JP2012029090A - 電気音響変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】高い指向性と高い音圧レベルを実現し、かつ筐体のデザインに合わせた設計を行うことを可能とす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を内部に有する筐体２０と、発振装置１０が有する第１の振動面に設けられ、筐体２０の表面に位置する開口端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、筐体２０の表面に位置する開口端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、筐体２０の表面のうち開口端５０が設けられている部分を、発振装置１０の近くに位置させることにより、導波路３０を導波路３５よりも長さｄだけ短くしており、（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とは、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及び２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３に記載の技術が挙げられる。特許文献３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。

特開平４−１８３１０６号公報 特開平４−１５０２１６号公報 特開２００９−２９０３５７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、
前記発振装置を内部に有する筐体と、
前記発振装置が有する第１の振動面に設けられ、前記筐体の表面に位置する第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、前記筐体の表面に位置する第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、
前記筐体の表面のうち前記第１の開口端が設けられている部分を、前記発振装置の近くに位置させることにより、前記第１の導波路を前記第２の導波路よりも長さｄだけ短くしており、
（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に示す電気音響変換器の変形例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３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、筐体２０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。図２は、図１に示す電気音響変換器１００の変形例を示す断面図である。図１及び図２に記載される破線は、導波路３０及び導波路３５の周辺の筐体２０の表面形状を示している。

筐体２０は、発振装置１０を内部に有している。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、筐体２０の表面のうち、例えば窪み部等に位置する開口端５０を有している。導波路３５は、発振装置１０が有する第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、筐体２０の表面に位置する開口端５２を有している。発振装置１０は、第１の振動面から導波路３０に向けて波長をλとする超音波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に向けて波長をλとする超音波４５を発する。筐体２０の表面のうち開口端５０が設けられている部分を、発振装置１０の近くに位置させている。これにより導波路３０は、導波路３５よりも長さｄだけ短くなっている。長さｄは、
（ｎ＋１／４）×λ＜ｄ＜（ｎ＋３／４）×λ （ｎは整数）
である。以下図１〜図４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３は、図１に示す発振装置を示す断面図である。図３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４は、図３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_３）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及び図２に示すように、筐体２０の表面には、切りかき部５８が形成されている。このため、開口端５０は、開口端５２よりも発振装置１０に近い位置に設けられている。これにより、導波路３０は、導波路３５よりも長さｄだけ短くなっている。また筐体２０は、例えば図１又は図２に示す表面形状を有している。なおこの場合の開口端５０、５２とは、図１及び２に示すようにそれぞれ導波路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。

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からそれぞれ発せされる。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の長さと等しい。外側領域３４の長さは、外側領域３９の長さよりも短い。このため導波路３０は、導波路３５よりも長さｄだけ短い。なお外側領域３４の長さは、切りかき部５８の大きさ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の一面及び他面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の一面から発せられた超音波４０と、他面から発せられた超音波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。

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５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
５８ 切りかき部
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、
   前記発振装置を内部に有する筐体と、
   前記発振装置が有する第１の振動面に設けられ、前記筐体の表面に位置する第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、前記筐体の表面に位置する第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、
   前記筐体の表面のうち前記第１の開口端が設けられている部分を、前記発振装置の近くに位置させることにより、前記第１の導波路を前記第２の導波路よりも長さｄだけ短くしており、
   （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、
   前記第１の開口端と前記第２の開口端は、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の内側領域の長さと等しく、
   前記第１の外側領域の長さは、前記第２の外側領域の長さより短い電気音響変換器。
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５または６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。

Images