JP2004349815A

JP2004349815A - パラメトリックスピーカ

Info

Publication number: JP2004349815A
Application number: JP2003142049A
Authority: JP
Inventors: Makoto Katase; 誠片瀬
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-05-20
Filing date: 2003-05-20
Publication date: 2004-12-09

Abstract

【課題】発生する音の指向性を特に強くすることができるパラメトリックスピーカを提供すること。
【解決手段】本発明のパラメトリックスピーカは、超音波帯域の周波数で電圧が振動する信号を生成する発振器と、発振器が生成した信号を音声信号に基づいて振幅変調する振幅変調器と、振幅変調器によって変調された被変調信号を超音波に変換して空中に放射する複数の電気音響変換器２を並べてなる電気音響変換器アレイ１０とを備える。電気音響変換器アレイ１０は、放射する超音波の波長λより短いピッチｄで電気音響変換器２が並んだものである。
【選択図】図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パラメトリックスピーカに関する。
【０００２】
【従来の技術】
音を向ける方向に関して高い指向性が得られるパラメトリックスピーカ（俗にオーディオ・スポットライトとも称される）が知られている（例えば、非特許文献１参照）。パラメトリックスピーカは、電気信号を超音波に変換して放射する電気音響変換器を備えており、音声信号に応じて振幅変調した超音波をこの電気音響変換器から放射し、この超音波が空中を伝播する間に音波の非線形現象によって自己復調されることによって生じた可聴音を人間の耳に聞かせる。このように、パラメトリックスピーカは、指向性の高い超音波を放射することによって可聴音を発生することができるので、音を向ける方向に関して比較的高い指向性を有している。
【０００３】
しかしながら、従来のパラメトリックスピーカでは、発生する音の指向性の強さ（鋭さ）が必ずしも十分ではなく、指向性のさらなる向上が要求されている。
また、従来のパラメトリックスピーカでは、超音波源となる電気音響変換器の変換効率が悪く、かつ大型であるため、重量が重い、大型である、電力消費量が大きい、音質が悪い、製造コストが高い等の多くの問題もある。
【０００４】
【非特許文献１】
Ｍ．Ｙｏｎｅｙａｍａ，ｅｔａｌ．，Ｊ．Ａｃｏｕｓｔ．Ｓｏｃ．Ａｍｖ７３１５３２−１５３６（１９８３）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、発生する音の指向性を特に強くすることができるパラメトリックスピーカを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明のパラメトリックスピーカは、超音波帯域の周波数で電圧が振動する信号を生成する発振器と、
音声信号に基づいて、前記発振器が生成した信号を振幅変調する振幅変調器と、
前記振幅変調器によって変調された被変調信号を超音波に変換して空中に放射する複数の電気音響変換器を並べてなる電気音響変換器アレイとを備えるパラメトリックスピーカであって、
前記電気音響変換器アレイは、放射する超音波の波長より短いピッチで前記電気音響変換器が並んだものであることを特徴とする。
これにより、発生する音の指向性を特に強くすることができるパラメトリックスピーカを提供することができる。
【０００７】
本発明のパラメトリックスピーカは、超音波帯域の周波数で電圧が振動する信号を生成する発振器と、
音声信号に基づいて、前記発振器が生成した信号を振幅変調する振幅変調器と、
前記振幅変調器によって変調された被変調信号を超音波に変換して空中に放射する複数の電気音響変換器を並べてなる電気音響変換器アレイとを備えるパラメトリックスピーカであって、
前記電気音響変換器アレイは、放射する超音波の波長を直径とする円とほぼ同じかまたはこれより大きい領域に渡って前記電気音響変換器が配置されたものであることを特徴とする。
これにより、発生する音の指向性を特に強くすることができるパラメトリックスピーカを提供することができる。
【０００８】
本発明のパラメトリックスピーカでは、前記電気音響変換器アレイが放射する超音波の波長をλ、前記電気音響変換器アレイにおける前記電気音響変換器の配列ピッチをｄとしたとき、λ／ｄの値が２以上であることが好ましい。
これにより、電気音響変換器アレイから放射される超音波の波面がより平面に近くなるので、発生する音の指向性をさらに強くすることができる。
【０００９】
本発明のパラメトリックスピーカでは、前記電気音響変換器アレイが放射する超音波の波長をλとしたとき、前記電気音響変換器アレイは、λの２〜８倍の長さを直径とする円と同じかこれより大きい領域に渡って前記電気音響変換器が配置されたものであることが好ましい。
これにより、超音波を発生する面の広さがさらに広くなるので、発生する音の指向性をさらに強くすることができる。
【００１０】
本発明のパラメトリックスピーカでは、前記電気音響変換器アレイは、前記電気音響変換器を２次元的に配列したものであることが好ましい。
これにより、より強い音圧の音を発生することができる。
本発明のパラメトリックスピーカでは、前記各電気音響変換器に入力される前記被変調信号を増幅する増幅器をさらに備えることが好ましい。
これにより、より強い音圧の音を発生することができる。
【００１１】
本発明のパラメトリックスピーカでは、前記電気音響変換器は、
長尺形状をなし、前記被変調信号が入力されることによりその長手方向に伸縮振動する圧電アクチュエータと、
前記圧電アクチュエータの基端部を支持する基台と、
前記圧電アクチュエータの先端側に設置され、前記圧電アクチュエータの伸縮振動に伴って振動する振動部を有し、超音波を発生する振動板と、
発生した超音波を共鳴させる共鳴器とを備えるものであることが好ましい。
これにより、電気信号を超音波に変換する際の変換効率に優れるとともに、小型化に有利な電気音響変換器アレイを構成でき、その結果、パラメトリックスピーカの電力消費量の低減、小型化・軽量化、低コスト化が図れる。
【００１２】
本発明のパラメトリックスピーカでは、前記圧電アクチュエータは、圧電材料と導電材料とをそれぞれ層状に交互に積層した部分を有することが好ましい。
これにより、電気音響変換器の圧電アクチュエータが、比較的低い電圧でも大きな変位量が得られるとともに、制御性（応答性）に優れるものとすることができるので、さらに優れた変換効率が得られる。また、圧電アクチュエータの加工性を優れたものにすることもできるので、量産に適し、より低いコストで製造することができる。
【００１３】
本発明のパラメトリックスピーカでは、前記電気音響変換器は、
板状をなし、前記被変調信号が入力されることにより撓み振動する圧電アクチュエータと、
前記圧電アクチュエータの振動に伴って発生した超音波を共鳴させる共鳴器とを備えるものであることが好ましい。
これにより、電気信号を超音波に変換する際の変換効率に優れるとともに、小型化に有利な電気音響変換器アレイを構成でき、その結果、パラメトリックスピーカの電力消費量の低減、小型化・軽量化、低コスト化が図れる。
【００１４】
本発明のパラメトリックスピーカでは、前記電気音響変換器は、前記圧電アクチュエータと重ねて接合され、前記圧電アクチュエータの撓み振動に伴って振動して超音波を発生する振動板をさらに備えることが好ましい。
これにより、電気音響変換器の変換効率をさらに向上することができ、また、耐久性もさらに向上することができる。
【００１５】
本発明のパラメトリックスピーカでは、前記電気音響変換器は、
前記被変調信号が入力されることによって生じるクーロン力に起因して振動し、超音波を発生する振動板と、
発生した超音波を共鳴させる共鳴器とを備えるものであることが好ましい。
これにより、電気信号を超音波に変換する際の変換効率に優れるとともに、小型化に有利な電気音響変換器アレイを構成でき、その結果、パラメトリックスピーカの電力消費量の低減、小型化・軽量化、低コスト化が図れる。
【００１６】
本発明のパラメトリックスピーカでは、前記電気音響変換器は、前記振動板と間隙を介して対向して配置された電極をさらに備え、前記クーロン力は、前記振動板と前記電極との間に作用することが好ましい。
これにより、構造をさらに簡素化することができ、さらなる小型化・軽量化、低コスト化が図れる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のパラメトリックスピーカを添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明のパラメトリックスピーカの実施形態における電気音響変換器アレイを示す平面図、図２は、図１に示す電気音響変換器アレイにおける１つの電気音響変換器を示す断面側面図、図３は、本発明のパラメトリックスピーカの実施形態を示すブロック図、図４は、パラメトリックスピーカの原理を説明するための図、図５は、図１に示す電気音響変換器アレイの側面図である。
【００１８】
本発明のパラメトリックスピーカ１は、超音波帯域の周波数をもつ搬送波（信号）を可聴音（音声信号）によって振幅変調した被変調信号を超音波に変換して空中に放射し、空気の非線型特性を利用して可聴音を復調（自己復調）することにより、指向性の強い音響放射を行うことができるスピーカである。
図１に示すように、このパラメトリックスピーカ１は、前記被変調信号を超音波に変換して空中に放射する複数の電気音響変換器２を並べてなる（２次元的に配列してなる）電気音響変換器アレイ１０を有している。本実施形態の電気音響変換器アレイ１０は、複数（多数）の電気音響変換器２が行列状（図示では１１行×１１列）に並べて配置され、一体とされたものである。
【００１９】
図示の電気音響変換器アレイ１０は、平面視で正方形をなしており、この正方形の領域に各電気音響変換器２が配置されているが、この形状は、正方形に限らず、長方形、円形、楕円形、多角形などいかなる形状でもよい。
また、電気音響変換器アレイ１０における電気音響変換器２の配置個数は、特に限定されないが、少なくとも１６個以上であるのが好ましく、できれば６４個以上であるのがより好ましい。
【００２０】
電気音響変換器アレイ１０の各電気音響変換器２は、その構成が互いに同様であるので、以下、図２に基づき、１つの電気音響変換器２の構成について説明する。なお、図２に基づく説明では、説明の都合上、図２中の上側を「上」、下側を「下」と言う。
図２に示すように、電気音響変換器２は、電気信号（前記被変調信号）が入力されることによって生じるクーロン力（静電気力）に起因して振動（撓み振動）し、超音波を発生する振動板２２１と、該振動板２２１が発生した超音波を共鳴させる共鳴器６とを備えている。また、共鳴器６は、共鳴室６３と、該共鳴室６３に連通する放音孔６４とを有している。
【００２１】
本実施形態の電気音響変換器２は、シリコン製の第２のプレート（第２の基板）２２を挟んで、上側に、同じくシリコン製の第１のプレート（第１の基板）２１と、下側に、シリコンと熱膨張率が近いホウ珪酸ガラス製の第３のプレート（第３の基板）２３とがそれぞれ積層された３層構造を有している。これらの各プレートは、図２の紙面に垂直な方向に長く連続している。そして、これらの各プレートには、図２の紙面に垂直な方向に並ぶ複数の電気音響変換器２が形成されている。
【００２２】
第１のプレート２１、第２のプレート２２および第３のプレート２３の構成材料としては、それぞれ、上記のものに限らず、例えば、ステンレス鋼、シリコン、ＳｉＯ_２、ポリイミド、ポリサルフォン、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ジグリコールジアルキルカルボネート樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂窒化珪素、ジルコニア、部分安定化ジルコニア等の、各種金属材料、各種樹脂材料、各種セラミックを用いることができる。
【００２３】
中央の第２のプレート２２は、第１のプレート２１との接合面側に形成された凹部を有している。この凹部は、例えば、第２のプレート２２の表面からエッチング処理を施すことにより形成することができる。この凹部内の空間は、共鳴室６３となるものである。すなわち、第１のプレート２１と第２のプレート２２とが共鳴室６３を画成している。このように、共鳴器６は、第１のプレート２１と、第２のプレート２２の一部とで構成されている。共鳴室６３は、図２中の左右方向に長い直方体状に形成されている。この共鳴器６は、ヘルムホルツ共鳴器として機能するものである。
また、第２のプレート２２は、第１のプレート２１との接合面側に、共鳴室６３から第２のプレート２２の端面に渡り形成された溝部を有している。この溝部により、共鳴室６３に連通する放音孔６４が形成されている。この放音孔６４は、ヘルムホルツ共鳴器におけるポート部を構成する。
【００２４】
第２のプレート２２の、共鳴室６３に面する部分の底壁（底部）は、他の部分より薄肉に形成されており、この薄肉部分により、振動板２２１が構成されている。振動板２２１は、図２中の上下方向に弾性変形（弾性変位）可能な振動板（ダイヤフラム）として機能する。共鳴室６３は、振動板２２１の振動（変位）により、その容積が変化する。
【００２５】
この振動板２２１は、導電性を有しており、電極としても機能する。本実施形態では、第２のプレート２２に不純物を注入して第２のプレート２２自体に導電性を付与することにより、振動板２２１が導電性を有するものとなっている。また、このような構成と異なり、例えば、振動板２２１の一方の面に例えば金や銅などの導電性材料の薄膜を形成してもよく、その場合には、より低い電気抵抗で（より効率良く）振動板２２１に電圧（電荷）を供給することができる。この薄膜は、例えば蒸着あるいはスパッタリング等によって形成すればよい。
【００２６】
振動板２２１は、その固有振動数ν_１が、２０ｋＨｚ〜８００ｋＨｚであるのが好ましく、４０ｋＨｚ〜４００ｋＨｚであるのがより好ましい。
なお、本発明では、図示の構造に限らず、振動板２２１がより大きな変位で振動し易くする構造として、例えば、第２のプレート２２の振動板２２１の周囲の部分に溝（凹部）を形成する構造や、振動板２２１を片持ちで支持する構造などになっていてもよい。
【００２７】
第３のプレート２３は、第２のプレート２２との接合面側であって共鳴室６３に対応した位置に、浅い凹部２３１を有している。この凹部２３１の底面（底部）２３２は、間隙を介して振動板２２１と対向して位置している。なお、凹部２３１は、例えば、エッチングなどで形成することができる。この凹部２３１の内部空間は、外部と連通している。これにより、凹部２３１内の圧力が振動板２２１の振動を抑制するのを防止することができる。
【００２８】
底面２３２上には、振動板２２１に対向する電極７１が形成されている。なお、この電極７１は、電気音響変換器アレイ１０における各電気音響変換器２に個別に設けられるセグメント電極となっている。
また、この電極７１は、シリコンの酸化膜（ＳｉＯ_２）からなる絶縁層（絶縁膜）７２により上側から覆われている。絶縁層７２は、電極７１を保護する機能と、振動板２２１とのショートを防ぐ機能とを有している。なお、絶縁層７２は、振動板２２１の下面に設けられていてもよい。
電極７１および絶縁層７２は、振動板２２１との間に間隙（空隙）を介して位置している。このように、振動板２２１と、電極７１とは、間隙および絶縁層７２を介して互いに対向する一対の対向電極を構成する。
【００２９】
第３のプレート２３には、電極７１と導通する入力端子７３が形成されている。また、第２のプレート２２には、振動板２２１と導通する入力端子７４が形成されている。電気音響変換器２では、この入力端子７３、７４を介して、振動板２２１と電極７１との間に電気信号（電圧）を入力（印加）することができるようになっている。
なお、前述したように、第２のプレート２２は、それ自体が導電性を有するため、図２の紙面に垂直な方向に並ぶ複数の電気音響変換器２の振動板２２１は、互いに導通する共通電極となっており、１つの入力端子７４からこれらの振動板２２１の各々に導通することができる。
【００３０】
ここで、電気音響変換器２の製造方法の一例について説明する。第１のプレート２１および第２のプレート２２をシリコン製とした場合、シリコンは単結晶であるため、異方性エッチングが可能で、例えば（１００）面をエッチングした場合は、５５°の方向に規則正しくエッチングできる。また、（１１１）面では、９０°方向にエッチングが可能である。そこで、この特性を用いて、精度良く、放音孔６４、共鳴室６３等の各部を第１のプレート２１または第２のプレート２２に形成することができる。そして、この第２のプレート２２の下面側に、電極７１および絶縁層７２を形成した第３のプレート２３（第３のプレート２３の構成材料には、シリコンと熱膨張係数が近いガラスまたは絶縁材料を用いるのが好ましい）を重ねて例えば３００〜５００℃の温度に加熱し、第２のプレート２２側を陽極、第３のプレート２３側を陰極として、例えば数百ボルト程度の電圧を印加し、陽極接合することにより、第２のプレート２２と第３のプレート２３とを容易に、かつ高い密着性を持たせて結合することができる。第２のプレート２２の上面側には、その陽極結合において電極として用いる導電膜が形成されており、この導電膜をそのまま振動板２２１への入力端子７４として用いることができる。なお、本発明では、例えば、入力端子７４を省略してもよく、また、第２のプレート２２と第３のプレート２３との接合方法は、陽極接合に限定されない。
【００３１】
以上説明したような電気音響変換器２の振動板２２１と電極７１との間に電圧が印加されると、振動板２２１と電極７１とが帯電して両者の間にクーロン力による引力が発生し、この引力によって振動板２２１は、電極７１側へ撓む。この状態で、振動板２２１および電極７１への電圧の印加が解除されると、前記クーロン力が消失し、振動板２２１は、その弾性復元力によって図２中の上方に復元し、中立位置（図２に示す状態）を超えてさらに図２中上方に変位する。
【００３２】
超音波帯域の周波数で電圧が振動する電気信号（前記被変調信号）を振動板２２１と電極７１との間に入力すると、上記のような振動板２２１の変位が繰り返し生じて、振動板２２１が撓み振動し、超音波を発生する。振動板２２１で発生した超音波は、共鳴器６で共鳴し、放音孔６４より、図２中の左方向に向かって放射される。
【００３３】
本実施形態の電気音響変換器２では、共鳴器６を設けたことにより、超音波を共鳴させて放射することができるので、入力された電気信号を超音波（音響エネルギー）に変換する変換効率（以下、単に「変換効率」と言う場合もある）が高い。よって、電気音響変換器２を用いたパラメトリックスピーカでは、比較的低い電圧の電気信号でも十分な強さで超音波を放射することができるので、電力消費量の低減が図れる。
【００３４】
さらに、電気音響変換器２は、上述したように、第１のプレート２１、第２のプレート２２および第３のプレート２３を積層することによって製造することができることから、小型化に極めて有利である。後述するように、電気音響変換器アレイ１０は、放射する超音波の波長λより短いピッチｄで電気音響変換器２が並んでいるものであるが、この電気音響変換器２の場合、小型化に極めて有利であるので、上記のような配列ピッチｄの小さい電気音響変換器アレイ１０であっても、容易に製造することができる。また、電気音響変換器アレイ１０の単位面積当たりの電気音響変換器２の配置個数を極めて多くすることができるので、比較的小さい電気音響変換器アレイ１０であっても、十分な強さの可聴音が得られ、パラメトリックスピーカ１の小型化・軽量化が図れる。
【００３５】
特に、本実施形態では、共鳴器６に放音孔６４を設けたことにより、超音波がより強く共鳴し、さらに優れた変換効率が得られるとともに、超音波の音圧をより強く放射することができる。よって、上述した効果（電力消費量の低減、小型化・軽量化）がより顕著に発揮されるとともに、パラメトリックスピーカの特徴である音の指向性の強さを十分生かすことができる。
【００３６】
なお、共鳴器６は、より優れた共鳴状態を得るために、次のような条件を満足するものであるのが好ましい。共鳴器６の共鳴周波数ν_３は、１０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚであるのが好ましく、２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚであるのがより好ましい。なお、後述するように、この共鳴周波数ν_３は、振動板２２１の固有振動数ν_１やパラメトリックスピーカ１の発振器１１の発振周波数ν_２と近傍にあることや倍音関係の近傍にあることがより好ましい。共鳴器６が上記のような条件を満足するものであることにより、電気音響変換器２を用いたパラメトリックスピーカでは、上述した共鳴器６の効果がより顕著に発揮される。
なお、一般に、ヘルムホルツ共鳴器は、次式で示される共鳴周波数νを持つ。
【００３７】
【数１】

ただし、上記式において、ｃは音速、Ｓはポート部（放音孔）の開口面積、Ｖは共鳴室の容積、Ｌはポート部の長さ（図２中のＬで示す長さ）である。
【００３８】
以下、上記式に基づいて、例えばある実施例における共鳴周波数νを計算する。Ｓ＝５０μｍ×５０μｍ、Ｌ＝５０μｍ、Ｖ＝１００μｍ×１００μｍ×１．５ｍｍの共鳴器を考えると、共鳴周波数νは約９９ｋＨｚである。この場合、後述するパラメトリックスピーカ１において、この共鳴周波数νの近傍の発振周波数ν_２を使うことにより、さらに高い効率で空気にエネルギーを伝達させることができる。ただし、実際の共鳴器６は複雑な幾何学的構造を持つため、上記のような計算値は目安に留め、実物での合わせこみが望ましい。こうすれば、より低パワー（低消費電力）で高効率なパラメトリックスピーカ１が得られる。
【００３９】
また、電気音響変換器２は、クーロン力（静電気力）によって振動板２２１を振動（変位）させるので、低電圧での駆動でも変位量が大きく、また、高い制御性が得られる。よって、電気音響変換器２を用いたパラメトリックスピーカ１では、電力消費量の低減を図りつつ、高い音質が得られる。さらに、耐久性、加工性に優れ、量産にも適する。
【００４０】
以下、上述したような電気音響変換器アレイ１０を備えるパラメトリックスピーカ１の全体構成について説明する。図３に示すように、パラメトリックスピーカ１は、電気音響変換器アレイ１０と、発振器（搬送波発生手段）１１と、振幅変調器（振幅変調手段）１２と、電気音響変換器２と同数の増幅器（増幅手段）１３と、音声入力インターフェース１４とを備えている。なお、図３中では、図面の都合上、電気音響変換器２の数を１１個としているが、実際には電気音響変換器アレイ１０の各電気音響変換器２にそれぞれ被変調信号が入力される。
【００４１】
発振器１１は、超音波帯域の周波数（約２０ｋＨｚ以上）で電圧が振動する信号（搬送波）を生成（発生）する。発振器１１の発振周波数（搬送波の周波数）ν_２は、超音波帯域であれば特に限定されないが、２０ｋＨｚ〜４００ｋＨｚ程度であるのが好ましく、４０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ程度であるのがより好ましい。
【００４２】
図示しない音声信号生成器で生成された音声信号は、音声入力インターフェース１４を介して振幅変調器１２に入力される。振幅変調器１２は、この音声信号に基づいて、発振器１１から発振された信号、すなわち搬送波を振幅変調する。振幅変調器１２における振幅変調方式は、特に限定されず、通常の振幅変調方式のものでもよく、また、信号の包絡をもって振幅変調する包絡変調方式でもよい。
【００４３】
振幅変調器１２によって変調された被変調信号は、各増幅器１３に入力され、電気音響変換器２を駆動可能なレベルに増幅される。各増幅器１３で増幅された被変調信号は、電気音響変換器アレイ１０の各電気音響変換器２に入力される。各電気音響変換器２は、この入力された信号を超音波に変換し、空中に、指向性を持って、図２中の左方向（図５中では上方向）に放射する。
【００４４】
電気音響変換器アレイ１０から空中に放射された超音波（被変調波）は、空気の非線形特性によって歪み波となり、空気中を伝播中に元の音声信号の可聴音に復調される。この復調された可聴音は、元の超音波の超指向特性を持っているため、パラメトリックスピーカ１は、所望の特定空間（特定方向）に対してのみ音響放射を行うことができる。
【００４５】
上記のようなパラメトリックスピーカ１の原理について、図４に基づいてさらに説明する。図４（ａ）は、伝送波、すなわち音声信号生成器から出力された音声信号の波形である。図４（ｂ）は、発振器１１で生成された信号（搬送波）の波形である。この搬送波を伝送波にのせることによって、伝送波は、図４（ｃ）のような被変調波（被変調信号）に変換される。この被変調波を空中に放射すると、空気の非線形特性により空気が順方向に震動するときには早く進み、空気が逆方向に進むときには遅く進むことから、音波は、図４（ｄ）のように歪んでゆき、元の可聴音が復調されていく（図４（ｅ））。この復調された可聴音は、元の超音波と同様の指向性を持っている。
【００４６】
さて、以上説明したような本発明のパラメトリックスピーカ１における電気音響変換器アレイ１０では、図１および図５に示すように、放射する超音波の波長λより短いピッチ（配列間隔）ｄで電気音響変換器２が並んでいる。これにより、パラメトリックスピーカ１では、ホイヘンスの原理で知られているように、波源の重ね合わせにより、発生する音の指向性をより強く（より鋭く）することができる。
【００４７】
この理由をさらに説明すると、電気音響変換器アレイ１０では、電気音響変換器２の配列ピッチｄが、放射される超音波の波長λより短いことにより、隣接する電気音響変換器２から放射される超音波の波面２００同士が重なり合って、より平面に近い波面３００が発生する（図５参照）。よって、電気音響変換器アレイ１０から放射される超音波は、広がることなく、より真っ直ぐに図５中の上方向に進むので、パラメトリックスピーカ１は、発生する音の指向を特に強くすることができる。
なお、電気音響変換器アレイ１０が放射する超音波の周波数は、発振器１１の発振周波数ν_２と同じであるので、電気音響変換器アレイ１０が放射する超音波の波長λは、空中での音速をｃとすると、λ＝ｃ／ν_２で与えられる。
【００４８】
本発明では、前述したように、電気音響変換器アレイ１０における電気音響変換器２の配列ピッチｄは、放射する超音波の波長λより小さければよい、すなわち、λ／ｄ＞１であればよいが、λ／ｄの値は、２以上であるのがより好ましく、８以上であるのがさらに好ましい。これにより、電気音響変換器アレイ１０から放射される超音波の波面３００がより平面に近くなるので、発生する音の指向性をさらに強くすることができる。また、λ／ｄの上限値は特に限定されないが、製造の容易化、製造コスト低減、歩留まり、微細化ルール、配線ルール等を考慮する観点から、通常、λ／ｄの値は、３２以下程度であるのが好ましい。
【００４９】
本実施形態の電気音響変換器アレイ１０では、図１中の横方向の配列ピッチと縦方向の配列ピッチとが共に等しくｄとなっているが、この横方向の配列ピッチと縦方向の配列ピッチとは、互いに異なっていてもよい。また、その場合、横方向の配列ピッチと縦方向の配列ピッチとの一方だけが超音波の波長λより短くされていてもよいが、両方ともが超音波の波長λより短くされているのが好ましい。また、図示の電気音響変換器アレイ１０では、電気音響変換器２の配列ピッチｄが全領域に渡って一定になっているが、このような構成に限らず、局所的に変化してもよい。また、各列（または各行）が互いに半ピッチずつずれて配置されているような並び方であってもよい。
【００５０】
また、本発明における電気音響変換器アレイ１０では、放射する超音波の波長λを直径とする円とほぼ同じかまたはこれより大きい領域に渡って電気音響変換器２が配置されている。すなわち、電気音響変換器アレイ１０の図１中の横方向の寸法をＬ_１、縦方向の寸法をＬ_２としたとき、Ｌ_１≧λ、かつ、Ｌ_２≧λである。これにより、パラメトリックスピーカ１では、発生する音の指向性をより強く（より鋭く）することができる。
【００５１】
これは、次のような理由によるものである。一般に、音（超音波を含む）は、音を出す面が広くなると指向性を持つようになり、音を出す面が例えば円形の場合には、その直径が波長と同程度以上になると、顕著な指向性を持つ。よって、上記のように、Ｌ_１≧λかつＬ_２≧λとすることにより、電気音響変換器アレイ１０の大きさ、すなわち、超音波を発生する面の広さがλを直径とする円よりも広くなるので、発生する音の指向性をより強くすることができる。
【００５２】
また、本発明では、超音波の波長λの２〜８倍の長さを直径とする円と同じかこれより大きい領域に渡って電気音響変換器２が配置されたものであるのがより好ましい。これにより、超音波を発生する面の広さがさらに広くなるので、発生する音の指向性をさらに強くすることができる。
さらに、このようなパラメトリックスピーカ１では、電気音響変換器２の振動板２２１の固有振動数ν_１と、発振器１１の発振周波数ν_２とが近傍にあるのが好ましい。ここで、ν_１とν_２とが近傍にあるとは、好ましくは０．８≦ν_１／ν_２≦１．２、より好ましくは０．９≦ν_１／ν_２≦１．１なる関係を満足することを言う。これにより、振動板２２１を共振現象によってより大きな振幅で振動させることができるので、電気音響変換器２の変換効率をさらに向上することができる。
【００５３】
また、パラメトリックスピーカ１では、発振器１１の発振周波数ν_２と、電気音響変換器２の共鳴器６の共鳴周波数ν_３とが近傍、または倍音関係の近傍にあるのが好ましい。ここで、ν_２とν_３とが近傍にあるとは、好ましくは０．８≦ν_２／ν_３≦１．２、より好ましくは０．９≦ν_２／ν_３≦１．１なる関係を満足することを言う。また、ν_２とν_３とが倍音関係の近傍にあるとは、ｍおよびｎをそれぞれ正の整数として、ｍ×ν_２と、ｎ×ν_３とが上記と同様に近傍にあることを言う。これにより、振動板２２１で発生した超音波をより強く共鳴させることができるので、電気音響変換器２の変換効率をさらに向上することができる。
【００５４】
また、パラメトリックスピーカ１では、共鳴器６の共鳴周波数ν_３と、振動板２２１の固有振動数ν_１とが近傍、または倍音関係の近傍にあるのが好ましい。ここで、ν_３とν_１とが近傍にあるとは、好ましくは０．８≦ν_３／ν_１≦１．２、より好ましくは０．９≦ν_３／ν_１≦１．１なる関係を満足することを言う。また、ν_３とν_１とが倍音関係の近傍にあるとは、ｉおよびｊをそれぞれ正の整数として、ｉ×ν_３と、ｊ×ν_１とが上記と同様に近傍にあることを言う。これにより、振動板２２１で発生した超音波をより強く共鳴させることができるので、電気音響変換器２の変換効率をさらに向上することができる。
さらに、パラメトリックスピーカ１では、振動板２２１の固有振動数ν_１と、発振器１１の発振周波数ν_２と、共鳴器６の共鳴周波数ν_３とが互いに近傍にあるか倍音関係の近傍にあるのが最も好ましい。
【００５５】
以上、本発明のパラメトリックスピーカ１の第１実施形態について説明したが、電気音響変換器アレイ１０の各電気音響変換器の構成は、前述した電気音響変換器２のような構成のものに限らず、いかなるものでもよく、例えば、以下に説明する第２〜第５実施形態における電気音響変換器２Ａ〜２Ｄのような構成のものであってもよい。なお、下記の第２〜第５実施形態の説明においては、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。
【００５６】
＜第２実施形態＞
図６は、本発明のパラメトリックスピーカの第２実施形態における電気音響変換器を示す断面側面図である。
図６に示す電気音響変換器２Ａは、共鳴器６の放音孔６４が、第１のプレート２１に形成された貫通孔で構成されていること以外は、前記第１実施形態の電気音響変換器２と同様である。この電気音響変換器２Ａでは、放音孔６４は、振動板２２１と対向する位置に形成されている。そして、この放音孔６４から、超音波が図６中の上方向に向けて放射される。また、本実施形態における共鳴器６では、図６中のＬで示す長さがポート部の長さとなる。
【００５７】
＜第３実施形態＞
図７および図８は、それぞれ、本発明のパラメトリックスピーカの第３実施形態における電気音響変換器を示す斜視図および断面側面図である。なお、以下では、説明の都合上、図７および図８中の上側を「先端」、下側を「基端」と言う。
【００５８】
図７および図８に示す電気音響変換器２Ｂは、長尺形状（細長い形状）をなす圧電アクチュエータ（圧電振動体）３と、該圧電アクチュエータ３の基端（固定端）部を支持する基台４と、圧電アクチュエータ３の先端（自由端）側に設置された振動板５と、振動板５が発生する超音波を共鳴させる共鳴器６と、固定部材７５とを備えている。
【００５９】
図７に示すように、本実施形態では、ｎ行×２列（ｎは、２以上の整数）に並ぶ複数の電気音響変換器２Ｂが一体になっており、基台４、振動板５、共鳴器６および固定部材７５（固定部材７５は図７中では省略）は、それぞれ、各電気音響変換器２Ｂのものが一体に形成されている。
図８に示すように、同図中で左側の列の電気音響変換器２Ｂと右側の列の電気音響変換器２Ｂとは、その構造が互いに面対称の関係にある。また、各列の複数の電気音響変換器２Ｂは、その構造が互いに同じになっている。よって、以下では、１つの電気音響変換器２Ｂについて代表して説明する。
【００６０】
圧電アクチュエータ３は、電気信号（振動電圧）が入力（印加）されることにより、その長手方向に伸縮振動するものである。この圧電アクチュエータ３は、圧電材料と導電材料とをそれぞれ層状に交互に積層した部分を有している。また、本実施形態では、圧電材料と導電材料とは、圧電アクチュエータ３の伸縮方向（長手方向）に対し平行に積層されている。
【００６１】
以下、この圧電アクチュエータ３の製造方法の一例について説明するが、製造工程の図示は省略する。また、以下の例は、列方向（図８の紙面に垂直な方向）に並ぶ複数の圧電アクチュエータ３を同時に製造する場合の例である。
定盤の上にペースト状に調製した圧電材料（例えばチタン酸・ジルコン酸鉛系複合ペロブスカイトセラミックス材料）を薄く塗布して第１の圧電材料層３１を形成し、これの表面に例えば蒸着または導電性塗料の塗布等の方法により、第１の圧電材料層３１の一部に露出部を残すようにして第１の導電層３２を形成し、さらにこの第１の導電層３２および第１の圧電材料層３１の露出部との表面に圧電材料を薄く塗布して第２の圧電材料層３３を形成し、さらにこれの上に第１の導電層３２とは異なる側に第２の導電層３４を形成する、という工程を必要な回数だけ繰り返す。
【００６２】
このようにして所定の層数を形成した段階で、乾燥させ、これに圧力を加えた状態で温度１０００〜１２００℃で１時間程度焼成することにより板状のセラミック（圧電板）に仕上がる。次いで、各第１の導電層３２が露出している一方の端部に導電塗料を塗布して一方の集電極３５を、また各第２の導電層３４が露出している他方の端部に導電塗料を塗布して集電極３６を形成する。このようにして形成された圧電板を基台４（基台４の集合体）の突部４１に例えば導電性接着剤等を用いて固定し、所定幅間隔で、基台４の表面近傍までダイヤモンドカッタ等によりカット（歯割加工）する。この歯割加工（切削）により生じたスリットによって前記圧電板を複数の長尺形状部材に分離することにより、複数の圧電アクチュエータ３が形成される。圧電アクチュエータ３は、例えば以上説明したような方法により、比較的容易かつ低コストで製造することができる。
【００６３】
このような圧電アクチュエータ３では、複数の第１の導電層３２と、複数の第２の導電層３４とが、一対の櫛歯電極として機能する。そして、電気音響変換器２Ｂでは、集電極３５、３６に、それぞれ、図示しない導電材料（導電部材）が接続されており、一対の櫛歯電極としての第１の導電層３２および第２の導電層３４に電気信号（電圧）を入力（印加）することができるようになっている。なお、振動板５が導電材料で構成されている場合には、振動板５が集電極３５に対する導電部材として機能してもよい。
【００６４】
図８に示す圧電アクチュエータ３では、圧電材料と導電材料（電極）とが伸縮方向（長手方向）に平行に配置されていることにより、他の振動モードと比較してより高いエネルギー効率が得られる。
圧電アクチュエータ３は、伸縮振動の固有振動数ν_１が、２０ｋＨｚ〜８００ｋＨｚであるのが好ましく、４０ｋＨｚ〜４００ｋＨｚであるのがより好ましい。また、前記と同様に、この固有振動数ν_１は、パラメトリックスピーカ１の発振器１１の発振周波数ν_２の近傍にあることがより好ましい。また、固有振動数ν_１と、共鳴器６の共鳴周波数ν_３とが近傍、または倍音関係の近傍にあることがより好ましい。
【００６５】
図９は、本実施形態における圧電アクチュエータの他の構成例を示す斜視図である。図９に示す圧電アクチュエータ３Ａでは、圧電材料と導電材料とが圧電アクチュエータ３Ａの伸縮方向（長手方向）に対し垂直に積層されている。本実施形態では、前記圧電アクチュエータ３に代えて、この圧電アクチュエータ３Ａのようなものを用いてもよい。図９に示す圧電アクチュエータ３Ａでは、圧電材料と導電材料とをより多くの層で積層することができるので、より低い電圧で駆動することができる。
【００６６】
図８に示すように、基台４は、その基端側の部分に、圧電アクチュエータ３を固定するための側方に突出した突部４１を有している。圧電アクチュエータ３は、その先端（先端面）が振動板５に接合され、その基端部が基台４の突部４１に固定されている。
本実施形態では、圧電アクチュエータ３の基端部が基台４に固着されているため、基台４の強度（剛性）により、圧電アクチュエータ３にはそれほど大きな強度が必要とされないことから、製造が容易であり、小型化にも有利である。また、図示の構成では、圧電アクチュエータ３は、その伸縮方向（長手方向）に平行な面が基台４の突部４１に重なるように固着されている。これにより、上記効果がより顕著に発揮される。
【００６７】
基台４は、その先端の位置が圧電アクチュエータ３の先端面とほぼ一致し、また基端の位置が圧電アクチュエータ３の基端を超えて基端方向に突出する大きさに構成されている。すなわち、圧電アクチュエータ３の伸縮方向についての基台４の長さは、圧電アクチュエータ３の長さより長くなっている。そして、基台４は、その基端（基端面）を固定部材７５に固定されている。また、基台４の先端（先端面）は、振動板５に接合（固定）されている。固定部材７５は、振動板５および共鳴器６を支持するとともに、基台４を介して圧電アクチュエータ３の先端を振動板５に当接させている。
【００６８】
基台４の先端面には、後述する共鳴室６３と圧電アクチュエータ３とを隔離する振動板５が固定されている。この振動板５は、圧電アクチュエータ３の先端面と接合（固定または当接）された振動部５１を有している。また、振動板５は、振動部５１の近傍に設けられた凹部５２、５３によって形成された薄肉部を有している。これにより、振動部５１は、圧電アクチュエータ３の振動により確実に追従して振動できるようになっている。
【００６９】
振動板５の構成材料は、特に限定されないが、例えば、ステンレス鋼、シリコン、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ジグリコールジアルキルカルボネート樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂窒化珪素、ジルコニア、部分安定化ジルコニア等の、各種金属材料、各種樹脂材料、各種セラミックを用いることができる。
【００７０】
振動板５の先端面側には、共鳴室６３を有する共鳴器６が設置されている。この共鳴器６は、ヘルムホルツ共鳴器として機能するものである。共鳴器６は、振動板５の先端面側に重ねて接合（固定）されたスペーサプレート（スペーサ部材）６２と、該スペーサプレート６２の先端面側に重ねて接合（固定）された放音プレート６１とで構成されている。
【００７１】
スペーサプレート６２は、振動板５との接合面側に形成された凹部６２１と、凹部６２１から先端面側に貫通する貫通孔６２２とを有している。凹部６２１によって、振動板５と放音プレート６１との間に空間（隙間）が形成されており、この凹部６２１内の空間が共鳴室６３を構成している。
放音プレート６１には、貫通孔６２２を介して共鳴室６３に連通する放音孔６４が形成されている。この放音孔６４および貫通孔６２２は、ヘルムホルツ共鳴器におけるポート部を構成する。
【００７２】
図示の構成では、放音孔６４および貫通孔６２２は、圧電アクチュエータ３の先端面と非対向な位置に形成されている。これにより、放音孔６４の配置位置の自由度を高めることができ、例えば本実施形態のように、各列の放音孔６４を互いに近づけて配置することも可能になる（図７参照）。
このような電気音響変換器２Ｂの圧電アクチュエータ３に前記被変調信号を入力すると、圧電アクチュエータ３は、その長手方向に伸縮振動し、これに伴って振動板５の振動部５１が振動して、超音波を発生する。振動板５で発生した超音波は、共鳴器６で共鳴し、図８中の上方向に向かって放射される。
【００７３】
基台４、放音プレート６１、スペーサプレート６２、固定部材７５の構成材料は、それぞれ、特に限定されないが、例えば、ステンレス鋼、シリコン、ＳｉＯ_２、ポリイミド、ポリサルフォン、ネガ型またはポジ型の感光性樹脂材料（エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ジグリコールジアルキルカルボネート樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂など）等の、各種金属材料、各種樹脂材料、各種ガラス、各種セラミックスを用いることができる。
【００７４】
本実施形態の電気音響変換器２Ｂでは、共鳴器６を設けたことにより、超音波を共鳴させて放射することができるので、入力された電気信号を超音波（音響エネルギー）に変換する変換効率が高い。よって、電気音響変換器２Ｂを用いたパラメトリックスピーカでは、比較的低い電圧の電気信号でも十分な強さで超音波を放射することができるので、電力消費量の低減が図れる。
さらに、本実施形態の電気音響変換器２Ｂは、小型化に極めて有利である。よって、比較的小さい電気音響変換器アレイ１０でも、十分な強さの可聴音が得られ、パラメトリックスピーカの小型化・軽量化が図れる。
【００７５】
また、電気音響変換器２Ｂでは、基台４を介して共鳴器６（振動板５）に対し圧電アクチュエータ３を位置決めできるため、固定部材７５と基台４との相対的な位置関係を調整することにより共鳴器６（振動板５）に対して圧電アクチュエータ３を正確に位置決めすることができる。よって、圧電アクチュエータ３の先端を振動部５１に高い位置精度で当接させることが可能となる。また、基台４に前記圧電板の基端側を固着した状態で歯割加工してから、固定部材７５に位置決めできるため、機械的強度が高い基台４を介して脆弱な圧電アクチュエータ３を位置決めでき、共鳴器６（振動板５）への位置決め時のハンドリングを容易化することができ、さらに基台４と固定部材７５とが別部材として構成できるため、それぞれの目的に合致した材料、つまり基台４には圧電アクチュエータ３からの反力を受け止めるに十分な剛性の高い材料を、また固定部材７５には射出成形等により製造することが可能な高分子材料等を選択することができる。このようなことから、電気音響変換器２Ｂでは、高性能化（高変換効率化）と、製造コストの低減との両立を、高いレベルで達成することができる。
【００７６】
また、本実施形態では、圧電アクチュエータ３は、前述したような積層構造を有していることにより、比較的低い電圧でも大きな変位量が得られるとともに、制御性（応答性）に優れる。これにより、本実施形態の電気音響変換器２Ｂは、さらに優れた変換効率が得られ、パラメトリックスピーカに用いた場合、より優れた音質が得られる。また、圧電アクチュエータ３は、前述したような積層構造を有していることにより、加工性にも優れ、量産に適し、より低いコストで製造することができ、さらに耐久性も高い。
【００７７】
＜第４実施形態＞
図１０は、本発明のパラメトリックスピーカの第４実施形態における電気音響変換器を示す斜視図である。図１０に示す電気音響変換器２Ｃでは、前記電気音響変換器２Ｂと異なり、共鳴器６がスペーサプレート６２を有さず、振動板５’に放音プレート６１’が重ねて接合（固定）されている。そして、振動板と放音プレートとの接合面側にそれぞれ形成された凹部５４、５５と凹部６５とにより、共鳴器６の共鳴室６３が形成されている。なお、図示の構成では、凹部５４、５５は、隣り合う電気音響変換器２Ｃのものが連通しているが、共鳴器として独立させるためには、隔壁を形成することにより分離することがより望ましい。図１０に示す実施形態では、スペーサプレート６２が不要となり、組立工程の簡素化が図れる。上記の点以外は、電気音響変換器２Ｃは、前記電気音響変換器２Ｂと同様である。
【００７８】
＜第５実施形態＞
図１１、図１２および図１３は、それぞれ、本発明のパラメトリックスピーカの第５実施形態における電気音響変換器を示す断面正面図、断面側面図および平面図である。なお、以下では、説明の都合上、図１１および図１２中の上側を「上」、下側を「下」と言う。
【００７９】
図１３に示すように、本実施形態では、行列状（図１３では２行×６列）に並ぶ複数（１２個）の電気音響変換器２Ｄが一体に形成されている。また、図１３中、上の行の電気音響変換器２Ｄと、下の行の電気音響変換器２Ｄとは、半ピッチずらして配置されている。各電気音響変換器２Ｄは、その構造が互いに同じであるので、以下では、１つの電気音響変換器２Ｄについて代表して説明する。
【００８０】
図１１および図１２に示すように、電気音響変換器２Ｄは、板状をなす圧電アクチュエータ（圧電振動体）３Ｂと、該圧電アクチュエータ３Ｂと重ねて接合された振動板５Ａと、振動板５Ａが発生する超音波を共鳴させる共鳴器６とを備えている。なお、圧電アクチュエータ３Ｂの第２の電極３９、振動板５Ａおよび共鳴器６は、それぞれ、図１３に示す各電気音響変換器２Ｄのものが一体に形成されている。
【００８１】
圧電アクチュエータ３Ｂは、板状の圧電素子３７と、該圧電素子３７の下面側に接合された第１の電極３８と、上面側に接合された第２の電極３９とを有している。この圧電アクチュエータ３Ｂは、撓み振動モードのものであり、第１の電極３８と第２の電極３９との間に電気信号（振動電圧）が入力（印加）されることにより、撓み振動する。
【００８２】
図示の構成では、第１の電極３８は、各電気音響変換器２Ｄに個別に設けられたセグメント電極となっており、第２の電極３９は、各電気音響変換器２Ｄに共通の共通電極となっている。そして、各第１の電極３８には、外に引き出すためのリード部３８１が接続されている。なお、図示の構成と逆に、第１の電極３８が共通電極、第２の電極がセグメント電極となっていてもよい。
【００８３】
圧電アクチュエータ３Ｂは、撓み振動の固有振動数ν_１が、２０ｋＨｚ〜８００ｋＨｚであるのが好ましく、４０ｋＨｚ〜４００ｋＨｚであるのがより好ましい。また、前記と同様に、この固有振動数ν_１は、パラメトリックスピーカ１の発振器１１の発振周波数ν_２の近傍にあることがより好ましい。また、固有振動数ν_１と、共鳴器６の共鳴周波数ν_３とが近傍、または倍音関係の近傍にあることがより好ましい。
このような圧電アクチュエータ３Ｂの第１の電極３８および圧電素子３７は、絶縁層７７に形成された開口部（窓部）内に設けられている。絶縁層７７は、例えば二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、ポリイミド等の絶縁材料で構成されている。第２の電極３９は、絶縁層７７の上面にも連続して形成されている。
【００８４】
圧電アクチュエータ３Ｂおよび絶縁層７７の下面側には、振動板５Ａが接合（固定）されている。振動板５Ａは、圧電アクチュエータ３Ｂの撓み振動により変形可能な弾性を有する薄板で構成されている。この振動板５Ａは、圧電アクチュエータ３Ｂの撓み振動に伴って弾性変形し、超音波を発生するように振動（撓み振動）する。
振動板５Ａの構成材料は、特に限定されないが、例えば、ステンレス鋼、表面に電気絶縁膜形成処理がなされた不錆鋼、シリコン、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ジグリコールジアルキルカルボネート樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂窒化珪素、ジルコニア、部分安定化ジルコニア等の、各種金属材料、各種樹脂材料、各種セラミックを用いることができる。
なお、振動板５Ａを導電性材料で構成し、振動板５Ａに圧電アクチュエータ３Ｂに対する電極としての機能を持たせてもよい。これにより、構造のさらなる簡素化が図れ、さらに容易かつ低コストで製造することができる。
【００８５】
振動板５Ａの下面側には、共鳴器６が設置されている。この共鳴器６は、共鳴室６３を有し、ヘルムホルツ共鳴器として機能するものである。共鳴器６は、振動板５Ａの下面側に接着剤層７６を介して重ねて接合（固定）されたスペーサプレート６２と、該スペーサプレート６２の下面側に重ねて接合（固定）された放音プレート６１とで構成されている。スペーサプレート６２によって、振動板５Ａと放音プレート６１との間に空間が形成され、この空間が共鳴室６３を構成している。
【００８６】
スペーサプレート６２の製造方法は、特に限定されないが、例えば、共鳴室６３を形成するのに適した厚さを備えた基板（例えば、単結晶シリコン基板や不錆鋼基板等）を一方の面から他方の面まで貫通するように異方性エッチングや化学エッチングして開口を形成する方法や、グリーンシート状のセラミックスをプレスで成形した後これを焼成する方法により、好適に製造することができる。
放音プレート６１には、共鳴室６３に連通する放音孔６４が形成されている。放音プレート６１は、スペーサプレート６２に対し、例えば接着剤による接着等の方法により気密的に固定されている。この放音孔６４は、ヘルムホルツ共鳴器におけるポート部を構成する。
【００８７】
このような電気音響変換器２Ｄの圧電アクチュエータ３Ｂに超音波帯域の周波数で電圧が振動する電気信号（前記被変調信号）を入力すると、圧電アクチュエータ３Ｂは、撓み振動し、これに伴って振動板５Ａが厚み方向に振動（撓み振動）して、超音波を発生する。振動板５Ａで発生した超音波は、共鳴器６で共鳴し、図１１および図１２中の下方向に向かって放射される。
【００８８】
放音プレート６１、スペーサプレート６２の構成材料は、それぞれ、特に限定されないが、例えば、ステンレス鋼、シリコン、ＳｉＯ_２、ポリイミド、ポリサルフォン、ネガ型またはポジ型の感光性樹脂材料（エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ジグリコールジアルキルカルボネート樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂など）等の、各種金属材料、各種樹脂材料、各種ガラス、各種セラミックスを用いることができる。
【００８９】
このような電気音響変換器２Ｄは、上述したように板状の各部材を積層することによって製造することができることから、小型化に極めて有利である。
また、電気音響変換器２Ｄは、圧電アクチュエータ３Ｂを撓み振動モードで用いることにより、低電圧での駆動でも変位量が大きく、また、高い制御性が得られる。よって、電気音響変換器２Ｄを用いたパラメトリックスピーカでは、電力消費量の低減を図りつつ、高い音質が得られる。さらに、耐久性、加工性に優れ、量産にも適する。
なお、本実施形態の電気音響変換器では、振動板５Ａがなく、圧電アクチュエータ３Ｂ自体が振動板としても機能するようなものでもよい。
【００９０】
次に、圧電アクチュエータ３Ｂについて、さらに詳細に説明する。
圧電アクチュエータ３Ｂの圧電素子３７は、第１の電極３８上に、水熱法（水熱合成法）により形成されたものであるのが好ましい。この水熱法では、圧電素子３７は、例えばチタンで構成された第１の電極３８を成長基板として、圧電材料を成長させて層状に形成することができる。なお、水熱法については、例えば、特開平５−１３６４７６号公報、特開平６−２０６７８７号公報、特開平６−３１４８２１号公報等に記載されている。
【００９１】
圧電素子３７を水熱法によって形成した場合には、第１の電極３８上に圧電素子３７の結晶が成長している構造を備えるため、両者の接合強度が高く、また焼成よりもはるかに低い温度で行うことができるため、熱膨張差に起因する反りの発生や、残留応力の発生がない。また、圧電素子３７は、その成長時間を調整することによって膜厚を制御できるため、極めて薄くかつ均一に形成することができる。この結果、圧電素子３７に作用する電界強度が大きくなり、より低い駆動電圧で大きな撓み振動を生じさせることが可能となる。この場合、圧電素子３７の膜厚は、０．５μｍ〜５０μｍであるのが好ましく、１μｍ〜１０μｍであるのがより好ましい。
【００９２】
以上、本発明のパラメトリックスピーカを図示の実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、パラメトリックスピーカを構成する各部は、同様の機能を発揮し得る任意の構成のものと置換することができる。また、任意の構成物が付加されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のパラメトリックスピーカの実施形態における電気音響変換器アレイを示す平面図。
【図２】図１に示す電気音響変換器アレイにおける１つの電気音響変換器を示す断面側面図。
【図３】本発明のパラメトリックスピーカの実施形態を示すブロック図。
【図４】パラメトリックスピーカの原理を説明するための図。
【図５】図１に示す電気音響変換器アレイの側面図。
【図６】本発明のパラメトリックスピーカの第２実施形態における電気音響変換器を示す断面側面図。
【図７】本発明のパラメトリックスピーカの第３実施形態における電気音響変換器を示す斜視図。
【図８】本発明のパラメトリックスピーカにおける電気音響変換器の第３実施形態を示す断面側面図。
【図９】第３実施形態における圧電アクチュエータの他の構成例を示す斜視図。
【図１０】本発明のパラメトリックスピーカの第４実施形態における電気音響変換器を示す斜視図。
【図１１】本発明のパラメトリックスピーカの第５実施形態における電気音響変換器を示す断面正面図。
【図１２】本発明のパラメトリックスピーカの第５実施形態における電気音響変換器を示す断面側面図。
【図１３】本発明のパラメトリックスピーカの第５実施形態における電気音響変換器を示す平面図。
【符号の説明】
１……パラメトリックスピーカ１０……電気音響変換器アレイ１１……発振器１２……振幅変調器１３……増幅器１４……音声入力インターフェース２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ……電気音響変換器２１……第１のプレート２２……第２のプレート２２１……振動板２３……第３のプレート２３１……凹部２３２……底面３、３Ａ、３Ｂ……圧電アクチュエータ３１……第１の圧電材料層３２……第１の導電層３３……第２の圧電材料層３４……第２の導電層３５、３６……集電極３７……圧電素子３８……第１の電極３８１……リード部３９……第２の電極４……基台４１……突部５、５’、５Ａ……振動板５１……振動部５２、５３、５４、５５……凹部６……共鳴器６１、６１’……放音プレート６２……スペーサプレート６２１……凹部６２２……貫通孔６３……共鳴室６４……放音孔６５……凹部７１……電極７２……絶縁層７３、７４……入力端子７５……固定部材７６……接着剤層７７……絶縁層２００、３００……波面

Claims

超音波帯域の周波数で電圧が振動する信号を生成する発振器と、
音声信号に基づいて、前記発振器が生成した信号を振幅変調する振幅変調器と、
前記振幅変調器によって変調された被変調信号を超音波に変換して空中に放射する複数の電気音響変換器を並べてなる電気音響変換器アレイとを備えるパラメトリックスピーカであって、
前記電気音響変換器アレイは、放射する超音波の波長より短いピッチで前記電気音響変換器が並んだものであることを特徴とするパラメトリックスピーカ。
超音波帯域の周波数で電圧が振動する信号を生成する発振器と、
音声信号に基づいて、前記発振器が生成した信号を振幅変調する振幅変調器と、
前記振幅変調器によって変調された被変調信号を超音波に変換して空中に放射する複数の電気音響変換器を並べてなる電気音響変換器アレイとを備えるパラメトリックスピーカであって、
前記電気音響変換器アレイは、放射する超音波の波長を直径とする円とほぼ同じかまたはこれより大きい領域に渡って前記電気音響変換器が配置されたものであることを特徴とするパラメトリックスピーカ。
前記電気音響変換器アレイが放射する超音波の波長をλ、前記電気音響変換器アレイにおける前記電気音響変換器の配列ピッチをｄとしたとき、λ／ｄの値が２以上である請求項１または２に記載のパラメトリックスピーカ。
前記電気音響変換器アレイが放射する超音波の波長をλとしたとき、前記電気音響変換器アレイは、λの２〜８倍の長さを直径とする円と同じかこれより大きい領域に渡って前記電気音響変換器が配置されたものである請求項１ないし３のいずれかに記載のパラメトリックスピーカ。
前記電気音響変換器アレイは、前記電気音響変換器を２次元的に配列したものである請求項１ないし４のいずれかに記載のパラメトリックスピーカ。
前記各電気音響変換器に入力される前記被変調信号を増幅する増幅器をさらに備える請求項１ないし５のいずれかに記載のパラメトリックスピーカ。
前記電気音響変換器は、
長尺形状をなし、前記被変調信号が入力されることによりその長手方向に伸縮振動する圧電アクチュエータと、
前記圧電アクチュエータの基端部を支持する基台と、
前記圧電アクチュエータの先端側に設置され、前記圧電アクチュエータの伸縮振動に伴って振動する振動部を有し、超音波を発生する振動板と、
発生した超音波を共鳴させる共鳴器とを備えるものである請求項１ないし６のいずれかに記載のパラメトリックスピーカ。
前記圧電アクチュエータは、圧電材料と導電材料とをそれぞれ層状に交互に積層した部分を有する請求項７に記載のパラメトリックスピーカ。
前記電気音響変換器は、
板状をなし、前記被変調信号が入力されることにより撓み振動する圧電アクチュエータと、
前記圧電アクチュエータの振動に伴って発生した超音波を共鳴させる共鳴器とを備えるものである請求項１ないし６のいずれかに記載のパラメトリックスピーカ。
前記電気音響変換器は、前記圧電アクチュエータと重ねて接合され、前記圧電アクチュエータの撓み振動に伴って振動して超音波を発生する振動板をさらに備える請求項９に記載のパラメトリックスピーカ。
前記電気音響変換器は、
前記被変調信号が入力されることによって生じるクーロン力に起因して振動し、超音波を発生する振動板と、
発生した超音波を共鳴させる共鳴器とを備えるものである請求項１ないし６のいずれかに記載のパラメトリックスピーカ。
前記電気音響変換器は、前記振動板と間隙を介して対向して配置された電極をさらに備え、前記クーロン力は、前記振動板と前記電極との間に作用する請求項１１に記載のパラメトリックスピーカ。