CN103004236A - 音频设备和振荡单元 - Google Patents

Abstract

移动呼叫(100)根据输入到多个麦克风(121、122)的语音来至少检测用户说话位置的方向，并且控制扬声器单元(110)的语音输出的输出方向以与检测的说话位置相匹配。因此，可以提供只对于特定用户具有足够音量的声音，而不会在周围引起噪音。麦克风可以与形成扬声器单元的压电振子一起形成矩阵，或者可以与扬声器单元分离地形成。

Description

音频设备和振荡单元

技术领域

本发明涉及一种音频设备，例如移动电话，具体地涉及一种包括麦克风和扬声器单元在内的音频设备及其振荡单元。

背景技术

近年来，对于诸如移动电话或笔记本计算机之类的便携电子设备的需求逐渐增加。在这些电子设备中，已经开发了具有商业价值的视频电话或视频再现的声音功能的纤薄移动终端、自动电话等的商业价值。在这些开发过程中，对于作为音频部件的电声换能器(扬声器设备)的高质量声音以及尺寸和厚度的减小存在逐渐增加的需求。

当前，在电子设备(例如移动电话)中，电动电声换能器用作电声换能器。电动电声换能器配置为包括永磁铁、音圈和振动膜。

然而，由于电动电声换能器的工作原理和结构，电动电声换能器在厚度减小方面具有限制。另一方面，专利文献1和2公开了使用压电元件作为电声换能器。

此外，作为使用压电元件的振荡单元的其他示例(专利文献4)，除了扬声器设备之外，诸如声波传感器之类的多种电子设备(参考专利文献3)也是已知的，声波传感器使用从压电元件振荡的声波来检测对象的距离。

现有技术文献

专利文献

[专利文献1]日本专利申请重新公开(PCT申请的国内重新公开)No.2007-026736

[专利文献2]日本专利申请重新公开(PCT申请的国内重新公开)No.2007-083497

[专利文献3]日本未审专利申请公开No.平03-270282

[专利文献4]日本未审专利申请公开No.2005-165923

发明内容

当前，作为音频设备的移动电话等具有除了呼叫功能之外的功能。作为这些功能之一，存在观看电影、音乐等的功能。在呼叫期间以靠近头部一侧的状态中使用这种移动电话，但是当观看电影、音乐等时在从与头部前方具有间隔的状态中使用。

然而，在这种状态下不容易从移动电话输出具有足够音量的输出声音。另一方面，对于相邻的人从这种移动电话输出具有足够音量的声音惹人讨厌。

已经考虑到上述问题来实现本发明，本发明的目的是提供一种诸如移动电话之类的音频设备，能够只针对特定用户提供具有足够音量的声音。

本发明的音频设备包括：定向扬声器单元；多个麦克风，向所述麦克风输入用户的语音；以及定向性控制单元，定向性控制单元根据所述多个麦克风的输入结果来至少检测所述用户的方向，并且基于检测的结果控制所述扬声器单元的语音输出的输出方向。

本发明的振荡单元包括：压电振子，在压电振子中通过第一弹性构件支撑第一压电元件；以及麦克风，其中通过第二弹性构件支撑第二压电元件。将多个压电振子和多个麦克风进行排列以便形成相同的矩阵。

根据本发明，可以只针对特定的用户提供具有足够音量的声音。

附图说明

根据下面描述的优选实施例和以下附图，使得上述目的、其他目的、特征和优势更加清楚。

图1是示出了作为本发明实施例的音频设备的移动电话的电路结构的示意性方框图。

图2是示出了移动电话的外观的示意性正视图。

图3是示出了作为振荡单元的扬声器单元的主要部分的结构的纵向截面侧视图。

图4是示出了扬声器单元的结构的示意性正视图。

图5是示出了移动电话的处理操作的流程图。

图6是示出了改进的扬声器单元的结构的示意性正视图。

具体实施方式

将参考图1至图5描述本发明的实施例。如图1所示，作为本实施例的音频设备的移动电话100包括：定向扬声器单元110；多个麦克风121和122，向麦克风输入用户的语音；以及定向性控制单元130，定向性控制单元根据多个麦克风121和122的输入结果来至少检测用户的说话位置，来控制扬声器单元110的语音输出的输出方向。

更具体地，如图2所示，在本实施例的移动电话100中，将显示单元102设置在纵向主体外壳101的前表面的上半部分中，并且将键盘单元103设置在下半部分中。

此外，将麦克风121和122分别设置在外壳下端的左右两侧。将扬声器单元140设置在外壳101上端的中部。扬声器单元140是用于电话的通用电动扬声器。外壳101除了扬声器单元140之外还具有扬声器单元110。扬声器单元140是参数化扬声器，并且用于自动呼叫、听音乐等。

如图1所示，麦克风121和122分别通过放大器123和124与定向性控制单元130相连。定向性控制单元130与扬声器单元110相连。

此外，麦克风121和122也与呼叫发送电路相连，呼叫发送电路无线地发送输入呼叫语音。扬声器单元140与呼叫接收电路(图中未示出)相连。该呼叫接收电路无线地接收呼叫语音，并且通过扬声器单元140输出接收的呼叫语音。

定向性控制单元130由大规模集成电路(LSI)构成，例如专用集成电路(ASIC)，根据两个麦克风121和122的输出检测用户沿水平方向的位置，并且控制扬声器单元110沿水平方向的语音输出。

如图3所示，扬声器单元110具有压电振子113，在压电振子113中通过弹性构件112支撑压电元件111。通过高刚性框114支撑弹性构件112。

此外，如图4所示，在扬声器单元110中，将多个压电振子113排列成矩阵。定向性控制单元130通过执行多个压电振子113的每一个的驱动控制来输出沿所需方向的高定向性语音。

此外，用于形成压电元件111的材料不具体地局限于无机材料和有机材料，只要它们是具有压电效应的材料即可。例如，这些材料是具有高机电转换效率的材料。例如，这些材料是锆钛酸铅(PZT)、钛酸钡(BaTiO₃)等。

此外，尽管没有具体的限制，优选地压电元件111的厚度大于或等于10μm并小于等于500μm。例如，在将厚度小于10μm的陶瓷材料薄膜(这是易碎材料)用作压电元件111的情况下，存在由于弱机械强度而导致在处理期间压电元件111中出现破裂或损坏的可能性。这使得难以处理压电元件111。

此外，在将厚度大于500μm的陶瓷用作压电元件111的情况下，过度地降低了将电能转换为机械能的转换效率。因此不能获得对于扬声器单元110的令人满意的性能。

通常，在通过输入电信号而产生电致伸缩效应的压电陶瓷中，转换效率依赖于电场强度。因为电场强度由(输入电压)/(沿极化方向的厚度)来表示，厚度的增加必然导致转换效率的降低。

在本发明的压电元件111中，上电极层和下电极层(图中未示出)形成于主表面上以便产生电场。上电极层和下电极层的材料没有具体的限制，只要这些层由导电材料制成，优选地使用银或银/钯。银作为常用低阻电极层，因此在制造工艺、成本等方面存在优势。

同时，因为银/钯是具有极佳抗氧化性的低阻材料，从可靠性的方面来看银/钯存在优势。此外，上/下电极层的厚度没有具体的限制，但是优选地，所述厚度大于等于1μm且小于等于50μm。

例如，如果上电极层和下电极层每一个的厚度小于等于1μm，因为膜厚度较薄，不能均匀地形成上电极层和下电极层。因此，转换效率降低。此外，作为形成薄膜上电极层和下电极层的技术，存在以糊的形式来涂覆导体的方法。

然而，当压电元件111是诸如陶瓷之类的多晶材料时，因为压电元件111的表面状态是绸缎处理表面(satin-finished surface)，在涂覆期间润湿态较差。因此，除非电极层具有一定程度的厚度，否则不能使得电极层的膜厚度均匀。

另一方面，在上电极层和下电极层各自的膜厚度超过100μm时，制造这些层时没有什么具体的问题，但是上电极层和下电极层成为相对于作为压电元件111的压电陶瓷材料的约束面。结果，能量转换效率降低。

在本实施例的扬声器单元110的压电元件111中，压电元件一侧上的主表面由弹性构件112约束。弹性构件112具有调节压电元件111的基频谐振频率的功能。如下式所示，机械压电振子113的基频谐振频率f依赖于负载重量和柔度(compliance)。

[公式1]

$f=1/\left(2\mathrm{\πL}\sqrt{\mathrm{mc}}\right)$

这里，“m”表示质量，以及“C”表示柔度。

因为柔度是压电振子113的机械刚性(rigidity)，可以通过控制压电元件111的刚性来控制基频谐振频率。

例如，可以通过选择具有较高弹性模量的材料或者降低弹性构件112的厚度来将基频谐振频率偏移到低频区域。另一方面，可以通过选择具有较高弹性模量的材料或者增加弹性构件112的厚度来将基频谐振频率偏移到高频区域。

因为使用压电元件111的形状或材料控制基频谐振频率，在设计限制、成本和可靠性方面存在问题。另一方面，在该实施例中，可以通过改变作为组成构件的弹性构件112，将基频谐振频率容易地调节至所需值。

同时，用于构成弹性构件112的材料没有具体的限制，只要材料是相对于作为易碎材料的陶瓷具有更高弹性模量的材料，例如金属、树脂等。然而，从可加工性、成本等的观点来看优选地是磷青铜或不锈钢等常用材料。

此外，弹性构件112的厚度优选地大于等于5μm且小于等于1000μm。在弹性构件112的厚度小于5μm的情况下，弹性构件112的机械强度较弱。因此，损坏了作为约束构件的功能。此外，由于加工精度降低导致在制造批次之间存在压电元件111的机械振动特性的误差。

此外，在弹性构件112的厚度超过1000μm时，由于刚性的增加导致对于压电元件111的拘束变强。因此存在以下问题：引起振动位移量的衰减。此外，对于本实施例的弹性构件112，优选地纵向弹性模量大于等于1GPa且小于等于500GPa，纵向弹性模量是对材料的刚性加以表示的指标。如上所述，当弹性构件112的刚性过低或过高时，可能损坏机械振子的特性或可靠性。

下文中将描述该实施例的扬声器单元110的操作原理。在AM(幅度调制)、DSB(双边带调制)调制、SSB(单边带调制)调制或FM(频率调制)调制之后，该实施例的扬声器单元110将超声波发射到空气中。然后，当超声波在空气中传播时，由于非线性特性而产生了可听得见的声音。

作为非线性特性的示例，提到了这样的现象：随着由流的惯性效应和粘性效应之比表示的Reynolds数增加，出现从层流到湍流的转变。

因为声波在流体内受到的干扰很轻微，声波以非线性形状传播。在低频段范围中，声波的振幅是非线性的且振幅差极小。因此，通常按线性理论的现象来处理声波。与此相反，在超声波的情况下，可以容易地观察到非线性。因此，在将超声波发射到空气中时，显著地产生由于非线性导致的谐波。

声波处于其中分子团在空气中紧密相混的稠密状态以及其中分子团在空气中稀疏相混的稀疏状态。因此，当比压缩空气分子花费更多的时间来恢复空气分子时，在压缩之后不能够恢复的空气分子与继续传播的空气分子碰撞。因此，产生冲击波从而产生听得见的声音。

例如，如图5所示，在正常电话期间(步骤S1-Y)，将本实施例的移动电话100放置为靠近头部一侧，通过下端的两个麦克风121和122输入用户的语音，并且从上端的扬声器单元140输出对方(图中未示出)的语音(步骤S7)。

然而，本实施例的移动电话100也用于自动呼叫、听音乐等，例如通过使用扬声器单元110的参数化模式(步骤S2-Y)，以及上述的通用方法。

在这种情况下，将移动电话100放置在用户头部前方的预定距离，例如如图1所示。例如，当用户利用他或她的语音输入自动呼叫的开始或者收听音乐时，将这种语音输入至两个麦克风121和122(步骤S3-Y)。

然后，定向性控制单元130计算输入至两个麦克风121和122的语音的时间差，并且根据时间差检测说话位置的方向(步骤S4)。然后，从扬声器单元110沿检测的方向输出高度定向的语音(步骤S5)。

在本实施例的移动电话100中，上述扬声器单元110的语音是高度定向的。因此，可以在不会引起周围噪音的情况下向用户提供具有足够音量的声音。

具体地，在本实施例的移动电话100中，实时地连续检测用户的说话位置，并且实时地调节扬声器单元110的语音输出的输出方向。因此，即使在收听音乐等期间改变用户的位置，也可以精确地向用户提供高度定向性的语音。

此外，在本实施例的移动电话100中，将两个麦克风121和122设置为沿水平方向彼此间隔开的位置。为此原因，可以沿水平方向令人满意地检测到用户的说话位置。

此外，在本实施例的移动电话100中，因为如上所述将两个麦克风121和122设置为沿水平方向彼此间隔开的位置，在通过右手握持使用移动电话100的情况下和在通过左手握持使用移动电话的情况下都可以令人满意地输入用户的说话。

此外，本发明不局限于该实施例并且在不脱离所述主题范围的情况下允许各种改进。例如，在上述实施例中，已经演示了将两个麦克风121和122设置为沿水平方向彼此间隔开的位置，并且可以沿水平方向控制扬声器单元110的高度定向性的语音。

然而，可以将三个或更多个麦克风设置在移动电话中(未示出)以彼此间隔开，因此可以通过按照三维方式检测用户的说话位置来控制扬声器单元110的高度定向性语音的方向。

在这种情况下，当增加三个或更多个麦克风之间的距离时，改进了说话位置的检测精度。因此，例如优选地是将麦克风设置在移动电话前表面的所有边的四个角落中(图中未示出)。

此外，在这种移动电话等中，可以将扬声器单元110设置在多个麦克风的近似中部。此外，定向性控制单元130可以根据多个麦克风(图中未示出)的检测结果来检测至少说话位置的方向。

例如，如果如上所述将麦克风设置在移动电话的前表面的四个角中并且将扬声器单元110设置在移动电话前表面的近似中部，可以高精度地检测说话位置。此外，可以高精度地向这一位置输出高定向性的语音(图中未示出)。

此外，在以上实施例中，已经演示了分离地形成扬声器单元110以及麦克风121和122。然而，对于作为图6所示振荡单元的扬声器单元200，可以用麦克风210代替排列成矩阵的多个压电振子113的一些。

在这种情况下，定向性控制单元130使用扬声器单元200的麦克风210来检测用户的说话位置。同样，在这种扬声器单元200中，为了改善说话位置的检测精度，优选地用麦克风121和122代替位于外部边缘并排列成矩阵的多个压电振子113的一些。此外，麦克风121和122可以具有与压电振子113相同的结构。

更具体地，如图所示，可以将麦克风210设置在配置为包括多个压电振子113的矩阵的四个角中。在这种情况下，定向性控制单元130可以根据在四个角设置的麦克风210的检测结果来按照三维方式检测说话位置。

在这种情况下，因为与上述移动电话100相比减小了多个麦克风210之间的距离，可以降低说话位置的检测精度。然而，因为麦克风210起初就嵌入到扬声器单元200中，可以预先高精度地调谐说话位置的检测精度。此外，尽管存在各种类型的移动电话100(例如，折叠型移动电话)，上述扬声器单元200不会受到这种移动电话100结构的影响。

此外，在以上实施例中，已经将其中多个压电振子113排列成矩阵的扬声器单元110演示为可以控制高度定向性语音的输出方向的扬声器单元，在压电振子中通过弹性构件112支撑压电元件111。

然而，也可以实现这样的扬声器单元等，其中沿两个轴方向可摆动地支撑一个压电振子113，例如向上、向下、向左和向右，并且使用螺线管等(图中未示出)沿每一个方向移动压电振子。

此外，当然可以在彼此不冲突的范围内组合上述多个实施例和多个改进。此外尽管在以上实施例中已经具体地描述了每一个单元的结构等，但是这些结构等可以在满足本发明申请的范围内按照各种方式修改。

本申请要求2010年7月23日递交的日本专利申请No.2010-166544的优先权，其内容合并在此作为参考。

Claims (10)

1.一种音频设备，包括：

定向扬声器单元；

多个麦克风，向所述麦克风输入用户的语音；以及

定向性控制单元，所述定向性控制单元根据所述多个麦克风的输入结果来至少检测所述用户的方向，并且基于检测结果控制所述扬声器单元的语音输出的输出方向。

2.根据权利要求1所述的音频设备，

其中所述麦克风中的每一个具有第一压电元件和支撑所述第一压电元件的第一弹性构件；以及

在所述扬声器单元中，将多个压电振子和所述麦克风一起排列以便形成矩阵，在所述压电振子中由第二弹性构件支撑第二压电元件。

3.根据权利要求2所述的音频设备，

其中将所述麦克风设置在所述矩阵的最***的部分中。

4.根据权利要求3所述的音频设备，

其中将所述麦克风设置在所述矩阵的四个角的至少两个中。

5.根据权利要求1所述的音频设备，

其中所述麦克风与所述扬声器单元分离地形成。

6.根据权利要求5所述的音频设备，

其中将所述多个麦克风中的每一个设置在彼此间隔开的位置。

7.根据权利要求6所述的音频设备，

其中所述麦克风的个数是3或以上。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的音频设备，

其中将所述扬声器单元设置在所述多个麦克风之间。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的音频设备，

其中所述麦克风接收所述用户的呼叫语音输入，

还设置有呼叫发送单元，所述呼叫发送单元无线地发送输入至所述麦克风的所述呼叫语音，以及

所述定向性控制单元根据所述无线发送的呼叫语音来检测用户的发声位置。

10.一种振荡单元，包括：

压电振子，其中由第一弹性构件支撑第一压电元件；以及

麦克风，其中由第二弹性构件支撑第二压电元件，

其中将多个所述压电振子和多个所述麦克风进行设置以便形成相同的矩阵。

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