(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
再生すべき音声信号の上限周波数の２倍以上の周波数であって超音波音響再生の搬送波となる超音波搬送波信号を生成し、
前記音声信号と前記超音波搬送波信号とを加算して加算信号を生成し、
前記超音波搬送波信号の２倍の周波数の三角波あるいは鋸波のＰＷＭ搬送波信号を生成し、
前記加算信号と前記ＰＷＭ搬送波信号とを振幅比較することで、前記超音波搬送波信号を前記音声信号で振幅変調したと同じ周波数成分を含むＰＷＭ信号を生成して超音波振動子の駆動信号として出力する、
ことを特徴とする超音波音響再生方法。
【請求項２】
再生すべき音声信号の上限周波数の２倍以上の周波数であって超音波音響再生の搬送波となる超音波搬送波信号を生成する超音波搬送波信号生成部と、
前記音声信号と前記超音波搬送波信号とを加算して加算信号を生成する加算部と、
前記超音波搬送波信号の２倍の周波数の三角波あるいは鋸波のＰＷＭ搬送波信号を生成するＰＷＭ搬送波信号生成部と、
前記加算信号と前記ＰＷＭ搬送波信号とを振幅比較することで、前記超音波搬送波信号を前記音声信号で振幅変調したと同じ周波数成分を含むＰＷＭ信号を生成する比較部と、
前記比較部で生成されたＰＷＭ信号に基づいて超音波振動子の駆動信号を生成する駆動部と、
を備えたことを特徴とする超音波音響再生装置。
【請求項３】
再生すべき音声信号の上限周波数の２倍以上の周波数であって超音波音響再生の搬送波となる超音波搬送波信号を生成する超音波搬送波信号生成部と、
前記音声信号と前記超音波搬送波信号とを加算して加算信号を生成する加算部と、
前記超音波搬送波信号の２倍の周波数の三角波あるいは鋸波のＰＷＭ搬送波信号を生成するＰＷＭ搬送波信号生成部と、
前記加算信号と前記ＰＷＭ搬送波信号とを振幅比較することで、前記超音波搬送波信号を前記音声信号で振幅変調したと同じ周波数成分を含むＰＷＭ信号を生成する比較部と、
前記比較部で生成されたＰＷＭ信号に基づいて超音波振動子の駆動信号を生成する駆動部と、
前記駆動部で生成された駆動信号により超音波振動を発生させる超音波振動子と、
を備えたことを特徴とする超音波音響再生装置。
【請求項４】
前記超音波搬送波信号の振幅は前記音声信号の最大振幅と等しく、
前記ＰＷＭ搬送波信号の振幅は前記超音波搬送波信号の振幅の２倍である、
ことを特徴とする請求項２−３記載の超音波音響再生装置。
【請求項５】
前記駆動部は、スイッチング回路により構成される、
ことを特徴とする請求項２−４のいずれか一項に記載の超音波音響再生装置。
【請求項６】
前記ＰＷＭ搬送波信号は、前記超音波搬送波信号に同期した状態である、
ことを特徴とする請求項２−５のいずれか一項に記載の超音波音響再生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波音響再生装置方法と超音波音響再生装置とに関し、特に、簡易な回路構成であって効率の良い超音波再生が可能な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波音響再生装置では、超音波信号（超音波搬送波信号）を音声信号で変調し、変調された超音波信号で超音波振動子を振動させることで、指向性の強い音響再生を実現している。
【０００３】
たとえば、図６に示すように、周波数ｆｃの超音波搬送波信号を、周波数ａの音声信号で変調することで、周波数ｆｃ±ａの超音波信号が得られる。
なお、この超音波音響再生装置として用いられる変調回路としては、図７に示すように、音声信号源１からの音声信号に直流重畳部２で直流成分を重畳して、搬送波生成部３からの超音波搬送波信号を乗算部４において直流重畳音声信号で変調する。これにより、図６に示す周波数ｆｃ，ｆｃ±ａの振幅変調出力が得られる。
【０００４】
また、図８に示すように、移相器，乗算器，ＬＰＦを有するリング変調器を用いたＳＳＢ方式（Weaver法）が用いられることもある。この場合、図８のように、４個の乗算器が必要になるため、回路構成が複雑になる。
【０００５】
なお、このような超音波音響再生装置としては、たとえば、以下の特許文献１に記載されたものが存在している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１５３３７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
以上のような超音波音響再生装置では、乗算器を用いて変調を行うため、対応できるＤＳＰやアナログ乗算器が必要になり、変調回路の構成が複雑になり、また、コストもかかるという問題があった。
【０００８】
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであって、簡素な回路構成で実現できる超音波音響再生方法および超音波音響再生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
以上の課題を解決する本発明は、以下に記載するようなものである。
（１）請求項１記載の発明は、再生すべき音声信号の上限周波数の２倍以上の周波数であって超音波音響再生の搬送波となる超音波搬送波信号を生成し、前記音声信号と前記超音波搬送波信号とを加算しして加算信号を生成し、前記超音波搬送波信号の２倍の周波数の三角波あるいは鋸波のＰＷＭ搬送波信号を生成し、前記加算信号と前記ＰＷＭ搬送波信号とを振幅比較することで、前記超音波搬送波信号を前記音声信号で振幅変調したと同じ周波数成分を含むＰＷＭ信号を生成して超音波振動子の駆動信号として出力する、ことを特徴とする超音波音響再生方法である。
【００１０】
（２）請求項２記載の発明は、再生すべき音声信号の上限周波数の２倍以上の周波数であって超音波音響再生の搬送波となる超音波搬送波信号を生成する超音波搬送波信号生成部と、前記音声信号と前記超音波搬送波信号とを加算して加算信号を生成する加算部と、前記超音波搬送波信号の２倍の周波数の三角波あるいは鋸波のＰＷＭ搬送波信号を生成するＰＷＭ搬送波信号生成部と、前記加算信号と前記ＰＷＭ搬送波信号とを振幅比較することで、前記超音波搬送波信号を前記音声信号で振幅変調したと同じ周波数成分を含むＰＷＭ信号を生成する比較部と、前記比較部で生成されたＰＷＭ信号に基づいて超音波振動子の駆動信号を生成する駆動部と、を備えたことを特徴とする超音波音響再生装置である。
【００１１】
（３）請求項３記載の発明は、再生すべき音声信号の上限周波数の２倍以上の周波数であって超音波音響再生の搬送波となる超音波搬送波信号を生成する超音波搬送波信号生成部と、前記音声信号と前記超音波搬送波信号とを加算して加算信号を生成する加算部と、前記超音波搬送波信号の２倍の周波数の三角波あるいは鋸波のＰＷＭ搬送波信号を生成するＰＷＭ搬送波信号生成部と、前記加算信号と前記ＰＷＭ搬送波信号とを振幅比較することで、前記超音波搬送波信号を前記音声信号で振幅変調したと同じ周波数成分を含むＰＷＭ信号を生成する比較部と、前記比較部で生成されたＰＷＭ信号に基づいて超音波振動子の駆動信号を生成する駆動部と、前記駆動部で生成された駆動信号により超音波振動を発生させる超音波振動子と、を備えたことを特徴とする超音波音響再生装置である。
【００１２】
（４）請求項４記載の発明は、前記超音波搬送波信号の振幅は前記音声信号の最大振幅と等しく、前記ＰＷＭ搬送波信号の振幅は前記超音波搬送波信号の振幅の２倍である、ことを特徴とする請求項２−３記載の超音波音響再生装置である。
【００１３】
（５）請求項５記載の発明は、前記駆動部は、スイッチング回路により構成される、ことを特徴とする請求項２−４のいずれか一項に記載の超音波音響再生装置である。
（６）請求項６記載の発明は、前記ＰＷＭ搬送波信号は、前記超音波搬送波信号に同期した状態である、ことを特徴とする請求項２−５のいずれか一項に記載の超音波音響再生装置である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、以下のような効果が得られる。
この発明では、音声信号の上限周波数の２倍以上の周波数の超音波搬送波信号を生成して音声信号と加算し、超音波搬送波信号の２倍の周波数の三角波あるいは鋸波のＰＷＭ搬送波信号を生成し、加算信号とＰＷＭ搬送波信号とを振幅比較してＰＷＭ信号を出力する。
【００１５】
これにより、音声信号と超音波搬送波信号とが加算された状態の加算信号がパルス幅変調された状態のＰＷＭ信号として出力される。よって、このＰＷＭ信号を超音波振動子に供給することで、超音波音響再生がなされる。すなわち、乗算器などを用いた変調回路を使用せずに、簡素な回路構成で超音波音響再生が可能になる。また、ＰＷＭ信号はスイッチングによるＤ級増幅が可能であるため、超音波振動子を駆動する駆動回路を簡素化すると共に高効率化することも可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態の超音波音響再生装置の構成を示す構成図である。
【図２】本発明の実施形態の超音波音響再生装置の動作を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施形態の超音波音響再生装置の特性を示す特性図である。
【図４】本発明の実施形態の超音波音響再生装置の特性を示す特性図である。
【図５】本発明の実施形態の超音波音響再生装置の特性を示す特性図である。
【図６】超音波音響再生装置の周波数特性を示す特性図である。
【図７】従来の超音波音響再生装置の構成を示す構成図である。
【図８】従来の超音波音響再生装置の構成を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態）を詳細に説明する。
〈第一実施形態〉
図１は本発明の第一実施形態の超音波音響再生装置１０の主要部の構成を模式的に示す説明図である。なお、この超音波音響再生装置１０により、超音波音響再生方法が実行される。
【００１８】
音声信号源１１は、超音波音響再生によって再生すべき音声信号を生成する信号源である。ここで、音声信号とは、可聴信号を意味している。
超音波搬送波信号生成部１２は、再生すべき音声信号の上限周波数の２倍以上の周波数（ｆc_us）であって超音波音響再生の搬送波となる超音波搬送波信号を生成する。
【００１９】
加算部１３は、音声信号と超音波搬送波信号とを加算する。
ＰＷＭ搬送波信号生成部１４は、超音波搬送波信号の２倍の周波数（ｆc_pwm＝２・ｆc_us）であって、超音波搬送波信号に同期した三角波あるいは鋸波のＰＷＭ搬送波信号を生成する。ここで、同期しているとは、周波数２倍の関係について、１Ｈｚ未満であってもずれることなく、一致した状態が保たれていることを言う。
【００２０】
なお、超音波搬送波信号の振幅は、音声信号の最大振幅と等しくすることが望ましく、さらに、ＰＷＭ搬送波信号の振幅は超音波搬送波信号の振幅の２倍であることが、歪み無く、効率のよい状態で超音波音響再生を行うために望ましい。
【００２１】
比較部１５は、加算部１３の出力信号（音声信号と超音波搬送波信号とが加算された信号（加算信号））と、ＰＷＭ搬送波信号とを振幅比較して、ＰＷＭ信号を生成する。
駆動部１６は、比較部１５で生成されたＰＷＭ信号に基づいてスイッチングなどのＤ級増幅を行って、超音波振動子の駆動信号を生成する。
【００２２】
フィルタ部１８は、超音波搬送波周波数近傍の周波数の信号を通過させて、他の周波数成分を減衰させるローパスフィルタあるいはバンドパスフィルタなどにより構成されたフィルタ部である。なお、このフィルタ部１８は、駆動部１６に内蔵させることや、省略することも可能である。
【００２３】
超音波振動子２０は、駆動部１６で生成された駆動信号により超音波振動を発生させる振動子などの電気音響変換素子である。
すなわち、以上の超音波音響再生装置１０では、まず、音声信号源１１から音声信号ｆa（図３（ａ）参照）が入力される（図２中のステップＳ２０）。この音声信号としては、一般的な可聴信号、すなわち、オーディオ信号であり、たとえば、上限を２０ｋＨｚとする。
【００２４】
ここで、音声信号の上限周波数の２倍以上の周波数の超音波搬送波信号ｆc_us（図３（ｂ）参照）を超音波搬送波信号生成部１２にて生成する（図２中のステップＳ２０１）。
この超音波搬送波信号としては、音声信号の上限周波数の２倍以上の周波数であり、かつ、超音波振動子２０において効率よく振動できる周波数を選択することが望ましい。たとえば、ここでは、４０ｋＨｚとする。
【００２５】
そして、この超音波搬送波信号と音声信号とを加算部１３で加算する（図２中のステップＳ２０２）。ここでは、乗算器を用いた振幅変調などではなく、単純な加算、あるいは、重畳で良い。
【００２６】
一方、ＰＷＭ搬送波信号生成部１４では、以上の超音波搬送波信号の２倍の周波数であって、該超音波搬送波信号に同期した三角波あるいは鋸波のＰＷＭ搬送波信号ｆc_pwm（図３（ｃ）参照）を生成する（図２中のステップＳ２０３）。この場合、以上の超音波搬送波信号が４０ｋＨｚであれば、ＰＷＭ搬送波信号は８０ｋＨｚとする。ここで、超音波搬送波信号とＰＷＭ搬送波信号とを同期させるためには、超音波搬送波信号とＰＷＭ搬送波信号とを、共通の発振器の信号から、逓倍や分周などにより生成することが望ましい。このように、共通の発振器からの信号を用いて、逓倍あるいは分周を用いることで、仮に、周波数のずれが生じたとしても、上述した、周波数２倍かつ同期状態の条件が崩れることがなくなる。
【００２７】
また、比較部１５は、加算部１３の出力信号（音声信号と超音波搬送波信号とが加算された信号（加算信号））と、ＰＷＭ搬送波信号とを振幅比較して、ＰＷＭ信号を生成する。このＰＷＭ信号は、ＰＷＭ搬送波信号が加算部１３の出力信号（加算信号）によりパルス幅変調された信号になっている。
【００２８】
この比較部１５で得られたＰＷＭ信号の周波数成分は、図３（ｄ）のように、超音波搬送波信号ｆc_usを中心に、ｆc_us±ｆaの成分が含まれる。また、ｆc_pwmを中心に、−２ｆa，−ｆa，＋ｆa，＋２ｆa，の成分が含まれる。また、詳細実験結果を図４に示すが、ＰＷＭ信号が矩形波であるため、ｆc_usの３次高調波、４次高調波、なども含まれる。
【００２９】
ここで、ＰＷＭ信号の周波数成分のうちの、超音波搬送波信号ｆc_usを中心に、ｆc_us±ｆaの成分は、図６に示した振幅変調出力と同じ周波数成分である。すなわち、図７や図８のような乗算器による変調器を使用することなく、変調出力を得ることができる。
【００３０】
そして、このＰＷＭ信号はＯＮ／ＯＦＦの繰り返しであるため、駆動部１６でＤ級増幅して、超音波振動子２０用の駆動信号を生成する（図２中のステップＳ２０５）。このＰＷＭ信号から生成した駆動信号を超音波振動子２０に供給することで、超音波音響再生がなされる。
【００３１】
すなわち、本実施形態の手法によれば、乗算器などを用いた変調回路を使用せずに、簡素な回路構成で超音波音響再生が可能になる。
また、ＰＷＭ信号はスイッチングによるＤ級増幅が可能であるため、Ａ級あるいはＢ級増幅が必要であった従来の装置に比較すると、超音波振動子２０を駆動する駆動部１６を簡素化すると共に高効率化することも可能になる。このため、超音波振動子２０を多数配設して、大電力の超音波音響再生を行う場合であっても、実現が容易になる。
【００３２】
なお、本実施形態では、ＰＷＭ搬送波信号は、超音波搬送波信号の２倍の周波数（ｆc_pwm＝２・ｆc_us）であって、超音波搬送波信号に同期した信号であることが条件であったが、この点については、次のように説明できる。
【００３３】
本実施形態の方式において、ＰＷＭ搬送波信号ｆc_pwmは、離散的信号処理のサンプリング周波数ｆｓにあたる。信号をサンプリング周波数ｆｓ＝８０ｋＨｚでサンプリングした場合、４０ｋＨｚ以下の成分までは正確に再現できるが、４０ｋＨｚ以上の成分はエイリアシングを起こして４０ｋＨｚ以下の帯域に像となってあらわれる。このようになると、もとの信号とエイリアシングによる像とを分離することができない。このようにエイリアシングによる像を分離できない現象は望ましくない状態であるため、従来はフィルタリングなどによってエイリアシングが発生しないようにしていた。しかし、本件出願の発明者は、エイリアシングを特定の状況において積極的に利用することで、超音波音響再生に活用できることを見いだした。
【００３４】
たとえば、４０ｋＨｚの正弦波信号と１ｋＨｚの正弦波信号とからなる、以下の数式で示される信号を想定する。
sin(2π・1000・t)＋sin(2π・40000・t)，
この信号を時刻ｔで微分すると、角速度、すなわち周波数が求まる。
d／dt・｛sin(2π・1000・t)＋sin(2π・40000・t)｝
＝2π・1000・cos(2π・1000・t)＋2π・40000・cos(2π・40000・t)，
この信号をｆｓ＝８０ｋＨｚでサンプリングした場合には、４１ｋＨｚの成分がｆｓの１／２にかかり、４０ｋＨｚ以下の領域に折り返されて分離できなくなるので、４０ｋＨｚを中心に±１ｋＨｚの信号成分が現れる。このように、ｆｓ＝８０ｋＨｚでＰＷＭ変調することにより、４０ｋＨｚの搬送波で振幅変調した場合と同じスペクトラムの信号が得られる。
【００３５】
いっぽう、以上の４０ｋＨｚの正弦波信号と１ｋＨｚの正弦波信号とからなる、以上の数式で示される信号を、ｆｓ＝１６０ｋＨｚでサンプリングした場合には、各成分はｆｓの１／２より小さいため、何ら問題なく分離することができる。この場合には、以上ｆｓ＝８０ｋＨｚの場合のような、振幅変調と同じ周波数成分の信号は得られないことになる（図５参照）。
【００３６】
このように、超音波搬送波信号の２倍の周波数のＰＷＭ搬送波信号の条件を満たすことで、ＰＷＭ信号中に、音声信号で変調された超音波搬送波信号の成分が含まれることが判明した。また、超音波搬送波信号と同期がとれた状態のＰＷＭ搬送波信号という条件を満たすことで、ＰＷＭ信号中に含まれる、音声信号で変調された超音波搬送波信号の成分に、余分なビート成分が含まれないことが判明した。
【００３７】
したがって、本実施形態の条件、すなわち、超音波搬送波信号の２倍の周波数のＰＷＭ搬送波信号、超音波搬送波信号と同期したＰＷＭ搬送波信号、という条件を外れることで、意図している超音波音響再生が行えなくなることが明らかになった。すなわち、本実施形態の条件は、臨界的に意義のある条件であることが明らかである。
【００３８】
以上詳細に説明したように、音声信号の上限周波数の２倍以上の周波数の超音波搬送波信号を生成して音声信号と加算し、超音波搬送波信号の２倍の周波数であって、超音波搬送波信号と同期した三角波あるいは鋸波のＰＷＭ搬送波信号を生成し、加算信号とＰＷＭ搬送波信号とを振幅比較してＰＷＭ信号を出力することにより、音声信号と超音波搬送波信号とが加算された状態の加算信号がパルス幅変調された状態のＰＷＭ信号として出力される。よって、このＰＷＭ信号を超音波振動子に供給することで、超音波音響再生がなされる。すなわち、乗算器などを用いた変調回路を使用せずに、簡素な回路構成で超音波音響再生が可能になる。また、ＰＷＭ信号はスイッチングによるＤ級増幅が可能であるため、超音波振動子を駆動する駆動回路を簡素化すると共に高効率化することも可能になる。
【００３９】
その他の実施形態:
上記実施形態の説明に用いた具体的数値、超音波搬送波信号の４０ｋＨｚ、ＰＷＭ搬送波信号の８０ｋＨｚは一例であり、他の周波数とすることも可能である。すなわち、適用する超音波音響再生装置において適した周波数を用いることが可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１０  超音波音響再生装置
１１  音声信号源
１２  超音波搬送波生成部
１３  加算部
１４  ＰＷＭ搬送波信号生成部
１５  比較部
１６  駆動部
１８  フィルタ部
２０  超音波振動子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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