JP5257561B1 - 音響再生装置 - Google Patents

Abstract

音響再生装置は、超音波帯域の搬送波信号を可聴音信号により変調して変調搬送波信号を出力する出力端を有する変調器と、変調器の出力端に電気的に接続された超指向性スピーカと、超音波源とグランドとの間に電気的に接続されたキャパシタと、超指向性スピーカとキャパシタに流れる電流をそれぞれ検出する第１と第２の電流検出部と、第１の電流検出部で検出された電流の低周波数帯域の成分をカットして得られた濾波信号を出力するハイパスフィルタと、第２の電流検出部が検出した電流と濾波信号との差に応じた信号を出力する差動増幅部とを備える。超音波源は差動増幅部が出力する信号が一定になるように搬送波信号を出力する。この音響再生装置は、温度が変化しても音質の劣化を低減することができる。

Description

本発明は、超指向性スピーカを用いた音響再生装置に関する。

従来、音声情報に指向性を持たせるスピーカを用いて、音声情報が特定の対象者にのみ伝達される音響再生装置が開発されている。図６は特許文献１に記載されている音響再生装置５００の構成概略図である。

搬送波選択手段１０１は搬送波信号の超音波の複数の周波数から１つの周波数を選択し、選択された周波数を超音波発振手段１０３に出力する。超音波発振手段１０３はその周波数の搬送波信号を発振し、搬送波変調手段１０５へ出力する。一方、可聴音を再生する再生信号発生手段１０７は可聴音信号を搬送波変調手段１０５へ出力する。搬送波変調手段１０５は可聴音信号で搬送波信号を変調して変調搬送波信号を出力する。この変調搬送波信号は超音波スピーカ１０９に入力され、超音波スピーカ１０９は変調搬送波信号に基づく指向性を持った音声を放出する。

次に、音響再生装置５００の動作について説明する。図７Ａは再生信号発生手段１０７が再生する可聴音信号１１１を示す。図７Ｂは超音波発振手段１０３にて生成される搬送波信号１１３を示す。図７Ｃは搬送波変調手段１０５にて生成される変調搬送波信号１１５を示す。搬送波変調手段１０５は、可聴音信号１１１で搬送波信号１１３を変調することにより変調搬送波信号１１５を作成する。変調搬送波信号１１５では、搬送波信号１１３の周期が可聴音信号１１１の振幅に合わせて変えられる。図７Ｃに示すように、変調搬送波信号１１５は振幅が一定で周期が部分的に異なる波形を有する。超音波スピーカ１０９は圧電素子を貼付した振動板を有する。変調搬送波信号１１５が超音波スピーカ１０９の圧電素子に入力されて振動板が振動し、空気の粗密状態が発生することで変調搬送波信号１１５による超音波が超音波スピーカ１０９から大気中へ出力される。この超音波が使用者の耳に到達すると、使用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ので、可聴音域の圧力振動のみを聞き取ることができる。ここで、超音波スピーカ１０９から出力される変調搬送波信号１１５は超音波帯域の周波数を有するので、ある狭い指向性をもって超音波が伝播する。従って、音響再生装置５００の使用者は、変調搬送波信号１１５の伝播する狭い範囲内でのみ可聴音を聞くことができる。

音響再生装置５００では、図７Ｃに示すように一定の振幅で超音波スピーカ１０９を駆動している。このような状態で長時間に亘り音響再生装置５００を使用すると、超音波スピーカ１０９の圧電素子自身の発熱や、周囲温度の変化によって、変調搬送波信号１１５の周波数や振幅が変化する場合がある。その結果、音響再生装置５００で再生される音圧が変化し音質が劣化する可能性がある。

特開２００６−２４５７３１号公報

音響再生装置は、超音波帯域の搬送波信号を出力する超音波源と、搬送波信号を可聴音信号により変調して変調搬送波信号を出力する出力端を有する変調器と、変調器の出力端とグランドとの間に電気的に接続された圧電素子を有する超指向性スピーカと、圧電素子に流れる電流を検出する第１の電流検出部と、超音波源とグランドとの間に電気的に接続されたキャパシタと、キャパシタに流れる電流を検出する第２の電流検出部と、第１の電流検出部で検出された電流の低周波数帯域の成分をカットして得られた濾波信号を出力するハイパスフィルタと、第２の電流検出部が検出した電流と濾波信号との差に応じた信号を出力する差動増幅部とを備える。超音波源は差動増幅部が出力する信号が一定になるように搬送波信号を出力する。

この音響再生装置は、温度が変化しても音質の劣化を低減することができる。

図１Ａは本発明の実施の形態１における音響再生装置のブロック回路図である。 図１Ｂは実施の形態１における音響再生装置の可聴音源が発生する可聴音信号を示す図である。 図１Ｃは実施の形態１における音響再生装置の超音波源で発生する搬送波信号を示す図である。 図１Ｄは実施の形態１における音響再生装置の変調器が発生する変調搬送波信号を示す図である。 図２は実施の形態１における音響再生装置の圧電素子の共振点近傍における等価回路図である。 図３は実施の形態１における音響再生装置の超指向性スピーカのアドミタンスの周波数特性図である。 図４は本発明の実施の形態２における音響再生装置のブロック回路図である。 図５は本発明の実施の形態３における音響再生装置のブロック回路図である。 図６は従来の音響再生装置の構成概略図である。 図７Ａは従来の音響再生装置の再生信号発生手段が再生する可聴音信号を示す図である。 図７Ｂは従来の音響再生装置の超音波発振手段にて生成される搬送波信号を示す図である。 図７Ｃは従来の音響再生装置の搬送波変調手段にて生成される変調搬送波信号を示す図である。

（実施の形態１）
図１Ａは本発明の実施の形態１における音響再生装置１００１のブロック回路図である。図１Ｂから図１Ｄは音響再生装置１００１の信号を示す。音響再生装置１００１は、超音波源１１と変調器１９と可聴音源２１と超指向性スピーカ２５と電流検出部３１、３５とハイパスフィルタ３７と差動増幅部３９とを備える。超音波源１１は超音波帯域の周波数を有する搬送波信号を出力するもので、基準周波数を生成して出力する基準信号源１３と、基準信号源１３に電気的に接続された周波数調整器１５と、周波数調整器１５に接続されたアンプ１７とを有する。周波数調整器１５は、基準周波数を基に超指向性スピーカ２５の圧電素子２７を駆動するために必要な超音波帯域の周波数を有する搬送波信号を出力する。周波数調整器１５から出力される搬送波信号はアンプ１７の入力端１７Ａに供給されアンプ１７で増幅される。増幅された搬送波信号はアンプ１７の出力端１７Ｂから変調器１９の入力端１９Ａに供給される。図１Ｃは超音波源１１が発生する搬送波信号１１３Ａの波形を示す。

変調器１９は、図１Ｂに示す可聴音域の周波数を有する可聴音信号１１１Ａを出力する可聴音源２１とも電気的に接続されている。従って、変調器１９の入力端１９Ｂには可聴音信号も入力される。そして、変調器１９は、搬送波信号を可聴音信号により変調して図１Ｄに示す変調搬送波信号１１５Ａを出力端１９Ｃから出力する。

変調器１９の出力する変調搬送波信号は、超指向性スピーカ２５の正極端子２３を介して、超指向性スピーカ２５に内蔵される圧電素子２７の正極２７Ａと電気的に接続される。また、圧電素子２７の負極２７Ｂは超指向性スピーカ２５の負極端子２９および電流検出部３１を介してグランド２００と電気的に接続される。このような構成を換言すると、超指向性スピーカ２５の圧電素子２７と電流検出部３１は接続点２０１Ａで互いに直列に接続されて直列回路２０１を構成し、変調器１９とグランド２００との間には直列回路２０１が電気的に接続されている。電流検出部３１は超指向性スピーカ２５に流れる電流Ｉを検出するもので、シャント抵抗器やホール素子等が適用できる。実施の形態１では、電流検出部３１として小型化が可能なシャント抵抗器を用いている。

超指向性スピーカ２５は、圧電素子２７に貼り付けられて圧電素子２７の振動につれて振動する振動板２７Ｃをさらに有する。変調器１９から出力される変調搬送波信号が圧電素子２７に入力されると、圧電素子２７は変調搬送波信号に応じた振動を超指向性スピーカ２５の振動板２７Ｃに伝える。その結果、超指向性スピーカ２５から図１Ｄに示す波形を有する超音波が放出される。使用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ので、この超音波が使用者の耳に到達すると可聴音域の圧力振動のみを聞き取ることができる。ここで、超指向性スピーカ２５から出力される超音波は、ある狭い指向性をもって伝播する。従って、使用者はその超音波の伝播する狭い範囲内でのみ可聴音を聞くことができ、その範囲外ではその可聴音を聞くことはできない。

キャパシタ３３と電流検出部３５は互いに接続点２０２Ａで直列に接続されて直列回路２０２を構成する。アンプ１７の出力端１７Ｂとグランド２００との間には直列回路２０２が電気的に接続されている。ここで、キャパシタ３３の容量値Ｃｃは圧電素子２７の容量値Ｃｐと合わせて一致させてある（キャパシタ３３の容量値Ｃｃは圧電素子２７の容量値Ｃｐと合わせてばらつきや誤差の範囲内で一致させてある）。さらに、容量値Ｃｐと容量値Ｃｃにおける温度特性も合わせて一致させてある（容量値Ｃｐと容量値Ｃｃにおける温度特性も合わせてばらつきや誤差の範囲内で一致させてある）。また、電流検出部３５はキャパシタ３３に流れるキャパシタ電流Ｉｃを検出するもので、電流検出部３１と同様にシャント抵抗器を用いている。

差動増幅部３９は入力端３９Ａ、３９Ｂと出力端３９Ｃとを有する。差動増幅部３９は差動増幅器５６を有する。差動増幅器５６は入力端３９Ａ、３９Ｂに入力された信号の差を出力する出力端５６Ｃを有する。差動増幅部３９の出力端３９Ｃは差動増幅器５６の出力端５６Ｃに接続されている。直列回路２０１における圧電素子２７と電流検出部３１との接続点２０１Ａすなわち超指向性スピーカ２５の負極端子２９にはハイパスフィルタ３７を介して差動増幅部３９の入力端３９Ａが電気的に接続される。ここで、ハイパスフィルタ３７は変調搬送波信号から低周波数帯域の成分（可聴音信号成分）をカットする特性を有する。ゆえに、ハイパスフィルタ３７からは圧電素子２７に流れる搬送波信号の電流に比例した電圧が濾波信号として出力され、この電圧が差動増幅部３９の入力端３９Ａに入力される。

一方、直列回路２０２におけるキャパシタ３３と電流検出部３５との接続点２０２Ａは差動増幅部３９の入力端３９Ｂと電気的に接続されている。従って、差動増幅部３９の入力端３９Ｂにはキャパシタ電流Ｉｃに比例した電圧が入力される。

差動増幅部３９の差動増幅器５６はオペアンプと周辺回路部品から構成され、差動増幅部３９の出力端３９Ｃは超音波源１１の周波数調整器１５と電気的に接続される。

次に、音響再生装置１００１の動作について説明する。尚、変調器１９で搬送波信号を可聴音信号により変調して変調搬送波信号を得て、超指向性スピーカ２５から音波を放射する基本動作は上記した通りであるので、ここではそれ以外の動作について説明する。

搬送波信号の周波数は、効率的に音波を放射するために、超指向性スピーカ２５の圧電素子２７における共振周波数近傍に設定している。従って、基準信号源１３は実質的に圧電素子２７の共振周波数を出力する。

この共振周波数で超指向性スピーカ２５の圧電素子２７を駆動し続けると、圧電素子２７の内部インピーダンスにより熱が発生する。この熱は共振周波数近傍の圧電素子２７における電気機械変換損失に起因する。その詳細を以下に説明する。

図２は共振周波数近傍での圧電素子２７の等価回路を示す。圧電素子２７は、圧電素子容量４１を有するキャパシタの構造を有する。特に共振周波数近傍では、等価回路では、互いに直列に接続されたインダクタンス成分４３と容量成分４５と抵抗成分４７よりなる直列回路２２７が圧電素子容量４１と並列に接続されている。従って、直列回路２２７の合成インピーダンスすなわち共振周波数近傍における圧電素子２７の内部インピーダンスにより発熱が起こる。圧電素子２７に流れる電流Ｉは、圧電素子容量４１に流れる圧電素子容量電流Ｉｅと直列回路２２７に流れる電気機械変換電流Ｉｍに分かれる。電気機械変換電流Ｉｍが直列回路２２７に流れることで直列回路２２７のインピーダンスにより電気機械変換損失が発生し、この電気機械変換損失により発熱が起こる。

この発熱に伴う音質劣化について以下に説明する。

図３は超指向性スピーカ２５の圧電素子２７を駆動する周波数ｆと内部インピーダンスの逆数であるアドミタンスＹとの関係を示す。図３において、横軸は周波数ｆを示し、縦軸はアドミタンスＹを示す。図３において、特性Ｐ１は圧電素子２７の温度が２０℃であるときのアドミタンスＹの周波数特性を示し、特性Ｐ２は圧電素子２７の温度が５０℃であるときのアドミタンスＹの周波数特性を示す。

図３に示すように、アドミタンスＹは周波数ｆが高くなるにつれて増加してアドミタンスＹ１で極大点に至り、極大点（Ｙ１）から減少してアドミタンスＹ３で極小点に至った後、再び増加する。ここで、極大点（Ｙ１）における周波数ｆが圧電素子２７の共振周波数である。圧電素子２７の温度が２０℃では、特性Ｐ１の極大点（Ｙ１）の周波数ｆ２０が圧電素子２７の共振周波数となる。極大点周波数ｆ２０の近傍ではアドミタンスＹ１は大きいので前述の内部インピーダンスが小さくなり、その結果、電気機械変換電流Ｉｍが大きくなる。ここで、電気機械変換電流Ｉｍは圧電素子２７が変調搬送波信号に基づく音波を放射する際の、圧電素子２７に貼付された振動板２７Ｃの振幅に比例する。このことから、圧電素子２７の共振周波数（極大点周波数ｆ２０）近傍で音波を放射することで、振幅が大きくなり音圧を大きくすることが可能となる。

一方で、共振周波数近傍では電気機械変換電流Ｉｍが大きくなるので圧電素子２７の発熱（電気機械変換損失）も発生する。これは、発熱量が電気機械変換電流Ｉｍの二乗に比例するためである。その結果、共振周波数近傍で圧電素子２７を駆動し続けると、圧電素子２７の温度が上昇する。圧電素子２７の温度が５０℃まで上昇すると、圧電素子２７のアドミタンスＹは図３に示す特性Ｐ２に変わる。この場合に、周波数ｆ２０のままで圧電素子２７を駆動し続けると、アドミタンスＹは特性Ｐ２での周波数ｆ２０におけるアドミタンスＹ２まで急減する。その結果、インピーダンスが上昇するので電気機械変換電流Ｉｍが下がり、振動板２７Ｃの振幅が小さくなる。ゆえに、音圧が低下し、温度が変化することによる音質劣化が発生する。尚、圧電素子２７の温度が５０℃まで上昇すると、共振周波数は特性Ｐ１での極大点での周波数ｆ２０から特性Ｐ２での極大点の周波数ｆ５０に低くなる。

圧電素子２７の温度が上昇しても振動板２７Ｃの振幅が大きく変化しないようにすることで、音質劣化を低減することができる。ここで、上記したように、振幅は電気機械変換電流Ｉｍに比例するので、圧電素子２７の温度が上昇しても電気機械変換電流Ｉｍの振幅が一定になるように制御することで、振動板２７Ｃの振幅を変化させないようにすることができる。

そこで、実施の形態１における音響再生装置１００１では、電気機械変換電流Ｉｍの変化に応じて搬送波信号の周波数を周波数調整器１５で調整するフィードバック制御を行なうように動作する。しかし、電気機械変換電流Ｉｍは図２に示す等価回路での電流であるので、圧電素子容量電流Ｉｅから分けて検出することはできない。図１Ａに示す音響再生装置１００１において、直列回路２０１における圧電素子２７と電流検出部３１との接続点２０１Ａの電圧Ｖ２０１は電流検出部３１で検出される電流Ｉに相当する。一方、直列回路２０２におけるキャパシタ３３と電流検出部３５との接続点２０２Ａの電圧Ｖ２０２は、電流検出部３５で検出されるキャパシタ電流Ｉｃに相当する。

上記したように、キャパシタ３３の容量値Ｃｃは図２に示す圧電素子２７における圧電素子容量４１の容量値Ｃｐと合わせて一致させてある（キャパシタ３３の容量値Ｃｃは図２に示す圧電素子２７における圧電素子容量４１の容量値Ｃｐと合わせてばらつきや誤差の範囲内で一致させてある）ので、電流検出部３５で検出されるキャパシタ電流Ｉｃは、圧電素子容量電流Ｉｅと同等になる。ゆえに、電流検出部３１で検出される電流Ｉに相当する電圧Ｖ２０１と、電流検出部３５で検出されるキャパシタ電流Ｉｃに相当する電圧Ｖ２０２とを差動増幅部３９の入力端３９Ａ、３９Ｂにそれぞれ入力することで、差動増幅部３９の出力端３９Ｃからは電流Ｉからキャパシタ電流Ｉｃを引いて得られた差すなわち電気機械変換電流Ｉｍに相当する電圧が出力される。

但し、電流Ｉは可聴音源２１から入力された可聴音信号も含まれるので、可聴音信号の影響を低減するために、電流検出部３１により検出される電流Ｉに相当する電圧Ｖ２０１はハイパスフィルタ３７を通されて可聴音信号に対応する成分が電圧Ｖ２０１から除去される。これにより、可聴音信号の影響が低減された電流Ｉに相当する電圧が差動増幅部３９に入力される。その結果、差動増幅部３９から出力される値の電気機械変換電流Ｉｍに対する精度が向上する。

差動増幅部３９の出力は、超音波源１１の周波数調整器１５に入力される。一方、基準信号源１３からの出力も周波数調整器１５に入力される。これらの入力により、周波数調整器１５は基準信号源１３から出力される超音波帯域の基準周波数（例えば上記した極大点の周波数ｆ２０）を差動増幅部３９の出力に応じて調整し、搬送波信号の周波数として出力する。具体的には、まず図３で述べたように圧電素子２７の温度が上昇するほど極大点周波数ｆ２０におけるアドミタンスＹ１は小さくなるので、差動増幅部３９の出力に相当する電気機械変換電流Ｉｍが小さくなる。従って、圧電素子２７の温度上昇が発生しても、振動板２７Ｃの振幅を一定にするためには、電気機械変換電流Ｉｍの振幅を一定にすればよい。そのためには図３に示すようにアドミタンスＹを上げて、アドミタンスＹ１となるようにすればよい。ゆえに、例えば圧電素子２７の温度が５０℃に上昇すれば、周波数調整器１５は、出力する搬送波信号の周波数ｆを極大点周波数ｆ５０になるように調整する。

このような動作をまとめると、周波数調整器１５は、差動増幅部３９の出力が小さくなれば搬送波信号の周波数ｆを低くするように調整する。このようなフィードバック制御により、常時、電気機械変換電流Ｉｍの振幅を一定としている。換言すれば、超音波源１１の周波数調整器１５は差動増幅部３９の出力が一定になるように搬送波信号の周波数を調整する。

その結果、圧電素子２７の温度が変化しても振動板２７Ｃの振幅が一定となるので、音圧の変化が少なくなり音質劣化を低減することができる。さらに、上記したようにハイパスフィルタ３７により差動増幅部３９から出力される電気機械変換電流Ｉｍの精度が向上するので、さらなる音質劣化の低減が可能となる。

上述したように、可聴音源２１は可聴音信号を出力する。超音波源１１は超音波帯域の搬送波信号を出力する。変調器１９は、搬送波信号を可聴音信号により変調して変調搬送波信号を出力する出力端１９Ｃを有する。超指向性スピーカ２５は、変調器１９の出力端１９Ｃとグランド２００との間に電気的に接続された圧電素子２７と、圧電素子２７で駆動される振動板２７Ｃとを有する。電流検出部３１は圧電素子２７に流れる電流を検出する。キャパシタ３３は超音波源１１とグランド２００との間に電気的に接続されている。電流検出部３５はキャパシタ３３に流れる電流を検出する。ハイパスフィルタ３７は、電流検出部３１で検出された電流の低周波数帯域の成分をカットして得られた濾波信号を出力する。差動増幅部３９は、電流検出部３５が検出した電流と濾波信号との差を出力する差動増幅器５６を有して、差に応じた信号を出力する。超音波源１１は差動増幅部３９が出力する信号が一定になるように搬送波信号を出力する。実施の形態１では、差動増幅部３９が出力する信号は差動増幅器５６が出力する差であり、超音波源１１は差動増幅器５６が出力する差が一定になるように搬送波信号を出力する。

また、超指向性スピーカ２５の圧電素子２７と電流検出部３１とは互いに接続点２０１Ａで直列に接続されて直列回路２０１を構成する。直列回路２０１は変調器１９の出力端１９Ｃとグランド２００との間に電気的に接続されている。キャパシタ３３と電流検出部３５とは接続点２０２Ａで互いに直列に接続されて直列回路２０２を構成する。直列回路２０２は超音波源１１とグランド２００との間に電気的に接続されている。差動増幅器５６は、接続点２０１Ａに接続された入力端３９Ａと、接続点２０２Ａに接続された入力端３９Ｂとを有する。

以上のような構成、動作により、圧電素子２７の発熱により温度が変化しても、それにより変化する圧電素子２７の電流Ｉに基づいて電気機械変換電流Ｉｍを求める。これにより、電気機械変換電流Ｉｍが一定になるように、すなわち、音圧が一定となるように超音波源１１が搬送波信号の周波数ｆを調整するので、音質の劣化を低減することが可能な音響再生装置１００１を実現できる。

なお、実施の形態１では、圧電素子２７の容量値Ｃｐとキャパシタ３３の容量値Ｃｃの温度特性を合わせて一致させている（圧電素子２７の容量値Ｃｐとキャパシタ３３の容量値Ｃｃの温度特性を合わせてばらつきや誤差の範囲内で一致させている）が、周囲温度がほぼ一定の環境で音響再生装置１００１を使用する場合は、これらの温度特性を特に合わせず一致させなくてもよい。

（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２における音響再生装置１００２のブロック回路図である。図４において、図１Ａに示す実施の形態１における音響再生装置１００１と同じ部分には同じ参照符号を付す。実施の形態２における音響再生装置１００２は、温度センサ５１、５３と温度補償器５５をさらに備える。

温度センサ５１は超指向性スピーカ２５の圧電素子２７にできるだけ近づけて配される。温度センサ５１は超指向性スピーカ２５の周囲温度を出力するが、超指向性スピーカ２５には圧電素子２７が内蔵されるので、超指向性スピーカ２５の周囲温度は圧電素子２７の周囲温度とほぼ同等である。温度センサ５１の出力は圧電素子２７の周囲温度である圧電素子温度Ｔｐである。

温度センサ５３はキャパシタ３３にできるだけ近づけて配される。温度センサ５３はキャパシタ３３の周囲温度であるキャパシタ温度Ｔｃを出力する。

差動増幅部３９は温度補償器５５をさらに有する。具体的には、差動増幅器５６の出力端５６Ｃと超音波源１１との間に温度補償器５５が電気的に接続されている。尚、差動増幅部３９は、実施の形態１と同様に、周辺回路部品も内蔵している。温度補償器５５は温度センサ５１、５３とも電気的に接続される。

温度センサ５１、５３は、いずれも温度に対する抵抗値変化が大きく感度が高いサーミスタを用いている。尚、温度センサ５１、５３はサーミスタに限定されるものではなく、熱電対など他の種類の温度センサであっても良い。

次に、音響再生装置１００２の動作について説明する。以下の説明において、実施の形態１における音響再生装置１００１と同じ動作の詳細な説明を省略し、温度センサ５１、５３と温度補償器５５の動作について特に説明する。

温度補償器５５は、圧電素子温度Ｔｐとキャパシタ温度Ｔｃの２つの変数に対応する予め求められた差動増幅器５６の出力補正量ΔＩｈの値を記憶する。温度補償器５５は、温度センサ５１の出力により得られる圧電素子温度Ｔｐと温度センサ５３の出力により得られるキャパシタ温度Ｔｃに応じて出力補正量ΔＩｈを得て、差動増幅器５６の出力を出力補正量ΔＩｈで補正することで温度補償を行なう。

以下に、温度補償の動作の詳細について説明する。

圧電素子２７の容量値Ｃｐは圧電素子２７の周囲温度である圧電素子温度Ｔｐに依存する温度特性を有する。実施の形態２では、圧電素子温度Ｔｐが高くなるほど容量値Ｃｐは小さくなる。

同様に、キャパシタ３３における容量値Ｃｃも、キャパシタ３３の周囲温度であるキャパシタ温度Ｔｃに依存する温度特性を有する。実施の形態２では、キャパシタ温度Ｔｃが高くなるほど容量値Ｃｃは小さくなる。

実施の形態１における音響再生装置１００１では、上記したように、容量値Ｃｐと容量値Ｃｃの温度特性を合わせて一致させている（容量値Ｃｐと容量値Ｃｃの温度特性を合わせてばらつきや誤差の範囲内で一致させている）。したがって、キャパシタ３３と圧電素子２７の周囲温度が変化しても、それによる容量値Ｃｐと容量値Ｃｃの変化は差動増幅器５６で相殺され、電気機械変換電流Ｉｍに相当する出力のみが得られ、温度補償器５５は不要である。

しかし、容量値Ｃｐと容量値Ｃｃの温度特性が異なる場合、実施の形態１における音響再生装置１００１では電気機械変換電流Ｉｍに相当する出力に、周囲温度の変化による誤差が含まれる。そのため、周囲温度が変化すると、実施の形態１で述べた音圧を一定にする調整動作にこの誤差が影響し、音質劣化の低減が十分に図れない可能性がある。

実施の形態２における音響再生装置１００２では、温度センサ５１と温度センサ５３が圧電素子温度Ｔｐとキャパシタ温度Ｔｃをそれぞれ検出し、温度補償器５５が温度Ｔｐ、Ｔｃに応じた出力補正量ΔＩｈとの相関関係から差動増幅器５６の出力を補正する。

次に、圧電素子温度Ｔｐとキャパシタ温度Ｔｃの２変数に対応した差動増幅器５６の出力補正量ΔＩｈの相関関係について述べる。

この相関関係は、次のようにして得られる。まず、圧電素子温度Ｔｐとキャパシタ温度Ｔｃを、音響再生装置の使用温度範囲内で、かつ、周囲温度が変化する際の最大温度勾配における音響再生装置１００２の構造上の温度バラツキ範囲内で、独立して変化させる。様々な圧電素子温度Ｔｐの値とキャパシタ温度Ｔｃの値に対して、圧電素子２７が発熱しない音声再生の初期段階における差動増幅器５６の出力を求め、これを出力補正量ΔＩｈとして求める。これにより、圧電素子２７とキャパシタ３３の配置や放熱条件により、周囲温度の変化途中で圧電素子温度Ｔｐとキャパシタ温度Ｔｃが異なる場合も、その状態での出力補正量ΔＩｈを求めることになるので、音響再生装置の構造上の温度バラツキを含めた前記相関関係が実験的に求められる。この相関関係を温度補償器５５に記憶しておくことで、圧電素子温度Ｔｐとキャパシタ温度Ｔｃを検出すれば出力補正量ΔＩｈを得ることができる。

尚、この相関関係は図４に示す回路構成や図２に示す等価回路、圧電素子２７とキャパシタ３３の温度特性等から、周囲温度、および、周囲温度の変化時における温度勾配に応じてシミュレーションにより求めるようにしても良い。

以上のようにして求められた相関関係を用いて、温度補償器５５は圧電素子温度Ｔｐとキャパシタ温度Ｔｃから出力補正量ΔＩｈを得て、差動増幅部３９は差動増幅器５６の出力から出力補正量ΔＩｈを差し引いて出力端３９Ｃから出力する。これにより、温度補償器５５は圧電素子２７とキャパシタ３３の温度に応じて、差動増幅器５６の出力を温度補償し、これを差動増幅部３９の出力端３９Ｃからの信号として超音波源１１の周波数調整器１５に出力する。その結果、周波数調整器１５は、温度補償された差動増幅部３９の出力に基づいて搬送波信号の調整を行なうので、周囲温度の影響が低減され、その分、音質劣化のさらなる低減が可能となる。

上述のように、実施の形態２における音響再生装置１００２では、温度センサ５１が超指向性スピーカ２５に配される。温度センサ５３がキャパシタ３３に配される。差動増幅部３９は、温度センサ５１、５３で検出された温度で差動増幅器５６が出力する差を補償する温度補償器５５を有する。実施の形態２では、差動増幅部３９が出力する信号は、温度補償器５５で補償された差であり、超音波源１１は温度補償器５５で補償された差が一定になるように搬送波信号を出力する。

以上のような構成、動作により、圧電素子２７の発熱による温度変化に加え、周囲温度が変化しても、超指向性スピーカ２５から一定の音圧で音波を放射できるので、さらなる音質劣化の低減が可能な音響再生装置１００２を実現できる。

（実施の形態３）
図５は本発明の実施の形態３における音響再生装置１００３のブロック回路図である。図５において、図１Ａと図２に示す実施の形態１、２における音響再生装置１００１、１００３と同じ部分には同じ参照符号を付す。

実施の形態３における音響再生装置１００３では、超指向性スピーカ２５とキャパシタ３３とは同一の基板５７上に実装される。尚、超指向性スピーカ２５とキャパシタ３３はできるだけ近傍に配される。

基板５７には温度センサ５９が配される。具体的には、温度センサ５９は基板５７において、超指向性スピーカ２５とキャパシタ３３とのできるだけ近傍に配される。ここで、超指向性スピーカ２５とキャパシタ３３が互いに近傍に配されており、かつ同一の基板５７上に実装されることで、基板５７により両者が熱接続されるので、両者の温度はほぼ同等である。従って、温度センサ５９は超指向性スピーカ２５に内蔵される圧電素子２７とキャパシタ３３の温度（以下、周囲温度Ｔという）を検出する。

温度センサ５９の出力は温度補償器５５と電気的に接続される。従って、温度補償器５５には１つだけの温度センサ５９が接続される。

基板５７には超指向性スピーカ２５の正極端子２３と負極端子２９が設けられる。さらに、基板５７にはキャパシタ３３の正極と接続されるキャパシタ正極端子６１、キャパシタ３３の負極と接続されるキャパシタ負極端子６３、および温度センサ５９と接続される温度センサ端子６５が設けられる。

上記以外の構成は図４に示す実施の形態２における音響再生装置１００２と同じである。

温度センサ５９は実施の形態２における温度センサ５１、５３と同様、サーミスタを用いている。

次に、音響再生装置１００３の動作について説明する。尚、動作についても実施の形態１と同じ動作は詳細な説明を省略し、特徴となる動作である温度センサ５９の出力に応じた温度補償器５５の動作を説明する。

温度補償器５５は、周囲温度Ｔの１つの変数に対応する予め求められた差動増幅器５６の出力補正量ΔＩｈの値を記憶する。温度補償器５５は、温度センサ５９の出力により得られる周囲温度Ｔに対応した出力補正量ΔＩｈを得て、差動増幅器５６の出力を出力補正量ΔＩｈで補正することで温度補償を行なう。

以下に、この温度補償の動作の詳細について説明する。

実施の形態３における音響再生装置１００３では、実施の形態２で述べたように、圧電素子２７の容量値Ｃｐにおける温度特性と、キャパシタ３３の容量値Ｃｃにおける温度特性が異なる。従って、周囲温度Ｔが変化すると、実施の形態１における音響再生装置１００１での音圧を一定にする調整動作に誤差が影響し、音質劣化の低減が十分に図れない可能性がある。

実施の形態３における音響再生装置１００３では、温度補償器５５が周囲温度Ｔに応じた出力補正量ΔＩｈとの相関関係から差動増幅器５６の出力を補正する。ここで、上記したように、超指向性スピーカ２５、キャパシタ３３、および温度センサ５９は、同一の基板５７上で互いに近傍に配されるので、これらの温度はほぼ同等となる。従って、実施の形態２における音響再生装置１００２と異なり、実施の形態３における音響再生装置１００３では超指向性スピーカ２５に内蔵される圧電素子２７の温度とキャパシタ３３の温度は、温度センサ５９で検出される周囲温度Ｔとなる。

次に、周囲温度Ｔに対応した差動増幅器５６の出力補正量ΔＩｈの相関関係について述べる。

この相関関係は、音響再生装置１００３全体をある温度に保った状態で、温度センサ５９が検出する周囲温度Ｔを求めるとともに、圧電素子２７が発熱しない音声再生の初期段階における差動増幅器５６の出力を求め、これを出力補正量ΔＩｈとして求めることで得られる。

これを様々な周囲温度Ｔの値毎に差動増幅器５６の出力である出力補正量ΔＩｈの値を求めることで、この相関関係を実験的に求めることができる。従って、実施の形態２における音響再生装置１００２と比べ簡単に相関関係を得ることができる。この相関関係を温度補償器５５に記憶しておくことで、周囲温度Ｔを検出すれば出力補正量ΔＩｈを得ることができる。

尚、この相関関係は図５に示す回路構成や図２に示す等価回路、圧電素子２７とキャパシタ３３の温度特性等から周囲温度Ｔ毎にシミュレーションで求めるようにしても良い。

以上のようにして求められた相関関係を用いて、温度補償器５５は周囲温度Ｔから出力補正量ΔＩｈを得て、差動増幅器５６の出力から出力補正量ΔＩｈを差し引く。これにより、温度補償器５５は圧電素子２７とキャパシタ３３の温度、すなわち周囲温度Ｔに応じて、差動増幅器５６の出力を温度補償し、これを差動増幅部３９の出力端３９Ｃからの信号として超音波源１１の周波数調整器１５に出力する。その結果、周波数調整器１５は、温度補償された差動増幅部３９の出力に基づいて搬送波信号の調整を行なうので、周囲温度Ｔの影響が低減され、その分、音質劣化のさらなる低減が可能となる。

実施の形態３における音響再生装置１００３では、基板５７に超指向性スピーカ２５とキャパシタ３３とが実装されている。温度センサ５９が基板５７に配されている。差動増幅部３９は、差動増幅器５６が出力する差を温度センサ５９で検出された温度で補償する温度補償器５５を有する。実施の形態３では、差動増幅部３９が出力する信号は、温度補償器５５で補償された差であり、超音波源１１は温度補償器５５で補償された差が一定になるように搬送波信号を出力する。

以上のような構成、動作により、圧電素子２７の発熱による温度変化に加え、周囲温度Ｔが変化しても、超指向性スピーカ２５から一定の音圧で音波を放射できるので、さらなる音質劣化の低減が可能な音響再生装置１００３を実現できる。また、超指向性スピーカ２５、キャパシタ３３、および温度センサ５９を同一の基板５７上で互いに近傍に配したことで、温度センサ５９を１つのみとすることができ、さらに周囲温度Ｔの１変数のみから出力補正量ΔＩｈを得るための相関関係も簡単になるので、温度補償器５５における温度補償処理が容易になる。これらのことから、実施の形態２における音響再生装置１００２に比べ実施の形態３における音響再生装置１００３は構成が簡単になる。

尚、実施の形態３では、超指向性スピーカ２５、キャパシタ３３、および温度センサ５９を同一の基板５７上に実装するが、これに限定されるものではなく、他の回路構成要素の一部、または全部を基板５７に実装するようにしても良い。この場合、音響再生装置１００３の小型化が図れる。

本発明にかかる音響再生装置は、圧電素子の温度に起因した音質の劣化を低減することができるので、特に、特定の聴取者に対し音声信号を再生する超指向性スピーカを用いた音響再生装置等として有用である。

１１ 超音波源
１９ 変調器
２１ 可聴音源
２５ 超指向性スピーカ
２７ 圧電素子
２７Ｃ 振動板
３１ 電流検出部（第１の電流検出部）
３３ キャパシタ
３５ 電流検出部（第２の電流検出部）
３７ ハイパスフィルタ
３９ 差動増幅部
５１ 温度センサ（第１の温度センサ）
５３ 温度センサ（第２の温度センサ）
５５ 温度補償器
５６ 差動増幅器
５７ 基板
５９ 温度センサ

Claims (8)

1. 超音波帯域の搬送波信号を出力する超音波源と、
   前記搬送波信号を可聴音信号により変調して変調搬送波信号を出力する出力端を有する変調器と、
   前記変調器の前記出力端とグランドとの間に電気的に接続された圧電素子と、前記圧電素子で駆動される振動板とを有する超指向性スピーカと、
   前記圧電素子に流れる電流を検出する第１の電流検出部と、
   前記超音波源とグランドとの間に電気的に接続されたキャパシタと、
   前記キャパシタに流れる電流を検出する第２の電流検出部と、
   前記第１の電流検出部で検出された前記電流の低周波数帯域の成分をカットして得られた濾波信号を出力するハイパスフィルタと、
   前記第２の電流検出部が検出した前記電流と前記濾波信号との差を出力する差動増幅器を有して、前記差に応じた信号を出力する差動増幅部と、
   を備え、
   前記超音波源は前記差動増幅部が出力する前記信号が一定になるように前記搬送波信号を出力する、音響再生装置。
2. 前記超指向性スピーカの前記圧電素子と前記第１の電流検出部とは互いに第１の接続点で直列に接続されて第１の直列回路を構成し、
   前記第１の直列回路は前記変調器の前記出力端と前記グランドとの間に電気的に接続され、
   前記キャパシタと前記第２の電流検出部とは第２の接続点で互いに直列に接続されて第２の直列回路を構成し、
   前記第２の直列回路は前記超音波源と前記グランドとの間に電気的に接続され、
   前記差動増幅器は、前記第１の接続点に接続された第１の入力端と、前記第２の接続点に接続された第２の入力端とを有する、請求項１に記載の音響再生装置。
3. 前記差動増幅部が出力する前記信号は、前記差動増幅器が出力する前記差である、請求項１に記載の音響再生装置。
4. 前記超指向性スピーカに配した第１の温度センサと、
   前記キャパシタに配した第２の温度センサと、
   をさらに備え、
   前記差動増幅部は、前記第１の温度センサで検出された温度と前記第２の温度センサで検出された温度とで前記差動増幅器が出力する前記差を補償する温度補償器をさらに有し、
   前記差動増幅部が出力する前記信号は、前記温度補償器で補償された前記差である、請求項１に記載の音響再生装置。
5. 前記超指向性スピーカと前記キャパシタとを実装する基板と、
   前記基板に配された温度センサと、
   をさらに備え、
   前記差動増幅部は、前記差動増幅器が出力する前記差を前記温度センサで検出された温度で補償する温度補償器をさらに有し、
   前記差動増幅部が出力する前記信号は、前記温度補償器で補償された前記差である、請求項１に記載の音響再生装置。
6. 前記温度センサは前記超指向性スピーカと前記キャパシタの温度を検出する、請求項５に記載の音響再生装置。
7. 前記圧電素子は、直列に接続された抵抗成分とインダクタンス成分と容量成分よりなる直列回路と、前記直列回路と並列に接続された圧電素子容量とを有し、
   前記キャパシタの容量値は前記圧電素子容量の容量値と合わせている、請求項１に記載の音響再生装置。
8. 前記可聴音信号を出力する可聴音源をさらに備えた、請求項１に記載の音響再生装置。

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