JP2012029091A - 電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】高効率で可聴音を再生することができる電子機器を提供する。
【解決手段】電子機器１００は、第１の振動面から超音波４０を発振する発振装置１０と、発振装置１０を内部に有する筐体２０と、第１の振動面に対向して設けられ、筐体２０の表面に開口端５０を有する導波路３０と、開口端５０に設けられ、少なくとも一つの貫通孔を有する復調膜８０と、を備える。これにより筐体２０内部における音波のキャンセリングを回避し、高効率で可聴音を再生することができる
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波を利用した電子機器に関する。

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。

携帯機器等に搭載されるスピーカに関する技術としては、特許文献１に記載のものが挙げられる。特許文献１に記載の技術は、ボイスコイル等を利用した動電型電気音響変換器に関して、小型であっても優れた駆動特性及び音響特性を実現するというものである。

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。

超音波を利用した電気音響変換器に関する技術としては、特許文献２及び３に記載のものがある。特許文献２に記載の技術は、発生した超音波を特定の周波数で共鳴させることにより、発生音圧を大きくするというものである。特許文献３に記載の技術は、パラメトリックスピーカを用いて、３次元のオーディオシステムを実現するというものである。

特開２００３−１１１１９４号公報 特開２００８−１４８００１号公報 特表２００２−５２５９６１号公報

電子機器の内部において発振された音波が拡散することにより、音波のキャンセリングが生じる場合があった。この場合、効率的な音響再生を行うことができない。よって内部におけるキャンセリングを回避し、高効率で可聴音を再生することができる電子機器の開発が求められている。

本発明の目的は、高効率で可聴音を再生することができる電子機器を提供することにある。

本発明によれば、第１の振動面から超音波を発振する発振装置と、
前記発振装置を内部に有する筐体と、
前記第１の振動面に対向して設けられ、前記筐体の表面に第１の開口端を有する第１の導波路と、
前記第１の開口端に設けられ、少なくとも一つの貫通孔を有する第１の復調膜と、
を備える電子機器が提供される。

本発明によれば、高効率で可聴音を再生することができる電子機器を提供することができる。

第１の実施形態に係る電子機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。 図１に示す復調膜を示す断面図である。 図１に示す復調膜を示す断面図である。 第２の実施形態に係る電子機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子機器１００を示す断面図である。電子機器１００は、発振装置１０と、筐体２０と、導波路３０と、復調膜８０と、を備えている。電子機器１００は、例えば携帯通信端末、ラップトップ型コンピュータ、又は小型ゲーム機器等である。

発振装置１０は、第１の振動面から超音波４０を発振する。筐体２０は、発振装置１０を内部に有している。導波路３０は、第１の振動面に対向して設けられている。また導波路３０は、筐体２０の表面に開口端５０を有している。復調膜８０は、開口端５０に設けられている。また復調膜８０は、少なくとも一つの貫通孔を有している（図４及び図５参照）。以下図１〜図５を用いて、電子機器１００の構成について詳細に説明する。

図１に示すように、電子機器１００は、導波路３５と、復調膜８５をさらに備えている。発振装置１０は、第１の振動面とは逆の面により構成される第２の振動面から超音波４５を発振する。導波路３５は、第２の振動面に対向して設けられている。また導波路３５は、筐体２０の表面に開口端５５を有している。復調膜８５は、開口端５５に設けられている。また復調膜８５は、少なくとも一つの貫通孔を有している（図４及び図５参照）。

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７２と、支持部材７０とを有している。振動部材７２は、圧電振動子６０を拘束している。支持部材７０は、振動部材７２を支持している。また発振装置１０は、制御部７４と、信号生成部７６と、をさらに備えている。信号生成部７６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７４は、信号生成部７６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７６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７４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７４は信号生成部７６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７２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。また、圧電振動子６０及び振動部材７２は、それぞれ単数であってもよい。

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_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７２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７２の厚みは、５〜５００ｕｍであることが好ましい。また振動部材７２の縦弾性係数は、１〜５００ＧＰａであることが好ましい。振動部材７２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。

導波路３０は、第１の振動面と開口端５０をつなぐ導波管２２を設けることにより形成されている。導波路３５は、第２の振動面と開口端５５をつなぐ導波管２４を設けることにより形成されている。また導波路３０、３５は、第１の振動面及び第２の振動面と垂直に設けられている。導波路３０、３５の面積は、例えば０．１ｍｍ^２以上あればよい。

図４及び図５は、図１に示す復調膜８０、８５を示す断面図である。図４及び図５に示すように、復調膜８０、８５には、複数の貫通孔５２が設けられている。また復調膜８０、８５は、開口端５０、５５の内側にあっても外側にあってもよい。復調膜８０、８５は、樹脂材料により構成され、例えば汎用性や加工性を考慮すると、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ウレタン、又はポリエチレン等により構成されている。また復調膜８０、８５は内部損失が大きく、その値は振動部材７２の内部損失より大きい。このため、復調膜８０、８５によって音質が劣化することを抑制できる。

まず、一般的なパラメトリックスピーカの原理を説明する。パラメトリックスピーカは、複数の発振源それぞれからＡＭ変調やＤＳＢ変調、ＳＳＢ変調、ＦＭ変調をかけた超音波（輸送波）を空気中に放射し、超音波が空気中に伝播する際の非線形特性により、可聴音を出現させるものである。ここでの非線形とは、流れの慣性作用と粘性作用の比で示されるレイノルズ数が大きくなると、層流から乱流に推移することを示す。音波は流体内で微少にじょう乱しているため、音波は非線形で伝播している。特に超音波周波数帯では音波の非線形性が容易に観察できる。そして超音波を空気中に放射した場合、音波の非線形性に伴う高調波が顕著に発生する。また音波は、空気中において分子密度に濃淡が生じる疎密状態である。そして空気分子が圧縮よりも復元するのに時間が生じた場合、圧縮後に復元できない空気が、連続的に伝播する空気分子と衝突し、衝撃波が生じる。この衝撃波により可聴音が発生する。

次に、図４及び図５を用いて、電子機器１００による音響再生の原理を説明する。まず図４を用いて、第１の音響再生の原理について説明する。圧電振動子６０に変調信号が入力されると、発振装置１０から、変調信号に従った超音波４０（４５）が放射される。図４に示すように、放射された超音波４０（４５）は、一部が復調膜８０（８５）の貫通孔５２を通過し、残りが復調膜８０（８５）の中を進む。ここで復調膜８０（８５）は、空気とは音波の伝播速度が異なる。このため、復調膜８０（８５）を進む超音波４０（４５）と貫通孔５２を進む超音波４０（４５）とは位相が互いにずれる。そして位相がずれた超音波４０（４５）が互いに重なり合うことにより、可聴音が出現する。

次に図５を用いて、第２の音響再生の原理を説明する。図５に示すように、発振装置１０から放射された超音波４０（４５）の一部は、貫通孔５２へ向けて直進する。一方、超音波４０（４５）の他の一部は、発振装置１０から復調膜８０（８５）の裏面（発振装置１０と対向する面）へ向けて直進した後、この裏面に沿って貫通孔５２側へ進む。従って、超音波４０（４５）の一部と、他の一部は、貫通孔５２から放射される時点における位相が互いに異なる。そして位相がずれた超音波４０（４５）が互いに重なり合うことにより、可聴音が出現する。

ここで、超音波４０、４５の波長がλである場合において、復調膜８０、８５の膜厚がλ／４を超える場合の方が、第１の音響再生の原理による復調が生じやすくなると同時に、第２の音響再生の原理による復調が生じにくくなる。一方で、復調膜８０、８５の膜厚がλ／４以下である場合には、第２の音響再生の原理による復調が優先的に生じる。

また、可聴音を生じさせるための位相差は、λ／４以下であることが好ましい。位相差をλ／４以下とすることにより、確実に可聴音の復調を実現しつつ、可聴音の出力効率を高めることができる。そして、貫通孔５２の半径をλ／４以下とすることにより、位相差をλ／４以下にし易くなる。

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子機器１００では、発振装置１０から復調膜８０、８５までの導波路３０、３５を、直進性の高い超音波４０、４５が進行する。このため導波路３０、３５内において音波が拡散することによるキャンセリングを回避することができる。そして開口端５０、５５にそれぞれ位置する復調膜８０、８５によって、可聴音が復調される。このため空気の非線形を利用した復調方式に比べて、低音圧の超音波による復調が可能となる。従って、高効率で可聴音を再生することができる。

また、発振装置１０の第１の振動面及び第２の振動面には、それぞれ導波路３０、３５が設けられている。よって第１の振動面と第２の振動面の両面から発振された超音波４０、４５を使用することができ、高効率で音響再生が可能となる。さらに導波路３０は第１の振動面と垂直であり、導波路３５は第２の振動面と垂直である。発振装置１０から発せられる超音波４０、４５は、第１の振動面及び第２の振動面と垂直であることが多いため、さらに高効率で音響再生が可能となる。

図６は、第２の実施形態に係る電子機器１０２を示す断面図であって、第１の実施形態に係る図１に対応している。本実施形態に係る電子機器１０２では、導波管２２、２４を設けていない点を除いて、第１の実施形態に係る電子機器１００と同様である。

電子機器１０２は、筐体の内部に設けられた構成部品９０をさらに備えている。第１の振動面のうち少なくとも一部と、開口端５０のうち少なくとも一部を結ぶ直線上には、いずれの構成部品９０も位置していない。また第２の振動面のうち少なくとも一部と、開口端５５のうち少なくとも一部を結ぶ直線上には、いずれの構成部品９０も位置していない。導波路３０は、開口端５０と、発振装置１０が重なっている場所のうち、構成部品９０が位置していない部分によって構成される。また導波路３５は、開口端５５と発振装置１０が重なっている場所のうち、構成部品９０が位置していない部分によって構成される。

電子機器１０２は、実装基板９２をさらに備えている。実装基板９２は、筐体２０の上面及び底面に平行に配置されている。実装基板９２は、例えばプリント配線基板である。構成部品９０は、実装基板９２上に実装されている。また実装基板９２上における構成部品９０の高さは、互いに異なっている。構成部品９０は、例えばディスクリート部品や半導体パッケージ等の電子部品を含む。

発振装置１０は、実装基板９２と交わる方向に設けられる。この場合、導波路３０、３５は、実装基板９２と交わらないように設けられている。そして開口端５０、５５は、筐体２０の側面に配置される。また発振装置１０は、実装基板９２と交わらない方向に設けられてもよい（図示せず）。この場合実装基板９２のうち、導波路３０、３５と交わる部分には貫通孔が形成される（図示せず）。そして開口端５０、５５は、筐体２０の上面及び底面に配置される（図示せず）。

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。また本実施形態に係る電子機器１０２では、超音波４０、４５の直進性を利用して、構成部品９０の隙間を導波路３０、３５としている。従って、導波管を設けずとも音響再生をすることができ、電子機器の小型化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
２２ 導波管
２４ 導波管
３０ 導波路
３５ 導波路
４０ 超音波
４５ 超音波
５０ 開口端
５２ 貫通孔
５５ 開口端
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
７２ 振動部材
７４ 制御部
７６ 信号生成部
８０ 復調膜
８５ 復調膜
９０ 構成部品
９２ 実装基板
１００ 電子機器
１０２ 電子機器

Claims (9)

1. 第１の振動面から超音波を発振する発振装置と、
   前記発振装置を内部に有する筐体と、
   前記第１の振動面に対向して設けられ、前記筐体の表面に第１の開口端を有する第１の導波路と、
   前記第１の開口端に設けられ、少なくとも一つの貫通孔を有する第１の復調膜と、
   を備える電子機器。
2. 請求項１に記載の電子機器において、
   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、可聴音の音声データを変調した超音波を発振させる信号を生成するよう前記信号生成部を制御する制御部と、
   をさらに備える電子機器。
3. 請求項１または２に記載の電子機器において、
   前記第１の復調膜は、樹脂材料により構成されている電子機器。
4. 請求項１ないし３に記載の電子機器において、
   前記超音波の波長は、λであり、
   前記第１の復調膜は、膜厚がλ／４以下である電子機器。
5. 請求項１ないし３に記載の電子機器において、
   前記超音波の波長は、λであり、
   前記第１の復調膜は、膜厚がλ／４より厚い電子機器。
6. 請求項１ないし５いずれか１項に記載の電子機器において、
   前記第１の振動面とは逆の面により構成される第２の振動面に対向して設けられ、前記筐体の表面に第２の開口端を有する第２の導波路と、
   前記第２の開口端に設けられた第２の復調膜と、
   をさらに備え、
   前記発振装置は、第２の振動面から超音波を発振する電子機器。
7. 請求項１ないし６いずれか１項に記載の電子機器において、
   前記筐体の内部に設けられた複数の構成部品をさらに備え、
   前記第１の振動面のうち少なくとも一部と、前記第１の開口端のうち少なくとも一部を結ぶ直線上には、いずれの前記構成部品も位置しない電子機器。
8. 請求項１ないし７いずれか１項に記載の電子機器において、
   前記第１の導波路は、前記第１の振動面と前記第１の開口端をつなぐ管を設けることにより形成されている電子機器。
9. 請求項１ないし８いずれか１項に記載の電子機器において、
   前記電子機器は、携帯通信端末である電子機器。

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