JP2017204661A - パラメトリックスピーカ - Google Patents

Abstract

【課題】良好な音質と音圧を保持したまま、低コスト化と狭指向性化が可能な防滴型パラメトリックスピーカの提供を図る。【解決手段】パラメトリックスピーカの構成部材である振動板２の材質を曲げ弾性率の高い樹脂とし、圧電素子３は、圧電素子３の電極８を有する面の反対側が接着面となるようにエポキシ樹脂で凹部９の底面内部に貼り合わせ、ユニモルフ振動子を形成する。振動板２の表面２ａ側は、水等の液体が浸入して折り返し電極７と電極８の間で短絡が生じないように、防水対策としてシリコーン樹脂により封止する。【選択図】図２

Description

本発明は、良好な音質と音圧を保持しつつ、低コスト化が可能な超音波を搬送波として用いる防滴型パラメトリックスピーカに関するものである。

独立した超音波スピーカを複数並べて、各超音波スピーカから変調された超音波を放出することにより狭指向性を有する可聴音を実現する装置を、パラメトリックスピーカと呼び、美術館や野外などで特定のエリアにアナウンス情報を伝える用途で使用されている。
また近年、ハイブリッド車や電気自動車において静音性が高まり、歩行者の中でも視覚障害者がこれらの自動車が近接していても気付きにくく事故のリスクが高まると考えられている。
この問題に対し、静音性の高い車を走行させる際に人工なエンジン音等を鳴らすことが検討されており、特定の対象にのみ音を伝達させるパラメトリックスピーカの研究が拡大している。
従来のアレイ状に多数並べたパラメトリックスピーカに用いられる開放型超音波センサと称される発音体を構成する従来の超音波センサの概略図を図１に示す。
従来は、超音波スピーカを超音波帯域の40kHz付近の共振周波数で振動させるために、圧電素子３を曲げ弾性率の高いニッケル合金やアルミニウム合金等からなる振動板２に貼り合せたユニモルフ振動子を利用している。
振動板３の圧電素子が貼りあわされた面の反対側には、アルミニウム合金からなるコーン形状の共振子１が接着されている。
共振子１の内側には、共振周波数を微調整するために低粘度のシリコーン樹脂が塗布されている。
振動板２の圧電素子３を接着した面は、高粘度のシリコーン樹脂を用いて、樹脂モールド５に保持されている。
圧電素子３の両側に設けられた電極には、それぞれリード線４が半田付されており、各リード線４の一端は樹脂モールド５に設けられた入出力端子６に半田付されている。
入出力端子６がパラメトリックスピーカの駆動回路に接続されることにより、前記駆動回路からの駆動信号をユニモルフ振動子、更には前記ユニモルフより発生した振動をコーンに伝達することが可能となる。

特開昭６０−１６７５９７ 特開昭６２−２９６６９８

従来のパラメトリックスピーカに用いられる超音波スピーカは、圧電素子と振動の減衰能が低い金属板とからなるユニモルフ振動子が使用されており、前記ユニモルフ振動子は外気に露出した状態で取り付けられている。
屋外で使用する場合には、水滴などの付着により圧電素子の電極や半田付されたリード線が水滴の付着で短絡しないように、雨などに直接さらされない箇所に設置する必要がある。
このため、従来の開放型超音波センサを用いたパラメトリックスピーカでは、雨や洗車などで水滴の付着が避けられない車体外部への搭載が困難であり、防滴構造とする必要がある。
加えて、一つのパラメトリックスピーカは数十個から数千個の超音波スピーカから構成される為、各超音波スピーカの組み立てやパラメトリックスピーカへの配列に関係する部品数や工数が多くなり製造コストが高いことも課題である。
上記の製造コストの課題に対しては、同一の金属板もしくは樹脂板の上に複数の圧電素子を接着した振動板を用いて部品数や工数を削減することで解決が可能である。
防滴構造とする解決案としては、この振動板の圧電素子を配置した面を大気に触れないように密閉や樹脂等で封止を行うことが考えられるが、振動板に用いる板の材質に起因する新たな課題が生じている。
複数の圧電素子を金属板に貼り合せた場合、金属板を介して配置された各圧電素子と振動部分とからなる振動子の振動が互いに干渉することで不要振動が発生して音圧や音質が低下する。
また、上記干渉を抑えるため圧電素子を接着する間隔を広げると指向性が広がると共に音圧が低下するという課題がある。
曲げ弾性率が20GPa以下の一般的な樹脂を振動板に用いる場合では、超音波帯域の共振周波数で振動させた際に必要な音圧が得られないことが課題となっていた。

請求項１の発明では、超音波スピーカに用いる振動板を、金属と比較して振動減衰の大きい樹脂材料にすることで各振動子間の振動絶縁性が高まり複雑な形状や構成を成さなくても、
同一振動板上に複数の振動素子を配置して互いの振動の干渉による音圧低下や不要振動の発生が抑制され、圧電素子をより密に配置できて音圧アップ、更にはパラメトリックスピーカとしての復調音の音圧アップや音質、指向性を狭めることが可能となる。
加えて、振動板に用いる樹脂の曲げ弾性率を２４GPa以上とすることにより、従来の曲げ弾性率が２０GPa以下の樹脂と比較してユニモルフ振動子の共振周波数を高めても音圧が大きく低下することなく発音体の実現が可能となる。
また、従来はパラメトリックスピーカの構成に必要な振動板はユニモルフ構造体と同数必要であったのに対し、本発明では１つの振動板に複数のユニモルフ構造体を設けることで部品点数が減少し、
さらに個々のユニモルフ振動子を同一振動板内に形成することで基板上に配列する工数の削減も出来るため、製造コストを抑えることが出来る。
二酸化珪素、カーボンファイバー、珪酸アルミニウムのフィラーや結晶を主成分とする粉体の含有するエポキシ樹脂との複合材料を使用することで、従来のエポキシ樹脂よりも曲げ弾性率を上げる事が出来、優れた音響特性を持つ超音波センサ、発音体の製造が実現出来る樹脂となる。
請求項２に記載の発明では、振動板の裏面に振動板と一体となるホーンを設けることで、パラメトリックスピーカの指向性をより鋭くして音圧を高めることが可能となる。

請求項３に記載の発明では、振動板の裏面に凹形状を設けることで、パラメトリックスピーカから放出される超音波の焦点が調整できるため、パラメトリックスピーカの指向性をより鋭くして音圧を高めることが可能となる。

請求項４に記載の発明では、振動板の裏面を曲面とすることで、パラメトリックスピーカから放出される超音波の焦点が調整できるため、パラメトリックスピーカの指向性をより鋭くして音圧を高めることが可能となる。

以上説明したように本発明は、パラメトリックスピーカの振動板に曲げ弾性率の高い樹脂を用い、この振動板に複数のユニモルフ振動子を設けることにより、音圧や指向性を維持したままの低コストで防滴型のパラメトリックスピーカを提供できる。

従来の超音波スピーカの概略断面図 本発明の実施の形態に関わるパラメトリックスピーカの概略図 曲げ弾性率の異なる振動板を用いたスピーカの共振周波数と出力電圧 曲げ弾性率の異なる振動板を用いたスピーカでの共振周波数が４０kHzにおける出力電圧の推移 本発明の実施の形態に関わるパラメトリックスピーカの概略図 本発明の実施の形態に関わるパラメトリックスピーカの概略図 本発明の実施の形態に関わるパラメトリックスピーカの概略図 本発明の実施の形態に関わるパラメトリックスピーカの概略図

図２に本発明の実施の形態に関わるパラメトリックスピーカの概略図を示す。
振動板２は、金属フィラーを配合した熱硬化型エポキシ樹脂を用いた成形品である。
尚、振動板２に使用する材質は、曲げ弾性率が実用上必要な２４GPa以上であれば、樹脂については熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂でもよく、フィラーについては炭素繊維や有機繊維を用いてもよい。
振動板２は外径φ５０で厚み６ｍｍの円盤状で、表面２ａには底部がφ１１の凹部９が等間隔に設けられたハニカム構造となっている。
折返し電極７と電極８を有するφ１０の圧電素子３は、圧電素子３の電極８を有する面の反対側が接着面となるようにエポキシ樹脂で凹部９の底面内部に貼り合わされており、ユニモルフ振動子を形成している。
この折り返し電極７と電極８はケーブルにより、外部のパラメトリックスピーカの駆動回路と電気的に接続されている。
駆動回路から発信されたパルス信号が、ケーブルを介して各圧電素子３に入力されることにより、各ユニモルフ振動子が振動して、振動板の裏面２ｂより超音波が放出される。
振動板２の表面２ａ側は、水等の液体が浸入して折り返し電極７と電極８の間で短絡が生じないように、防水対策としてシリコーン樹脂により封止を行っている。
尚、防水対策は、折り返し電極７と電極８が外気に直接触れない密閉性が保たれていればウレタン樹脂や発泡樹脂による封止等でもよい。
各ユニモルフ振動子の共振周波数を等しくするために、振動板２内における圧電素子３の接着面の振動板２の厚みを同一にしている。
尚、振動板２内における圧電素子３の接着面の振動板２の厚みは、複数の異なる寸法の圧電素子３を用いる場合や、複数の異なる共振周波数を用いる場合には異なる厚みにしても良い。
図３は図２に示したスピーカにおいて、振動板２の曲げ弾性率を２１GPaから２６GPaまで変化させた際のスピーカの音圧を、スピーカから1m離した位置に設置したマイクを用いて測定した際の出力電圧のグラフである。
曲げ弾性率の同じ振動板２からなるスピーカの共振周波数の調整は、振動板２における圧電素子３の接着部の板厚みを変えることで調整を行い、板厚みを増すことで共振周波数を上昇させることができる。
図３から明らかの様に、同一の曲げ弾性率を有する振動板２であれば共振周波数の上昇と共に出力電圧が低下する。
また、曲げ弾性率が異なる振動板２であれば、曲げ弾性率が上昇するにつれて、より高い共振周波数においても、より高い出力電圧が得られるようになる。
図４は、横軸を各スピーカに用いた振動板２の樹脂の曲げ弾性率とし、縦軸を各スピーカの４０ｋHzにおける出力電圧としたグラフである。
従来のスピーカと同じく４０kHz近傍の共振周波数領域を利用する場合、出力電圧が１．５mV以上が実用上要求されている。
図４から明らかなように、出力電圧が１．５mV以上となる２４GPa以上の曲げ弾性率の樹脂を用いることで、本願発明の目的とする効果を得ることが出来る。
また、振動板２を樹脂材料としたことで、当初想定していなかった残響時間の短縮による音質改善が見られた。

図５に本発明の実施の形態に関わるパラメトリックスピーカの概略図を示す。
図５に示すパラメトリックスピーカは、実施例１で示したパラメトリックスピーカにおける振動板２の裏面２ｂに筒状のホーン１１を設けたものである。
各ホーン１１は、振動板２の表面２ａの圧電素子３を設けた凹部９の反対側に設けることが好ましく、ユニモルフ振動子から放出される音波の拡がりを効果的に抑えて指向性が鋭くできる。
よって、振動板２内の各ユニモルフ振動子の指向性が鋭くなり、パラメトリックスピーカの指向性も鋭くすることができる。
また、指向性が鋭くなることは、音波が収束されることであるため、音圧も向上する。

図６に本発明の実施の形態に関わるパラメトリックスピーカの概略図を示す。
図６に示すパラメトリックスピーカは、実施例１で示したパラメトリックスピーカにおける振動板２の表面２ａの圧電素子３を設けた凹部９の反対側に凹形状１２を設けたものである。各ユニモルフ振動子から放出される音波が凹形状１２に依存した焦点距離を有することで、凹形状１２の無い場合と比較して焦点距離付近での指向性を鋭くすることが出来る。よって、焦点距離付近における振動板２内の各ユニモルフ振動子の指向性が鋭くなり、パラメトリックスピーカの指向性も鋭くすることができる。

図７に本発明の実施の形態に関わるパラメトリックスピーカの概略図を示す。
振動板２内の圧電素子の貼り合せ面の反対の面を超音波の放出面とする。
図７に示すパラメトリックスピーカは、実施例１で示したパラメトリックスピーカにおける振動板２の裏面２ｂに凹形状１２を設け、超音波の放出面の高さを2箇所以上変えたものである。
放出面の高さは、振動板２の中心方向に向かうにつれて凹むように変えることが好ましい。これにより、振動板２内の各ユニモルフ振動子から放出される音の合成波が焦点距離を有し、焦点距離付近におけるパラメトリックスピーカの指向性も鋭くすることができる。

図８に本発明の実施の形態に関わるパラメトリックスピーカの概略図を示す。
図８に示すパラメトリックスピーカは、実施例１で示したパラメトリックスピーカにおける振動板２の裏面２ｂを曲面の凹形状１２としたものである。
これにより、実施例４と同様に振動板２内の各ユニモルフ振動子から放出される音の合成波でが焦点距離を有し、焦点距離付近におけるパラメトリックスピーカの指向性も鋭くすることができる。

本発明は、局所エリアへのアナウンス用途に限らず、音を伝えるスピーカが利用されている様々な分野に適用できる。

１ 共振子
２ 振動板
２a 振動板の表面
２b 振動板の裏面
３ 圧電素子
４ リード線
５ 樹脂モールド
６ 入出力端子
７ 折り返し電極
８ 電極
９ 凹部
１０ 凸部
１１ ホーン
１２ 凹形状

Claims (4)

1. 振動板に圧電素子を固着したユニモルフ構造体を２つ以上設けたスピーカと、前述スピーカを制御する回路部とからなる、変調をかけた超音波により可聴域の音を発生させるパラメトリックスピーカにおいて、
   前述振動板に表面に2つ以上の凹部が設け、前述振動板を構成する材質が主として曲げ弾性率が24GPa以上となる様にフィラーを含んだエポキシ樹脂であることを特徴とする発音体。
   
2. 前述振動板の裏面にホーン形状を有することを特徴とする請求項１に記載のスピーカ。
   
3. 前述振動板の裏面に凹部を有することを特徴とする請求項１に記載のスピーカ。
   
4. 前述振動板における、裏面を凹状の曲面としたことを特徴とする請求項１に記載のスピーカ。

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