JP2013078017A - パラメトリックスピーカ用超音波発音体 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電素子の破壊や、電極の欠損という不良を防止でき、コストを低減できる超音波発音体を提供する。
【解決手段】超音波を発生させるパラメトリックスピーカ用の超音波発音体１１０であって、厚み方向への電圧の印加により伸縮する板状の圧電素子１１１と、圧電素子１１１が一方の主面に接着され、圧電素子１１１とともにユニモルフ構造を形成する金属板１１２と、金属板１１２の他方の主面に設けられ、金属板１１２の振動に共振して超音波を発生させる共振子１１４と、を備える。金属板１１２に共振子１１４が接着されており、直接、圧電素子１１１に共振子１１４が接着されていないため、圧電素子１１１の破壊や、電極の欠損という不良を防止できる。また、ユニモルフ構造により圧電素子１１１は一枚で十分となり、コストを低減できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、超音波を発生させるパラメトリックスピーカ用超音波発音体に関する。

従来、指向性の強い超音波信号を使って、特定の方向と距離で決まる位置にいる人に情報を伝えるパラメトリックスピーカが実用化されている。これは、比較的高い音圧を持つ、変調超音波信号が、空気の非線形によって、空気中で可聴音に復調される自然現象を利用したものである。

このスピーカは、超音波を発生する超音波発音体を複数並べることにより、指向性と音圧を高めている。また各々の超音波発音体は、お互いの音圧を高めあうために、ほぼ同位相で振動している。

このようなパラメトリックスピーカ用の超音波発音体は、金属板やプラスチック板の両面もしくは片面に圧電素子を貼り付けて振動板を形成している。そして、圧電素子上にパラボラもしくは漏斗状の共振子を接着しており、共振子には古くから軽量のアルミもしくはアルミ合金が用いられている（例えば特許文献１、２参照）。

図４に示す従来の超音波発音体２１０は、振動板２１２の両主面に圧電素子２１１ａ、２１１ｂが接着しており、バイモルフ構造を構成している。振動板２１２および圧電素子２１１ａ、２１１ｂには、電圧を印加するためのリード線２１３ａ〜２１３ｃが接続されている。また、圧電素子２１１ａには、直接、共振子２１４が接着されている。

また、図５に示す従来の超音波発音体２２０は、２枚の圧電素子２２１ａ、２２１ｂを張り付けた構造を有しており、一方の圧電素子２２１ａ上に、直接、共振子２２４が接着されている。圧電素子２２１ａ、２２１ｂには、電圧を印加するためのリード線２２３ａ、２２３ｂが接続されている。

特開昭６０−１６７５９７号公報 特開昭６２−２９６６９８号公報

しかし、このようなパラメトリックスピーカ向けの超音波発音体は、圧電素子の上に直接、熱膨張率の高いアルミの共振子を接着し、圧電素子自体が収縮、膨張を繰り返すため、共振子が剥がれるという問題が発生する。

一方、プラスチック等の振動板に圧電素子を貼り合わせた場合、両者の熱膨張率が大きく異なることから、温度変化によって内部応力が加わり、振動板から圧電素子が剥離する原因となる。これを緩和するため、振動板の片側にだけ圧電素子を貼り付けたユニモルフ構造をとろうとしても、熱膨張の違いによって、振動板に凸状のゆがみが生じる。

また、振動板と圧電素子によるバイモルフ構造を採用すると圧電素子を２枚用いることになる。圧電素子は、振動板に比較して高価であり、バイモルフ構造は製品のコストを押し上げる原因となる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、圧電素子の破壊や、電極の欠損という不良を防止でき、コストを低減できる超音波発音体を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明の超音波発音体は、超音波を発生させるパラメトリックスピーカ用の超音波発音体であって、厚み方向への電圧の印加により伸縮する板状の圧電素子と、前記圧電素子が一方の主面に接着され、前記圧電素子とともにユニモルフ構造を形成する金属板と、前記金属板の他方の主面に設けられ、金属板の振動に共振して超音波を発生させる共振子と、を備えることを特徴としている。

このように、本発明の超音波発音体は、金属板に共振子が接着されており、直接、圧電素子に共振子が接着されていないため、圧電素子の破壊や、電極の欠損という不良を防止できる。また、ユニモルフ構造により圧電素子は一枚で十分となり、コストを低減できる。

（２）また、本発明の超音波発音体は、前記金属板の線熱膨張係数は、６．５×１０^−６／℃以下であることを特徴としている。これにより、金属板の線熱膨張係数が圧電素子の線熱膨張係数に近くなり、温度変化による超音波発音体のゆがみが軽減できる。そして、より広い温度領域において安定して大きな音圧を発生させることができる。

（３）また、本発明の超音波発音体は、前記金属板が、４２アロイ材で形成されていることを特徴としている。これにより、圧電素子と金属板との間で線熱膨張係数の差を小さくすることができ、温度変化による超音波発音体のゆがみを軽減できる。

本発明によれば、圧電素子の破壊や、電極の欠損という不良を防止でき、コストを低減できる。

（ａ）、（ｂ）本発明のパラメトリックスピーカを示す正面図および側面図である。 本発明の超音波発音体を示す側面図である。 パラメトリックスピーカの電気的構成を示すブロック図である。 従来の超音波発音体を示す側面図である。 従来の超音波発音体を示す側面図である。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

（パラメトリックスピーカの構成）
図１（ａ）、（ｂ）は、それぞれパラメトリックスピーカ１００を示す正面図および側面図である。パラメトリックスピーカ１００は、強力な音圧で変調された超音波を発生させ、空気中を超音波が伝播する際の非線形特性により、可聴音を出現させる。このようにして方向や距離を特定し指向性を与えて音響情報を伝えることを可能にする。図１に示すように、パラメトリックスピーカ１００は、複数の超音波発音体１１０が基板１２０上に設けられて構成されている。超音波発音体１１０は、変調信号に基づいて超音波を発生させる。基板１２０は、支持体１２１を介して超音波発音体１１０を固定し支持している。なお、図１では、外観構成を示し、電気的構成は省略している。

なお、支持体１２１は、圧電素子１１１の基板１２０側の数か所に設けられ、たとえばシリコンゴムのような弾性体で形成されて、超音波発音体１１０を支持している。支持体１２１は、基板１２０の振動の節の位置に設けられている。これにより、超音波発音体１１０からの振動が基板１２０に伝わるのを防止している。

（超音波発音体の構成）
図２は、超音波発音体１１０を示す側面図である。超音波発音体１１０は、あらかじめ一定の共振周波数となるように設計されており、電圧の印加により変調超音波信号を発生させる。超音波発音体１１０は、圧電素子１１１、金属板１１２、リード線１１３ａ、１１３ｂ、共振子１１４により構成されている。

圧電素子１１１は、円板状に形成され、厚み方向への電圧の印加により伸縮する。圧電素子１１１は、金属板１１２の一方の主面に接着されて設置されている。圧電素子１１１は、金属板１１２の他方の主面が振動面となっており、圧電素子１１１は、振動面を介し、共振子１１４により超音波を送信できる。圧電素子１１１の両主面には、それぞれ電極が形成されており、本体部分の圧電体は厚み方向に分極されている。

金属板１１２は、圧電素子１１１が一方の主面に接着され、圧電素子１１１とともにユニモルフ構造を形成している。ユニモルフ構造により圧電素子は一枚で十分となり、コストを低減できる。金属板１１２は、円板状に形成されている。

金属板１１２の線熱膨張係数は、６．５×１０^−６／℃以下であることが好ましい。これにより、温度変化による超音波発音体のゆがみが軽減され、より広い温度領域において安定して大きな音圧を発生させることができる。その結果、金属板１１２の線熱膨張係数がハード材のＰＺＴの線熱膨張係数に近くなる。ハード材のＰＺＴは、圧電素子１１１を構成する圧電体の材料として好適であり、その線熱膨張係数は、２〜３×１０^−６／℃である。特に、金属板１１２は、４２アロイ材で形成されていることが好ましい。４２アロイ材の線熱膨張係数は、４．５〜６．５×１０^−６／℃であり、圧電素子と金属板との間で線熱膨張係数の差を小さくすることができる。その他、たとえば、真鍮、ＳＵＳ３０４またはアルミニウム等の金属により、金属板１１２が形成されていてもよいが、圧電材料と線熱膨張係数が近い材料で形成されることが好ましい。

リード線１１３ａ、１１３ｂは、基板１２０上の回路に接続され、電圧の印加、検出が可能になっている。リード線１１３ａは、金属板１１２を介して、圧電素子１１１の金属板１１２側の電極に接続されている。リード線１１３ｂは、圧電素子１１１の基板１２０側の電極に接続されている。このような構成により、電気信号を圧電素子１１１に伝達し、超音波を発生させることを可能にしている。

共振子１１４は、金属によりたとえばパラボラ形状に形成されている。共振子１１４は、金属板１１２の他方の主面に設けられ、金属板１１２の振動に共振して超音波を発生させる。金属板１１２上に共振子１１４を設けることで、発生する超音波の音圧を上昇させている。超音波発音体１１０は、上記のように金属板１１２に共振子１１４が接着されており、直接、圧電素子１１１に共振子１１４が接着されていないため、圧電素子１１１の破壊や、電極の欠損という不良を防止できる。共振子１１４は、図２に示すようにパラボラ状に形成されていることが好ましいが、漏斗状に形成されていてもよい。なお、共振子１１４は、アルミニウムやアルミニウム−マグネシウム合金などの軽い材料で形成されていることが好ましい。

（パラメトリックスピーカの電気的構成）
図３は、パラメトリックスピーカ１００の電気的構成を示すブロック図である。図３に示すように、パラメトリックスピーカ１００は、発振器１０１、変調器１０２、増幅器１０５および超音波発音体１１０を備え、これらを介して超音波を発生させる。発振器１０１は、超音波帯域の所定の周波数で信号を発振する。発振される周波数は、発振信号が超音波発音体１１０に伝達されたとき圧電素子１１１を駆動する駆動周波数であり、パラメトリックスピーカ１００の用途に応じてあらかじめ決定されている。

変調器１０２は、音声信号で発振信号をＡＭ変調する。変調は、ＡＭ変調に代えて、ＤＳＢ変調、ＳＳＢ変調、ＦＭ変調であってもよい。増幅器１０５は、変調された発振信号を増幅し、超音波発音体１１０に出力する。超音波発音体１１０は、増幅された発振信号を音波に変換する。

（パラメトリックスピーカの動作）
上記のように構成されたパラメトリックスピーカ１００は、超音波帯域の周波数の信号を発振し、発振信号を所望の音声信号で変調し、変調信号を増幅して、超音波発音体１１０で音波に変換して放射する。このようにして、指向性の高い超音波を放射することができる。たとえば狭い範囲にいる人に選択的に案内を流すことができるため、美術館や水族館、博物館、アミューズメント施設などに利用できる。今後、交通案内などでも利用可能である。

１００ パラメトリックスピーカ
１０１ 発振器
１０２ 変調器
１０５ 増幅器
１１０ 超音波発音体
１１１ 圧電素子
１１２ 金属板
１１３ａ リード線
１１３ｂ リード線
１１４ 共振子
１２０ 基板
１２１ 支持体

Claims (3)

1. 超音波を発生させるパラメトリックスピーカ用の超音波発音体であって、
   厚み方向への電圧の印加により伸縮する板状の圧電素子と、
   前記圧電素子が一方の主面に接着され、前記圧電素子とともにユニモルフ構造を形成する金属板と、
   前記金属板の他方の主面に設けられ、金属板の振動に共振して超音波を発生させる共振子と、を備えることを特徴とする超音波発音体。
2. 前記金属板の線熱膨張係数は、６．５×１０^−６／℃以下であることを特徴とする請求項１の超音波発音体。
3. 前記金属板は、４２アロイ材で形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の超音波発音体。

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