JP7468017B2

JP7468017B2 - 音波反射装置及び音波出力方法

Info

Publication number: JP7468017B2
Application number: JP2020046927A
Authority: JP
Inventors: 恭也落合; 慎吾松下; 章弘淺井; 章洋武捨
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2020-03-17
Filing date: 2020-03-17
Publication date: 2024-04-16
Anticipated expiration: 2040-03-17
Also published as: JP2021148885A

Description

本発明は、音波反射装置及び音波出力方法に関する。

放物曲面を有する凹型の反射板（パラボラ反射板）を利用してスピーカの指向特性を変化させる技術がある。

例えば特許文献１には、スピーカを覆うように曲面状の反射板を配置し、かつ、反射板の反射面の焦点位置にスピーカを配置して、スピーカから放音された音波を反射板で反射させることによって、スピーカの指向性を高める手法が記載されている。

しかし特許文献１などに記載される従来の曲面反射板を使用したスピーカの方式では、上述のようにスピーカの周囲を覆うように反射板を配置するため、スピーカサイズより曲面反射板のサイズを大きくする必要がある。このため、反射板の大きさがスピーカに依存し、小型化が困難な場合がある。

本発明は、パラボラ反射板を小型化することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明の一観点に係る音波反射装置は、音波を反射する第一反射板と、前記第一反射板より大きな反射表面積を有する、放物面の反射面を有する第二反射板と、を備え、前記第一反射板は、前記第二反射板の前記反射面と前記反射面の焦点位置との間に配置され、前記第一反射板に向けて放音された音波が前記第一反射板で反射し、反射した音波が前記第二反射板で再反射するように、前記第二反射板と対向して配置され、前記第二反射板は、長穴が空いており、前記焦点位置を中心に前記長穴の長手方向に回転可能である。

パラボラ反射板を小型化することができる。

実施形態に係る音波反射装置の一例を示す斜視図パラボラ反射板により指向性が変化する原理について説明する図音波反射装置とスピーカの配置の一例を示す断面図第一反射板の具体的な設置位置と形状の一例を示す断面図第一反射板の第１変形例を示す断面図第一反射板の第２変形例を示す断面図第一反射板の第３変形例を示す断面図音波伝達経路の一例を示す図第一反射板の形状の他の例を示す図第二反射板の傾きを変化させる傾き調整機構の一例を示す平面図図１０に示す傾き調整機構の断面図傾き調整機構による第二反射板の傾き変更後の状態を示す平面図図１２に示す第二反射板の傾き変更後の状態を示す断面図傾き調整機構の自動制御の一例を示す平面図図１４に示す傾き調整機構の断面図制御装置のハードウェア構成の一例を示す図人感センサによる音波反射装置の自動動作のフローチャートタイマー機能による音波反射装置の自動動作のフローチャート

以下、添付図面を参照しながら実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

なお、以下の説明において、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向は互いに垂直な方向である。ｘ方向及びｙ方向は、第一反射板１１及び第二反射板１２の径方向である。ｚ方向は、第一反射板１１と第二反射板１２との対向方向である。ｚ正方向が音波の出力方向である。

図１は、実施形態に係る音波反射装置１０の一例を示す斜視図である。図１に示すように、音波反射装置１０は、第一反射板１１と第二反射板１２とを備える。第一反射板１１と、第二反射板１２は、放物曲面をした凹型の反射面を有するパラボラ反射板であり、第二反射板１２のほうが第一反射板１１より反射面の径が大きく形成される。

音波反射装置１０は、第一反射板１１の反射面１１ａが、第二反射板１２の反射面１２ａと向かい合うように（図３参照）、２つの反射板１１、１２を対向して設置させた構造をとる。音波反射装置１０では、第一反射板１１に向けて放音された音波が第二反射板１２に再度反射して一方向へ音波が伝達される。この反射板１１，１２により、指向性を持たないスピーカでも高い指向性となり、一方向への発信が可能となる。

既存のパラボラスピーカでは、放物面の焦点の位置に直接スピーカを設置している場合がほとんどであるが（例えば特許文献１参照）、その場合、スピーカよりも反射板（本実施形態では第二反射板１２）のサイズを大きくする必要がある。それに対し本実施形態では、第二反射板１２の焦点位置側に、スピーカではなく第一反射板１１を設置している。この第一反射板１１のサイズを、使用するスピーカより小さくすることによって、第二反射板１２のサイズも小さくすることができる。第一反射板１１に向けて放音した際、第一反射板１１で反射して音波が第二反射板１２に向けて拡散するため、結果的に第一反射板１１は疑似的なスピーカとして機能する。

図２は、パラボラ反射板により指向性が変化する原理について説明する図である。図２には、Ｘ－Ｙ座標系に放物線Ｙ＝ａ・Ｘ＾２が描かれている。この座標系のＹ軸は、図１などに示す三次元座標系のｚ方向に対応し、Ｘ軸はｘ方向及びｙ方向に対応する。

一般に、放物線は、焦点から曲線までの距離と、曲線からＹ軸に直交する直線までの距離の和は変化しないと言う特性がある。例えば図２のように放物線Ｙ＝ａ・Ｘ＾２の焦点位置Ｆ（０，ｆ）と、放物線上の点Ｐ（ｐ，ａ・ｐ＾２）、Ｑ（ｑ，ａ・ｑ＾２）があり、Ｙ軸と直交する直線上で点Ｐと垂直な線でつながる点Ｒ、同様に点Ｑと垂直な線でつながる点Ｒ´がある場合、以下の（１）式の関係が成り立つ。

ＦＰ＋ＰＲ＝ＦＱ＋ＱＲ´ ・・・（１）

仮に、ｐ＝０、ｑ＝√（ｆ／ａ）とした場合、点Ｐ、Ｑの座標はそれぞれＰ（０，０）、Ｑ（√（ｆ／ａ），ｆ）となる。このとき（１）式に当てはめると、下記の（２）式のようにａが求まる。

以上から、下記の（３）式が成り立つ条件で焦点位置Ｆを設定することができる。

この放物線の特性を利用したものとして、例えばパラボラアンテナのような電波に適用したもの、ヘッドライトや天体望遠鏡のように光に適用したものなどがあり、これらと同じように波である音波にも同様に応用できる。

図３は、音波反射装置１０とスピーカ１３の配置の一例を示す断面図である。図３は、例えば第一反射板１１及び第二反射板１２の開口の直径を通り、ｚ方向に平行な断面を模式的に示している。

図３に示すように、例えば音波反射装置１０は、第二反射板１２の一部（図３の例では凹状の反射面１２ａの底部中央）に穴１４が板厚方向に連通して設けられ、反射面１２ａとは反対側にスピーカ１３が設置され、第一反射板１１に向けて放音する構成が考えられる。

従来のように、スピーカ１３を第二反射板１２の反射面１２ａ側に設置する構成では、スピーカ１３より大きい反射面としなければならず、音波反射装置１０のサイズが大型化してしまう。しかし第二反射板１２がスピーカ１３に対して十分な大きさがない場合には、音が拡散してしまい、効果的に高い指向性が得られない。

これに対して本実施形態では、スピーカ１３の代わりに、スピーカ１３より小型の第一反射板１１を第二反射板１２の反射面１２ａ側に設置し、その反対側にスピーカ１３を設置することで、第二反射板１２のサイズを抑える構成としている。図３に一点鎖線で示すように、スピーカ１３から放音された音波は、一度は第一反射板１１の反射面１１ａで反射され、さらに第二反射板１２で反射して、一方向へと発信される。

このように、本実施形態の音波反射装置１０は、音波を反射する第一反射板１１と、第一反射板１１より大きな反射表面積を有する、放物面の反射面１２ａを有する第二反射板１２と、を備える。第一反射板１１は、第二反射板１２の反射面１２ａと、この反射面１２ａの焦点位置との間に配置され、第一反射板１１に向けて放音された音波が第一反射板１１で反射し、反射した音波が第二反射板１２で再反射するように対向して配置される。この構成により、上述のように第二反射板１２の径のサイズを抑えることが可能となり、パラボラ反射板を小型化することができる。

また、第二反射板１２に穴１４を設け、第二反射板１２の反射面１２ａとは異なる面側に設置したスピーカ１３から第一反射板１１に向けて放音可能とすることで、反射板１１、１２のサイズがスピーカ１３のサイズの影響を受けないようにできる。つまり、スピーカ１３が大きい場合でも、スピーカ１３は第一反射板１１と第二反射板１２との相対位置とは関係なく配置されるので、第二反射板１２のサイズを大きくする必要がない。また、スピーカ１３の配置の自由度を向上できる。

図４は、第一反射板１１の具体的な設置位置と形状の一例を示す断面図である。図４や以降の断面図は、図３と同様に、第一反射板１１及び第二反射板１２の開口の直径を通り、ｚ方向に平行な断面を模式的に示している。

前述の通り、焦点から反射面に向けて放音された音波は、反射すると一方向へ向う特性がある。第一反射板１１を用いない場合には、第二反射板１２の焦点位置にスピーカ１３を設置し、第二反射板１２の反射面に向けて放音することで一方向へ向かう指向性の強い音波が得られるが、第一反射板１１を介する場合には、焦点位置と第一反射板１１との位置関係を考慮する必要がある。

本実施形態では、第一反射板１１を用いる場合、第一反射板１１に向けて放音して一度音波を反射させてから、第二反射板１２で再度反射させる。この構成では、図４に示すように、第一反射板１１で反射したときの音波の直進方向と、第二反射板１２の焦点位置から放音した場合の音波の直進方向が一致する位置に第一反射板１１を設置するのが好ましい。

なお、図４等では、第２反射板１２と焦点位置との位置関係が分かりやすいように第２反射板１４を大きく描いているが、実際にはスピーカ１３が第２反射板１４の凸面側（焦点と反対側）に出ているため、第２反射板１４のサイズがスピーカ１３のサイズに左右されない。図４の例では、第二反射板１４は、スピーカ１３のサイズに対して第一反射板１１程度の大きさであれば事足りる。このように、図４の構成によって、パラボラ反射板をより一層小型化できる。

なお、上記の条件を満たせば、第一反射板１１の形状は図４に示す凹曲面以外のどのような形状でもよい。図５～図７は、第一反射板の第１変形例１１－１、第２変形例１１－２、第３変形例１１－３を示す断面図である。例えば図５に示す第１変形例１１－１のように、ｘｙ平面と平行な反射面を有する平板状としてもよいし、図６に示す第２変形例１１－２のように、断面が三角形状であり、第二反射板１２側に突出する凸形状でもよいし、図７に示すように、第二反射板１２側に突出する半球状でもよい。

図８は、音波伝達経路１５の一例を示す図である。図８に示すように、音波反射装置１０は、第二反射板１２の穴１４から第一反射板１１側（ｚ正方向側）へ突出して設けられ、第一反射板１１とスピーカ１３の間をつなぐ筒状の音波伝達経路１５を備える構成でもよい。

第一反射板１１に向けて放音したとき、第一反射板１１とスピーカ１３との間の距離が大きく離れていると、一部の音波しか第一反射板１１に当たらず、そのまま拡散してしまう音波も発生する。これでは指向性が広がってしまうため、反射板１１，１２を使用している意味が薄れてしまう。そこで、図８に示すように、スピーカ１３と第一反射板１１の間で音が拡散するのを防ぐために音波伝達経路１５を使用する。音波伝達経路１５は、スピーカ１３と、第二反射板１２の反射面１２ａ側をつなぐ。これにより音の放音位置を第一反射板１１の近傍に設定することができるため、音波の拡散を抑えることができる。

図９は、第一反射板１１の形状の他の例を示す図である。図９に示すように、第一反射板１１は、凹状の反射面１１ａの底部の中央に穴１６が空いている構成でもよい。

スピーカ１３から放音された音波は第一反射板１１で反射を行うが、入射角の浅いスピーカ１３正面付近では、反射した音波は第二反射板１２で反射せずにスピーカ１３側へ戻ってきてしまう。このとき、第一反射板１１に穴１６が空いている構成とすることで、第二反射板１２に向かわない音波を直接直進方向（ｚ正方向側）に放音することができるため、第一反射板１１による音波の損失を低減でき、より効率の良い運用が可能となる。

図１０は、第二反射板１２の傾きを変化させる傾き調整機構２０の一例を示す平面図である。図１１は、図１０に示す傾き調整機構２０の断面図である。図１０、図１１に示すように、音波反射装置１０は、第二反射板１２の傾きを変化させる傾き調整機構２０を備える構成でもよい。

例えば、図１０に示すように、ｘ方向を長軸方向とする長円または楕円形状の長穴２１が、第二反射板１２の凹状の反射面１２ａの底部の中央に設けられる。傾き調整機構２０は、例えばこの長穴２１の長軸方向に沿って、反射面１２ａの焦点位置を中心に回転することで、第二反射板１２の傾きを変更できる。傾き調整機構２０は、第二反射板１２を３つ以上の（図１０の例では４個）ローラ２３で支持し、これらのローラ２３のうちの一つがつまみ２２と連結されていて、例えば利用者がこのつまみ２２を回すことでローラ２３が回転し、第二反射板１２の傾きを変更する。これにより、スピーカ１３の位置を変更することなく音波を飛ばす方向を変更可能となる。また、音波伝達経路１５と同様の通常の音波伝達経路１５Ａを、スピーカ１３と第一反射板１１との間に相対位置が変わらないように、例えばスピーカ１３側に固定して長穴２１を貫通して配置してもよい。

図１２は、傾き調整機構２０による第二反射板１２の傾き変更後の状態を示す平面図である。図１３は、図１２に示す第二反射板１２の傾き変更後の状態を示す断面図である。図１２、図１３では、第二反射板１２をｘ正方向側に回動させた状態を例示している。この場合、音波の出力方向はｚ正方向からｘ負方向へ傾斜する方向へ変更される。このように、傾き調整機構２０によって第二反射板１２の傾きを変更する構成により、音波反射装置１０を設置した後でも音波の出力方向を任意に変更できるので、音波反射装置１０の汎用性を向上できる。また、音波反射装置１０の設置も容易にできる。

図１４は、傾き調整機構２０の自動制御の一例を示す平面図である。図１５は、図１４に示す傾き調整機構２０の断面図である。図１４、図１５に示すように、傾き調整機構２０の動作を自動化して、第二反射板１２の傾きを自動で変化させる構成でもよい。

例えば、図１４、図１５に示すように、図１０に示したつまみ２２の代わりに、ローラ２３を駆動させるモータ２４を連結させる。この構成とすることで、ローラ２３を電動的に稼働させることができる。また、モータ２４は、制御装置２５からの指令に応じて動作する。

このように傾き調整機構２０を自動で稼働させることで、例えば人感センサなどと組み合わせ、センサの反応がある方向に向けて放音することや、タイマー機能と組み合わせて時間によって放音角度を切り替えるなどの自動動作も実施することができる。これにより、音波反射装置１０の汎用性をさらに向上できる。

図１６は、制御装置２５のハードウェア構成の一例を示す図である。制御装置２５は、ＣＰＵ１０１、人感センサ１０２、タイマー１０３を備える。ＣＰＵ１０１は、モータ２４を動作させるタイミングを計算、指示する。人感センサ１０２は、音波反射装置１０付近に人がいることを検知する。タイマー１０３は、時間やタイミングを認識するために計時する。

例えば、音波反射装置１０の付近に人が近づいたとき、人感センサ１０２によって人のいる方向が認識される。このとき、ＣＰＵ１０１にて算出・指示された動作を傾き調整機構２０のモータ２４が行うことで、第二反射板１２の放射角度を変更することができる。

また、時間ごとに放射したい角度を変更したい場合には、タイマー１０３により時間やタイミングを認識し、所定のタイミングでＣＰＵ１０１にて算出・指示された動作を傾き調整機構２０のモータ２４が行うことで、第二反射板１２の放射角度を変更することができる。

図１７は、人感センサ１０２による音波反射装置１０の自動動作のフローチャートである。

図１７に示すように、装置付近に人が近づくと人感センサ１０２が反応し（Ｓ１１のＹＥｓ）、人のいる方向を認識する。次に、ＣＰＵ１０１が、傾けたい方向に第二反射板１２を傾けるために必要なモータ２４の動作を算出し（Ｓ１２）、モータ２４がＣＰＵ１０１の指示に沿った動作を行う（Ｓ１３～Ｓ１５）。

これにより、第二反射板１２の傾き、及び、音波の出力方向を指定角度に自動的に向けることができる。この機能を利用すれば、例えば音波反射装置１０の近くを通過する人に対して、連続して音波の発信を行うことも可能である。

図１８は、タイマー機能による音波反射装置１０の自動動作のフローチャートである。

図１８に示すように、タイマー１０３が予め設定した時間になると（Ｓ２１のＹｅｓ）、ＣＰＵ１０１は、指定された傾きに音波を放射するよう、傾き調整機構２０のモータ２４を動作させる（Ｓ２２～Ｓ２４）。

これにより、第二反射板１２の傾き、及び、音波の出力方向を指定角度に自動的に向けることができ、例えば指定時間ごとに音波を放射する角度を変更することも可能である。

上記で説明した実施形態の各機能は、一又は複数の処理回路によって実現することが可能である。ここで、本明細書における「処理回路」とは、電子回路により実装されるプロセッサのようにソフトウェアによって各機能を実行するようプログラミングされたプロセッサや、上記で説明した各機能を実行するよう設計されたASIC（Application Specific Integrated Circuit）、DSP（digital signal processor）、FPGA（field programmable gate array）や従来の回路モジュール等のデバイスを含むものとする。

以上、具体例を参照しつつ本実施形態について説明した。しかし、本開示はこれらの具体例に限定されるものではない。これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、条件、形状などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。

１０音波反射装置
１１第一反射板
１２第二反射板
１２ａ反射面
１３スピーカ
１４第二反射板の穴
１５、１５Ａ音波伝達経路
１６第一反射板の穴
２１長穴
２４モータ
２５制御装置
１０２人感センサ
１０３タイマー

特開平０６－１７８３７７

Claims

音波を反射する第一反射板と、
前記第一反射板より大きな反射表面積を有する、放物面の反射面を有する第二反射板と、
を備え、
前記第一反射板は、前記第二反射板の前記反射面と前記反射面の焦点位置との間に配置され、前記第一反射板に向けて放音された音波が前記第一反射板で反射し、反射した音波が前記第二反射板で再反射するように、前記第二反射板と対向して配置され、
前記第二反射板は、長穴が空いており、前記焦点位置を中心に前記長穴の長手方向に回転可能である、
音波反射装置。
前記第一反射板は、前記第一反射板に向けて放音された音波が前記第一反射板で反射したときの音波の直進方向と、前記第二反射板の前記焦点位置から放音した場合の音波の直進方向とが一致する位置に配置される、
請求項１に記載の音波反射装置。
前記第二反射板の前記反射面とは異なる面側に設置したスピーカから前記第二反射板の前記長穴を介して前記第一反射板に向けて放音可能である、
請求項１または２に記載の音波反射装置。
前記スピーカと、前記第二反射板の反射面側をつなぐ筒状の音波伝達経路を有する、
請求項３に記載の音波反射装置。
前記第一反射板は、中央に穴が空いている、
請求項１～４のいずれか１項に記載の音波反射装置。
前記第二反射板はモータ駆動により回転可能である、
請求項１～５のいずれか一項に記載の音波反射装置。
人感センサを有しており、人のいる方向に向けて音波の発信が可能である、
請求項６に記載の音波反射装置。
タイマー機能を有しており、時間帯によって音波の発信方向切り替えが可能である、
請求項６または７に記載の音波反射装置。
音波を反射する第一反射板と、
前記第一反射板より大きな反射表面積を有する、放物面の反射面を有する第二反射板と、
を備え、
前記第一反射板は、前記第二反射板の前記反射面と前記反射面の焦点位置との間にて前記第二反射板と対向して配置され、前記第二反射板は、長穴が空いており、前記焦点位置を中心に前記長穴の長手方向に回転可能である、音波反射装置を用いた音波出力方法であって、
前記第二反射板を、前記焦点位置を中心に前記長穴の長手方向に回転して前記第二反射板の傾きを変更するステップと、
前記第一反射板に向けて放音する放音ステップと、
前記第一反射板に向けて放音された音波が前記第一反射板で反射する反射ステップと、
前記第一反射板にて反射した音波が前記第二反射板の前記反射面で再反射する再反射ステップと、
を含む音波出力方法。