JP2012029106A - 電気音響変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】可聴音が復調される範囲の奥行きを制御する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、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、開口端５２を有する導波路３２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３２に向けて、それぞれ超音波４０、４５を発し、導波路３０は、内側領域１１０と、外側領域１２０により構成されており、導波路３２は、内側領域１１２と、外側領域１２２により構成されており、外側領域１２０を開口端５０側に延伸した線と、外側領域１２２を開口端５２側に延伸した線が、互いに交わるように構成されている。
【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。

パラメトリックスピーカに関する技術として、特許文献１及び２に記載のものが挙げられる。特許文献１に記載の技術は、空気層を膨張及び収縮させることで超音波を発生させるというものである。特許文献２に記載の技術は、携帯電話のスピーカにおいて、可聴音の再生にパラメトリック現象を利用するというものである。

特開２００４−１４７３１１号公報 特開２００５−４５５１６号公報

パラメトリックスピーカ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、超音波の有する高い指向性を利用して、可聴音が復調される範囲の奥行きを制御することを可能とする電気音響変換器の開発が求められている。

本発明の目的は、可聴音が復調される範囲の奥行きを制御することを可能とす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、
前記発振装置が有する前記第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、それぞれ超音波を発し、
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ており、
前記第１の外側領域を前記第１の開口端側に延伸した線と、前記第２の外側領域を前記第２の開口端側に延伸した線が、第１の交点において互いに交わるように構成されている電気音響変換器が提供される。

本発明によれば、可聴音が復調される範囲の奥行きを制御することを可能とす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。 第３の実施形態に係る電気音響変換器を示す断面図である。 第４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３２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。なお図１、図２、及び後述する図５〜７に記載される破線部分は、音波が伝搬する空間を示している。

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、開口端５０を有している。導波路３２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３２は、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に向けて超音波を発する。また発振装置１０は、第２の振動面から導波路３２に向けて超音波を発する。

導波路３０は、発振装置１０側を構成する内側領域１１０と、開口端５０側を構成する外側領域１２０により構成されている。導波路３２は、発振装置１０側を構成する内側領域１１２と、開口端５２側を構成する外側領域１２２により構成されている。そして外側領域１２０を開口端５０側に延伸した線と、外側領域１２２を開口端５２側に延伸した線が、交点１３０において互いに交わるように構成されている。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、３２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４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。

導波路３０は、図１に示すように内側領域１１０と外側領域１２０の接合部において折れ曲がっている。また導波路３０は、図２に示すように内側領域１１０と外側領域１２０を合わせた全体において湾曲している形状とすることもできる。導波路３２は、図１に示すように内側領域１１２と外側領域１２２の接合部において折れ曲がっている。また導波路３２は、図２に示すように内側領域１１２と外側領域１２２を合わせた全体において湾曲している形状とすることもできる。

発振装置１０が発する超音波の波長はλである。導波路３０と、開口端５０から交点１３０までの直線経路とを合わせた長さと、導波路３２と、開口端５２から交点１３０までの直線経路とを合わせた長さとの差ｄは、例えば
（ｎ＋３／４）×λ＜ｄ＜（ｎ＋５／４）×λ （ｎは整数）
である。また、この長さの差ｄは、他の数値範囲をとることもできる。

次に、可聴音が復調される範囲の奥行きを制御することが可能とな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、超音波４０が交点１３０に到達するまでの長さと、超音波４５が交点１３０に到達するまでの長さは互いに異なる。この長さの差ｄは、
（ｎ＋３／４）×λ＜ｄ＜（ｎ＋５／４）×λ （ｎは整数）
である。このため、超音波４０と超音波４５は、交点１３０において干渉して、互いに消滅し、又は弱め合う。これにより図１に示すように、交点１３０よりも後方へ超音波４０と超音波４５が伝搬されることを防止することが可能となる。なお、交点１３０よりも後方へ音波が伝搬されることを防止する場合、長さの差ｄは、
ｄ＝λ
であることがより好ましい。

また、長さの差ｄは、他の数値範囲をとることもでき、例えば
（ｎ＋１／４）×λ＜ｄ＜（ｎ＋３／４）×λ （ｎは整数）
とすることもできる。この場合、超音波４０と超音波４５は、交点１３０において干渉し合い、互いに強め合う。

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、外側領域１２０を開口端５０側に延伸した線と、外側領域１２２を開口端５２側に延伸した線とが交わるように構成されている。このため、超音波４０と超音波４５は、交点１３０で干渉しあう。交点１３０において超音波４０と超音波４５の位相が逆である場合、交点１３０において超音波４０と超音波４５は消滅し、交点１３０より後方には音波は伝搬されない。本実施形態によれば、このようにして可聴音が復調される範囲の奥行きを制御することが可能となる。

またこの場合図１に示すように、交点１３０より前方では、開口端５０から交点１３０までの直線経路と、開口端５２から交点１３０までの直線経路にのみ音波は伝搬し、他の領域には音波は伝搬しない。このため、より高度な音波の空間制御が可能となる。さらに、交点１３０における超音波４０と超音波４５の位相を調整することによって、交点１３０よりも後方における音圧を制御することができる。従って、さらに高度な音波の空間制御が可能となる。

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、音圧レベルの低減を抑制することができる。

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。本実施形態に係る電気音響変換器１０２は、導波路３０、３２において、それぞれ反射部材５４、５６を設けている点を除いて、第１の実施形態に係る電気音響変換器１００と同様である。

導波路３０は、内側領域１１０と外側領域１２０の接合部において折れ曲がっている。導波路３２は、内側領域１１２と外側領域１２２の接合部において折れ曲がっている。反射部材５４は、内側領域１１０と外側領域１２０の接合部に位置し、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、内側領域１１２と外側領域１２２の接合部に位置し、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、３２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、３２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、より効果的に音圧レベルの低減を抑制することができる。

図６は、第３の実施形態に係る電気音響変換器１０４を示す断面図であり、第２の実施形態に係る図５に対応している。本実施形態に係る電気音響変換器１０４は、反射部材５４、５６を動かす駆動機構９８と、駆動機構９８を制御する制御部９６を有している点を除いて、第２の実施形態に係る電気音響変換器１０２と同様である。

駆動機構９８は、反射部材５４及び反射部材５６と接続している。駆動機構９８は、例えばＭＥＭＳにより構成される。制御部９６は、駆動機構９８と接続している。制御部９６は、駆動機構９８を介して、反射部材５４、５６の角度を制御することができる。反射部材５４、５６の角度が変更されることで、超音波４０と超音波４５の放射角度を制御することができ、これにより交点１３０の位置を移動させることができる。なお、超音波４０と超音波４５の放射角度の範囲に合わせて、開口端５０と開口端５２の径を大きくしてもよい。

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。また制御部９６と駆動機構９８によって、超音波４０、４５の放射角度を制御し、交点１３０の位置を移動させることができる。よって、より高度な音波の空間制御を行うことができる。

図７は、第４の実施形態に係る電気音響変換器１０６を示す断面図であり、第２の実施形態に係る図５に対応している。本実施形態に係る電気音響変換器１０６では、導波路３４、３６を設けている。また反射部材５４、５６に加え、半透過型の反射部材５５、５７を設けている。他の点については、第２の実施形態に係る電気音響変換器１０２と同様である。

図７に示すように、電気音響変換器１０６は、導波路３４と、導波路３４に形成されている反射部材５５を備えている。また導波路３６と、導波路３６に形成されている反射部材５７を備えている。導波路３４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３４は、開口端５１を有する。導波路３６は、発振装置１０が有する第２の振動面に設けられている。また導波路３６は、開口端５３を有する。

導波路３４は、発振装置１０側を構成する内側領域１１４と、開口端５１側を構成する外側領域１２４により構成されている。導波路３６は、発振装置１０側を構成する内側領域１１６と、開口端５３側を構成する外側領域１２６により構成されている。外側領域１２４は、外側領域１２０よりも発振装置１０の近くに位置している。外側領域１２６は、外側領域１２２よりも発振装置１０の近くに位置している。

反射部材５５、５７は、発振装置１０が発する超音波４０、４５の一部を透過させるように構成されている。例えば透過孔を形成することで、半透過型の反射部材を構成する。反射部材５４は、発振装置１０からみて反射部材５５の後方に位置する。反射部材５６は、発振装置１０からみて反射部材５７の後方に位置する。

次に本実施形態に係る電気音響変換器１０６の動作について説明する。発振装置１０から発せられた超音波４０、４５は、それぞれ反射部材５５、５７に到達する。反射部材５５、５７は半透過型の反射部材であるため、超音波４０、４５の一部は反射部材５５、５７を透過する。反射部材５５、５７を透過した超音波４０、４５の成分は、反射部材５５、５７の後方に位置する反射部材５４、５６によって反射され、開口端５０、５２からそれぞれ放射される。一方、反射部材５５、５７によって反射された超音波４０、４５の成分は、開口端５１、５３からそれぞれ放射される。すなわち、電気音響変換器１０６からは４つの超音波成分が放射されるため、超音波が干渉しあう交点を２つもつことができる。なお、導波路の数と反射部材の数は適宜増減することができる。導波路と反射部材を３つ以上有する場合、最も外側に位置する２つの反射部材以外の反射部材が、半透過型の反射部材となる。

次に本実施形態の効果について説明する。本実施形態における電気音響変換器１０６では、３つ以上の超音波成分を放射されるため、超音波が干渉しあう交点を２つ以上有することができる。従って、さらに高度な音波の空間制御を行うことができる。

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 導波路
３４ 導波路
３６ 導波路
４０ 超音波
４５ 超音波
５０ 開口端
５１ 開口端
５２ 開口端
５３ 開口端
５４ 反射部材
５５ 反射部材
５６ 反射部材
５７ 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
９６ 制御部
９８ 駆動機構
１００ 電気音響変換器
１０２ 電気音響変換器
１０４ 電気音響変換器
１０６ 電気音響変換器
１１０ 内側領域
１１２ 内側領域
１１４ 内側領域
１１６ 内側領域
１２０ 外側領域
１２２ 外側領域
１２４ 外側領域
１２６ 外側領域
１３０ 交点

Claims (9)

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、
   前記発振装置が有する前記第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、それぞれ超音波を発し、
   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ており、
   前記第１の外側領域を前記第１の開口端側に延伸した線と、前記第２の外側領域を前記第２の開口端側に延伸した線が、第１の交点において互いに交わるように構成されている電気音響変換器。
2. 請求項１に記載の電気音響変換器において、
   前記発振装置が発する前記超音波の波長はλであり、
   前記第１の導波路と、前記第１の開口端から前記第１の交点までの直線経路とを合わせた長さと、前記第２の導波路と、前記第２の開口端から前記第１の交点までの直線経路とを合わせた長さとの差ｄは、
   （ｎ＋３／４）×λ＜ｄ＜（ｎ＋５／４）×λ （ｎは整数）
   である電気音響変換器。
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。
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。
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、
   内部に前記発振装置を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いる電気音響変換器。
6. 請求項１ないし５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１の導波路の前記接合部において、前記超音波の進行方向を変える第１の反射部材が設けられている電気音響変換器。
7. 請求項６に記載の電気音響変換器において、
   前記第１の反射部材を動かす駆動機構と、
   前記駆動機構を制御する制御部と、
   をさらに備える電気音響変換器。
8. 請求項７に記載の電気音響変換器において、
   前記駆動機構は、ＭＥＭＳである電気音響変換器。
9. 請求項６ないし８いずれか１項に記載の電気音響変換器において、
   前記発振装置が有する前記第１の振動面に設けられ、第３の開口端を有する第３の導波路と、
   前記第３の導波路に形成されている第２の反射部材と、
   をさらに備え、
   前記第３の導波路は、前記発振装置側を構成する第３の内側領域と、前記第３の開口端側を構成する第３の外側領域により構成されており、
   前記第３の外側領域は、前記第１の外側領域よりも前記発振装置の近くに位置しており、
   前記第１の反射部材は、前記発振装置からみて前記第２の反射部材の後方に位置しており、
   前記第２の反射部材は、前記発振装置が発する前記超音波の一部を透過させるように構成されている電気音響変換器。

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