(57)【要約】【課題】  １００ｍ以上の高度から、ドローンの飛行による騒音に打ち消されることなく、地上に明瞭な音声を到達させることが出来る圧電スピーカー装置の製造方法とそれを搭載した音声伝達ドローンを提供すること。【解決手段】  金属箔の表層部材をハニカム構造体に貼り付け、冷却時の収縮により応力が内蔵されたハニカム振動板上の、振動板の中心から短辺の１／３を半径とする円内に、複数個の圧電素子を有する圧電スピーカーと、圧電アンプから構成される圧電スピーカー装置をドローンに搭載する。さらに複数個の圧電スピーカーを取り付け、音声放射角度を広げた構造とすること、ならびに圧電スピーカーがカメラの撮影方向と同じ向きに駆動する機構を有することを特徴とする。【選択図】図１
2019165428.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動板の中心から短辺の１／３を半径とする円内に複数個の圧電素子を有する振動板からなる圧電スピーカーと、圧電アンプ、から構成される圧電スピーカー装置を搭載した音声伝達用ドローン。
【請求項２】
前記振動板がハニカム構造を有し、両面に金属箔シートが熱圧着されており、冷却時の熱収縮による応力が残留されていることを特徴とする請求項１に記載する圧電スピーカー。
【請求項３】
前記複数個の圧電素子を有する振動板からなる複数個の圧電スピーカーが、それぞれの音響指向角度が調整できる機構を有することを特徴とする請求項１に記載の音声伝達用ドローン。
【請求項４】
さらに撮影用カメラを有し、圧電スピーカーがカメラの撮影方向と同じ向きに駆動する機構を有することを特徴とする請求項３に記載の音声伝達用ドローン。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、無線制御可能な無人飛行体であるドローンに、ドローンの飛行音による騒音に打ち消されない音声を伝達することが出来る圧電スピーカーを搭載し、上空から地上に明確な音声を発して、人々の避難誘導や救助活動を行うことを目的とした音声伝達用ドローンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】  地震により発生した津波が沿岸に接近して被害を及ぼすことが予測される場合、一刻も早く警報音声を発して、住民を安全な場所に避難させなければならない。この手段として、各自治体では防災無線スピーカーを地上に設置し、津波が沿岸に接近する際に、大音響で警報音声を発して人々を避難させる対策が取られている。しかしながら、地震による停電の発生や防災無線スピーカー装置の落下などによる損傷のために、警報避難放送が不可能となることがある。また、防災無線スピーカーの警報音声が、地形や風などの影響で聴こえなく、避難が遅れることが過去の大震災時において発生している。【０００３】  突発的な火山噴火や雪崩などの発生時に、登山者に避難情報を伝える防災スピーカー設備が備わっていないこともある。また防災警報スピーカーの音声到達距離が短いために警報音声が登山者やスキー客に届かない場合がある。さらに、携帯電話による避難通知が、地形や森林などによる電波障害のため警報が伝わらないことがあった。【０００４】  また、原子力発電所や大規模変電所や巨大プラント施設内において、事故発生時に、周辺住民への迅速で有効な防災警報を伝達するスピーカー設備が十分に備わっていない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  上空から地上へ音声を伝達させる能力を持ったダイナミックタイプのスピーカー装置は大型となり重量が重くなる。またスピーカーコーンを駆動する電磁コイルの消費電力が大きく、ドローン電源バッテリーを消耗させるため、ドローンの飛行時間が短かくなる。さらにドローンのプロペラの風切り音やモーター音などによる騒音が大きく、スピーカー音声が打ち消されるなどの課題がある。本発明は、これらの課題を解決するために、軽量で消費電力が小さく、かつスピーカーが発する音声が、ドローンの飛行音による騒音や風雨などの環境音に負けずに、１００ｍ以上の上空から地上の広い領域に確実に伝達出来るよう、高い音圧と音声伝達性能を持った軽量のドローン搭載可能なスピーカー装置を提供するものであり、災害が予測される地点や地域へ飛行して、上空から人々に明確な音声で、タイムリーな津波警報や火山噴火警報を伝えることが可能となる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  本発明は以下の構成からなる。（１）振動板の中心から短辺の１／３を半径とする円内に複数個の圧電素子を有する振動板からなる圧電スピーカーと、圧電アンプ、から構成される圧電スピーカー装置を搭載した音声伝達用ドローン。【０００７】  また（２）振動板がハニカム構造を有し、両面に金属箔シートが熱圧着されており、冷却時の熱収縮による応力が残留されていることを特徴とする請求項１に記載する圧電スピーカー。【０００８】  さらに（３）複数個の圧電素子を有する振動板からなる複数個の圧電スピーカーが、それぞれの音響指向角度が調整できる機構を有することを特徴とする請求項１に記載の音声伝達用ドローン。【０００９】  また（４）撮影用カメラを有し、圧電スピーカーがカメラの撮影方向と同じ向きに駆動する機構を有することを特徴とする請求項３に記載の音声伝達用ドローン。
【発明の効果】
【００１０】  大きな音量を発生するダイナミックタイプのスピーカーは、重量が重くドローンへの積載負荷が過大になるとともに、スピーカーコーンを電磁コイルにより駆動する原理により、消費電力が大きくなり、飛行に必要なバッテリー容量を短時間で消耗させるため、ドローンに搭載すること困難であった。また、仮に搭載してもダイナミックタイプのスピーカーはフラットな周波数特性を有するため、ドローンの飛行音による騒音で打ち消されやすく、地上で到達するスピーカー音声の内容を認識することが困難であった。本発明の圧電スピーカーは上記（１）ならびに（２）の構成により、高度１００ｍ以上を飛行するドローンから、地上の広い範囲に明瞭な音声を伝達させることが可能となる。またスピーカーの取付台数を増やすことにより、さらに広い領域に音声を伝達させることが出来る。またカメラ撮影方向とスピーカーが同じ向きに駆動する機構を有することにより、救助の対象者に、音声を効果的に伝達することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】圧電スピーカー装置を搭載した音声伝達用ドローン
【図２】圧電スピーカー装置
【図３】圧電素子の数と取り付け位置を変えたときの周波数特性
【図４】ハニカム振動板上の圧電素子の配置パターン
【図５】圧電スピーカーの振動板
【図６】ハニカム振動板の内部応力の有無による周波数特性比較
【図７】振動板の表層部材の違いによる周波数特性比較
【図８】圧電スピーカー３台の指向角度を変えて搭載したドローン
【図９】カメラと圧電スピーカーが同方向に指向するドローン
【図１０】ドローン単独音と圧電スピーカー音（圧電素子３ヶ）の複合音響特性
【図１１】高度１００ｍのドローン搭載圧電スピーカーからの地上到達音声測定
【図１２】高度１００ｍのドローン搭載圧電スピーカーからの地上到達音声評価
【図１３】音声伝達ドローンに使用するデジタル音声送受信システム
【図１４】ドローン飛行による地上への音声伝達のイメージ図
【図１５】ドローン飛行による広域への音声伝達のイメージ図
【発明を実施するための形態】
【００１２】  まず構成（１）振動板の中心から短辺の１／３を半径とする円内に複数個の圧電素子を有する振動板からなる圧電スピーカーと、圧電アンプ、から構成される圧電スピーカー装置を搭載した音声伝達用ドローンについて図を用いて説明する。
【００１３】  図１は圧電スピーカー装置を搭載した音声伝達用ドローンを示す。ドローンはプロペラ１、モーター２、ドローン本体部３、脚部４から構成され、圧電スピーカー装置７はキャリアー５とスピーカーホルター６により、ドローンに取り付けられる。
【００１４】  図２は圧電スピーカー装置であり、圧電スピーカー７と圧電アンプ１３と受信装置１４とアンテナ１５により構成される。圧電スピーカーは、セラミック圧電素子８が樹脂ネジで取り付けられたハニカム振動板９が防振ゴム１０ならびに１１により挟まれ、スピーカー筐体１２に収納された構造である。
【００１５】  圧電スピーカーは、振動板上のセラミック圧電素子の振動により、ハニカム振動板が共振して音響を発する。この発生する音響は、振動板の剛性や重さなどの材料特性と圧電素子自身の特性に影響を受けるが、圧電素子の数とその取り付け位置によって、周波数帯域とその音圧ピーク高さや分布が大きく変化する。
【００１６】  図３はアルミ箔を貼り付けたハニカム振動板上の圧電素子の数と取り付け位置を変えた、４種類の圧電スピーカーの周波数特性グラフを示したものである。▲１▼は圧電素子１ヶを振動板の中心に取り付けたスピーカーを示す。▲２▼は振動板の中心に描いた直径８０ｍｍの円周上に振動板を２ヶ取り付けた圧電スピーカーである。▲３▼は３ヶの圧電素子を直径６０ｍｍの円周上に３ヶ取り付けた圧電圧スピーカーであり、▲４▼は中心に１ヶと直径１２０ｍｍの円周上に２ヶの計３ヶ取り付けたスピーカーである。スピーカー▲３▼ならびに▲４▼の周波数特性グラフは、▲１▼や▲２▼と比較して、中高音帯域において高い音圧ピークを持った周波数成分が多く現れていることを示している。
【００１７】  種々のテストを繰り返しにより、中高音帯域で高い音圧ピークを持った周波数成分が多く現れる圧電スピーカーは図４に示す、振動板の短辺の１／３を半径とする円内に圧電振動子を２ヶから３ヶ配置したパターンであることが判明した。
【００１８】  本発明は振動板の特定の領域、すなわち振動板の短辺の１／３を半径とする円内に、複数個の圧電素子を配置することにより、人の声の周波数を構成している中高音帯域において高い音圧ピークを持った周波数成分の波形の数を増加させ、これらの波形の高さがドローンのプロペラによる風切り音やモーター音の騒音の周波数波形を上回ることにより、人の音声が明確で、聴き取り易くなるという効果を見出したものである。
【００１９】  さらに、圧電スピーカーをドローンに搭載することにより音声伝達用スピーカーとして優れた特性を発揮する要因を以下に説明する。
【００２０】  圧電スピーカーは圧電素子に高電圧を印加して、軽量で高剛性のハニカム振動板を高速で強く振動させることにより、１２０ｄＢ以上の極めて高い音圧を効率よく発生させることが出来、ダイナミックスピーカーよりも大音量を容易に発生させる。
【００２１】  また、圧電スピーカーは圧電素子が有する高い振動特性と軽量で剛性の高いハニカム振動板を組み合わせることにより、立ち上がりが早く、同時に振動減衰も短時間であるため、残響や歪が少ない、歯切れのよい明瞭な音を発生する。
【００２２】  圧電スピーカーは、ダイナミックスピーカーで使用されているコーン駆動のためのマグネットやコイル部品など重い金属部品が無く軽量であること、また圧電アンプは圧電セラミックスを高電圧でかつ小電流で振動させる原理のため小型軽量となり、圧電スピーカー装置はドローン搭載の重量負荷が少なくなる。
【００２３】  さらに圧電スピーカーはダイナムミックスピーカーと比較し、消費電力が数分の１以下となるため、ドローンの電源バッテリーの消耗が少なく、ドローンの飛行時間が長くなるという大きな特徴を発揮する。
【００２４】  つぎに構成（２）振動板がハニカム構造を有し、両面に金属箔シートが熱圧着されており、冷却時の熱収縮による応力が残留されていることを特徴とする請求項１に記載する圧電スピーカーについて説明する。
【００２５】  本発明のハニカム振動板を図５に示す。ハニカム構造体９（ｂ）に張り付ける表面材料として薄膜のアルミ箔９（ａ）を使用した。アルミ箔をハニカム構造体の両面に張り付ける製造工程において、ホットメルトシート接着剤を１３０度で加熱して、クラフト紙などで出来たハニカム構造体の両面に接着する。このハニカムサンドイッチ構造体は常温に冷却されると、アルミ箔とハニカム構造体ならびに接着剤の材料間に、熱収縮差による引っ張り応力が発生し、内部応力が残留され、アルミ箔は引っ張られた状態で接合される。これまで振動板に応力を内蔵させる技法として、振動板を機械的に曲げる方法や異種の表面材を張り付けその熱膨張率の差により振動板を曲げる方法などが紹介されているが、本発明では振動板の両面のアルミ箔は均一に引っ張られ、平面を保った状態で応力が内臓された振動板が製造できる。
【００２６】  図６は振動板に応力が内蔵された場合と内臓されていない場合の圧電スピーカーの周波数特性を比較したグラフである。応力を内蔵している場合は周波数全般に渡り、音圧が高くなる効果を示している。
【００２７】  つぎに振動板の表層部材に４６μｍのアルミ箔と５０μｍのガラスエポキシフィルムを用いた場合のそれぞれの周波数特性グラフを図７に示す。アルミ箔を用いた振動板を取り付けたスピーカーは中高音帯域で複数個の高いピーク波を発生し、ガラスエポキシフィルムの振動板よりも、明瞭で聴きとり易い音声を発する。表層部材としてアルミ箔と同じく軽量の金属箔である、マグネシウム箔を使用した場合もアルミ箔と同様の効果を発揮した。
【００２８】  さらに構成（３）回転翼を有し、無線により遠隔操作されるドローンにおいて、複数個の圧電スピーカーを取り付け、それぞれの圧電スピーカーの音響指向角度が調整できる機構を有することを説明する。
【００２９】  圧電スピーカーは圧電振動子を電圧駆動により効率良く振動させる原理により、消費電流が少なく、１台のアンプを使って２〜４ヶの複数台の圧電スピーカーを同時に作動させることが出来るため、複数台の圧電スピーカーと１台の圧電アンプを組み合わせてドローンに搭載することが出来る。
【００３０】  上空を飛行するドローンから、地上の広い区域に警報音声を伝達させるには、スピーカーの発する音声の指向角度を広くすることが必要であり、その手段として、複数台の圧電スピーカーをドローンに取り付け、それぞれの圧電スピーカーの取付角度を、指向角度が重ならないように調節することにより、圧電スピーカー全体から発する音声の指向角度を大きくして、地上の広域にわたって音響が到達する特徴を発揮することが出来る。
【００３１】  図８はドローンのキャリアー５に牽引されたスライドレール１６に３台の圧電スピーカ−７Ａ、７Ｂ、７Ｃを取り付けた構造を示す。
【００３２】  つぎに構成（４）撮影用カメラを有し、圧電スピーカーがカメラの撮影方向と同じ向きに駆動する機構を有することを特徴とする請求項３に記載の音声伝達用ドローンについて説明する。
【００３３】  図９は圧電スピーカーがカメラの撮影方向と同一方向に指向するドローンを示す。カメラ１７は圧電スピーカー７の音声放射方向と同一方向に駆動するよう、スピーカーホルダー６とカメラホルダー１９が、同一のドライブ軸１８に取り付けられ、回転する構造となっている。
【００３４】  増水した河川に取り残された人を救助する場合や火山噴火時に火山弾や火砕流の飛来する危険のある登山道の登山客、また雪山においては雪崩などの発生危険場所に居るスキー客などに対して、ドローンが接近して、カメラが捉えた対象者に向けて、圧電スピーカーから大きく明瞭な音声を伝え、迅速な救援活動を行うことが出来る。
【００３５】  以下本発明の実施の具体的な例を示す。
【００３６】  図１０は圧電素子３ヶを取り付けた圧電スピーカーをドローンに搭載し、地上５ｍでホバリング（空中停止）している際にプロペラ音及びモーター音によるドローン単独の飛行音と、ドローン飛行音に圧電スピーカーからの人の音声を加えた複合音声の周波数特性グラフを比較したものを示す。地上近くで飛行しているとき、圧電スピーカー音声は中高音帯域で、ドローン飛行音よりも高い音圧ピーク波形を多く発生するため、ドローンの大きな騒音に打ち消されず聴き取ることが出来る。次に、ドローンを上昇させて行くに従い、モーター音やプロペラの風切り音は全方位に放射されるために次第に減衰して行くのに対して、圧電スピーカーの音声は、減衰が小さく、指向性があるため、遠距離まで到達しやく、１００ｍ以上の高度を飛行するドローン搭載圧電スピーカーから地上に確実に到達し、その音声内容は明確に判別できる。
【００３７】  図１１は圧電スピーカーを搭載したドローンが高度１００ｍでホバリングさせたときのスピーカー音声の到達範囲を測定したものである。１００ｍ上空のドローンからの音声の指向角度は３０度〜４０度となり、直下地上の５０ｍ〜７０ｍの範囲でその音声内容を聴き取ることが出来た。
【００３８】  つぎにこの到達音声のレベルを評価した結果を図１２に示す。振動板の短辺の１／３を半径とする円内に圧電素子を２ヶまたは３ヶ取り付けた圧電スピーカーを搭載した１００ｍ上空のドローンからの音声は、圧電素子１ヶの場合に比べ、４０度の角度範囲内で音声通達力は強く、音声内容が明確に聴き取れることが判明した。
【００３９】  この実証テストにおいて、３ヶの圧電素子を取り付けた圧電スピーカーは１９０ｍｍ角×３０ｍｍ厚みの圧電スピーカーであり、圧電アンプは３Ｗ（ワット）のＤ級アンプを使用し、スピーカ―端子電圧は３０Ｖに設定した。このスピーカー端子電圧をさらに４５Ｖに昇圧させると、音声は上空１５０ｍのドローンから到達した。
【００４０】  図１３は本発明で使用するドローン搭載スピーカー装置で用いるデジタル音声通信システのブロック図を示す。
【００４１】  このシステムは災害警報ニュースや救助などのため地上からのアナログ音声を、ラズベリーパイなど小型マイコンによってデジタル変換し、送信モジュールから送信する。この無線音声信号をドローンに搭載された受信モジュールが捉え、ＤＡＣ回路によりアログの音声データに変換し、アンプで増幅出力されて、スピーカーから大音響の音声として放送される。ドローンとのデータのやり取りはデジタル音声データのため音質はノイズが少なく良好なものとなる。
【００４２】  近い将来、携帯電話の無線システムをドローンに採用することが出来れば、地上からドローンへ携帯デジタル音声を送信し、ドローン上の無線受信機により受信した音声信号をアナログ音声信号に変換し、圧電スピーカーからノイズが極めて少ない高品質な音声を流すことが可能となる。
【００４３】  図１４は上空を飛行するドローンから地上の住民に案内音声を伝達するイメージを示したものである。
【００４４】  図１５は広域の沿岸を、警報音声を伝達しながら飛行するドローンのイメージを示したものである。
【符号の説明】
【００４５】  １  プロペラ
２  モーター
３  ドローン本体部
４  脚部
５  キャリアー
６  スピーカーホルダー
７  圧電スピーカー
８  セラミック圧電素子
９  ハニカム振動板
１０  下部防振ゴム
１１  上部防振ゴム
１２  スピーカー筐体
１３  圧電アンプ
１４  受信装置
１５  アンテナ
１６  キャリアー
１７  カメラ
１８  ドライブ軸
１９  カメラホルダ―
【図１】
2019165428.tif 000003
【図２】
2019165428.tif 000004
【図３】
2019165428.tif 000005
【図４】
2019165428.tif 000006
【図５】
2019165428.tif 000007
【図６】
2019165428.tif 000008
【図７】
2019165428.tif 000009
【図８】
2019165428.tif 000010
【図９】
2019165428.tif 000011
【図１０】
2019165428.tif 000012
【図１１】
2019165428.tif 000013
【図１２】
2019165428.tif 000014
【図１３】
2019165428.tif 000015
【図１４】
2019165428.tif 000016
【図１５】
2019165428.tif 000017