JP2019176350A - パラメトリックスピーカ - Google Patents

Abstract

【課題】複数の振動素子間の振動の影響を低減し、高い音圧及び指向性を実現する。【解決手段】パラメトリックスピーカ（１０）は、超音波領域で独立して振動可能な複数の振動素子（１２０）と、複数の振動素子が搭載される搭載面（１３５）と、隣接する複数の振動素子が搭載された搭載面間に設けられた溝部（１４０）とを備える。このようなパラメトリックスピーカでは、複数の振動素子間の振動の影響が、溝部によって効果的に低減される。【選択図】図１

Description

本発明は、パラメトリックスピーカの技術分野に関する。

超音波を利用した音響システムとして、指向性を有するパラメトリックスピーカが知られており、品質を高めるための様々な技術が提案されている。例えば特許文献１では、水等の液体が侵入して電極間で短絡が生じないように、樹脂を用いて振動板の表面を封止するという技術が開示されている。特許文献２では、複数の超音波振動子の集積度を上げるべく、設置高さの異なる２つの群に分けて振動子を配置するという技術が開示されている。特許文献３では、防水性を確保しつつ、超音波の音圧レベルの低下を防ぐパラメトリックスピーカの構造が開示されている。

特開２０１７−２０４４６１号公報 特開２００３−０４７０８５号公報 特開２０１２−１４８６５７号公報

上述した特許文献１に記載されている技術のように、樹脂等で振動板の表面を封止すると、防滴効果を得ることができる一方で、各振動素子の振動が隣接する振動素子に影響を与え、音圧や指向性が低下するという技術的問題点が生ずる。

本発明は、例えば上記問題点に鑑みてなされたものであり、複数の振動素子間の振動の影響を低減し、高い音圧及び指向性を実現することが可能なパラメトリックスピーカを提供することを課題とする。

本発明に係るパラメトリックスピーカの一態様では、超音波領域で独立して振動可能な複数の振動素子と、前記複数の振動素子が搭載される搭載面と、隣接する前記複数の振動素子が搭載された前記搭載面間に設けられた溝部とを備える。

第１実施形態に係るパラメトリックスピーカの構成を示す平面図である。 第１実施形態に係るパラメトリックスピーカの構成を示す斜視図である。 第１実施形態に係るパラメトリックスピーカの構成を示す平面図及び断面図である。 第１実施形態に係るパラメトリックスピーカにおける振動による振動体の変形を示す概念図である。 比較例に係るパラメトリックスピーカにおける振動による振動体の変形を示す概念図である。 第１実施形態に係るパラメトリックスピーカにおける各搭載面の振動の振幅を色の濃淡によって示す図である。 第１実施形態に係るパラメトリックスピーカによる音圧増加の効果を示すグラフである。 第１実施形態に係るパラメトリックスピーカによる指向性向上の効果を示すグラフである。 第２実施形態に係るパラメトリックスピーカの構成を示す平面図及び断面図である。 第２実施形態に係るパラメトリックスピーカにおける位相制御を示す概念図である。 第２実施形態に係るパラメトリックスピーカにおける各搭載面の振動の振幅を色の濃淡によって示す図である。 第２実施形態に係るパラメトリックスピーカの変形例の構成を示す平面図及び断面図である。 第２実施形態に係るパラメトリックスピーカの変形例における位相制御を示す概念図である。 第２実施形態に係るパラメトリックスピーカの変形例における各搭載面の振動の振幅を色の濃淡によって示す図である。 第２実施形態に係るパラメトリックスピーカによる指向性向上の効果を示すグラフである。 第３実施形態に係るパラメトリックスピーカの構成を示す上面図、正面図及び斜視図である。

以下、図面を参照してパラメトリックスピーカの実施形態について説明する。

＜第１実施形態＞
第１実施形態に係るパラメトリックスピーカについて、図１から図８を参照して説明する。

＜装置構成＞
まず、第１実施形態に係るパラメトリックスピーカの構成について、図１から図３を参照して説明する。図１は、第１実施形態に係るパラメトリックスピーカの構成を示す平面図である。図２は、第１実施形態に係るパラメトリックスピーカの構成を示す斜視図である。図３は、第１実施形態に係るパラメトリックスピーカの構成を示す平面図及び断面図である。

図１及び図２に示すように、第1実施形態に係るパラメトリックスピーカ１０は、スピーカケース１００の内部に、複数の振動素子１２０が搭載された振動体１３０を備えて構成されている。振動体１３０における隣接する振動素子１２０間には、各振動素子１２０が搭載された搭載面１３５を互いに分離するように、溝部（言い換えれば、凹部）１４０が設けられている。溝部１４０は、例えば深さ５ｍｍ、幅１ｍｍに設定されている。

図３に示すように、振動体１３０は一体的に構成されており、複数の振動素子１２０が搭載される搭載面１３５が、溝部１４０によって分離されている。図に示す例では、搭載面１３５を六角形の形状に分離するように溝部１４０が設けられているが、その形状は特に限定されるものではなく、例えば搭載面１３５を円柱状に分離するような溝部１４０が設けられてもよい。なお、複数の振動素子１２０には、その各々に対応するように通電用端子１５０が設けられている。

＜溝部による振動方向の変化＞
次に、第１実施形態に係るパラメトリックスピーカ１０に設けられた溝部１４０による振動方向の変化について、図４及び図５を参照して説明する。図４は、第１実施形態に係るパラメトリックスピーカにおける振動による振動体の変形を示す概念図である。図５は、比較例に係るパラメトリックスピーカにおける振動による振動体の変形を示す概念図である。

図４に示すように、第１実施形態に係るパラメトリックスピーカ１０では、振動体１３０に溝部１４０が設けられていることにより、複数の振動素子１２０による振動が、隣接する搭載面１３５間において及ぼす影響を低減することができる。具体的には、振動素子１２０によって搭載面１３５が振動により大きく振動する一方で、搭載面１３５の伸縮に応じて、溝部１４０の側面部分が側面内外方向に変形する（即ち、振動方向が搭載面１３５の面方向とは異なる方向となる）。これにより、一の振動素子１２０が搭載された搭載面１３５の振動が、隣接する他の振動素子１２０が搭載された搭載面１３５に与える影響を小さくすることができる。

図５に示すように、溝部１４０が設けられない比較例の場合、一の振動素子１２０が搭載された搭載面１３５の振動が、図４のように方向変換されない。この結果、一の振動素子１２０が搭載された搭載面１３５の振動により、隣接する他の振動素子１２０が搭載された搭載面１３５が引っ張られることになる。このように、溝部１４０が設けられていない場合には、複数の振動素子１２０が搭載された搭載面１３５が互いの振動の影響を受け、結果として音圧や指向性の低下を招いてしまう。

＜振動の独立性＞
次に、第１実施形態に係るパラメトリックスピーカ１０における振動の独立性について、図６を参照して説明する。図６は、第１実施形態に係るパラメトリックスピーカにおける各搭載面の振動の振幅を色の濃淡によって示す図である。

図６（ａ）に示すように、溝部１４０が設けられた第１実施形態に係るパラメトリックスピーカ１０では、複数の振動素子１２０が搭載された搭載面１３５の各々が独立して振動している。すでに説明したように、溝部１４０が設けられているによって、一の振動素子１２０が搭載された搭載面１３５の振動が、隣接する他の振動素子１２０が搭載された搭載面１３５に与える影響が低減されているからである。

図６（ｂ）に示すように、溝部１４０が設けられていない比較例に係るパラメトリックスピーカでは、周囲の振動を受けて中心部の振幅が大きく、外側になるほど振幅が小さくなっている。また、比較例に係るパラメトリックスピーカでは、振動体１３０全体での振動（以下、適宜「全体振動」と称する）も発生している。全体振動が発生すると、中心部と外周部とで位相差が発生することになる。さらに、振動の送信方向が広がるため、パラメトリックスピーカとしての指向性が悪くなり、聞かせたい領域の音圧も低下してしまう。

＜技術的効果＞
次に、第１実施形態に係るパラメトリックスピーカ１０によって得られる技術的効果について、図７及び図８を参照して説明する。図７は、第１実施形態に係るパラメトリックスピーカによる音圧増加の効果を示すグラフである。図８は、第１実施形態に係るパラメトリックスピーカによる指向性向上の効果を示すグラフである。

図７に示すように、本願発明者の研究するところによれば、溝部１４０が設けられた第１実施形態に係るパラメトリックスピーカ１０と、溝部１４０が設けられていない比較例に係るパラメトリックスピーカとで音圧を比較すると、第１実施形態に係るパラメトリックスピーカ１０の方が、比較例に係るパラメトリックスピーカよりも、音圧が＋３．４ｄＢ大きくなるという結果が得られている。このように、振動体１３０に溝部１４０を設けることで、効果的に音圧を増加させることができる。

図８に示すように、本願発明者の研究するところによれば、溝部１４０が設けられた第１実施形態に係るパラメトリックスピーカ１０と、溝部１４０が設けられていない比較例に係るパラメトリックスピーカとで指向性を比較すると、第１実施形態に係るパラメトリックスピーカ１０の方が、比較例に係るパラメトリックスピーカよりも、±１０°、±５０°、及び±７０°付近に広がっているサイドローブが小さくなるという結果が得られている。この結果から、第１実施形態に係るパラメトリックスピーカ１０では、正面音圧にエネルギーが集中していることが分かる。よって、振動体１３０に溝部１４０を設けることで、効果的に指向性を向上させることができる。

以上説明したように、第１実施形態に係るパラメトリックスピーカ１０によれば、振動体１３０に溝部１４０が設けられているため、複数の振動素子１２０が搭載された搭載面１３５間における振動の影響が低減され、高い音圧及び指向性を実現することが可能である。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態に係るパラメトリックスピーカについて、図９から図１５を参照して説明する。なお、第２実施形態は、上述した第１実施形態と比べて一部の構成が異なるのみであり共通する部分も多い。このため、以下では第１実施形態と異なる部分について詳細に説明し、他の重複する部分については適宜説明を省略するものとする。

＜装置構成＞
まず、第２実施形態に係るパラメトリックスピーカの構成について、図９を参照して説明する。図９は、第２実施形態に係るパラメトリックスピーカの構成を示す平面図及び断面図である。

図９に示すように、第２実施形態に係るパラメトリックスピーカ２０は、複数の振動素子１２０が設けられる搭載面１３５間に段差が設けられている。具体的には、振動体１３０には、比較的高い位置に存在する搭載面１３５ａと、比較的低い位置に存在する搭載面１３５ｂの２種類が、交互に位置するように設定されている。

＜位相制御＞
次に、第２実施形態に係るパラメトリックスピーカ２０において実行される位相制御について、図１０を参照して説明する。図１０は、第２実施形態に係るパラメトリックスピーカにおける位相制御を示す概念図である。

図１０に示すように、第２実施形態に係るパラメトリックスピーカ２０では、高さの違う搭載面１３５ａと１３５ｂとで超音波の位相が揃うように、位相制御が実行される。ここで特に、振動体１３０の段差の深さ（即ち、搭載面１３５ａと１３５ｂとの高さの差分）Ｌｎは、４．２５ｍｍに設定されている。４．２５ｍｍは、音速を３４０ｍ／ｓとした場合の４０ｋＨｚ音波の波長λの１／２に相当する。このため、搭載面１３５ａと１３５ｂとで位相Φ＝π（半周期）となるようにずらして駆動すれば、高さの異なる搭載面１３５ａと１３５ｂから位相の揃った音波を出力できる。位相を半周期ずらす場合、搭載面１３５ａが段差壁面にかける力と、搭載面１３５ｂが段差壁面にかける力がつりあうため、相殺効果が最大となり、隣接する振動素子１２０間での影響を小さくできる。

なお、上述したように音速を一定値として定義せず、監視している温度、湿度、気圧、気体密度等から波長を計算して、駆動時に位相のずれを調整するようにしてもよい。

＜振動の独立性＞
次に、第２実施形態に係るパラメトリックスピーカ２０における振動の独立性について、図１１を参照して説明する。図１１は、第２実施形態に係るパラメトリックスピーカにおける各搭載面の振動の振幅を色の濃淡によって示す図である。

図１１に示すように、第２実施形態に係るパラメトリックスピーカ２０では、正面側（図１１（ａ）参照）及び背面側（図１１（ｂ）参照）において、複数の振動素子１２０の搭載面１３５ａ及び１３５ｂがそれぞれ独立して振動している。

＜変形例＞
次に、第２実施形態に係るパラメトリックスピーカの変形例について説明する。

＜装置構成＞
まず、第２実施形態に係るパラメトリックスピーカの変形例２０ｂの構成について、図１２を参照して説明する。図１２は、第２実施形態に係るパラメトリックスピーカの変形例の構成を示す平面図及び断面図である。

図１２に示すように、変形例に係るパラメトリックスピーカ２０ｂでは、振動体１３０に複数の段差が設定されている。具体的には、最も高い位置に存在する０段目の搭載面１３５ａと、２番目に高い位置に存在する１段目の搭載面１３５ｂと、最も低い位置に存在する２段目の搭載面１３５ｃとが設けられている。

＜位相制御＞
次に、第２実施形態に係るパラメトリックスピーカの変形例２０ｂにおいて実行される位相制御について、図１３を参照して説明する。図１３は、第２実施形態に係るパラメトリックスピーカの変形例における位相制御を示す概念図である。

図１３に示すように、変形例に係るパラメトリックスピーカ２０ｂにおいても、図１０で説明した位相制御と同様の制御が実行される。ここで特に、搭載面１３５ａと１３５ｂとの段差Ｌ_１、及び搭載面１３５ｂと１３５ｃとの段差Ｌ_２は、いずれも４．２５ｍｍに設定されている。変形例に係るパラメトリックスピーカ２０ｂでは、０段目の搭載面１３５ａの位相Φ_０＝０を基準として、１段目の搭載面１３５ｂの位相Φ_１＝π、２段目の搭載面の位相Φ_２＝２πとして、それぞれ位相をずらして駆動する。これにより、高さの異なる搭載面１３５ａ、１３５ｂ、及び１３５ｃから位相の揃った音波を出力できる。

＜振動の独立性＞
次に、第２実施形態に係るパラメトリックスピーカの変形例２０ｂにおける振動の独立性について、図１４を参照して説明する。図１４は、第２実施形態に係るパラメトリックスピーカの変形例における各搭載面の振動の振幅を色の濃淡によって示す図である。

図１４に示すように、変形例に係るパラメトリックスピーカ２０ｂでは、正面側（図１４（ａ）参照）及び背面側（図１４（ｂ）参照）において、複数の振動素子１２０の搭載面１３５ａ、１３５ｂ、及び１３５ｃがそれぞれ独立して振動している。

＜技術的効果＞
次に、第２実施形態に係るパラメトリックスピーカ（変形例を含む）によって得られる技術的効果について、図１５を参照して説明する。図１５は、第２実施形態に係るパラメトリックスピーカによる指向性向上の効果を示すグラフである。

図１５に示すように、段差が設けられた第２実施形態に係るパラメトリックスピーカ２０と、段差が設けられていない比較例に係るパラメトリックスピーカとで指向性を比較すると、第２実施形態に係るパラメトリックスピーカ２０の方が、比較例に係るパラメトリックスピーカよりも、±１０°、±５０°、及び±７０°付近に広がっているサイドローブが小さくなっている。この結果から、第２実施形態に係るパラメトリックスピーカ２０では、正面音圧にエネルギーが集中していることが分かる。このように、振動体１３０に段差を設けることで、効果的に指向性を向上させることができる。また、第２実施形態に係るパラメトリックスピーカ２０では、正面と周囲との音圧差が大きくなっている。このため、比較的静かな環境においても、周囲に配慮して利用することが可能である。

なお、第２実施形態では、第１実施形態のように溝部１４０を設ける隙間を要しないため、振動素子１２０の配置密度を増加させることが可能である。よって、振動素子１２０間の距離に影響を受けるサイドローブの低減や装置の小型化を実現することができる。また、変形例のように段差を複数設けることで、より配置密度を上げることができる。具体的には、図１２示すような構成であれば、振動素子１２０を投影面に細密構造として配置した場合でも、隣接する６つの振動素子１２０の搭載面が異なる平面上に位置するため、振動素子１２０の配置密度を向上できる。

＜第３実施形態＞
次に、第３実施形態に係るパラメトリックスピーカについて、図１６を参照して説明する。なお、第３実施形態は、上述した第１及び第２実施形態と比べて一部の構成が異なるのみであり共通する部分も多い。このため、以下では第１及び第２実施形態と異なる部分について詳細に説明し、他の重複する部分については適宜説明を省略するものとする。

＜装置構成＞
まず、第３実施形態に係るパラメトリックスピーカの構成について、図１６を参照して説明する。図１６は、第３実施形態に係るパラメトリックスピーカの構成を示す上面図、正面図及び斜視図である。

図１６に示すように、第３実施形態に係るパラメトリックスピーカ３０は、スピーカケース２００に、一体的に構成された２つの振動体１３０ａ及び１３０ｂを備えて構成されている。なお、振動体１３０ａ及び１３０ｂは、第１実施形態のように溝部１４０が設けられた構成であってもよいし（図１から図３等を参照）、第２実施形態のように段差が設けられた構成であってもよい（図９及び図１２等を参照）。

＜技術的効果＞
次に、第３実施形態に係るパラメトリックスピーカ３０によって得られる技術的効果について、引き続き図１６を参照して説明する。

装置の規模が大きくなる場合、或いは搭載形状が立体的になる場合、振動体１つで構成しようとすると、製造時に要求される技術が高くなり、製造コストも増加する。これに対し、第３実施形態に係るパラメトリックスピーカ３０のように、複数個の振動体１３０ａ及び１３０ｂで１つのスピーカを構成すれば、防水性・洗浄性を確保しやすく、製造コストの高騰の防止、及びスピーカとしてのデザインの自由度を向上させることができる。

＜付記＞
以上説明した実施形態から導き出される発明の各種態様を以下に説明する。

（付記１）
付記１に記載のパラメトリックスピーカは、超音波領域で独立して振動可能な複数の振動素子と、前記複数の振動素子が搭載される搭載面と、隣接する前記複数の振動素子が搭載された前記搭載面間に設けられた溝部とを備える。

付記１に記載のパラメトリックスピーカによれば、隣接する複数の振動素子が搭載される搭載面間に溝部が設けられているため、隣接する複数の振動素子が互いの振動の影響を受け難い。具体的には、搭載面の振動方向の力が、溝部の側面で側面方向の力に変換される（即ち、側面振動に変わる）ことで、隣接する振動素子への振動の影響が低減される。この結果、音圧や指向性の低下を抑制することができる。言い換えれば、音圧や指向性の高いパラメトリックスピーカを実現できる。

本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴うパラメトリックスピーカもまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

１０，２０，３０ パラメトリックスピーカ
１１０，２００ スピーカケース
１２０ 振動素子
１３０ 振動体
１３５ 搭載面
１４０ 溝部

Claims (1)

1. 超音波領域で独立して振動可能な複数の振動素子と、
   前記複数の振動素子が搭載される搭載面と、
   隣接する前記複数の振動素子が搭載された前記搭載面間に設けられた溝部と
   を備えることを特徴とするパラメトリックスピーカ。