JP2012142649A - 電気音響変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】音響再生における、より高度な空間制御を可能とする電気音響変換器を提供する。
【解決手段】第１の振動面から超音波３０を出力し、第１の振動面とは逆の第２の振動面から超音波３０とは逆位相の超音波３２を出力する発振装置１０と、第１の振動面に設けられ、開口端４６を有する導波路４０と、第２の振動面に設けられ、開口端４６と同一の方向を向いた開口端５６を有する導波路５０と、を備え、超音波３０および超音波３２の波長をλとしたとき、導波路４０の長さと導波路５０の長さとの差ｄは、
（ｎ＋３／４）×λ＜ｄ＜（ｎ＋５／４）×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に関する技術としては、例えば特許文献１に記載のものがある。これは、圧電素子を貼り付ける台座を、台座よりも低剛性な振動膜を介して支持部材に接続するというものである。

圧電振動子は、例えば超音波を利用した種々のスピーカに用いられる。超音波を利用したスピーカに関する技術としては、例えば特許文献２および３に記載のものがある。特許文献２に記載の技術は、超音波の位相を制御することにより、空間内の任意の点に可聴音場を形成するというものである。また、特許文献３に記載の技術は、ヘッドホンのスピーカの背面側に、当該スピーカとは逆位相で駆動する振動発生手段を設けるというものである。

ＷＯ２００８／０８４８０６ 特開２００２−３４５０７７号公報 特開２００８−２１１６４２号公報

超音波は高い指向性を有するため、超音波を利用した電気音響変換器では、指向性の高い音響再生が可能となる。一方で、超音波が有する高い指向性を利用して、音響再生における、より高度な空間制御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、音響再生における、より高度な空間制御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、第１の振動面から第１の超音波を出力し、前記第１の振動面とは逆の第２の振動面から前記第１の超音波とは逆位相の第２の超音波を出力する発振装置と、
前記第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２の振動面に設けられ、前記第１の開口端と同一の方向を向いた第２の開口端を有する第２の導波路と、
を備え、
前記第１の超音波および前記第２の超音波の波長をλとしたとき、前記第１の導波路の長さと前記第２の導波路の長さとの差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が提供される。

本発明によれば、音響再生における、より高度な空間制御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４０と、導波路５０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。

発振装置１０は、第１の振動面から超音波３０を出力する。また、発振装置１０は、第１の振動面とは逆の第２の振動面から超音波３０とは逆位相の超音波３２を出力する。導波路４０は、第１の振動面に設けられ、開口端４６を有する。導波路５０は、第２の振動面に設けられ、開口端４６と同一の方向を向いた開口端５６を有する。超音波３０および超音波３２の波長をλとしたとき、導波路４０の長さと導波路５０の長さとの差ｄは、
（ｎ＋３／４）×λ＜ｄ＜（ｎ＋５／４）×λ （ｎは整数）
である。以下、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４６および開口端５６は、筐体２０の表面に設けられている。

図２は、図１に示す発振装置１０を示す断面図である。図２に示すように、発振装置１０は、圧電振動子１１と、振動部材１２と、支持部材１３と、を有している。振動部材１２は、圧電振動子１１を拘束している。支持部材１３は、振動部材１２を支持している。また、発振装置１０は、信号生成部９２と、制御部９４と、を有している。信号生成部９２は、圧電振動子１１と接続しており、圧電振動子１１に入力する電気信号を生成する。制御部９４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がスピーカとして用いられる場合、制御部９４に入力される情報は音声信号である。

信号生成部９２による信号に基づいて、圧電振動子１１に電界を印加することにより、圧電振動子１１は伸縮運動をする。この伸縮運動を受けて、振動部材１２が図中上下方向へ振動することとなる。このとき、図２に示すように、第１の振動面（図２中上方）からは超音波３０が、第１の振動面とは逆の第２の振動面（図２中下方）からは超音波３０とは逆位相である超音波３２が出力される。

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９４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。発振装置１０をパラメトリックスピーカとして用いる場合、圧電振動子１１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、圧電振動子１１および振動部材１２は、アレイ状に複数組設けられていてもよい。これにより、発振装置１０が出力する超音波３０および超音波３２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１１を示す断面図である。図３に示すように、圧電振動子１１は、圧電体１４、上部電極１５、下部電極１６からなる。また、圧電振動子１１は、例えば円形、楕円形または矩形を有する。圧電体１４は、上部電極１５と下部電極１６に挟まれている。圧電体１４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）また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１４の厚みは、１０ｕｍ〜１ｍｍであることが好ましい。厚みが１０ｕｍ未満であると、圧電体１４は脆性材料により構成される場合、破損等が生じやすい。一方、厚みが１ｍｍを超える場合、圧電体１４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１５、及び下部電極１６は、例えば銀または銀／パラジウム合金等によって構成される。上部電極１５および下部電極１６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１５または下部電極１６が圧電体１４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１２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、例えばリン青銅またはステンレス等によって構成される。振動部材１２の厚みは、５〜５００ｕｍであることが好ましい。また、振動部材１２の縦弾性係数は、１〜５００ＧＰａであることが好ましい。振動部材１２の縦弾性係数が過度に低いまたは高い場合、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、導波路４０は、発振装置１０側を構成する内側領域４２と、開口端４６側を構成する外側領域４４により構成されている。導波路５０は、発振装置１０側を構成する内側領域５２と、開口端５６側を構成し、かつ外側領域４４とは互いに平行である外側領域５４により構成されている。

導波路４０は、内側領域４２と外側領域４４との接合部分において直角に折れ曲がっている。導波路４０は、内側領域４２と外側領域４４とを合わせた全体において湾曲している形状としてもよい。導波路５０は、内側領域５２と外側領域５４との接合部分において直角に折れ曲がっている。導波路５０は、内側領域５２と外側領域５４とを合わせた全体において湾曲している形状としてもよい。

次に、パラメトリックスピーカの動作原理を説明する。パラメトリックスピーカの動作原理は、ＡＭ変調やＤＳＢ変調、ＳＳＢ変調、ＦＭ変調をかけた超音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、可聴音が出現する原理で音響再生を行うというものである。ここでいう非線形とは、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いう。すなわち、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。特に超音波を空気中に放射した場合に、非線形性に伴う高調波が顕著に発生する。また音波は、空気中の分子集団が濃淡に混在する疎密状態である。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、衝撃波が生じて可聴音が発生する。パラメトリックスピーカは、使用者の周囲にのみ音場を形成することができ、プライバシー保護という観点から優れる。

次に、本実施形態に係る電気音響変換器１００によって、音響再生の空間制御が可能となる原理について説明する。電気音響変換器１００は、発振装置１０の第１の振動面から導波路４０へ向けて超音波３０を出力する。このため、導波路４０の開口端４６が向いている方向に位置する領域には、音場３４が形成される。また、電気音響変換器１００は、発振装置１０の第２の振動面から導波路５０へ向けて超音波３２を出力する。このため、導波路５０の開口端５６が向いている方向に位置する領域には、音場３６が形成される。超音波３０および超音波３２は高い指向性を有しながらも、多少の広がりを見せながら空間を進む。このため、音場３４および音場３６も、多少の広がりをもって形成されることとなる。

一方で、電気音響変換器１００において、波長λを有する超音波３０と超音波３２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３０と超音波３２は逆の位相を有している。すなわち、超音波３０と超音波３２の位相は、λ／２ずれている。ここで、導波路４０の長さと導波路５０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３０と超音波３２が衝突した場合、超音波３０と超音波３２は干渉して互いに消滅し、または弱め合う。

このように、導波路４０の長さと導波路５０の長さの差ｄを調整することにより、開口端４６が向いている方向に位置する領域と、開口端５６が向いている方向に位置する領域との間の領域における再生音圧を消滅させ、または弱めることができる。なお、開口端４６が向いている方向に位置する領域と、開口端５６が向いている方向に位置する領域との間の領域における再生音圧を消滅させる場合、長さの差ｄは、
ｄ＝ｎλ （ｎは整数）
であることがより好ましい。

また、導波路４０の長さと導波路５０の長さの差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３０と超音波３２は、開口端４６が向いている方向に位置する領域と、開口端５６が向いている方向に位置する領域との間の領域において、互いに強め合うこととなる。

本実施形態において、導波路４０の長さと導波路５０の長さとの差ｄは、例えば発振装置１０の位置を調整することにより調整できる。例えば、発振装置１０を、内側領域４２側または内側領域５２側へ移動させることにより調整ができる。この場合、内側領域４２の長さをｄ１、内側領域５２の長さをｄ２としたとき、｜ｄ１−ｄ２｜＝ｄとなる。

次に、本実施形態の効果を説明する。本実施形態に係る電気音響変換器１００によれば、同一の方向を向いた開口端４６と開口端５６から、互いに逆位相である超音波３０および超音波３２がそれぞれ出力される。また、導波路４０と導波路５０の長さの差ｄは、超音波３０および超音波３２の波長をλとしたとき、
（ｎ＋３／４）×λ＜ｄ＜（ｎ＋５／４）×λ （ｎは整数）
である。従って、開口端４６が向いている方向に位置する領域と、開口端５６が向いている方向に位置する領域との間の領域において、超音波３０と超音波３２が交わった場合、これらは互いに打ち消し合う。このため、開口端４６が向いている方向に形成される音場３４と、開口端５６が向いている方向に形成される音場３６との間の領域の音圧を制御することができる。例えば、
ｄ＝ｎλ （ｎは整数）
の場合には、音場３４と音場３６との間において、音場が形成されない。このように、本実施形態に係る電気音響変換器１００によれば、音響再生における、より高度な空間制御が可能となる。

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。本実施形態に係る電気音響変換器１０２は、導波路４０および導波路５０において、それぞれ反射板８０および反射板８２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。

反射板８０は、導波路４０において、内側領域４２と外側領域４４との接合部分に位置しており、超音波３０の進行方向を変える機能を有する。また、反射板８２は、内側領域５２と外側領域５４との接合部分に位置しており、超音波３２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４０および導波路５０の内部には、超音波３０および超音波３２の進行方向を変える機能を有する反射板８０および反射板８２がそれぞれ設けられている。このため、超音波３０および超音波３２の進行方向を、高い精度をもって制御することができる。従って、導波路４０および導波路５０内において、超音波３０および超音波３２がキャンセリングされることを抑制することができる。

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
１１ 圧電振動子
１２ 振動部材
１３ 支持部材
１４ 圧電体
１５ 上部電極
１６ 下部電極
２０ 筐体
３０ 超音波
３２ 超音波
３４ 音場
３６ 音場
４０ 導波路
４２ 内側領域
４４ 外側領域
４６ 開口端
５０ 導波路
５２ 内側領域
５４ 外側領域
５６ 開口端
８０ 反射板
８２ 反射板
９２ 信号生成部
９４ 制御部
１００ 電気音響変換器
１０２ 電気音響変換器

Claims (7)

1. 第１の振動面から第１の超音波を出力し、前記第１の振動面とは逆の第２の振動面から前記第１の超音波とは逆位相の第２の超音波を出力する発振装置と、
   前記第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２の振動面に設けられ、前記第１の開口端と同一の方向を向いた第２の開口端を有する第２の導波路と、
   を備え、
   前記第１の超音波および前記第２の超音波の波長をλとしたとき、前記第１の導波路の長さと前記第２の導波路の長さとの差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。
2. 請求項１に記載の電気音響変換器において、
   前記第１の導波路の長さと前記第２の導波路の長さとの差ｄは、
   ｄ＝ｎλ （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の開口端側を構成し、かつ前記第１の外側領域とは互いに平行である第２の外側領域により構成されている電気音響変換器。
4. 請求項３に記載の電気音響変換器において、
   前記第１の内側領域と前記第１の外側領域は、直角をなしており、
   前記第２の内側領域と前記第２の外側領域は、直角をな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、
   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。
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、
   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。
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の導波路の内部に設けられた、前記第１の超音波の進行方向を変える第１の反射部材をさらに有する電気音響変換器。

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