JP2018194793A - 警報音の音響装置及び音響システム - Google Patents

Abstract

【課題】比較的低い周波数の警報音を出力する場合でも警報音の音圧レベルを高めることができる警報音の音響装置及び音響システムを提供する。【解決手段】警報音の音響装置１は、共振回路２とスイッチング回路３とを備える。スイッチング回路３は、オン期間において電圧レベルがハイレベルとなりオフ期間において電圧レベルがローレベルとなる第１電圧を共振回路２に出力する。共振回路２は、振動周波数ｆ１で振動する第２電圧を生成し、第１電圧と第２電圧との合成電圧を駆動電圧Ｖ２として圧電ブザー１０に出力するように構成されている。駆動電圧Ｖ２の複数の高調波のうち、駆動電圧Ｖ２の基本周波数ｆ０に比べて圧電ブザー１０の出力音の音圧レベルが大きくなる１つの高調波をＮ次高調波とする。Ｎ次高調波の周波数ｆｎと、基本周波数ｆ０と、振動周波数ｆ１との関係が、ｆｎ−１／２ｆ０≦ｆ１≦ｆｎ＋１／２ｆ０となる。【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、警報音の音響装置及び音響システムに関し、より詳細には、圧電ブザーを用いた警報音の音響装置及びそれを用いた音響システムに関する。

従来、圧電ブザー（圧電振動板）と、圧電ブザーを制御する音響制御部と、を備えた警報器が知られている（例えば特許文献１参照）。圧電ブザーは、厚み方向に分極された圧電素子と薄い金属板とを張り合わせて構成されている。音響制御部は、圧電素子に印加する駆動電圧を周期的に変化させることで、圧電ブザーを振動させて音波を発生させる。

特開２００９−１５７４４７号公報

上述したような警報器では、圧電ブザーの出力音が最大音圧となるときの駆動電圧の周波数は、圧電ブザーの特性によって定まっている。そのため、例えば、圧電ブザーの出力音が最大音圧となる周波数よりも低い周波数の警報音を圧電ブザーに出力させる場合、警報音が最大音圧とならず、警報音の音圧レベルを高めることは困難である。

本発明は上記課題に鑑みてなされ、比較的低い周波数の警報音を出力する場合でも警報音の音圧レベルを高めることができる警報音の音響装置及び音響システムを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る警報音の音響装置は、圧電ブザーを機械的に振動させて警報音を出力する警報音の音響装置である。前記警報音の音響装置は、共振回路と、スイッチング回路と、を備える。前記スイッチング回路は、オン期間及びオフ期間からなる期間を周期的に繰り返し、前記オン期間において電圧レベルがハイレベルとなり前記オフ期間において電圧レベルがローレベルとなる第１電圧を前記共振回路に出力する。前記共振回路は、前記オン期間に印加された電気エネルギーを用いて前記オフ期間に振動周波数ｆ１で振動する第２電圧を生成し、前記第１電圧と前記第２電圧との合成電圧を駆動電圧として前記圧電ブザーに出力するように構成されている。前記駆動電圧の複数の高調波のうち、前記駆動電圧の基本周波数ｆ０に比べて前記圧電ブザーの前記出力音の音圧レベルが大きくなる１つの高調波をＮ次高調波とする。前記Ｎ次高調波の周波数ｆｎと、前記基本周波数ｆ０と、前記振動周波数ｆ１との関係が、ｆｎ−１／２ｆ０≦ｆ１≦ｆｎ＋１／２ｆ０となる。

本発明の一態様に係る音響システムは、上記した警報音の音響装置と、前記圧電ブザーと、を備える。

本発明では、比較的低い周波数の警報音を出力する場合でも警報音の音圧レベルを高めることができる、という利点がある。

図１は、本発明の実施形態１に係る警報音の音響装置を備えた音響システムの概略ブロック図である。 図２は、同上の警報音の音響装置における制御信号及び駆動電圧の波形図である。 図３は、圧電ブザーの周波数特性と、比較例の駆動電圧の周波数特性と、比較例の警報音の周波数特性とを示すグラフである。 図４は、同上の音響システムにおける圧電ブザーの周波数特性と、駆動電圧の周波数特性と、警報音の周波数特性とを示すグラフである。 図５は、本発明の実施形態２に係る警報音の音響装置における要部の概略ブロック図である。

以下、本発明の実施形態に係る警報音の音響装置１及び音響システム１００について図１〜図４を参照して説明する。ただし、以下に説明する実施形態１（変形例を含む）及び実施形態２は、本発明の様々な実施形態の一つに過ぎない。以下の実施形態は、本発明の目的を達成できれば、設計などに応じて種々の変更が可能である。

（実施形態１）
（１）音響システムの概要
音響システム１００は、図１に示すように、警報音の音響装置１（以下、単に音響装置１とも呼ぶ。）と、圧電ブザー１０とを備えている。音響システム１００は、圧電ブザー１０に印加される交流電圧の周波数に基づく警報音を圧電ブザー１０から出力するシステムである。以下、圧電ブザー１０に印加される電圧（交流電圧）を「駆動電圧」と呼ぶ。

圧電ブザー１０は、例えば、バイモルフ構造の２つの円板状の圧電素子と、その圧電素子間に配置された円板状の振動板とを有する。また、圧電ブザー１０は、振動板を保持する筐体を含んでいる。圧電ブザー１０の振動板は、圧電ブザー１０の２つの入力端１１，１２間に印加された交流電圧によって各圧電素子が伸縮することにより厚さ方向に振動する。圧電ブザー１０は、各圧電素子に印加される駆動電圧の周波数で振動板（及び筐体）が機械的に振動することにより出力音を出力する。なお、圧電ブザー１０は、バイモルフ構造の他にもユニモルフ構造でもよい。

圧電ブザー１０における出力音の周波数と音圧との関係は、例えば、圧電ブザー１０の２つの圧電素子、振動板、及び筐体の特性（材質、形状、サイズ等による）によって定まる。以下、圧電ブザー１０の出力音の周波数と音圧レベルとの関係を、圧電ブザー１０の周波数特性とも呼ぶ。

圧電ブザー１０の出力音の周波数と音圧レベルとは、例えば、図３の上段に示すような関係（周波数特性）を有する。音圧レベルは、基準となる音圧（例えば２０×１０^-6［Ｐａ］）に対する音圧の大きさを表す。圧電ブザー１０は、一例として、約４［ｋＨｚ］程度で音圧レベルが最大となる周波数特性を有する。

圧電ブザー１０の周波数特性は、所定の周波数帯域に近い周波数ほど音圧レベルが大きくなる傾向があり、所定の周波数帯域から離れるにつれて音圧レベルが小さくなる傾向がある。例えば、振幅が同じで周波数の異なる複数の交流電圧が圧電ブザー１０に印加された際に、圧電ブザー１０の出力音は、所定の周波数帯域に近い周波数の出力音ほど音圧レベルが大きいが、所定の周波数帯域から離れた周波数の出力音ほど音圧レベルが小さい。

ところで、警報音の周波数が約１［ｋＨｚ］である場合、警報音の音圧レベルを高めるためには、約１［ｋＨｚ］付近で音圧レベルがピーク（極大）となる周波数特性を有する圧電ブザーを採用すればよいことになる。一般的に、圧電ブザーは、音圧レベルがピークを示す周波数が低いほど、圧電ブザーのサイズ（例えば直径）が大きくなり、かつ出力音を出力するための消費電力も大きくなる。そのため、圧電ブザーのサイズを大きくできない場合や、消費電力を大きくできない場合などでは、約１［ｋＨｚ］付近で音圧レベルがピークとなる周波数特性の圧電ブザーを採用することが困難である。

これに対して、本実施形態の音響システム１００は、駆動電圧に含まれる少なくとも１つの高調波を強調することにより、警報音の音圧レベルを高めている。すなわち、駆動電圧は、基本波と、複数の高調波とを含んでいる。本開示でいう「高調波」は、駆動電圧の基本周波数の整数倍の周波数成分のことである。また、本開示でいう「基本周波数」は、基本波の周波数を意味する。駆動電圧の複数の高調波には、駆動電圧の基本周波数に比べて圧電ブザー１０の出力音の音圧レベルが大きくなる高調波が少なくとも１つ含まれている。音響システム１００では、このような少なくとも１つの高調波を強調することにより、警報音の高調波の音圧レベルを高めることができ、結果的に、警報音の音圧レベルを高めることができる。特に、圧電ブザー１０の周波数特性における出力音の音圧レベルのピーク付近の高調波を強調すれば、警報音の音圧レベルを顕著に高めることができる。

（２）警報音の音響装置の構成
音響装置１は、圧電ブザー１０を振動させる装置である。音響装置１は、図１に示すように、共振回路２と、スイッチング回路３と、を備える。音響装置１は更に、電圧検出部４と、電圧制御部５と、を備える。

共振回路２は、圧電ブザー１０の２つの入力端１１，１２間に電気的に接続されている。つまり、共振回路２は圧電ブザー１０と電気的に並列に接続されている。

電圧制御部５は、例えば、三端子レギュレータなどを含む電圧制御回路を有する。電圧制御部５は、電源２００から印加される直流電圧の大きさを制御して直流電圧Ｖ１を出力する。電圧制御部５は、例えば、スイッチング回路３の制御部３１から入力される制御信号に基づいて直流電圧Ｖ１の大きさを制御する。電圧制御部５は、圧電ブザー１０の２つの入力端１１，１２のうち一方の入力端１１に電気的に接続されている。電圧制御部５は、圧電ブザー１０の２つの入力端１１，１２のうち他方の入力端１２がスイッチング回路３のトランジスタ３２を介して回路グランドに電気的に接続された状態で、直流電圧Ｖ１を、圧電ブザー１０と共振回路２との並列回路に印加する。なお、電圧制御部５は、三端子レギュレータを有することに限らず、降圧チョッパ回路、又は昇降圧チョッパ回路などを有していてもよい。

スイッチング回路３は、制御部３１と、トランジスタ３２と、を有する。トランジスタ３２は、例えば、ｎｐｎ型のトランジスタである。トランジスタ３２のコレクタ端は、圧電ブザー１０の入力端１２に電気的に接続されている。トランジスタ３２のエミッタ端は、回路グランドに電気的に接続されている。トランジスタ３２のベース端は、制御部３１と接続されている。トランジスタ３２は、圧電ブザー１０に電圧制御部５から直流電圧Ｖ１が印加される状態と印加されない状態とを切り替えるために設けられている。

制御部３１は、例えば、音響装置１が有するマイクロコンピュータが、マイクロコンピュータの有するメモリ又は音響装置１が有する外部メモリなどからプログラムを読み込んで実行することにより実現される。制御部３１は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御方式により制御信号ＶＢを出力する。制御信号ＶＢは、図２に示すように、電圧レベルがハイレベルとローレベルとに交互に切り替わる電圧信号である。制御信号ＶＢの電圧波形は、一例として、矩形波である。

制御部３１は、制御信号ＶＢをトランジスタ３２のベース端に出力する。制御部３１は、制御信号ＶＢの電圧レベルがハイレベルのときにトランジスタ３２のコレクタ端−エミッタ端間を導通状態（所謂オン状態）にする。制御部３１は、制御信号ＶＢの電圧レベルがローレベルのときにトランジスタ３２のコレクタ端−エミッタ端間を遮断状態（所謂オフ状態）にする。つまり、制御部３１は、制御信号ＶＢをトランジスタ３２のベース端に出力することにより、圧電ブザー１０に直流電圧Ｖ１が印加される状態と、圧電ブザー１０に直流電圧Ｖ１が印加されない状態とを交互に周期的に切り替える。したがって、共振回路２には、電圧レベルがハイレベルとローレベルとに周期的に切り替わる矩形波状の第１電圧が印加される。第１電圧の電圧レベルがハイレベルとなる場合の電圧値は、例えば、直流電圧Ｖ１の電圧値と略同じである。第１電圧の電圧レベルがローレベルとなる場合の電圧値は、例えば、略ゼロである。ただし、本実施形態においては、共振回路２の両端には、後述する第２電圧と第１電圧との合成電圧からなる駆動電圧Ｖ２が現れるのであって、第１電圧のみが共振回路２の両端に現れることはない。

すなわち、スイッチング回路３は、オン期間及びオフ期間からなる期間を周期的に繰り返し、オン期間において電圧レベルがハイレベルとなりオフ期間において電圧レベルがローレベルとなる第１電圧を、共振回路２に出力するように構成されている。

共振回路２は、一例として、コイルＬ１を有する。コイルＬ１は、圧電ブザー１０の２つの入力端１１，１２間に接続されており、圧電ブザー１０と電気的に並列に接続されている。圧電ブザー１０は、圧電素子と振動板とからなる容量成分を有しているため、コイルＬ１と圧電ブザー１０の容量成分とによりＬＣ共振回路が形成されている。つまり、圧電ブザー１０は、警報音を鳴らすブザーと、ＬＣ共振回路の容量成分とを兼ねている。共振回路２は、オン期間に印加された電気エネルギーを用いてオフ期間に振動周波数ｆ１で振動する第２電圧を生成する。共振回路２は、この第２電圧と第１電圧との合成電圧を、駆動電圧Ｖ２として、圧電ブザー１０に出力する。第２電圧の振動周波数ｆ１は、例えば、コイルＬ１の誘導成分等によって調整される。

共振回路２は、圧電ブザー１０の容量成分を利用するによりコンデンサを別に設けることなく第２電圧を発生させることができるので、共振回路２は音響装置１の小型化及び製造コストの低減を実現する。

電圧検出部４は、圧電ブザー１０の２つの入力端１１，１２間に接続されており、共振回路２と電気的に並列に接続されている。電圧検出部４は、例えば、音響装置１が有するマイクロコンピュータのＡ／Ｄ変換機能により共振回路２の両端電圧をＡ／Ｄ変換してその電圧値を検出する。電圧検出部４は、例えば、第２電圧の１周期以上の期間中の電圧値を検出することにより、第２電圧のピークピーク値（Peak-to-peak value）を検出する。ピークピーク値は、第２電圧の１周期中の最大値と最小値との差の絶対値のことを意味する。

ここで、スイッチング回路３の制御部３１は、電圧検出部４が検出した第２電圧のピークピーク値に基づいて、電圧制御部５が出力する直流電圧Ｖ１の大きさをフィードバック制御する。制御部３１は、例えば、第２電圧のピークピーク値が規定値よりも大きい場合には直流電圧Ｖ１の大きさを小さくして第２電圧のピークピーク値を規定値に近づけるように電圧制御部５を制御する。これにより、電圧制御部５は、少なくとも、電圧検出部４が検出した第２電圧のピークピーク値が小さくなるにつれて、オン期間の第１電圧の電圧レベル（つまり直流電圧Ｖ１）を大きくする。

なお、第２電圧が交流電圧でない場合のピークピーク値は、例えば、第２電圧が周期的に変化する場合における１周期中の最大値と最小値との差の絶対値のことを意味する。

（３）警報音の音響装置の動作
次に、上述した音響装置１の動作の詳細について図２〜図４を参照して説明する。以下では、音響装置１の基本動作、比較例の動作、及び本実施形態に係る音響装置１の動作について、順に説明する。ここでいう比較例は、本実施形態に係る音響装置１の共振回路２に代えて抵抗成分が接続された構成の音響装置である。

（３．１）基本動作
制御部３１は、圧電ブザー１０から警報音を数秒（２〜３秒）程度周期的に出力させることができるが、以下の説明では、圧電ブザー１０が所定時間中（例えば１秒間）に出力する警報音について説明する。

制御部３１は、経過時間を計測するタイマを有しており、タイマが計測した経過時間に基づいて、図２に示すように、期間Ｔ０、オン期間Ｔ１、及びオフ期間Ｔ２を設定する。期間Ｔ０は、オン期間Ｔ１とオフ期間Ｔ２とを合計した期間である。図２では、横軸を時間軸として、制御信号ＶＢ及び駆動電圧Ｖ２の波形を表している。

制御部３１は、オン期間Ｔ１中において制御信号ＶＢの電圧レベルをハイレベル（図２に「Ｈ」で示す）に維持する。スイッチング回路３のトランジスタ３２は、ベース端に入力される制御信号ＶＢの電圧レベルがハイレベルになると、コレクタ端−エミッタ端間を導通状態にする。その結果、オン期間Ｔ１中において圧電ブザー１０及び共振回路２には、電圧レベルがハイレベル（直流電圧Ｖ１）の第１電圧が印加され、圧電ブザー１０に印加される駆動電圧Ｖ２の大きさは直流電圧Ｖ１の大きさと略等しくなる。

制御部３１は、期間Ｔ０中において、オン期間Ｔ１の後にオフ期間Ｔ２を設定して制御信号ＶＢの電圧レベルをハイレベルからローレベル（図２に「Ｌ」で示す）に切り替える。オフ期間Ｔ２の長さは、期間Ｔ０の長さからオン期間Ｔ１の長さを引いた長さとなる。オフ期間Ｔ２の長さは、一例として、第２電圧の１周期以上であり、第２電圧が複数周期含まれる長さに設定されている。

制御部３１は、オフ期間Ｔ２中において制御信号ＶＢの電圧レベルをローレベルに維持する。スイッチング回路３のトランジスタ３２は、ベース端に入力される制御信号ＶＢの電圧レベルがローレベルになると、コレクタ端−エミッタ端間を遮断する。その結果、オフ期間Ｔ２中において圧電ブザー１０及び共振回路２には、電圧レベルがローレベルの第１電圧が印加される。言い換えれば、オフ期間Ｔ２には、圧電ブザー１０及び共振回路２には直流電圧Ｖ１が印加されなくなる。

つまり、スイッチング回路３は、オン期間Ｔ１及びオフ期間Ｔ２からなる期間Ｔ０を周期的に繰り返し、オン期間Ｔ１において電圧レベルがハイレベルとなりオフ期間Ｔ２において電圧レベルがローレベルとなる第１電圧を、共振回路２に出力する。

本実施形態では、第１電圧の電圧レベルがローレベルからハイレベルに切り替わるタイミングの周期、つまり期間Ｔ０の長さは、一例として、１／１，０００［秒］に設定されている。言い換えれば、第１電圧の周期は１／１，０００［秒］であり、第１電圧の周波数は１［ｋＨｚ］となる。ここで、第１電圧の周波数は、圧電ブザー１０に印加される駆動電圧Ｖ２の基本周波数ｆ０であるので、駆動電圧Ｖ２の周期である期間Ｔ０（＝１／ｆ０）は１／１，０００［秒］となり、駆動電圧Ｖ２の基本周波数ｆ０は１［ｋＨｚ］となる。また、オン期間Ｔ１の長さは、一例として、１／８，０００［秒］である。

ところで、共振回路２に直流電圧Ｖ１が印加されなくなるオフ期間Ｔ２においては、オン期間Ｔ１にコイルＬ１に印加された電気エネルギーがコイルＬ１から圧電ブザー１０に供給されて、振動周波数ｆ１で振動する第２電圧が生成される。第２電圧は、共振回路２（コイルＬ１）の両端間に発生する。そのため、圧電ブザー１０に対しては、第１電圧と第２電圧との合成電圧が、駆動電圧Ｖ２として印加されることになる。したがって、図２に示すように、駆動電圧Ｖ２は、オフ期間Ｔ２において振動周波数ｆ１で振動することになる。

本実施形態では、一例として、第２電圧の振動周波数ｆ１は４［ｋＨｚ］であり、第２電圧の周期Ｔ３（＝１／ｆ１）は１／４，０００［秒］である。オフ期間Ｔ２には、第２電圧が複数周期（ここでは少なくとも３周期）含まれている。また、スイッチング回路３及びコイルＬ１は昇圧回路として機能するので、第２電圧のピークピーク値は第１電圧のピークピーク値に比べて相対的に大きくなる。ただし、この例に限らず、第２電圧のピークピーク値は第１電圧のピークピーク値に比べて相対的に小さくてもよい。

（３．２）比較例の動作
次に、本実施形態に係る音響装置１の共振回路２に代えて抵抗成分が接続された比較例の動作について、図３を参照して説明する。比較例に係る音響装置は、共振回路２に代えて抵抗成分を備える点以外については、本実施形態に係る音響装置１と同様の構成であるため、以下、本実施形態に係る音響装置１と同様の点については、本実施形態と共通の符号を付して適宜説明を省略する。図３の上段、中段、下段は、それぞれ圧電ブザー１０の周波数特性、比較例の駆動電圧Ｖｃ２の周波数特性、比較例の警報音の周波数特性を表している。

第１電圧は共振回路２と圧電ブザー１０との並列回路に印加される電圧であるので、共振回路２が無ければ、第１電圧が駆動電圧Ｖｃ２と一致する。この場合において、第１電圧の電圧波形は矩形波であるため、駆動電圧Ｖｃ２には、周波数が「ｆ０」となる基本波と、複数の高調波とが含まれている。この場合の基本周波数（基本波の周波数）ｆ０は、１［ｋＨｚ］である。また、駆動電圧Ｖｃ２の複数の高調波には、図３に示すように、周波数が「２ｆ０」となる２次高調波、及び周波数が「３ｆ０」となる３次高調波が含まれている。駆動電圧Ｖｃ２には、他にも例えば、周波数が「４ｆ０」となる４次高調波、周波数が「５ｆ０」となる５次高調波、及び周波数が「６ｆ０」となる６次高調波が含まれている。ここで、本比較例では基本周波数ｆ０は１［ｋＨｚ］であるため、２ｆ０，３ｆ０，４ｆ０，５ｆ０，６ｆ０はそれぞれ２［ｋＨｚ］，３［ｋＨｚ］，４［ｋＨｚ］，５［ｋＨｚ］，６［ｋＨｚ］となる。図３に示すように、駆動電圧Ｖｃ２に含まれる周波数成分のうち基本周波数ｆ０の成分のピークピーク値が最も大きく、各高調波成分は高調波の次数が大きくなるにつれてピークピーク値が小さくなっている。

ここで、圧電ブザー１０の周波数特性によれば、図３に示すように、駆動電圧Ｖｃ２の２次〜６次高調波の周波数２ｆ０，３ｆ０，４ｆ０，５ｆ０，６ｆ０において、駆動電圧Ｖｃ２の基本周波数ｆ０に比べて、圧電ブザー１０の出力音の音圧レベルは大きくなる。言い換えれば、駆動電圧Ｖｃ２には、基本周波数ｆ０に比べて圧電ブザー１０の出力音の音圧レベルが大きくなる高調波が含まれている。図３の例では、基本周波数ｆ０での圧電ブザー１０の出力音の音圧レベルが所定値ｆＮであるとすれば、周波数２ｆ０，３ｆ０，４ｆ０，５ｆ０，６ｆ０のいずれにおいても、圧電ブザー１０の出力音の音圧レベルは所定値ｆＮよりも大きい。特に、図３の例では、４次高調波の周波数４ｆ０（＝４［ｋＨｚ］）付近で音圧レベルがピーク（極大）となる。ここで、周波数特性において音圧レベルがピークとなる周波数は、所定の周波数範囲（例えば０［ｋＨｚ］〜６ｆ０）内において圧電ブザー１０の出力音の音圧レベルが最大となる周波数と同義である。

そのため、駆動電圧Ｖｃ２が圧電ブザー１０に印加された際に圧電ブザー１０から出力される警報音の周波数特性は、図３の下段に示すようになる。すなわち、比較例の警報音には、４次高調波の周波数４ｆ０にて、４次高調波以外の高調波の周波数又は基本周波数ｆ０に比べて音圧レベルが大きくなる。

（３．３）本実施形態に係る音響装置の動作
次に、本実施形態に係る音響装置１の動作について、図４を参照して説明する。図４の上段、中段、下段は、それぞれ圧電ブザー１０の周波数特性、駆動電圧Ｖ２の周波数特性、警報音の周波数特性を表している。

第２電圧の振動周波数ｆ１は、上述したようにコイルＬ１の誘導成分等によって調整される。本実施形態では、第２電圧の振動周波数ｆ１は、Ｎ次高調波の周波数ｆｎ、及び基本周波数ｆ０との関係が、下記の式１を満たすように設定されている。

ｆｎ−１／２ｆ０≦ｆ１≦ｆｎ＋１／２ｆ０…（式１）
ここで、「Ｎ次高調波」は、駆動電圧Ｖ２の複数の高調波のうち、駆動電圧Ｖ２の基本周波数ｆ０に比べて圧電ブザー１０の出力音の音圧レベルが大きくなるいずれか１つの高調波である。図４の例では、基本周波数ｆ０での圧電ブザー１０の出力音の音圧レベルが所定値ｆＮであるとすれば、周波数２ｆ０，３ｆ０，４ｆ０，５ｆ０，６ｆ０のいずれにおいても、圧電ブザー１０の出力音の音圧レベルは所定値ｆＮよりも大きい。そのため、駆動電圧Ｖ２の２次〜６次高調波のいずれもが、特定周波数のＮ次高調波に該当し得る。本実施形態では、４次高調波の周波数４ｆ０（＝４［ｋＨｚ］）付近で音圧レベルがピーク（極大）となるので、４次高調波をＮ次高調波とする。要するに、第２電圧の振動周波数ｆ１は、基本周波数ｆ０との関係が、下記の式２を満たすように設定されている。

４ｆ０−１／２ｆ０≦ｆ１≦４ｆ０＋１／２ｆ０…（式２）
すなわち、第２電圧の振動周波数ｆ１は、駆動電圧Ｖ２の基本周波数ｆ０の整数倍（本実施形態では４倍）となるように調整されている。ここでいう「整数倍」は、厳密な整数倍を意味することに限らず、誤差を含んでいてもよい。つまり、第２電圧の振動周波数ｆ１は、第１電圧の振動周波数（基本周波数ｆ０）の厳密な整数倍であることに限らず、誤差を含んでいてもよい。ここでは一例として、基本周波数ｆ０が１［ｋＨｚ］であって、振動周波数ｆ１が、基本周波数ｆ０の４倍である約４［ｋＨｚ］となるように調節されている。そのため、振動周波数ｆ１は、駆動電圧Ｖ２の４次高調波の周波数と略等しい（つまりｆ１＝４ｆ０）。これにより、圧電ブザー１０に印加される駆動電圧Ｖ２においては、図４に示すように、Ｎ次高調波（ここでは４次高調波）が強調されることになる。

そのため、駆動電圧Ｖ２が圧電ブザー１０に印加された際に圧電ブザー１０が出力する警報音の周波数特性は、図４の下段に示すようになる。すなわち、本実施形態に係る音響装置１では、比較例の警報音（図３参照）に比べて、周波数４ｆ０の４次高調波が強調された警報音が、圧電ブザー１０から出力されることになる。また、図４に示すように、本実施形態に係る音響装置１では、警報音は、４次高調波だけでなく、その周辺の３次高調波及び５次高調波も強調されている。

ところで、警報音における基本周波数ｆ０の整数倍となる高調波の音圧レベルが大きくなると、警報音を聞いた人が、基本周波数ｆ０の音を感じやすい、という効果がある。この効果は、音響心理学のミッシング・ファンダメンタル（Missing Fundamental）として知られている。言い換えると、警報音の高調波が強調されることにより、警報音を聞いた人にとっては、基本周波数ｆ０の警報音が疑似的に大きく聞こえることになる。したがって、上述したように警報音のＮ次高調波（ここでは４次高調波）が強調された結果、音響心理学のミッシング・ファンダメンタルにより、警報音を聞いた人が基本周波数ｆ０の警報音を認識しやすくなる。言い換えれば、圧電ブザー１０の出力音が最大音圧となる周波数（ここでは４［ｋＨｚ］）よりも低い周波数（ここでは１［ｋＨｚ］）の警報音を圧電ブザー１０に出力させる場合でも、警報音の音圧レベルを高めることができる。

ところで、駆動電圧Ｖ２のＮ次高調波を強調するためには、第２電圧の振動周波数ｆ１は、上記式１を満たすように設定されていればよく、上述したように振動周波数ｆ１は、駆動電圧Ｖ２の基本周波数ｆ０の整数倍であることは必須でない。すなわち、上述したように４次高調波を強調する場合であれば、振動周波数ｆ１は、「４ｆ０±１／２ｆ０」の範囲内にあればよい。つまり、振動周波数ｆ１は、図４に「Ａ１」で示す範囲内にあればよい。図４において、「ｆａ」は「４ｆ０−１／２ｆ０」を表し、「ｆｂ」は「４ｆ０＋１／２ｆ０」を表す。すなわち、駆動電圧Ｖ２の複数の高調波のうち、振動周波数ｆ１に最も近い高調波が強調されることになるので、振動周波数ｆ１が式１を満たすことにより、周波数ｆｎのＮ次高調波が強調されることなる。

また、本実施形態のように、Ｎ次高調波は、駆動電圧Ｖ２の複数の高調波のうち、所定の周波数範囲内において圧電ブザー１０の出力音の音圧レベルが最大となる周波数との周波数の差が、基本周波数ｆ０以内となる高調波であることが好ましい。言い換えれば、Ｎ次高調波は、駆動電圧Ｖ２の複数の高調波のうち、圧電ブザー１０の出力音の音圧レベルがピーク（極大）となる周波数４ｆ０との周波数の差が、基本周波数ｆ０以内となる高調波であることが好ましい。これにより、駆動電圧Ｖ２の複数の高調波のうち、圧電ブザー１０の出力音の音圧レベルがピークとなる周波数に最も近い高調波が強調されることになるので、Ｎ次高調波が強調されることにより、警報音の音圧レベルをより高めることができる。

ここで、第２電圧の振動周波数ｆ１は、例えば、共振回路２のコイルＬ１の誘導成分を調整することにより設定することができる。第２電圧の振動周波数ｆ１は、式１を満たすように設定されればよいので、共振回路２のコイルＬ１の誘導成分の調節の幅が比較的広くなる。そのため、コイルＬ１の誘導成分の調整がしやすい。また、コイルＬ１の誘導成分が温度変化や経年劣化などによって変化しても、式１を満たしている場合には、圧電ブザー１０は警報音の音圧が大きい状態を維持できる。

ところで、圧電ブザー１０の周波数特性において、４［ｋＨｚ］で出力音の音圧レベルがピーク（極大）となる例を説明したが、この例に限らず、４［ｋＨｚ］以下又は４［ｋＨｚ］以上の任意の周波数で出力音の音圧レベルがピークとなってもよい。また、駆動電圧Ｖ２の基本周波数ｆ０は１［ｋＨｚ］に限らず、圧電ブザー１０の出力音の音圧レベルがピークを示す周波数（本実施形態では４［ｋＨｚ］）よりも低い周波数であればよい。また、第２電圧の振動周波数ｆ１は、４［ｋＨｚ］に限らず、上記式１を満たす値であればよい。例えば、駆動電圧Ｖ２の２次高調波の周波数２ｆ０において圧電ブザー１０の出力音の音圧レベルがピーク（極大）を示す場合、第２電圧の振動周波数ｆ１が周波数２ｆ０の付近（±ｆ０の範囲内）に設定されていれば、警報音の音圧が大きくなる。

（４）まとめ
以上説明したように、実施形態１における警報音の音響装置１は、圧電ブザー１０を機械的に振動させて警報音を出力する警報音の音響装置である。警報音の音響装置１は、共振回路２と、スイッチング回路３と、を備える。スイッチング回路３は、オン期間Ｔ１及びオフ期間Ｔ２からなる期間Ｔ０を周期的に繰り返す。スイッチング回路３は、オン期間Ｔ１において電圧レベルがハイレベルとなりオフ期間Ｔ２において電圧レベルがローレベルとなる第１電圧を共振回路２に出力する。共振回路２は、オン期間Ｔ１に印加された電気エネルギーを用いてオフ期間Ｔ２に振動周波数ｆ１で振動する第２電圧を生成し、第１電圧と第２電圧との合成電圧を駆動電圧Ｖ２として圧電ブザー１０に出力するように構成されている。駆動電圧Ｖ２の複数の高調波のうち、駆動電圧Ｖ２の基本周波数ｆ０に比べて圧電ブザー１０の出力音の音圧レベルが大きくなる１つの高調波をＮ次高調波とする。Ｎ次高調波の周波数ｆｎと、基本周波数ｆ０と、振動周波数ｆ１との関係が、ｆｎ−１／２ｆ０≦ｆ１≦ｆｎ＋１／２ｆ０となる。

上記構成によれば、共振回路２にて振動周波数ｆ１の第２電圧が生成されることにより、圧電ブザー１０に出力される駆動電圧Ｖ２においては、Ｎ次高調波が強調されることになる。Ｎ次高調波は、駆動電圧Ｖ２の複数の高調波のうち、駆動電圧Ｖ２の基本周波数ｆ０に比べて圧電ブザー１０の出力音の音圧レベルが大きくなる高調波である。したがって、駆動電圧Ｖ２のＮ次高調波が強調されることにより、警報音の音圧レベルを高めることができる。そのため、例えば、圧電ブザー１０の出力音が最大音圧となる周波数よりも低い周波数の警報音を圧電ブザー１０に出力させる場合でも、警報音の音圧レベルを高めることができる。結果的に、音響装置１によれば、比較的低い周波数の警報音を出力する場合でも警報音の音圧レベルを高めることができる、という利点がある。

本実施形態の警報音の音響装置１において、Ｎ次高調波は、駆動電圧Ｖ２の複数の高調波のうち、所定の周波数範囲内において圧電ブザー１０の出力音の音圧レベルが最大となる周波数との周波数の差が、基本周波数ｆ０以内となる高調波であることが好ましい。これにより、駆動電圧Ｖ２のＮ次高調波が強調されることにより、所定の周波数範囲内において圧電ブザー１０の出力音の音圧レベルが最大となる周波数付近における、警報音の音圧レベルを高めることができる。したがって、警報音の音圧レベルをより高めることができる。

本実施形態の警報音の音響装置１において、オフ期間Ｔ２の長さは、第２電圧の１周期（ここでは周期Ｔ３）以上であることが好ましい。これにより、少なくとも１周期分の第２電圧がオフ期間Ｔ２に含まれることになるので、オフ期間Ｔ２に第２電圧が含まれない場合よりも警報音の音圧を大きくすることができる。

本実施形態の警報音の音響装置１において、オフ期間Ｔ２には、第２電圧が複数周期（ここでは３周期）含まれていることが好ましい。例えば、オフ期間Ｔ２に含まれる第２電圧の周期の数が多いほど、警報音の音圧が大きくなる。

本実施形態の警報音の音響装置１は、電圧検出部４と、電圧制御部５と、を更に備えたことが好ましい。電圧検出部４は、第２電圧のピークピーク値を検出する。電圧制御部５は、ピークピーク値が小さくなるにつれて、オン期間Ｔ１の第１電圧の電圧レベル（ここでは直流電圧Ｖ１）を大きくする。上記構成によれば、電圧制御部５は、第２電圧のピークピーク値が小さくなると、オン期間Ｔ１における第１電圧の電圧レベルを大きくすることにより、第２電圧のピークピーク値の低下を抑制できる。一方、電圧制御部５は、オフ期間Ｔ２において第２電圧のピークピーク値が大きくなる場合には、オン期間Ｔ１における第１電圧の電圧レベルを小さくすることにより、第２電圧のピークピーク値の増加を抑制できる。例えば、共振回路２の周囲の温度変化、及び共振回路２の経年劣化などにより、第２電圧のピークピーク値がオフ期間Ｔ２ごとにばらつく可能性がある。この場合に、警報音の音響装置１は、第２電圧のピークピーク値に基づいてオン期間Ｔ１の電圧レベルを調節することができるので、警報音の音圧のばらつきを小さく抑えることができる。

本実施形態の音響システム１００は、上記した警報音の音響装置１と、圧電ブザー１０と、を備えている。上記構成によれば、音響システム１００は、上記した警報音の音響装置１を備えているので、比較的低い周波数の警報音を出力する場合でも警報音の音圧レベルを高めることができる、という利点がある。

ところで、共振回路２は、コイルＬ１の他にも、抵抗及びコンデンサなどを有してもよい。スイッチング回路３は、トランジスタ３２に代えて、例えばＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）などのような半導体スイッチング素子を有していてもよい。

第２電圧は、図２に示すように、最初の半周期の期間中においてピークピーク値が最大となる場合について説明したが、この例に限らない。第２電圧のピークピーク値が最大となるタイミングは、共振回路２と圧電ブザー１０との共振特性によって定まるため、第２電圧のピークピーク値は、最初の半周期以降に最大となってもよい。

オン期間Ｔ１は、第１電圧の電圧レベルがハイレベルになる期間であればよく、例えば、スイッチング回路３の制御部３１がトランジスタ３２をオン状態にする期間であることに限らず、制御部３１がトランジスタ３２をオフ状態にする期間であってもよい。同様に、オフ期間Ｔ２は、第１電圧の電圧レベルがローレベルになる期間であればよく、例えば、制御部３１がトランジスタ３２をオフ状態にする期間であることに限らず、制御部３１がトランジスタ３２をオン状態にする期間であってもよい。

また、圧電ブザー１０に印加される駆動電圧Ｖ２の基本周波数ｆ０（つまり第１電圧の周波数）は、一定でなくてもよく、例えば、連続的に変化（スイープ）してもよいし、複数の周波数の間で切り替えられてもよい。

（変形例１）
実施形態１の変形例１に係る警報音の音響装置は、スイッチング回路３がオン期間Ｔ１の長さとオフ期間Ｔ２の長さとを変化させるように構成される。

変形例１の警報音の音響装置は、第２電圧のピークピーク値を検出する電圧検出部４を備える。スイッチング回路３は、ピークピーク値が小さくなるにつれて、オン期間Ｔ１を長くし、かつオフ期間Ｔ２の長さを短くするように構成されている。オン期間Ｔ１が長くなると、コイルＬ１に蓄積される電気エネルギーが大きくなり、第２電圧のピークピーク値が大きくなる。一方、スイッチング回路３は、ピークピーク値が大きくなるにつれて、オン期間Ｔ１を短くし、かつオフ期間Ｔ２の長さを長くする。したがって、変形例１の警報音の音響装置は、第２電圧のピークピーク値がオフ期間Ｔ２ごとにばらついても、警報音の音圧のばらつきを小さく抑えることができる。ここで、第２電圧のピークピーク値は、例えば、オフ期間Ｔ２中の第２電圧の最大のピークピーク値でもよいし、オフ期間Ｔ２中の任意の周期（例えば１周期目など）における第２電圧のピークピーク値でもよい。

（実施形態２）
実施形態２に係る警報音の音響装置１Ａについて、図５を参照して説明する。なお、実施形態１における警報音の音響装置１と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

警報音の音響装置１Ａ（以下、音響装置１Ａとも呼ぶ。）は、第２電圧のピークピーク値に基づいて共振回路２Ａに流れる電流を制御する。音響装置１Ａは、共振回路２Ａ、スイッチング回路３Ａ、及び電圧検出部４Ａの構成が実施形態１に係る警報音の音響装置１と異なる。

共振回路２Ａは、コイルＬ１と、電流制御部６（６１）と、を有する。電流制御部６１は、一例として、２つの抵抗６４，６５と、スイッチ６３とを具備する。抵抗６５は、コイルＬ１と直列接続されている。抵抗６４とスイッチ６３とは直列接続されている。抵抗６４とスイッチ６３とからなる直列回路は、抵抗６５と並列接続されている。電流制御部６１は、コイルＬ１に流れる電流を制限する。

スイッチ６３は、例えば、トランジスタなどの半導体スイッチからなり、制御部３１からの制御信号に応じて導通状態と非導通状態とが切り替わる。スイッチ６３は、一例として常開型のスイッチである。スイッチ６３が非導通状態となっている場合、コイルＬ１には接続されている抵抗６５が接続された状態となり、コイルＬ１に流れる電流は、抵抗６５によって制限される。一方、スイッチ６３が導通状態となっている場合、コイルＬ１に接続されている抵抗成分は抵抗６４，６５の合成抵抗となるため、その抵抗値は抵抗６５単体の抵抗値よりも小さくなって、コイルＬ１に流れる電流が大きくなる。コイルＬ１に流れる電流が大きいほど第２電圧のピークピーク値は大きくなり、コイルＬ１に流れる電流が小さいほど第２電圧のピークピーク値は小さくなる。

電圧検出部４Ａは、圧電ブザー１０の２つの入力端１１，１２間に接続されており、共振回路２Ａと電気的に並列に接続されている。電圧検出部４Ａの構成は、電圧検出部４と同様の構成である。

スイッチング回路３Ａは、制御部３１と、トランジスタ３２と、電流制御部６（６２）とを有している。電流制御部６２の構成は、電流制御部６１の構成と同様である。電流制御部６２の一端は、制御部３１に電気的に接続されており、電流制御部６２の他端は、トランジスタ３２のベース端に電気的に接続されている。電流制御部６２は、制御部３１がトランジスタ３２のベース端に出力する電流（制御信号ＶＢ）を制限する。本実施形態では、制御信号ＶＢは電流信号である。スイッチ６３が非導通状態から導通状態となった場合、制御部３１からトランジスタ３２のベース端に流れる電流が大きくなるので、制御信号ＶＢの電流レベルが大きくなる。制御信号ＶＢの電流レベルが大きくなると、トランジスタ３２のコレクタ端−エミッタ端を流れる電流が大きくなるので、共振回路２Ａを流れる電流が大きくなる。

スイッチング回路３Ａの制御部３１は、第２電圧のピークピーク値が規定値以下になった場合に、２つの電流制御部６のスイッチ６３をいずれも導通状態にする。これにより、コイルＬ１に流れる電流が大きくなるので、直流電圧Ｖ１の大きさ及び第２電圧のピークピーク値を大きくすることができる。一方、制御部３１が、２つの電流制御部６のスイッチ６３をいずれも非導通状態にすることにより、コイルＬ１に流れる電流が小さくなるので、直流電圧Ｖ１の大きさ及び第２電圧のピークピーク値を小さくすることができる。

以上説明したように、実施形態２における警報音の音響装置１Ａは、電圧検出部４Ａと、電流制御部６と、を備える。電圧検出部４Ａは、第２電圧のピークピーク値を検出する。電流制御部６は、ピークピーク値の大きさに基づいて、共振回路２Ａに流れる電流を制御する。上記構成によれば、音響装置１Ａは、第２電圧のピークピーク値が変動して第２電圧のピークピーク値がばらついても、警報音の音圧のばらつきを小さく抑えることができる。

なお、電流制御部６は、電流制御部６１及び電流制御部６２のうち一方のみであってもよい。

１，１Ａ 警報音の音響装置
１０ 圧電ブザー
１００ 音響システム
２，２Ａ 共振回路
３，３Ａ スイッチング回路
４，４Ａ 電圧検出部
５ 電圧制御部
６ 電流制御部
Ｔ１ オン期間
Ｔ２ オフ期間

Claims (8)

1. 圧電ブザーを機械的に振動させて警報音を出力する警報音の音響装置であって、
   共振回路と、
   オン期間及びオフ期間からなる期間を周期的に繰り返し、前記オン期間において電圧レベルがハイレベルとなり前記オフ期間において電圧レベルがローレベルとなる第１電圧を前記共振回路に出力するスイッチング回路と、を備え、
   前記共振回路は、前記オン期間に印加された電気エネルギーを用いて前記オフ期間に振動周波数ｆ１で振動する第２電圧を生成し、前記第１電圧と前記第２電圧との合成電圧を駆動電圧として前記圧電ブザーに出力するように構成されており、
   前記駆動電圧の複数の高調波のうち、前記駆動電圧の基本周波数ｆ０に比べて前記圧電ブザーの出力音の音圧レベルが大きくなる１つの高調波をＮ次高調波としたときに、前記Ｎ次高調波の周波数ｆｎと、前記基本周波数ｆ０と、前記振動周波数ｆ１との関係が、
   ｆｎ−１／２ｆ０≦ｆ１≦ｆｎ＋１／２ｆ０
   となる警報音の音響装置。
2. 前記Ｎ次高調波は、前記駆動電圧の前記複数の高調波のうち、所定の周波数範囲内において前記圧電ブザーの前記出力音の音圧レベルが最大となる周波数との周波数の差が、前記基本周波数ｆ０以内となる高調波である
   請求項１に記載の警報音の音響装置。
3. 前記オフ期間の長さは、前記第２電圧の１周期以上である
   請求項１又は２に記載の警報音の音響装置。
4. 前記オフ期間には、前記第２電圧が複数周期含まれている
   請求項１〜３の何れか１項に記載の警報音の音響装置。
5. 前記第２電圧のピークピーク値を検出する電圧検出部と、
   前記ピークピーク値が小さくなるにつれて、前記オン期間の前記第１電圧の電圧レベルを大きくする電圧制御部と、を更に備えた
   請求項１〜４の何れか１項に記載の警報音の音響装置。
6. 前記第２電圧のピークピーク値を検出する電圧検出部を更に備え、
   前記スイッチング回路は、前記ピークピーク値が小さくなるにつれて、前記オン期間を長くし、かつ前記オフ期間を短くするように構成されている
   請求項１〜５の何れか１項に記載の警報音の音響装置。
7. 前記第２電圧のピークピーク値を検出する電圧検出部と、
   前記ピークピーク値の大きさに基づいて、前記共振回路に流れる電流を制御する電流制御部と、を更に備えた
   請求項１〜５の何れか１項に記載の警報音の音響装置。
8. 請求項１〜７の何れか１項に記載の警報音の音響装置と、
   前記圧電ブザーと、
   を備えた音響システム。

Images