JP2012029089A - 電気音響変換器 - Google Patents

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Yuichiro Kishinami
雄一郎 岸波
Yasuharu Onishi
康晴 大西
Motoyoshi Komoda
元喜 菰田
Shigeo Sato
重夫 佐藤
Atsushi Kuroda
淳 黒田
Yukio Murata
行雄 村田
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Abstract

【課題】高い指向性を備え、かつ高い音圧レベルを実現することができる電気音響変換器を提供する。
【解決手段】発振装置10と、発振装置10が有する第1の振動面に設けられ、開口端50を有する導波路30と、第1の振動面とは逆の面により構成される第2の振動面に設けられ、開口端52を有する導波路35と、を備え、発振装置10は、第1の振動面から導波路30に向けて、第2の振動面から導波路35に向けて、それぞれ波長をλとする一定の超音波を発し、導波路30と導波路35の長さの差dは、(n+1/4)×λ<d<(n+3/4)×λ(nは整数)である。
【選択図】図1

Description

本発明は、超音波を利用した電気音響変換器に関する。
携帯機器などの電気音響変換器として、圧電型電気音響変換器がある。圧電型電気音響変換器は、圧電振動子に電界を印加することにより発生する伸縮運動を利用して、振動振幅を発生させるものである。圧電型電気音響変換器は、振動振幅を発生させるために多数の部材を必要とせず、薄型化に有利である。
圧電型電気音響変換器は、超音波を利用したパラメトリックスピーカとして用いられる場合がある。パラメトリックスピーカは、変調した超音波から、空気の疎密現象を利用して可聴音を復調するというものである。超音波を利用しているため、通常のスピーカと比べて高い指向性を実現できる。
特許文献1には、圧電体を用いた技術として、弾性表面波素子に関する技術が開示されている。また、超音波によるパラメトリック現象を利用した技術としては、特許文献2に記載の技術が挙げられる。特許文献2には、高い音圧の再生可聴音を実現するパラメトリックスピーカに関する技術が記載されている。他にも超音波を利用した技術として、特許文献3に記載の技術が挙げられる。
特開平4−183106号公報 特開2009−290357号公報 特開2010−31536号公報
超音波を利用することにより、高い指向性をもった電気音響変換器の実現が可能となる。一方で、電気音響変換器には、音響再生を可能とするための一定以上の音圧レベルを確保することが求められる。
本発明の目的は、高い指向性を備え、かつ高い音圧レベルを実現することができる電気音響変換器を提供することにある。
本発明によれば、発振装置と、
前記発振装置が有する第1の振動面に設けられ、第1の開口端を有する第1の導波路と、
前記第1の振動面とは逆の面により構成される第2の振動面に設けられ、第2の開口端を有する第2の導波路と、
を備え、
前記発振装置は、前記第1の振動面から前記第1の導波路に向けて、前記第2の振動面から前記第2の導波路に向けて、それぞれ波長をλとする一定の超音波を発し、
前記第1の導波路と前記第2の導波路の長さの差dは、
(n+1/4)×λ<d<(n+3/4)×λ (nは整数)
である電気音響変換器が提供される。
本発明によれば、高い指向性を備え、かつ高い音圧レベルを実現することができる電気音響変換器を提供することができる。
第1の実施形態に係る電気音響変換器を示す断面図である。 図1に示す発振装置を示す断面図である。 図2に示す圧電振動子を示す断面図である。 第2の実施形態に係る電気音響変換器を示す断面図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
図1は、第1の実施形態に係る電気音響変換器100を示す断面図である。電気音響変換器100は、発振装置10と、導波路30と、導波路35と、を備えている。電気音響変換器100は、例えば電子機器(携帯電話、ラップトップ型コンピュータ、小型ゲーム機器等)の音源として用いられる。
導波路30は、発振装置10が有する第1の振動面に設けられている。また導波路30は、開口端50を有する。導波路35は、第1の振動面とは逆の面により構成される第2の振動面に設けられている。また導波路35は、開口端52を有する。発振装置10は、第1の振動面から導波路30に向けて波長λとする一定の超音波40を発する。また発振装置10は、第2の振動面から導波路35に向けて波長λとする一定の超音波45を発する。導波路30と導波路35の長さの差dは、
(n+1/4)×λ<d<(n+3/4)×λ (nは整数)
である。以下、図1〜図3を用いて、電気音響変換器100の構成について詳細に説明する。
図1に示すように、電気音響変換器100は、筐体20をさらに有している。筐体20は、発振装置10を内部に有している。開口端50と開口端52は、筐体20の表面のうち平面部分に設けられている。なおこの場合の開口端50、52とは、それぞれ導波路30、35の少なくとも一部が筐体20の外部へ開放され始める部分を示している。
図2に示すように、発振装置10は、圧電振動子60と、振動部材80と、支持部材70とを有している。振動部材80は、圧電振動子60を拘束している。支持部材70は、振動部材80を支持している。また発振装置10は、制御部90と、信号生成部92と、をさらに備えている。信号生成部92は、圧電振動子60と接続しており、圧電振動子60に入力する電気信号を生成する。制御部90は、信号生成部92と接続しており、外部から入力された情報に基づいて、信号生成部92による信号の生成を制御する。発振装置10はスピーカとして使用されるため、制御部90に入力される情報は音声信号である。
本実施形態において、発振装置10は、パラメトリックスピーカとして使用される。このため、制御部90は信号生成部92を介してパラメトリックスピーカとしての変調信号を入力する。パラメトリックスピーカとして用いる場合、圧電振動子60は、20kHz以上、例えば100kHzの音波を信号の輸送波として用いる。発振装置10において、例えば圧電振動子60及び振動部材80は、アレイ状に複数組設けられている。これにより、発振装置10が発する超音波40、45の指向性を向上させることができる。
図3は、図2に示す圧電振動子60を示す断面図である。図3に示すように、圧電振動子60は、圧電体62、上部電極64、下部電極66からなる。また圧電振動子60は、例えば円形、楕円形、又は矩形を有する。圧電体62は、上部電極64と下部電極66に挟まれている。圧電体62は、圧電効果を有する材料により構成され、例えばジルコン酸チタン酸鉛(PZT)、又はチタン酸バリウム(BaTiO)等により構成される。また圧電体62の厚みは、10um〜1mmであることが好ましい。厚みが10um未満である場合、圧電体62は脆性材料により構成されるため、破損等が生じやすい。一方、厚みが1mmを超える場合、圧電体62の電界強度が低減する。従ってエネルギー変換効率の低下を招く。
上部電極64、及び下部電極66は、例えば銀、又は銀/パラジウム合金等によって構成される。上部電極64、及び下部電極66の厚みは、1〜50umであることが好ましい。厚みが1um未満の場合、均一に成形することが難しくなる。一方、50umを超える場合、上部電極64、又は下部電極66が圧電体62に対して拘束面となり、エネルギー変換効率の低下を招く。
振動部材80は、セラミック材料に対して高い弾性率を持つ材料によって構成され、例えばリン青銅、又はステンレス等によって構成される。振動部材80の厚みは、5〜500umであることが好ましい。また振動部材80の縦弾性係数は、1〜500GPaであることが好ましい。振動部材80の縦弾性係数が過度に低い、又は高い場合、機械振動子としての特性や信頼性を損なうおそれがある。
図1に示すように、開口端50と開口端52は、筐体20の表面に設けられている。また開口端50と開口端52は、同じ向きを向いている。このため超音波40、45は、略同一の方向に向けて開口端50、52からそれぞれ発せられる。開口端50、52から発せられた超音波40、45は、それぞれ多少の広がりを見せながら進行していく。よって超音波40と超音波45は、筐体20の表面から一定の距離を進行した後に、合成されることとなる。
導波路30は、発振装置10側を構成する内側領域32と、開口端50側を構成する外側領域34により構成されている。また導波路30は、内側領域32と外側領域34の接合部において折れ曲がっている。導波路35は、発振装置10側を構成する内側領域37と、開口端52側を構成する外側領域39により構成されている。また導波路35は、内側領域37と外側領域39の接合部において折れ曲がっている。内側領域32の長さは、内側領域37の長さよりも長い。また外側領域34の長さは、外側領域39の長さと等しい。このため導波路30は、導波路35よりも長さdだけ長い。なお内側領域32及び内側領域37の長さは、発振装置10の位置を変更することにより調整することができる。これにより、導波路30と導波路35の長さの差dを調整することができる。
内側領域32は、外側領域34と直角をなすように設けられている。また内側領域37は、外側領域39と直角をなすように設けられている。発振装置10から発せられた超音波40は、空気が圧縮することにより生じる圧力を受けて、内側領域32から外側領域34へと進行する。また超音波45は、同様の原理によって、内側領域37から外側領域39へと進行する。
次に、電気音響変換器100の音圧が増大する原理について説明する。本実施形態において、波長λを有する超音波40と超音波45は、発振装置10が有する第1の振動面と、第1の振動面とは逆の面により構成される第2の振動面からそれぞれ発せられる。このため、超音波40と超音波45は逆の位相を有している。すなわち超音波40と超音波45の位相は、λ/2ずれている。ここで導波路30と導波路35は、長さが互いに異なる。よって超音波40と超音波45は、それぞれ開口端50と開口端52に到達するまでの長さが互いに異なる。この長さの差dは、
(n+1/4)×λ<d<(n+3/4)×λ (nは整数)
である。よって開口端50から発せられた超音波40と、開口端52から発せられた超音波45とは互いに強め合う。これにより電気音響変換器100の音圧が増幅されることとなる。なお、長さの差dの範囲は、好ましくは、
(n+3/8)×λ<d<(n+5/8)×λ (nは整数)
であり、さらに好ましくは、
d=λ/2
である。
次に本実施形態の効果について説明する。本実施形態に係る電気音響変換器100では、発振装置10に設けられた導波路30、35の長さが異なっている。これにより、発振装置10の第1の振動面から発せられる超音波40と、第1の振動面とは逆の面により構成される第2の振動面から発せられる超音波45の位相を調整することができる。このため超音波40と超音波45を合成させて、電気音響変換器100の音圧を増大させることが可能となる。よって高い指向性を備え、かつ高い音圧レベルを実現することができる。
また超音波は、可聴音波に比べて直進性に優れている。このため導波路30、35内において音波が乱れ、音波がキャンセリングされてしまうことを抑制できる。従って、より効率的に音圧レベルの向上を図ることができる。
図4は、第2の実施形態に係る電気音響変換器102を示す断面図であり、第1の実施形態に係る図1に対応している。電気音響変換器102は、反射部材54、反射部材56をさらに備えている点を除いて、第1の実施形態に係る電気音響変換器100と同様である。
反射部材54は、導波路30の内部に設けられており、内側領域32と外側領域34の接合部に位置する。反射部材54は、超音波40の進行方向を変える機能を有する。反射部材56は、導波路35の内部に設けられており、内側領域37と外側領域39の接合部に位置する。反射部材56は、超音波45の進行方向を変える機能を有する。
本実施形態においても、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。また導波路30、35の内部には、超音波40、45の進行方向を変更することができる反射部材54、56がそれぞれ設けられている。このため、導波路30、35内における音波のキャンセリングを、より効果的に抑制できる。従って、より効率的に音圧レベルの向上を図ることができる。
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
10 発振装置
20 筐体
30 導波路
32 内側領域
34 外側領域
35 導波路
37 内側領域
39 外側領域
40 超音波
45 超音波
50 開口端
52 開口端
54 反射部材
56 反射部材
60 圧電振動子
62 圧電体
64 上部電極
66 下部電極
70 支持部材
80 振動部材
90 制御部
92 信号生成部
100 電気音響変換器
102 電気音響変換器

Claims (8)

  1. 発振装置と、
    前記発振装置が有する第1の振動面に設けられ、第1の開口端を有する第1の導波路と、
    前記第1の振動面とは逆の面により構成される第2の振動面に設けられ、第2の開口端を有する第2の導波路と、
    を備え、
    前記発振装置は、前記第1の振動面から前記第1の導波路に向けて、前記第2の振動面から前記第2の導波路に向けて、それぞれ波長をλとする一定の超音波を発し、
    前記第1の導波路と前記第2の導波路の長さの差dは、
    (n+1/4)×λ<d<(n+3/4)×λ (nは整数)
    である電気音響変換器。
  2. 請求項1に記載の電気音響変換器において、
    前記発振装置と接続する信号生成部と、
    前記信号生成部と接続し、前記信号生成部による信号の生成を制御する制御部と、
    をさらに備える電気音響変換器。
  3. 請求項1または2に記載の電気音響変換器において、
    前記発振装置は、圧電振動子と、前記圧電振動子を拘束する振動部材と、前記振動部材を支持する支持部材と、を有している電気音響変換器。
  4. 請求項1ないし3いずれか1項に記載の電気音響変換器において、
    前記発振装置を内部に有する筐体をさらに備え、
    前記第1の開口端と前記第2の開口端は、前記筐体の表面に設けられており、かつ同じ向きを向いている電気音響変換器。
  5. 請求項1ないし4いずれか1項に記載の電気音響変換器において、
    前記第1の導波路は、
    前記発振装置側を構成する第1の内側領域と、前記第1の開口端側を構成する第1の外側領域により構成され、かつ前記第1の内側領域と前記第1の外側領域の接合部において折れ曲がっており、
    前記第2の導波路は、
    前記発振装置側を構成する第2の内側領域と、前記第2の開口端側を構成する第2の外側領域により構成され、かつ前記第2の内側領域と前記第2の外側領域の接合部において折れ曲がっており、
    前記第1の内側領域の長さは、前記第2の内側領域の長さよりも長く、
    前記第1の外側領域の長さは、前記第2の外側領域の長さと等しい電気音響変換器。
  6. 請求項5に記載の電気音響変換器において、
    前記第1の内側領域は、前記第1の外側領域と直角をなすように設けられており、
    前記第2の内側領域は、前記第2の外側領域と直角をなすように設けられている電気音響変換器。
  7. 請求項1ないし6いずれか1項に記載の電気音響変換器において、
    前記第1の導波路と前記第2の導波路の長さの差dは、
    (n+3/8)×λ<d<(n+5/8)×λ (nは整数)
    である電気音響変換器。
  8. 請求項1ないし7いずれか1項に記載の電気音響変換器において、
    前記第1の導波路には、前記第1の内側領域と前記第1の外側領域の接合部において前記超音波の進行方向を変える反射部材が形成されている電気音響変換器。
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