Digital Assistants）などの情報処理端末、ゲーム端末、又は専用の無線発信機などであってもよい。

ユーザ２０ａは、信号源１０ａを保持しており、信号源１０ａから送信される無線信号に基づいて音波出力装置１００ａから指向性をもって出力される音波（に変調された音声信号）を聴取する。なお、図１ではユーザ２０ａが信号源１０ａを片手に保持している例を示しているが、かかる例に限定されず、ユーザ２０ａはどのような形で信号源１０ａを保持していてもよい。また、信号源１０ａは、必ずしもユーザ２０ａに保持されていなくてもよく、少なくともユーザ２０ａの近傍に位置していればよい。

音波出力装置１００ａは、後に詳しく説明するように、かかる信号源１０ａから送信される無線信号に基づいて、信号源１０ａの位置又は方向へ指向性を有する音波を出力する。それにより、ユーザ２０ａは、音波出力装置１００ａから出力された音波を聴取することができる。

なお、本明細書において、無線信号には、物理的な線を介さずに伝達可能な、例えば電磁波、音波、光、又は赤外線などの任意の信号が含まれるものとする。また、音波には、可聴音のみならず、可聴域外の周波数を持つ超音波なども含まれるものとする。

図２は、一実施形態に係る音波出力装置が使用される場面の他の例を示す模式図である。図２を参照すると、音波出力装置１００ｂ、並びに音波出力装置１００ｂの周囲に位置する信号源１０ｂ及びユーザ２０ｂが示されている。

図２の例においては、信号源１０ｂは、ユーザ２０ｂにより装着可能なアクセサリの形状をした無線発信機として示されている。一方、音波出力装置１００ｂは、携帯電話端末として示されている。

かかる例においても、図１の場合と同様に、信号源１０ｂは、無線信号を周囲へ送信することにより、当該無線信号を受信した音波出力装置１００ｂに自らの位置又は方向へ音波の指向性を向けさせる。そして、音波出力装置１００ｂは、信号源１０ｂから送信される無線信号に基づいて、信号源１０ｂの位置又は方向へ指向性を有する音波を出力する。それにより、ユーザ２０ｂは、音波出力装置１００ｂから出力された音波を聴取することができる。

図３は、一実施形態に係る音波出力装置が使用される場面のさらに別の例を示す模式図である。図３を参照すると、音波出力装置１００ｃ、並びに音波出力装置１００ｃの周囲に位置する信号源１０ｃ及びユーザ２０ｃが示されている。

図３の例においては、信号源１０ｃは、音波出力装置１００ｃを操作するための遠隔操作装置として示されている。一方、音波出力装置１００ｃは、テレビジョン受像機などに相当する表示装置として示されている。

かかる例においても、図１及び図２の場合と同様に、信号源１０ｃは、無線信号を周囲へ送信することにより、当該無線信号を受信した音波出力装置１００ｃに自らの位置又は方向へ音波の指向性を向けさせる。そして、音波出力装置１００ｃは、信号源１０ｃから送信される無線信号に基づいて、信号源１０ｃの位置又は方向へ指向性を有する音波を出力する。それにより、ユーザ２０ｃは、音波出力装置１００ｃから出力された音波を聴取することができる。

ここまで、図１〜図３を用いて、本発明の一実施形態に係る音波出力装置が使用される場面の例を挙げながら、音波出力装置の概要について説明した。次に、かかる音波出力装置の好適な４つの実施形態について順に説明する。

なお、以下の説明において、特に区別する必要が無い場合には、音波出力装置１００ａ、１００ｂ、１００ｃを音波出力装置１００と総称する。また、信号源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ（信号源１０）及びユーザ２０ａ、２０ｂ、２０ｃ（ユーザ２０）についても同様とする。

＜２．第１の実施形態の説明＞
［２−１．音波出力装置の構成］
図４は、本発明の第１の実施形態に係る音波出力装置１００の構成の一例を示すブロック図である。

図４を参照すると、音波出力装置１００は、ｎ本の受信アンテナ１１０−１〜ｎ（ｎ≧１）、受信部１２０、決定部１３０、制御部１５０、メモリ１５２、音声変調部１６０、音波出力部１７０、及びｍ個のスピーカ１８０−１〜ｍ（ｍ≧１）を備える。また、受信部１２０には、ｎ本の受信アンテナ１１０−１〜ｎにそれぞれ対応する無線受信部１２２−１〜ｎが含まれる。なお、ここでは、一例として、図１〜図３に例示した信号源１０から音波出力装置１００へ電磁波信号が送信されるものとして説明する。

受信部１２０において、各無線受信部１２２−１〜ｎは、それぞれ対応する受信アンテナ１１０−１〜ｎを介して、信号源１０から送信される無線信号を受信する。そして、各無線受信部１２２−１〜ｎは、それぞれ受信した信号を増幅し、ＡＤ（Analog to Digital）変換した後、決定部１３０へ出力する。

決定部１３０は、受信部１２０により受信された無線信号（以下、受信信号という）から、信号源１０の位置に依存して変動する所定のパラメータ値を決定する。例えば、決定部１３０により決定されるパラメータ値とは、信号源１０から送信される無線信号の到来方向であってよい。また、例えば、決定部１３０により決定されるパラメータ値とは、信号源１０の位置そのものであってもよい。さらに、例えば、決定部１３０により決定されるパラメータ値とは、信号源１０に向けて出力される音波のスピーカ１８０−１〜ｍごとの遅延量であってもよい。決定部１３０による具体的な処理の内容については、後により詳しく説明する。

制御部１５０は、例えばＣＰＵ（Central processing Unit）やＭＰＵ（Micro Processing Unit）などの制御装置を用いてメモリ１５２に記憶されたプログラムを実行し、音波出力装置１００の動作全般を制御する。具体的には、制御部１５０は、例えば音波出力装置１００の内部又は外部に設けられたアプリケーション（図示せず）からの要求を受け、ユーザ２０に提供すべき音声信号を取得して音声変調部１６０へ出力する。メモリ１５２は、例えばＲＯＭ(Random Access Memory)などの半導体メモリを用いて、制御部１５０により実行されるプログラムや制御データなどを記憶する。

音声変調部１６０は、制御部１５０から入力される音声信号をアナログ信号に変調し、音波出力部１７０へ出力する。

音波出力部１７０は、決定部１３０により決定された上述のいずれかのパラメータ値に基づいて、信号源１０の方向へ指向性を有する音波をスピーカ１８０−１〜ｍから出力させる。例えば、音波出力部１７０は、無線信号の二次元平面上での到来方向を入力された場合には、当該方向に音波の指向性を向けてもよい。また、例えば、音波出力部１７０は、信号源１０の位置を入力された場合には、当該位置へ音波の指向性を向けてもよい。さらに、例えば、音波出力部１７０は、信号源１０に向けて出力される音波のスピーカ１８０−１〜ｍごとの位相遅延を入力された場合には、当該位相遅延に応じた遅延時間をもってスピーカ１８０−１〜ｍから音波を出力さてもよい。音波出力部１７０による具体的な処理の内容については、後により詳しく説明する。

スピーカ１８０−１〜ｍは、例えば、それぞれ所定の位相遅延をもって音波を出力可能な、アレイ状に配置された複数のスピーカであってよい。また、スピーカ１８０−１〜ｍは、例えば、音波を発生させる振動面の向きを機械的に変えることのできる１つのスピーカであってもよい。また、スピーカ１８０−１〜ｍは、例えば、非線形パラメトリック作用により信号源１０の位置にて可聴音を発生させる超音波出力用のスピーカなどであってもよい。

ここまで、図４を用いて、本実施形態に係る音波出力装置１００の構成の一例について説明した。次に、かかる構成において、音波出力装置１００から出力される音波の指向性が制御される代表的なパターンについて具体的に説明する。

［２−２．指向性制御の例］
［２−２−１．到来方向に応じた制御］
指向性制御の第１のパターンでは、音波出力装置１００から出力される音波の指向性は、無線信号の到来方向に応じて制御される。この場合、決定部１３０は、受信部１２０により受信された無線信号の受信アンテナ１１０−１〜ｎ間の到来時間差又は位相差に応じて、当該無線信号の到来方向を決定する。

まず、決定部１３０が無線信号の到来時間差を求める手法の２つの例について説明する。第１の例として、決定部１３０は、例えば、無線受信部１２２−１〜ｎから入力された信号間で相関を計算し、得られた相関値のピークの位置から無線信号の受信アンテナ１１０−１〜ｎ間の到来時間差を求めることができる。第２の例として、決定部１３０は、例えば、信号源１０からインパルス信号や既知の信号パターンを持つ信号がビーコン信号として送信される場合に、当該ビーコン信号が到来した絶対時刻の差から上述した到来時間差を求めることができる。

また、決定部１３０は、無線信号の到来時間差の代わりに、無線信号の位相差を求めてもよい。その場合には、決定部１３０は、まず、信号源１０から送信されるビーコン信号に含まれる既知の周波数の周波数成分を、無線受信部１２２−１〜ｎから入力された各受信信号について抽出する。そして、決定部１３０は、抽出された周波数成分間の受信信号間の相関値を計算し、計算した相関値の位相から、無線信号の受信アンテナ１１０−１〜ｎ間の位相差を求めることができる。

なお、決定部１３０は、ここで述べた手法以外の手法を用いて、無線信号の受信アンテナ１１０−１〜ｎ間の到来時間差又は位相差を求めてもよい。

次に、決定部１３０は、無線信号の受信アンテナ１１０−１〜ｎ間の到来時間差又は位相差から、受信アンテナ１１０−１〜ｎ間の信号源１０までの行路長の差を計算する。例えば、無線信号の受信アンテナ１１０−１〜ｎ間の到来時間差をτ、光速をｃとすると、受信アンテナ１１０−１〜ｎ間の行路長の差ｄは次式で与えられる。

また、例えば、無線信号の受信アンテナ１１０−１〜ｎ間の位相差をφ、無線信号の波長をλとすると、受信アンテナ１１０−１〜ｎ間の行路長の差ｄは次式で与えられる。

そして、決定部１３０は、上記のように計算した受信アンテナ１１０−１〜ｎ間の行路長の差ｄに基づいて、信号源１０の到来方向を決定する。

図５は、２つの受信アンテナ１１０−１及び１１０−２の間の行路長の差ｄとアンテナ間隔ｒから信号源１０の到来方向を決定する処理について説明するための説明図である。

図５を参照すると、座標（−１，０）に受信アンテナ１１０−１、座標（１，０）に受信アンテナ１１０−２が位置する二次元平面が示されている。また、かかる二次元平面上に、信号源１０の位置の軌跡Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４がプロットされている。これら軌跡Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４は、上述した行路長の差ｄがアンテナ間隔ｒの０％、２０％、４０％、６０％、８０％であった場合の軌跡であり、いずれも双曲線軌道となる（Ｌ０は直線となる）。ここで、信号源１０と音波出力装置１００の間の距離がアンテナ間隔ｒよりも十分大きいと仮定すると、双曲線を直線に近似することができる。そこで、決定部１３０は、例えば、双曲線の軌跡を近似した直線と２つの受信アンテナ１１０−１及び１１０−２の基線ＢＬとのなす角θを、信号源１０の到来方向と決定する。

このように、受信部１２０が無線信号を受信する２つ受信アンテナを有する場合には、決定部１３０は、信号源１０から送信される無線信号の二次元平面上での到来方向を決定することができる。そして、決定部１３０は、決定した無線信号の到来方向θを、音波出力部１７０へ出力する。

一方、音波出力部１７０は、決定部１３０から無線信号の到来方向θが入力されると、スピーカ１８０−１〜ｍに、指向性を到来方向θに向けた音波を出力させる。

図６は、音波出力部１７０が２つのスピーカ１８０−１及び１８０−２を有し、各スピーカがそれぞれ所定の位相遅延をもって音波を出力可能である場合の、音波の指向性の制御について説明するための説明図である。

図６を参照すると、音波出力部１７０には、変換部１７２と、２つのスピーカ１８０−１及び１８０−２にそれぞれ対応する２つの遅延回路１７４−１及び１７４−２とが含まれる。

図６の例において、変換部１７２は、決定部１３０から入力される到来方向θの値をスピーカごとの遅延量に変換し、変換した遅延量を遅延回路１７４−１及び１７４−２へ入力する。そして、遅延回路１７４−１及び１７４−２は、入力された遅延量に応じて音声変調部１６０から入力された音声信号を遅延させた後、当該音声信号をスピーカ１８０−１及び１８０−２からそれぞれ出力させる。即ち、この場合には、スピーカ１８０−１及び１８０−２から出力される音波は平面波である。しかし、出力される平面波の位相を遅延回路１７４−１及び１７４−２によって互いにずらすことで、音波の波面を無線信号の到来方向と直交させ、音波の指向性を到来方向に向けることができる。

図６の例では、遅延回路１７４−１における音声信号の遅延量はゼロ、遅延回路１７４−２における音声信号の遅延量はｔである。それにより、信号源１０からより遠い位置にあるスピーカ１８０−１からの音声信号が早く出力され、音波の指向性が信号源１０の方向へ向けられる。

なお、ここでは、音波出力部１７０が２つのスピーカ１８０−１及び１８０−２を用いて音波の指向性を制御する例について説明したが、さらに多くのスピーカが使用されてもよいことは言うまでもない。

また、図７に示すように、受信部１２０に３本の受信アンテナ１１０−１〜３を設け、信号源１０からの無線信号の到来方向を三次元空間上で特定してもよい。即ち、この場合、決定部１３０は、まず、受信アンテナ１１０−１及び１１０−２の間の行路長の差から、受信アンテナ１１０−１及び１１０−２の基線ＢＬ１に対する無線信号の到来方向θ１を決定する。次に、決定部１３０は、受信アンテナ１１０−２及び１１０−３の間の行路長の差から、受信アンテナ１１０−２及び１１０−３の基線ＢＬ２に対する無線信号の到来方向θ２を決定する。

図７の例のように３本の受信アンテナ１１０−１〜３により三次元空間上で無線信号の到来方向を特定した場合には、図８に示すように、３つのスピーカ１８０−１〜３から音波を出力させるのが好適である。この場合、音波出力部１７０は、例えば、決定部１３０により決定された無線信号の到来方向θ１及びθ２に基づいて、スピーカ１８０−１〜３ごとの音声信号の遅延量を決定する。図８の例では、スピーカ１８０−１に対するスピーカ１８０−２の遅延量がｔ１、スピーカ１８０−３に対するスピーカ１８０−２の遅延量がｔ２と決定されている。そして、これら遅延量に応じてスピーカ１８０−１〜３からそれぞれ音波が出力されることで、３次元空間上で音波の指向性を信号源１０の方向へ向けることができる。

［２−２−２．信号源の位置に応じた制御］
また、上述した指向性制御の第１のパターンを拡張し、指向性制御の第２のパターンとして、無線信号を受信する３本以上の受信アンテナを用いて、音波出力装置１００から出力される音波の指向性を信号源の位置に応じて制御してもよい。

例えば、信号源１０、受信アンテナ１１０−１、及び受信アンテナ１１０−２と同一の平面上に３つ目の受信アンテナ１１０−３を配置した場合には、決定部１３０は、図９に示すように、当該平面上で信号源１０の位置を特定することができる。即ち、決定部１３０は、まず、受信アンテナ１１０−１と１１０−２との間の無線信号の行路長の差から、信号源１０が双曲線Ｌ１上に位置することを知る。次に、決定部１３０は、受信アンテナ１１０−２と１１０−３との間の無線信号の行路長の差から、信号源１０が双曲線Ｌ２上に位置することを知る。それにより、決定部１３０は、双曲線Ｌ１及びＬ２の交点Ｐ１又はＰ２の位置に信号源１０が位置していると決定することができる。なお、この場合に、信号源１０の位置がＰ１とＰ２のいずれであるかは、例えば、音波出力装置１００の設置状況などから判断され得る。

図９の例のように信号源１０の位置を特定した場合には、例えば、図８に示したような３つのスピーカ１８０−１〜３を用いて、音波の指向性を信号源１０の方向へ向けてもよい。その代わりに、例えば、図１０に示したような振動面の向きを機械的に制御し得る１つのスピーカ１８０により、音波の指向性が信号源１０の方向へ向けられてもよい。

図１０の例において、音波出力部１７０には、変換部１７３及び駆動回路１７６が含まれる。変換部１７３は、決定部１３０から入力された信号源の位置を、スピーカ１８０の振動面の向きを機械的に変化させる駆動量に変換し、駆動回路１７６へ入力する。そして、駆動回路１７６は、入力された駆動量に応じてスピーカ１８０の振動面の向きを変化させる。それにより、スピーカ１８０から出力される音波の指向性が信号源１０の方向へ向けられる。

なお、受信アンテナの数を４本以上使用して、三次元空間上で信号源１０の位置を特定することも可能である。

［２−２−３．位相遅延に応じた制御］
さらに、指向性制御の第３のパターンとして、受信アンテナ１１０−１〜ｎのそれぞれ近傍にスピーカ１８０−１〜ｍを設けた場合には、上述した無線信号の到来方向又は信号源１０の位置を計算する処理を省略することができる。例えば、受信アンテナとスピーカが共に２つずつ設けられているとする。そうすると、２つの受信アンテナ間の行路長の差ｄと２つのスピーカの間の音波出力の遅延量ｔとの間には、音速をｖとして次の関係式が成り立つ。

即ち、式（１）と式（３）又は式（２）と式（３）を組み合わせて、無線信号の到来方向又は信号源１０の位置を計算することなく、スピーカに適用すべき遅延量を計算し得る。かかる考え方を応用し、受信アンテナ及びスピーカがそれぞれ３つ以上設けられる場合には、決定部１３０は、無線信号の到来時間又は位相の受信アンテナごとの前後関係を反転させて、スピーカごとの遅延量を決定することができる。それにより、回路規模が低減されると共に、計算コストの減少による応答性の向上が期待される。

図１１は、指向性制御の第３のパターンを実現するための決定部１３０及び音波出力部１７０の具体的な構成を示すブロック図である。なお、ここでは音波出力装置１００に受信アンテナ及びスピーカを３つずつ設けるものとして説明する。

図１１を参照すると、決定部１３０は、受信アンテナ１１０（及び対応する無線受信部１２２）の数に応じたＦＦＴ回路１３２−１〜３、減算器１３４−１及び２、ＩＦＦＴ回路１３６−１及び２、並びに遅延調整回路１３８を有する。一方、音波出力部１７０は、遅延回路１７４−１〜３、ＡＤＣ（Analog to Digital Convertor）１７６、及びＤＡＣ（Digital to Analog Convertor）１７８−１〜３を有する。

決定部１３０において、ＦＦＴ回路１３２−１〜３は、それぞれ受信信号を高速フーリエ変換し、受信信号に含まれる時間領域の信号を周波数領域の信号に変換する。それにより、例えば、信号源１０から送信されたビーコン信号に含まれる所定の周波数成分φ１、φ２、及びφ３がそれぞれ抽出される。次に、減算器１３４−１は、周波数成分φ１と周波数成分φ３の位相差Δφ１を計算する。また、減算器１３４−２は、周波数成分φ２と周波数成分φ３の位相差Δφ２を計算する。そして、位相差Δφ１は、ＩＦＦＴ回路１３６−１により高速逆フーリエ変換され、時間領域の信号となる。同様に、位相差Δφ２は、ＩＦＦＴ回路１３６−２により高速逆フーリエ変換され、時間領域の信号となる。

遅延調整回路１３８は、このように算出された受信アンテナ１１０−１〜３ごとの相対的な無線信号の位相遅延の前後関係を反転させて、スピーカ１８０−１〜３ごとの遅延量を決定する。

例えば、同一のウィンドウタイミングで採取された無線信号の位相が、受信アンテナ１１０−３を基準として、受信アンテナ１１０−１において時間τ１、受信アンテナ１１０−２において時間τ２（τ１＞τ２）に相当する位相の分だけ遅れていたとする。即ち、この場合、アンテナ１１０−３、アンテナ１１０−２、アンテナ１１０−１の順で無線信号が受信されている。そうすると、遅延調整回路１３８は、スピーカ１８０−１の遅延量ｔ１＝０を基準とし、スピーカ１８０−２の遅延量ｔ２＝τ１−τ２、スピーカ１８０−３の遅延量ｔ３＝τ１と決定する。即ち、音波の出力は、スピーカ１８０−１、スピーカ１８０−２、スピーカ１８０−３の順で行われる。

このように決定された遅延量ｔ１、ｔ２及びｔ３は、遅延調整回路１３８から音波出力部の遅延回路１７４−１〜３へそれぞれ出力される。そして、ＡＤＣ１７６によりＡＤ変換された音声信号が各遅延回路１７４−１〜３に入力されると、音声信号はそれぞれ遅延量ｔ１、ｔ２及びｔ３の分だけそれぞれ遅延され、対応するＤＡＣ１７８−１〜３へ出力される。そして、遅延された各音声信号は、ＤＡＣ１７８−１〜３によりそれぞれＤＡ変換された後、各スピーカ１８０−１〜３から出力される。

なお、図１１の例では、決定部１３０において無線信号間の位相遅延を減算器１３４−１及び１３４−２を用いて計算したが、その代わりに極座標平面における積により位相遅延を計算してもよい。また、遅延回路１７４−１〜３として、例えば、基準となる分岐におけるフィルタ特性が中央タップのみ１となるデルタ関数である遅延フィルタを用いてもよい。また、各周波数成分の振幅を調整する等化器が図１１の回路に追加的に設けられてもよい。さらに、スピーカの配置はアレイ状の配置に限定されない。スピーカは、三次元空間上の任意の位置に配置されてよい。

［２−２−４．変形例］
なお、無線信号が赤外線である場合には、受信部１２０に受信アンテナ１１０−１〜ｎを設ける代わりに、受信部１２０に赤外線を集光するレンズと集光された赤外線を受光する複数の受光素子とを設け、赤外線を受光した受光素子の受光面上の位置に応じて信号源１０の位置を決定してもよい。例えば、信号源１０が図３に示したような遠隔制御装置であって、遠隔制御信号が赤外線信号である場合には、かかる構成を用いることで、既存の遠隔制御装置をそのまま信号源１０として使用することができる。

ここまで、図４〜図１１を用いて、本発明の第１の実施形態に係る音波出力装置１００について説明した。かかる音波出力装置１００によれば、信号源１０から送信される無線信号から、信号源１０の位置に依存する無線信号の到来方向などのパラメータ値が決定される。そして、そのパラメータ値に基づいて信号源１０の方向へ指向性を有する音波が出力される。それにより、予め限定されない任意の方向又は場所に位置する対象に指向性を向けて音波を出力することが可能となる。

＜３．第２の実施形態の説明＞
以下に説明する本発明の第２の実施形態に係る音波出力装置２００は、さらに、無線信号に含められる識別子を用いて信号源１０の個体又は信号源１０を保持するユーザを識別し、その識別結果に応じて音波の出力の有無を制御する。

［３−１．ビーコンの構成］
本発明の第２の実施形態において、信号源１０は、例えば、図１２に示したようなビーコンを周囲に送信するビーコン発信機として動作する。ここで、信号源１０により送信されるビーコンは、例えば、パケット信号、遠隔制御装置から発せられる赤外線若しくは電磁波による制御信号、又はＲＦＩＤ（Radio Frequency IDentification）技術におけるＩＣタグなどであってもよい。

図１２を参照すると、信号源１０から送信され得るビーコン１２の信号フォーマットの一例が示されている。ビーコン１２には、例えば、その前半部に既知信号１４、後半部に識別子１６が含まれる。このうち、既知信号１４は、ビーコン１２を受信する音波出力装置２００にとって既知である所定の信号パターンを有する。即ち、後述する音波出力装置２００は、受信した信号の信号パターンを内部に予め保持される既知信号１４の信号パターンと比較し、ビーコン１２を受信したことを検知する。また、既知信号１４は、音波出力装置２００による受信アンテナ間のビーコン１２の到来時間差又は位相差の計算に使用されてもよい。

一方、識別子１６は、信号源１０の個体又は信号源１０を保持するユーザを識別するための識別子である。識別子１６は、音波出力装置２００による音波出力の制御に使用される。

［３−２．音波出力装置の構成］
図１３は、本実施形態に係る音波出力装置２００の構成の一例を示すブロック図である。

図１３を参照すると、音波出力装置２００は、受信アンテナ１１０−１〜ｎ、受信部２２０、決定部１３０、復調復号部２４０、制御部２５０、メモリ２５２、音声変調部１６０、音波出力部１７０、及びスピーカ１８０−１〜ｍを備える。また、受信部２２０には、ｎ本の受信アンテナ１１０−１〜ｎにそれぞれ対応する無線受信部２２２−１〜ｎが含まれる。

本実施形態において、各無線受信部２２２−１〜ｎは、それぞれ対応する受信アンテナ１１０−１〜ｎを介して、信号源１０から送信される無線信号を受信する。そして、各無線受信部２２２−１〜ｎは、それぞれ受信した信号を増幅し、ＡＤ変換した後、決定部１３０及び復調復号部２４０へ出力する。

復調復号部２４０は、各無線受信部１２２−１〜ｎから入力された受信信号を、位相変調や振幅変調又はこれらを組み合わせた任意の変調方式に従って復調し、さらに任意の符号化方式に従って復号する。そして、復調復号部２４０は、復号済みの受信信号を制御部２５０へ出力する。

制御部２５０は、図１２に例示した既知信号１４の信号パターンが受信信号から検出されると、既知信号１４に続いて受信される識別子１６から信号源１０が音波出力の対象であるか否かを判定する。そして、制御部２５０は、信号源１０が音波出力の対象であると判定された場合には、決定部１３０に信号源１０の位置に依存するパラメータ値の決定を指示し、及び音声信号を音声変調部１６０へ出力する。なお、受信信号からの既知信号１４の信号パターンの検出は、受信部２２０、復調復号部２４０、又は制御部２５０のいずれかの処理ブロックで行われ得る。

ここで、音波出力の対象となる識別子１６は、例えば、予めメモリ２５２に登録されていてもよい。例えば、展示会場を訪れるユーザにビーコン発信機としての信号源１０を配布して展示内容を説明する音声を提供する場合には、信号源１０ごとの識別子１６を予め音波出力装置２００のメモリ２５２に登録しておくことが考えられる。その代わりに、音波出力の対象となる識別子１６は、信号源１０からの要求に応じて動的にメモリ２５２に登録されてもよい。

かかる音波出力装置２００の構成によれば、例えば、音波出力装置２００の周囲に複数の無線信号の信号源１０が存在している場合にも、音波出力装置２００から音声を提供すべき特定の信号源１０に対してのみ音波の指向性を向けることが可能となる。

＜４．第３の実施形態の説明＞
次に、以下に説明する本発明の第３の実施形態では、受信信号から決定されるパラメータ値を利用し、マイクロフォンの指向性を制御して信号源１０を保持するユーザ２０（又は信号源１０の近傍に位置するユーザ２０）の発する音声が集音される。即ち、本実施形態では、指向性を有する音声出力と指向性を有する音声入力とを共に実現する通話装置３００が構成される。

図１４は、本発明の第３の実施形態に係る通話装置３００の構成の一例を示すブロック図である。

図１４を参照すると、通話装置３００は、受信アンテナ１１０−１〜ｎ、受信部１２０、決定部３３０、制御部３５０、メモリ３５２、音声変調部１６０、音波出力部１７０、スピーカ１８０−１〜ｍ、マイクロフォン３９０−１〜Ｌ（Ｌ≧１）、及び音声入力部３９２を備える。

本実施形態において、決定部３３０は、第１の実施形態に係る決定部１３０と同様に、無線信号の到来方向、信号源１０の位置、又はスピーカ１８０−１〜ｍごとの遅延量などの信号源１０の位置に依存して変動するパラメータ値を、受信信号から決定する。そして、決定部３３０は、決定したパラメータ値を、音波出力部１７０及び音声入力部３９２へ出力する。

マイクロフォン３９０−１〜Ｌは、例えば、アレイ状に配置されたＬ個のマイクロフォンであってもよい。その代わりに、マイクロフォン３９０−１〜Ｌは、例えばガンマイクなどの、指向性をもって音声を集音可能な１つのマイクロフォンであってもよい。マイクロフォン３９０−１〜Ｌは、音声入力部３９２からの制御を受けて、その指向性を信号源１０の方向へ向ける。

音声入力部３９２は、決定部３３０から入力される上述したいずれかのパラメータ値に応じて、マイクロフォン３９０−１〜Ｌの指向性を信号源１０の方向へ向けさせる。そして、音声入力部３９２は、マイクロフォン３９０−１〜Ｌを介して集音した音声を増幅し、ＡＤ変換した後、制御部３５０へ出力する。

制御部３５０は、例えばＣＰＵやＭＰＵなどの制御装置を用いてメモリ３５２に記憶されたプログラムを実行し、通話装置３００の動作全般を制御する。具体的には、制御部３５０は、例えば、マイクロフォン３９０−１〜Ｌを介して集音される音声と、スピーカ１８０−１〜ｍを介して出力される音声とにより、通話装置３００のユーザに通話機能を提供する。メモリ３５２は、例えばＲＯＭなどの半導体メモリを用いて、制御部３５０により実行されるプログラムや制御データなどを記憶する。

かかる通話装置３００の構成によれば、スピーカ１８０−１〜ｍ及びマイクロフォン３９０−１〜Ｌの指向性が決定部３３０により決定されたパラメータ値に応じて信号源１０の方向へ向けられる。従って、例えば図２に示したユーザ２０は、通話装置３００（図２における音波出力装置１００ｂ）を手に取ることなく、通話をすることが可能となる。

なお、本実施形態において、受信部１２０により受信される無線信号が音波である場合には、受信アンテナ１１０−１〜ｎの代わりにマイクロフォン３９０−１〜Ｌを用いて当該音波が受信されてもよい。

＜５．第４の実施形態の説明＞
以下に説明する本発明の第４の実施形態では、マイクロフォンを用いて集音した音声を解析し、その解析結果に応じて音波の出力が制御する。

図１５は、本発明の第４の実施形態に係る音波出力装置４００の構成の一例を示すブロック図である。

図１５を参照すると、音波出力装置４００は、マイクロフォン４１０−１〜Ｌ、受信部４２０、決定部４３０、音声解析部４４０、制御部４５０、メモリ４５２、音声変調部１６０、音波出力部４７０、及びスピーカ１８０−１〜ｍを備える。また、受信部４２０には、マイクロフォン４１０−１〜Ｌにそれぞれ対応するＡＤＣ４２２−１〜Ｌが含まれる。

本実施形態において、マイクロフォン４１０−１〜Ｌは、例えば、信号源１０の方向から発せられる音声を集音し、それぞれ対応する受信部４２０のＡＤＣ４２２−１〜Ｌへ出力する。受信部４２０の各ＡＤＣ４２２−１〜Ｌは、対応するマイクロフォン４１０−１〜Ｌから入力された音声をＡＤ変換して音声信号を生成し、決定部４３０及び音声解析部４４０へ出力する。

決定部４３０は、第１の実施形態に係る決定部１３０と同様に、音声信号の到来方向、信号源１０の位置、又はスピーカ１８０−１〜ｍごとの遅延量などのパラメータ値を入力された音声信号から決定する。そして、決定部４３０は、決定したパラメータ値を、メモリ４５２に記憶させる。

一方、音声解析部４４０は、例えば、受信部４２０から入力された音声信号の波形を予めメモリ４５２に記憶させておいた既知のユーザごとの声の波形と照合し、話し手のユーザ、即ち話者を特定する。そして、音声解析部４４０は、特定した話者を識別する識別子をメモリ４５２へ出力し、決定部４３０により決定された上述のパラメータ値と関連付けて記憶させる。

制御部４５０は、例えば、音声を提供したいユーザの識別子と提供される音声信号とが音声提供用のアプリケーション（図示せず）から入力されると、まず、当該識別子と関連付けられたパラメータ値をメモリ４５２から取得する。そして、制御部４５０は、音声信号を音声変調部１６０に出力し、及び取得したパラメータ値を音波出力部４７０へ出力する。

音波出力部４７０は、制御部４５０から入力されたパラメータ値に基づいてスピーカ１８０−１〜ｍの指向性を制御し、音声変調部１６０により変調された音声信号をスピーカ１８０−１〜ｍから音波として出力させる。

かかる音波出力装置４００の構成によれば、例えば、音波出力装置４００の周囲に複数の信号源１０又は複数のユーザ２０が存在している場合にも、音声を提供すべき特定の信号源１０又はユーザ２０に対してのみ音波の指向性を向けることが可能となる。

また、音声解析部４４０は、さらに、受信部４２０から入力された音声信号の波形から発音された内容を解析し、特定の単語又はフレーズと関連付けられる音声コマンドを検出してもよい。それにより、例えば、音波出力装置４００は、予め定義される所定の音声コマンドがユーザ２０から発せられた場合にのみ、当該ユーザ２０に指向性を向けて音波を出力することが可能となる。

＜６．まとめ＞
以上、図４〜図１５を用いて、本発明の４つの実施形態に係る音波出力装置１００、２００、４００又は通話装置３００について説明した。

ここで説明した各装置によれば、信号源１０から送信される無線信号を用いて決定された信号源１０の位置に依存するパラメータ値に基づいて、信号源１０の方向へ指向性を有する音波が出力される。それにより、予め限定されない任意の方向又は場所に位置する対象に指向性を向けて適応的に音波を出力することが可能となる。そのため、例えば信号源１０を保持するユーザ２０が移動しても、その移動に追随して音波の指向性を調整することができる。また、展示物の説明などの用途においては、予めユーザの位置を指定することなくユーザに説明用の音声を聴かせることができる。

また、出力する音波の指向性を制御するためのパラメータ値を無線信号の到来時間差又は位相差から少ない計算コストで算出することが可能なため、指向性制御に用いられる回路規模を低減することができる。

また、信号源１０から送信されるビーコンに識別子を含めておき、当該識別子から認識される特定のユーザに対してのみ音波の指向性を向けることもできる。

さらに、上述したパラメータ値に基づいて信号源１０の方向へ指向性を向けることのできるマイクロフォンを備えることで、ハンズフリーの通話装置を実現することもできる。

なお、本明細書において説明した一連の処理は、ハードウェアで実現されてもよく、又はソフトウェアで実現されてもよい。一連の処理又はその一部をソフトウェアで実行させる場合には、例えば、ソフトウェアを構成するプログラムが予めＲＯＭに格納され、実行時にＲＡＭに読み込まれてＣＰＵにより実行される。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

一実施形態に係る音波出力装置の使用場面の第１の例を示す模式図である。 一実施形態に係る音波出力装置の使用場面の第２の例を示す模式図である。 一実施形態に係る音波出力装置の使用場面の第３の例を示す模式図である。 第１の実施形態に係る音波出力装置の構成の一例を示すブロック図である。 無線信号の到来方向を決定する処理について説明するための説明図である。 音波の指向性の制御について説明するための説明図である。 無線信号の到来方向を三次元空間上で決定する処理について説明するための説明図である。 ３つのスピーカを用いた音波の指向性の制御について説明するための説明図である。 信号源の位置を決定する処理について説明するための説明図である。 機械的に制御されるスピーカを用いた音波の指向性の制御について説明するための説明図である。 指向性制御の第３のパターンを実現するための具体的な構成を示すブロック図である。 信号源から送信されるビーコンの構成の一例を示す説明図である。 第２の実施形態に係る音波出力装置の構成の一例を示すブロック図である。 第３の実施形態に係る音波出力装置の構成の一例を示すブロック図である。 第４の実施形態に係る音波出力装置の構成の一例を示すブロック図である。

符号の説明

１００、２００、４００ 音波出力装置
３００ 通話装置
１１０ 受信アンテナ
１２０、２２０、４２０ 受信部
１３０、３３０、４３０ 決定部
２４０ 復調復号部
４４０ 音声解析部
１５０、２５０、３５０、４５０ 制御部
１５２、２５２、３５２、４５２ メモリ
１６０ 音声変調部
１７０、４７０ 音波出力部
１８０ スピーカ
３９０ 音声入力部
３９２、４１０ マイクロフォン

Claims (7)

1. 所定の信号源から送信される無線信号を受信する複数の受信アンテナを有する受信部と；
   それぞれ決定される遅延量をもって音波を出力可能な複数のスピーカを有する音波出力部と；
   前記受信部により受信された前記無線信号の到来時間又は位相の前記受信アンテナごとの前後関係を反転させることにより、前記スピーカごとの前記遅延量を決定する決定部と；
   を備え、
   前記音波出力部の各スピーカは、前記受信部の各受信アンテナのそれぞれ近傍に設けられており、
   前記音波出力部は、前記決定部により決定される前記スピーカごとの前記遅延量に基づいて、前記信号源の方向へ指向性を有する音波を出力する、
   音波出力装置。
2. 前記無線信号は、前記信号源の個体又は前記信号源を保持するユーザを識別する識別子を含むビーコンであり、
   前記音波出力装置は、
   前記ビーコンに含まれる前記識別子に応じて、前記音波出力部に音波を出力させるか否かを制御する制御部、
   をさらに備える、請求項１に記載の音波出力装置。
3. 前記音波出力装置は、
   前記信号源の方向から集音された音声に基づいて、既知のユーザの中から当該音声の話し手のユーザを特定する音声解析部、
   をさらに備える、請求項１に記載の音波出力装置。
4. 前記音波出力装置は、
   前記信号源の方向から集音された音声に所定の音声コマンドが含まれているか否かに応じて、前記音波出力部からの音波の出力を制御する制御部、
   をさらに備える、請求項１に記載の音波出力装置。
5. 所定の信号源から送信される無線信号を受信する複数の受信アンテナを有する受信部と；
   それぞれ決定される遅延量をもって音波を出力可能な複数のスピーカを有する音波出力部と；
   前記信号源の方向からの音声を集音する音声入力部と；
   前記受信部により受信された前記無線信号の到来時間又は位相の前記受信アンテナごとの前後関係を反転させることにより、前記スピーカごとの前記遅延量を決定する決定部と；
   を備え、
   前記音波出力部の各スピーカは、前記受信部の各受信アンテナのそれぞれ近傍に設けられており、
   前記音波出力部は、前記決定部により決定される前記スピーカごとの前記遅延量に基づいて、前記信号源の方向へ指向性を有する音波を出力する、
   通話装置。
6. 複数の受信アンテナ及びそれぞれ決定される遅延量をもって音波を出力可能な複数のスピーカを備える音波出力装置を用いた音波出力方法であって、
   各スピーカは、各受信アンテナのそれぞれ近傍に設けられており、
   前記音波出力方法は：
   所定の信号源から送信される無線信号を前記複数の受信アンテナを介して受信するステップと；
   受信された前記無線信号の到来時間又は位相の前記受信アンテナごとの前後関係を反転させることにより、前記スピーカごとの前記遅延量を決定するステップと；
   決定された前記スピーカごとの前記遅延量に基づいて、前記信号源の方向へ指向性を有する音波を前記複数のスピーカから出力するステップと；
   を含む、音波出力方法。
7. 所定の信号源から送信される無線信号を受信可能な複数の受信アンテナを有する受信部とそれぞれ決定される遅延量をもって音波を出力可能な複数のスピーカとを備え、各スピーカは、前記受信部の各受信アンテナのそれぞれ近傍に設けられている音波出力装置を制御するコンピュータを：
   前記受信部により受信された前記無線信号の到来時間又は位相の前記受信アンテナごとの前後関係を反転させることにより、前記スピーカごとの前記遅延量を決定する決定部と；
   前記決定部により決定される前記スピーカごとの前記遅延量に基づいて、前記複数のスピーカから出力される音波の指向性を前記信号源の方向へ向けさせる音波出力部と；
   として機能させるための、プログラム。