自分にだけの目覚まし時計―指向性スピーカーの製作とその応用―
４年Ｃ組 寺川 峻平
指導教員 米田 隆恒

１．要約
私は朝早く起きたいときに、自分の目覚ましの音でまだ寝ている家族を起こしてしまうことが嫌だった。そこで、超音波を利用した指向性スピーカーを製作し、マイコンと組み合わせて自分にだけアラームが聞こえる目覚まし時計を開発した。また、スピーカーからの超音波を利用した睡眠リズムの計測システムの開発を行っている。
キーワード 指向性スピーカー、超音波、マイコン、睡眠サイクル、寝返り

２．研究の背景と目的あり、快適な目覚めとはベッドを直接揺ら

私は幼い頃、日曜日早朝の特撮ヒーローしたり極度に不快な音によって目を覚まさ番組をよく見ていた。そのため、目覚ましせたりしないということである。具体的な時計をセットして親よりも早く起きなけれ研究の流れを下に示す。

ばならなかった。しかし確実に起きようとすれば、アラームの大きな音でまだ寝てい[研究１]指向性スピーカーの製作る親兄弟を起こしてしまう恐れがあり、か[研究２]目覚まし時計の製作といって音量を下げれば自分が起きられな[研究３]睡眠リズム計測システムの開発い。幼い私は、週に２日しかない休みに親をしっかりと寝かせてあげたいという思い

３．研究内容と、一度きりの放送を見逃したくないとい[研究１] 指向性スピーカーの製作う思いに悩まされ、その結果「自分にだけ自分専用の目覚ましグッズは既にいくつ聞こえるスピーカーを作ろう」と考えるよも開発・商品化されている。それらは主にうになった。そして高校生になった私は、二つのタイプに分けられ、一つは耳栓型のインターネットで指向性スピーカーの存在デバイスからアラームを鳴らすタイプ、もを知り、開発を始めた。

う一つは音の代わりに振動で目を覚まさせ今回、私は「自分にだけアラーム音が聞るタイプである。中でも後者の種類は多様こえ、かつ快適な眠りと目覚めを妨げないであり、指定した時刻になると振動する枕目覚まし時計の開発」を目的として研究をや、腕時計型で血圧・心拍数などから眠り行った。ここでの快適な眠りとはイヤホンの浅い時間帯にバイブレーションで目覚め等の装置を直接体につけないということでさせてくれるという製品もある。

しかし、これらは今回の目的を満たすもすることで部品を基板にハンダ付けした後のではない。耳栓タイプのものは他人に音でも出力信号の周波数を変化させることがが聞こえることはないものの、装着時の違できる。よって作成した回路（図３）では和感によって快適な眠りが妨げられる恐れ２つの超音波の差の周波数、つまり実際にがある。また振動タイプは振動が床などを耳に聞こえる音の周波数を、約 2kHz まで伝わって近くで寝ている人を起こしてしまの範囲で自由に調節することが可能である。

う恐れがある。そこで非接触で、かつ音を狭い範囲にだけ届けることのできる指向性スピーカーを製作することにした。

図３ タイマーIC を使用した発振回路
発振周波数 40kHz
タイマーIC の電源電圧は後に使うマイコン等の部品と同じく＋5V とするため、直図１ 指向性スピーカー

接超音波スピーカーを駆動するには電圧が低い。そこで、FET（電界効果トランジスタ）を使用して電圧変換を行った。FET はトランジスタの一種で、今回使用した FET（図４）はゲート端子－ソース端子間に基準値より高い電圧をかけるとドレイン端子

図２ 超音波スピーカー
直径約 10mm－ソース端子間に電流が流れるというものである。

今回指向性スピーカーの製作に使用した
超音波スピーカーは 40kHz±１kHz に共振周波数を持つので、タイマーIC（NE555）を２つ使用して 40kHz 前後の方形波を作り、入力信号とした。このタイマーIC は一緒に使用する抵抗器とコンデンサの抵抗

図４ スイッチング用 FET

値・容量によって任意の周波数の信号を作（N-ch MOSFET µPA2753）り出せるというもので、抵抗器に半固定抵

この性質を利用し、FET をスイッチのよ抗器（抵抗値を自由に変えられる）を使用うに使うことによってタイマーIC の信号

で大きな電圧を制御することができるのでに使用する。RTC については後述する。

ある。
＜研究２－１ 水晶発振器使用型の製作＞
まずは時間の周期を水晶発振器（図７）から得る時計を製作した。水晶発振器とは、電圧をかけると一定の周期で電圧の変化する信号を出力する部品である。この信号をPIC マイコンで処理し、１秒をプログラムによって作り出して時計を作ろうと考えた。
しかし実際に製作してみると、水晶発振器自体の誤差やプログラムの処理方法によ
図５ スピーカー駆動用電圧変換回路[研究２] 目覚まし時計の製作
PIC マイコンと LCD キャラクタディスって生じる誤差によって、多いときには一晩で２分もずれてしまうことがあり、別の方法で時計を作ろうと考えた。

プレイ、リアルタイムクロックモジュール（以下、RTC モジュールという）を使って目覚まし時計を製作した。マイコンとはマイクロコントローラの略称で、プログラムを専用の機器で書き込むとその通りに動作するというものである。PIC マイコン（図６）は microchip 社が開発したマイコンで

図７ 水晶発振器あり安価で入手性が高く開発環境が整っていることが特徴である。

＜研究２－２ RTC 使用型の製作＞
次に RTC モジュールを利用して時計を製作した。
RTC とは少ない消費電流で計時を続ける機能を持つ電子部品で、時計・カレンダーの用途で使われるものである。身近な例を挙げると、PC のカレンダーや時計が電源

図６ PIC マイコン
PIC18F2320を切っても正常に動いているのはこのRTC を使用しているからである。今回使用した RTC モジュール（図８）は内部に高精

今回は I2C 通信モジュールを内蔵してい度調整済み水晶振動子を内蔵しており、る PIC18F2320 という PIC マイコンを使用

PIC から命令を送ることで日時の書き込みした。LCD キャラクタディスプレイは小型/読み取りを行うことや、タイマー機能・一の液晶表示機で、時刻やその他の情報表示定周期の信号出力機能などが利用できる。

つまり、＜研究２－１＞で PIC マイコンが行っていた動作を RTC に任せることがで④RTC モジュールから時刻データを読み出し、表示する。

きるのである。これによってプログラムが⑤③④を繰り返し、③のアラーム時刻と④簡単になり、また精度の高い計時を行うこで得られた時刻が同じであれば指向性スとが可能となる。

ピーカーを鳴らす。
このようにして目覚まし時計を製作することができた。これによって「自分にだけアラームが聞こえ、快適な眠りを妨げない目覚まし時計」を製作するという目的は達図８ RTC モジュール

RTC-8564NB を使用成されたといえる。しかし、快適な目覚めについては、ただアラームを鳴らすだけという既存の製品と全く同じ方法をとっておRTC と PIC の間でデータのやり取りをり、不快ではないが面白味・新規性に欠け行うには、I2C 通信という通信方式を用いる。そこで、私はこの目覚まし時計に睡眠る必要がある。I2C とは２本の信号線によサイクルを計測する機能をつけられないかって通信を行う方式であり、SCL と呼ばれと考えた。

る信号線からの信号でタイミングをとりな
がら SDA と呼ばれる信号線でデータを送/[研究３] 睡眠リズム計測システムの開発受信する。通信のために必要なポートが２

快適な目覚めを実現するにはどうすればつで済むため、ピン数の少ないマイコン等よいのか。ヒントは冒頭で述べた目覚ましに適した通信方式だとされている。

時計の例にあった。人間は睡眠中に浅い眠

また、RTC に対して現在時刻等の入力操りと深い眠りを繰り返すということが知ら作をするため、タクトスイッチ３つを入力れている。眠りの浅いときに起こされると装置として使用した。

すっきり目覚めることができ、逆に眠りの深い時に起こされると不快感を覚えるとい[PIC マイコンの動作の流れ]われている。浅い眠りと深い眠りの周期は①電源投入時に現時刻の設定画面を表示し、個人差があるもののほぼ一定で、そのサイタクトスイッチによって入力された時刻

クルがわかれば、次にいつ浅い（深い）眠を RTC モジュールに設定する。

りが訪れるかを予想することができる。眠②設定後、デジタル時計表示に切り替える

りの浅い状態では血圧の変化が激しくなっが、任意に現時刻を設定しなおすことがたり心拍が不規則になったりするため、冒可能である。

頭で述べた腕時計型の目覚まし時計はそれ③時刻表示中にアラーム時刻設定ボタンをらをもとにして浅い眠りを予測し、設定時押すと設定画面を表示し、入力された時刻に一番近い浅い眠りのときに振動してユ刻データを PIC マイコンに保存しておく。

ーザーを起こすのである。このように、睡眠リズムを計測すれば快適な目覚めを実現異なるはずである。この距離の変化を検知することができるはずである。

することで寝返りをうったかどうかを判定

しかし、今回の研究では非接触を目標としているため、上記のように血圧や心拍数するというものである。
製作した寝返り検知システムの流れを下などをモニタすることは困難である。私はに示す。

夜遅く家族が寝静まった頃に、どうしたも①0.5 ミリ秒間超音波を送信する。同時にのかと思案していた。すると背後で弟が寝PIC 内部で 0.3 ミリ秒毎のカウントアッ返りをうった。そこで私は寝返りと睡眠リプをスタートする。

ズムとの間になにか関係があるのではないかと考え、インターネットで調べてみた。

②跳ね返ってきた超音波を受信するとカウントアップをストップする。

その結果、寝返りが浅い眠りと深い眠りを③一つ前に計測したデータと比較し、同じ切り替えるスイッチの役割を果たしているでなければその時の時刻を記録用配列にという記述が見られた。そこで私は寝返り記録する。

を検知することによって睡眠リズムを計測④①②③を１分ごとに繰り返すすることができるのではないかと考え、そのようなシステムの開発を行った。

①でカウントアップの周期が 0.3 ミリ秒

寝返りを検知するために、私は超音波ス間隔なのは、音波が約 10cm 進むのにおよ

ピーカーを距離センサとして利用しようとそ 0.3 ミリ秒かかるためである。これによ考えた。距離測定は非常にポピュラーな超って小さな体の動きを検知しないようにし、音波の利用法であり、今回製作した指向性

PIC のメモリの使用量を抑えている。また、スピーカーでも同様に可能であると考えた

睡眠リズムは分単位でわかればいいので、からである。寝返り検知の考え方を以下に距離の測定を１分間隔で行っている。その示す（図９）。

ため、この寝返り検知システムは「寝返りを打った時刻」ではなく「ある時間帯に寝返りを打ったかどうか」を調べるものであるといえる。

図９ 寝返りによる距離変化

目覚まし時計は寝ているユーザーの周囲数メートルの範囲に固定されているとする。
ユーザーが寝返りをうつと、目覚まし時計とユーザーとの距離が寝返りをうつ前後で

図 10 実験風景

時計動作中超音波の受信には超音波センサ（図 11）を逆転させれば、同じ電源電圧でも２倍のを用いた。超音波センサからの信号をオペ電圧変化をもたらすことができる。効率よアンプで増幅し、ショットキーバリアダイ

くスピーカーを駆動するため、H ブリッジ

オードで検波したのちにコンパレータで基方式の駆動回路を製作する必要がある。

準電圧と比較する。超音波を受信し、コンパレータへの入力電圧が基準電圧よりも高・寝返りデータの処理

くなれば PIC マイコンの入力ピンに電圧が寝返り検知システムを製作したが、浅いかかって超音波の受信を判断するというも眠りを予想してアラームを鳴らすために、のである。

得られた寝返りのデータから睡眠リズムを現在は製作した超音波受信回路の増幅率割り出す方法を研究する必要がある。将来の調整を行っており、それが終わり次第、的には SD カードなどに寝返りのデータをデータの収集を始める予定である。

保存して PC 上でデータをモニタできるような機能や、簡単な日記とともにデータを保存して管理するソフトウェアを製作した
いと考えている。

５．参考文献[1]「非線形音響学の基礎」，鎌倉友男、愛智出版[2]「音のなんでも小辞典」，日本音響学会、
図 11 受信用超音波センサ

講談社[3]「電子回路入門講座」，見城尚志、高橋久、

４．今後の課題
・基板の製作回路の変更を行うことが多かったため、目覚まし時計・寝返り検知システムの回路をブレッドボード上に作成した。しかし、

電波新聞社[4]「電子工作のための PIC18F 本格活用ガイド」，後閑哲也、技術評論社[5]「超指向性音響システムの開発」，鎌倉友男、酒井新一

このままでは目覚まし時計として使用することは困難なので、ある程度回路構成が決定した段階でユニバーサル基板上に部品を実装する必要がある。

６．謝辞
今回の研究において、サイエンス研究会物理班顧問の米田先生や本校の先生方、また研究発表会等でアドバイスをくださった・超音波スピーカーの駆動方法の改良

多くの方々、信州大学での講演後にお話を現在の駆動回路では 0V とスピーカー用聞かせていただいた電気通信大学の鎌倉教

電源電圧とを繰り返し印加しているが、H授に、この場をお借りして深くお礼申し上ブリッジ回路を利用して電圧の入力の向きげます。