JP2007215119A

JP2007215119A - 電気音響変換器

Info

Publication number: JP2007215119A
Application number: JP2006035397A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Sakai; 新一酒井
Original assignee: Mitsubishi Electric Engineering Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Electric Engineering Co Ltd
Priority date: 2006-02-13
Filing date: 2006-02-13
Publication date: 2007-08-23

Abstract

【課題】空気の非線形現象利用し可聴音を得る超指向性音源で使用する電気音響変換器において、構造を簡略化し、かつ高い音圧の音響特性を得ることができる電気音響変換器を得る。
【解決手段】音声信号により超音波キャリア信号を変調した変調信号を音波として空中へ放射する電気音響変換器において、前記変調信号を入力して振動する複数の超音波素子と、前記複数の超音波素子上に設けられ、前記複数の超音波振動子と振動して音波を放射する一枚の振動板とを備える。
【選択図】図２

Description

この発明は、空気の非線形現象利用し可聴音を得る超指向性音源で使用する電気音響変換器に関するものである。

大きな振動板を使用すると低い振動数で共振状態となり、屈曲振動を起こすため振動数を高くしても屈曲振動を起こしにくい小さな振動板を使用せざるを得なかった。
しかし、小さな振動板では高い音圧を得ることができない。
そこで、高い音圧を得るために、振動子とともに共振して音圧レベルをあげる役割を持つ共振子を有するものがある（例えば、非特許文献１参照）。

また、高い音圧を得るために、複数の超音波素子をアレイ化したものがある（例えば、非特許文献２参照）。

日本セラミック株式会社、"空中超音波センサカタログ"、[online]、[平成１１年１１月１７日検索]、インターネット〈http://www.nicera.co.jp〉米山正秀、外３名「非線形パラメトリック作用のスピーカへの応用」電気音響研究会、１９８１年、ＥＡ８１−６５

従来の電気音響変換器は上記のように構成されているため、空中に音波を放射するための振動子が小さく、共振子を有していても十分に高い音圧を得ることができないという課題があった。
また、複数の超音波素子をアレイ化するにあたり、個々の超音波素子のケースやベースの外径に依存して、配列間隔が決まり、電気音響変換器を高密度化できないという課題があった。

この発明は上記課題を解決するためになされたもので、空気の非線形現象利用し可聴音を得る超指向性音源で使用する電気音響変換器において、構造を簡略化し、かつ高い音圧の音響特性を得ることができる電気音響変換器を得ることを目的とする。

この発明に係る電気音響変換器は、音声信号により超音波キャリア信号を変調した変調信号を音波として空中へ放射する電気音響変換器において、前記変調信号を入力して振動する複数の超音波素子と、前記複数の超音波素子上に設けられ、前記複数の超音波振動子と振動して音波を放射する一枚の振動板とを備えるものである。

この発明によれば、複数の超音波素子上に設けた一枚の振動板により、個々に振動子及び共振子を有する超音波素子をアレイ化したものに比べ、振動面積が増大し、音放射効率が良くなるため、高い音圧を得ることができる効果がある。
また、従来の超音波素子における共振子、ケースおよびベースが不要となり、組み立て工程が大幅に簡略化され、製造にかかるコストもダウンできる効果がある。
また、共振周波数のばらつきが大きい共振子を省略することができるため、共振ばらつきを減少させることができる効果がある。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための最良の形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電気音響変換器を使用した超指向性音源の構成を示したブロック図である。
本発明の実施の形態１に係る超指向性音源は、音声生成器１０、振幅変調器２０、増幅器３０、電気音響変換器４０および高周波生成器５０で構成される。

音声生成器１０は、可聴音を音声信号として振幅変調器２０へ出力する。
高周波生成器５０は、超音波キャリア信号を振幅変調器２０へ出力する。
振幅変調器２０は、前記音声信号により前記超音波キャリア信号を振幅変調した変調信号を生成し、増幅器３０へ出力する。
増幅器３０は、振幅変調器２０から出力された前記変調信号を増幅し、電気音響変換器４０へ出力する。
増幅器３０により増幅された、前記変調信号は、電気音響変換器４０から音波として空中に放射される。

図２は、本発明の実施の形態１に係る電気音響変換器４０を示す図であり、（Ａ）は上面図を示し、（Ｂ）は（Ａ）中のＡ−Ａ線の拡大断面図を示している。
電気音響変換器４０は、振動子を構成する圧電セラミック４１および金属板４２と、前記振動子を保持するための保持材４３と、前記振動子へ変調信号を供給するための端子４４と、保持材４３および端子４４を固定するための基板４５と、前記振動子により振動する振動板４０１と、前記振動子と振動板４０１を結合する凸状体４０２から構成される。
また、図示していないが端子４４は、変調信号を供給するために前記振動子と導電性部材で結合されている。
なお、図２（Ａ）中の符号４２１は、振動板４０１と凸状体４０２との結合部を示している。

超音波素子４６は、前記振動子と、保持材４３と、端子４４とから構成される。
複数の超音波素子４６が、格子状に基板４５上に配置されており、振動板４０１は、前記複数の超音波素子４６と凸状体４０２により結合されている。
なお、基板４５上に配置される超音波素子４６の数は、超音波素子自体の大きさ及び基板４５の大きさによって決まるものである。

振動板４０１としては、ある程度の強度を有し軽量であるもの、例えば、金属箔、高分子樹脂シート、ＦＰＲ（繊維強化プラスチック）等を使用することができる。
また、振動板４０１の厚みは、屈曲振動が起こらない程度の厚み、例えば数十μｍから数百μｍの厚さがあればよい。なお、振動板の強度によって屈曲振動が起こらない厚みは異なるため、振動板の強度に応じて屈曲振動が起こらない厚みを決定する。

また、前記振動子を構成する金属板４２の形状は、円形以外に、四角、六角等の任意の形状のものでもよい。

図３は、凸状体４０２として使用可能な形状を示した断面図である。
（Ａ）は、圧電セラミック４１から金属板４２を貫通して取り付けた棒状体であり、その上端部を広げ振動板４０１との結合部の面積を広くした棒状の凸状体４０３を示している。
（Ｂ）は、円筒等の筒状体を短く切断した筒状の凸状体４０４を示している。
（Ｃ）は、金属板４２の上面中央部とは小面積で結合し、振動板４０１とは広い面積で結合した断面がＶ字形となるコーン形状の凸状体４０５を示している。
また、凸状体を有さず、単に、振動子の金属板４２の上面中央部に小口径に滴下した接着剤等により振動板４０１を直接結合してもよい。

ここで、上記凸状体の望ましい構造として、変形なく金属板４２の振動を振動板４０１へ伝達することができ、また金属板４２との結合面積が小さく、振動板４０１との結合面積は大きい方が望ましい。
つまり、屈曲振動を起こす金属板４２と凸状体４０２は、振動の振幅幅が最大となる金属板４２の上面中央部と結合することで、振動板４０１の振動の振幅が最大となり、振動板４０１と凸状体４０２との結合は、結合面積を大きくすることにより振動板４０１と凸状体４０２との結合部における振動板４０１の変形が軽減され有効に振動子の振動が振動板４０１へ伝達されることとなる。

次に動作について説明する。
音声生成器１０より、可聴音が音声信号として振幅変調器２０へ出力されると、振幅変調器２０は、高周波生成器５０より出力される超音波キャリア信号を、前記音声信号により振幅変調した変調信号を生成し、増幅器３０へ出力する。
前記変調信号を受信した増幅器３０は、前記変調信号を増幅し、電気音響変換器４０へ出力する。
増幅器３０により増幅された、前記変調信号は、電気音響変換器４０から音波として空中に放射される。

ここで、変調信号が、電気音響変換器４０から音波として空中に放射される過程を、図４を使用して詳細に説明する。
図４は、本発明の実施の形態１に係る素子とその振動状態を説明する拡大断面図である。
まず、端子４４（図示せず）を介して、増幅器３０で増幅された変調信号が、圧電セラミック４１および金属板４２から構成される振動子へ供給される。
圧電セラミック４１は、前記変調信号による電圧の変化に対応した機械的変形を生じ、前記振動子は屈曲振動を起こす。
前記屈曲振動により生じた振動が、凸状体４０２を介して振動板４０１へ伝達され、振動板４０１が振動することにより、前記変調信号が音波として空中に放射される。
このとき、基板４５上に配置された複数の超音波素子４６は、協同して一様な動作で振動板４０１を振動させる。

また、図４において、圧電セラミック４１と金属板４２で構成される振動子に振動板４０１を結合した場合における、振動板４０１の振動の変位分布を符号４１１で示している。
また、図４において、振動板４０１を設けず、前記振動子が単体で機械的に共振している場合の振動の変位分布を符号４１２で示している。
振動板４０１を設けない場合には、前記振動子は、図４中の符号４１２のように、屈曲振動を生じるため、音圧が上がらない。
それに対し、振動板４０１を設けた場合、複数の超音波素子４６は、協同して一様な動作で振動板４０１を振動させるため、図４中の符号４１１に示すように、前記振動子の振動方向に対して垂直な平面上において、振動板４０１全体が一様に振動することとなり、平坦な振幅特性を得ることができる。

以上のように、実施の形態１に係る電気音響変換器は、音声信号により超音波キャリア信号を変調した変調信号を音波として空中へ放射する電気音響変換器において、前記変調信号を入力して振動する複数の超音波素子と、前記複数の超音波素子上に設けられ、前記複数の超音波振動子と振動して音波を放射する一枚の振動板とを備えるようにしたので、個々の超音波素子に付いていた振動子が一枚の振動板となり、複数の超音波素子をアレイ化したものに比べ、振動面積が増大し、音放射効率が良くなるため、高い音圧を得ることができる効果がある。

また、従来の超音波素子に付いていた共振子、ケースおよびベースが不要となり、組み立て工程が大幅に簡略化され、製造に係るコストもダウンできる効果がある。
また、共振周波数のばらつきが大きい共振子がないため、共振ばらつきが少なくなる効果がある。
また、振動面が振動板全体となり、平坦な振幅特性を得ることができ、従来のように振動板の屈曲振動が起こりにくいため音の発生効率が格段に良くなるという効果がある。
また、振動子の共振状態においては、振動板の振幅が最大となるので、発生する音圧も大きくなるという効果がある。

なお、ベースを有したまま、基板上に超音波素子を配置し振動板を設ける構成としてもかまわない。
また、振動板４０１を保護し、振動板より放射される音波が通過するカバーを、電気音響変換器に設けてもよい。
この場合、電気音響変換器に損傷の可能性がある場所においても使用することが可能となる。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係る電気音響変換器の構成を示す図である。
なお、図５では、超音波素子４６の配列を示すために電気音響変換器から振動板を取り除いている。
ここで、実施の形態２による電気音響変換器の特徴は、超音波素子４６の配列にある。
実施の形態１においては、複数の超音波素子４６は格子状に配置されており、図２中の（Ａ）に示すように、結合部４２１が格子状となるよう基板に配置されるため、振動板４０１に十分な強度を有さないものを使用した場合、振動板４０１は、結合部４２１により超音波素子に保持されていない部分において屈曲振動を起こす可能性がある。

そこで、実施の形態２では、結合部を半ピッチずらして正三角形の頂点に位置するようにすることで、基板上に超音波素子４６の最密充填面を形成している。このように構成することで振動板における結合部と結合していないスペースを狭くすることでき、屈曲し得るスペースが狭くなり、屈曲振動が起こりにくい構成とすることができる。

以上のように、実施の形態２に係る電気音響変換器は、超音波素子の配列を最密充填面となるように配置し、屈曲振動を起こす可能性があるスペースを小さくしているため、屈曲振動が起こりにくいという効果ある。
また、屈曲振動が起こりにくいため、振動板の厚みを薄くしたり、強度の弱い材質でも使用できる効果がある。

本発明の実施の形態１に係る超指向性音源の構成の一例を示すブロック図である。本発明の実施の形態１に係る電気音響変換器の正面図および断面図である。本発明の実施の形態１に係る凸状体の形状を示す図である。本発明の実施の形態１に係る電気音響変換器の振動状態を示す断面図である。本発明の実施の形態２に係る超音波素子の配列方法の一例を示す構成図である。

符号の説明

１０音声生成器、２０振幅変調器、３０増幅器、４０電気音響変換器、４１圧電セラミック、４２金属板、４３保持材、４４端子、４５基板、４６超音波素子、５０高周波生成器、４０１振動板、４０２凸状体、４０３棒状の凸状体、４０４筒状の凸状体、４０５コーン形状の凸状体、４１１振動板の変位分布、４１２振動子の変位分布、４２１結合部。

Claims

音声信号により超音波キャリア信号を変調した変調信号を音波として空中へ放射する電気音響変換器において、
前記変調信号を入力して振動する複数の超音波素子と、前記複数の超音波素子上に設けられ、前記複数の超音波振動子と振動して音波を放射する一枚の振動板を備えたことを特徴とする電気音響変換器。
前記振動板と前記超音波素子とを結合する凸状体を備えたことを特徴とする請求項１記載の電気音響変換器。