JP2022160367A - 空気パルス発生装置及びその音生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】空気パルス発生装置を提供する。【解決手段】空気パルス発生装置は、膜構造、バルブ構造、及びカバー構造を含む。チャンバが、膜構造、バルブ構造、及びカバー構造の間に形成される。動作周波数で振動する空気波がチャンバ内に形成される。バルブ構造は、少なくとも１つの開口を形成するために、開閉動作を行うよう作動されるように構成される。少なくとも１つの開口は、チャンバ内の空気をチャンバ外の空気と接続する。開閉動作は動作周波数と同期している。【選択図】図１

Description

本出願は、空気パルス発生装置（air-pulse generating device）及びその音生成方法（sound producing method）に関し、より詳細には、全体の空気パルスレート（air pulse rate）を増加させ、音圧レベルを改善し、及び／又は電力を節約することができる空気パルス発生装置及びその音生成方法に関する。

スピーカドライバ及び背面エンクロージャは、スピーカ業界における２つの大きな設計課題である。従来のスピーカでは、オーディオ周波数帯域全体、例えば２０Ｈｚ～２０ＫＨｚをカバーすることは困難である。十分に高い音圧レベル（ＳＰＬ）で高忠実度の音を生成するためには、従来のスピーカのための放射／可動面（moving surface）及び背面エンクロージャの体積/サイズの両方が十分に大きいことが必要である。

したがって、従来のスピーカが直面する設計課題を克服しながら小型の音生成装置どのように設計するかは、この分野における重要な目標である。

米国特許出願第17/553,806号 米国特許出願第17/553,813号

したがって、本出願の主たる目的は、従来技術の欠点及び／又は制限を越えて改善するために、空気パルス発生装置及びその音生成方法を提供することである。

本発明の一実施形態は、空気パルス発生装置を提供し、膜構造及びバルブ構造と；カバー構造であって、チャンバが膜構造、バルブ構造、及びカバー構造の間に形成される、カバー構造とを有し；動作周波数で振動する空気波がチャンバ内に形成され；バルブ構造は、少なくとも１つの開口を形成するために開閉動作を実行するよう作動されるように構成され、少なくとも１つの開口が、チャンバ内の空気をチャンバ外の空気と接続し；開閉動作は動作周波数と同期している。

本発明の別の実施形態は、空気パルス発生装置に適用される音生成方法を提供し、方法は、チャンバ内に空気波を形成するステップであって、空気波は動作周波数で振動し、チャンバは空気パルス発生装置内に形成される、ステップと；空気パルス発生装置に開放周波数（opening frequency）で少なくとも１つの開口を形成するステップであって、少なくとも１つの開口は、チャンバ内の空気をチャンバ外の空気と接続する、ステップ；とを含み、開放周波数は、動作周波数と同期している。

本発明のこれら及び他の目的は、種々の図及び図面に示されている好ましい実施形態の以下の詳細な説明を読んだ後に、当業者には明らかになるであろう。

本出願の一実施形態による空気パルス発生装置の概略図である。

本出願の一実施形態による複数の波形の概略図である。

本出願の一実施形態による複数の信号の概略図である。

本出願の一実施形態による膜駆動信号を示す。

図１に示す空気パルス発生装置の上面図を示す概略図である。

本出願の実施形態による空気パルス発生装置の断面図の概略図である。

本出願の実施形態による空気パルス発生装置の断面図の概略図である。

本出願の実施形態による空気パルス発生装置の断面図の概略図である。

本出願の実施形態による空気パルス発生装置の断面図の概略図である。

本出願の実施形態による構成物内に配置された図８に示す空気パルス発生装置の概略図である。

本出願の実施形態による構成物内に配置された図８に示す空気パルス発生装置の概略図である。

本出願の一実施形態によるモバイルデバイスの概略図である。

本出願の実施形態による空気パルス発生装置の断面図の概略図である。

本出願の実施形態による空気パルス発生装置の断面図の概略図である。

本出願の実施形態による空気パルス発生装置の断面図の概略図である。

本出願の一実施形態によるバルブ移動の概略図である。

米国特許第10,425,732号は、人間の最大可聴周波数より高い超音波パルスレート（ultrasonic pulse rate）で複数のＰＡＭ（パルス振幅変調）空気パルスを生成することができる複数の空気パルス発生要素を含む、音生成装置又は空気圧パルススピーカ（ＡＰＰＳ）を提供する。米国特許第10,425,732号はまた、ＡＰＰＳが、電子デバイス内に配置され、電子デバイスの熱放散を助けることができるファンとして機能し得ることを開示している。

米国特許第10,771,893号は、音圧レベル性能及び低音響周波数応答をさらに向上させるために、超音波パルスレートでシングルエンドＰＡＭ空気パルスを生成することができる、音発生装置又はＡＰＰＳのためのＳＥＡＭ（シングルエンド振幅変調）駆動信号を提供する。ＳＥＡＭ駆動信号は、複数の電気パルスを含み、複数の電気パルスは、一定の電圧と比べて（又は一定の電圧に対して）同じ極性を有する。ＳＥＡＭ駆動信号については、各電気パルスサイクルは、ＰＡＭ（パルス、振幅変調）位相及びＲＳＴ（リセット）位相を含み、後述される。ＳＥＡＭ駆動信号は、ＰＡＭ位相内のＰＡＭ信号であり得、ＲＳＴ位相内のリセット電圧に戻り得る。

米国特許出願第16/802,569号は、音発生装置の小さいサイズ／寸法で顕著な空気圧を達成するために、膜の移動によって励起されたチャンバ圧縮／膨張を介して空気パルスを発生させ、空気パルスを音生成装置の膜又はプレート上に形成された圧力射出オリフィス（ＰＥＯ）を介して伝搬させる音生成装置又はＡＰＰＳを提供する。

米国特許第11,043,197号は、チャンバ内で空気の圧縮／膨張を行うために膜を利用し、膜の２つの面の間の空気圧平衡プロセスが加速されるように、一時的に開いて空気シャントを提供し得る仮想バルブを形成するよう膜上に形成されたスリットを利用する、空気パルス発生要素及びＡＰＰＳを提供する。

一実施形態では、本出願の空気パルス発生装置は、ＡＰＰＳの音生成原理に従って超音波パルスレートでＰＡＭ空気パルスを生成するように構成されたＡＰＰＳの用途に適用され得る。別の実施形態では、本出願の空気パルス発生装置は、ファンとして機能し、米国特許第10,425,732号に類似する、空気移動又はファン用途に適用され得る。

図１は、本出願の一実施形態による空気パルス発生装置８９０の断面図の概略図である。空気パルス発生装置８９０は、ＡＰＰＳ内に適用され得る。空気パルス発生装置８９０は、膜構造１２と、バルブ構造１１と、カバー構造８０４とを有する。チャンバ１０５が、膜構造１２と、バルブ構造１１と、カバー構造８０４との間に形成される。空気パルス発生装置８９０は、ポート７０７Ｌ及び７０７Ｒにおいてその（空気圧）出力を生成する。図１は、膜構造１２が（実質的に）平坦であり且つＸＹ平面に対して平行である状態の膜構造１２を示し（実線の輪郭）、また、膜構造１２が湾曲している作動状態の膜構造１２を示す（点線の輪郭）。

膜構造１２及びバルブ構造１１は、薄膜構造を有し得、これは、例えば、ＳＯＩ（絶縁体のシリコン／Ｓｉ）又はＰＯＩ（絶縁体上のポリＳｉ／ポリシリコン）ウェハを使用するＭＥＭＳ（微小電気機械システム）製造プロセスによって製造され得るいが、これらに限定されない。図１に示す実施形態では、膜構造１２は、第１の膜部分１０２ａ及び第２の膜部分１０２ｂを含む。バルブ構造１１は、第１のバルブ部分１０１及び第２のバルブ部分１０３を含む。カバー構造８０４は、上部（top）プレート８０４Ｔと、側壁８０４Ｌ及び８０４Ｒとを含む。チャンバ１０５は、膜部分１０２ａ及び１０２ｂ、バルブ部分１０１及び１０３、上部プレート８０４Ｔ、ならびに側壁８０４Ｌ及び８０４Ｒによって／これらの間に囲まれる。バルブ部分１０１／１０３は、一端が支持構造１１０／１１５に固定され、他端が自由に動き、自由移動端は、側壁８０４Ｌ／８０４Ｒに近接／隣接して位置する。

膜構造１２は、空気波ＡＷが生成されるように作動されるように構成される。さらに、膜構造１２に供給される駆動信号（複数可）を注意深く選択することによって、空気波ＡＷは、動作周波数ｆ_ＣＹで振動し、チャンバ１０５内で膜構造１２に平行な方向（例えば、Ｘ方向）に沿って伝播し得る。

ある観点では、空気波は、空気分子の質量が、空気圧変動又は空気分子密度の変動により、一定の時間周期で、前後方向（例えば、Ｘ軸成分の動きの観点から、Ｘ方向の左右）に周期的に移動することに関連付けられ得る。特定の周波数で振動する空気波は、特定の周波数が特定の期間の逆数である動作周波数ｆ_ＣＹに関連し、その逆も同様である。

バルブ構造１１は、少なくとも１つの開口を周期的に形成するために、開閉動作を、開放周波数で実行するよう作動するように構成され、少なくとも１つの開口は、チャンバ１０５の中の空気を周囲／チャンバ１０５の外の空気と接続する。具体的には、バルブ部分１０１は、開口１１２を形成させる及び形成させない（form-and-unform）（Ｚ方向の）上下移動を行うように作動され得、これはバルブ１０１の開閉と呼ばれる。同様に、バルブ部分１０３は、開口１１４を形成させる及び形成させない（Ｚ方向の）上下移動を行うように作動され得、これはバルブ１０３の開閉と呼ばれる。バルブ（部分）１０１及び１０３を含むバルブ構造１１の開閉動作（又は開放周波数）は、空気波ＡＷと同期し、これは、動作周波数ｆ_ＣＹとさらに同期する。バルブ構造／部分の開閉動作が作動周波数ｆ_ＣＹと同期していることは、バルブ部分／構造の開閉動作が、作動周波数ｆ_ＣＹ又は（Ｍ／Ｎ）＊ｆ_ＣＹの周波数で（好ましくは）実行されることを意味し、ここで、Ｍ及びＮは共に整数である。開閉、上下、形成する及び形成しない運動については、後で詳しく説明する。以下の説明では、バルブ１０１／１０３は、簡潔にするためにバルブ部分１０１／１０３と称され得る。

バルブ開度の機能は、気流に対する抵抗Ｚ_{ＶＡＬＶＥ}がバルブ開度によって制御される可変抵抗のものと同様である。バルブが閉じられるとき、すなわち、Ｚ１０１＜Ｚ_Ｏ／Ｃ又はＺ１０３＜Ｚ_Ｏ／Ｃであるとき、Ｚ_{ＶＡＬＶＥ}の大きさは高い（Ｈｉ－Ｚ）。バルブが開いているとき、すなわちＺ１０１＞Ｚ_Ｏ／Ｃ又はＺ１０３＞Ｚ_Ｏ／Ｃであるとき、Ｚ_{ＶＡＬＶＥ}の大きさは開度、又はＺ１０１－Ｚ_Ｏ／Ｃ及びＺ１０１－Ｚ_Ｏ／Ｃに反比例する。バルブが広く開くほど、Ｚ_{ＶＡＬＶＥ}の値は低くなり、所与のチャンバ内圧に対する空気流量は高くなる。

チャンバ共振

側壁８０４Ｌ及び８０４Ｒが、反射壁として機能し得ることを考えると、膜構造１２によって生成される空気波ＡＷは、入射波及び反射波を含み得ることに留意されたい。一実施形態では、Ｗ_１０５として示されるチャンバ１０５の幅、又は側壁８０４Ｌと８０４Ｒとの間の距離は、入射波及び反射波が集められ、チャンバ１０５内で定在波を形成され得るように設計され得る。

一実施形態では、側壁８０４Ｌと８０４Ｒとの間の距離又は幅Ｗ_１０５は、空気波ＡＷの動作周波数ｆ_ＣＹに対応する半波長（λ／２）の整数倍に等しくてよく、λ＝Ｃ／ｆ_ＣＹ、Ｃは音速である。

一実施形態では、側壁８０４Ｌと８０４Ｒとの間の距離又は幅Ｗ_１０５は、基本モード共振又は１次高調波共振とも呼ばれる１次（１^ｓｔ）モード（又はｎ＝１モード）共振がチャンバ１０５内に形成されるように設計され得る。この場合、１つの空気運動の腹（air-motion antinode）（振幅がピークに達する）のみがチャンバ１０５内に存在する（チャンバ１０５の中央にあり得る）；２つの空気運動の節（振幅が０に近い）のみが、側壁８０４Ｌ及び８０４Ｒに位置する；１つの空気圧の節のみがチャンバ１０５内に存在し（チャンバ１０５の中央に位置し得る）；２つの空気圧の腹のみが、側壁８０４Ｌ及び８０４Ｒに位置する。

ここで、チャンバ共振又は定在波の観点では、空気運動の腹は、空気分子の速度／変位の振幅がチャンバ内のＸ軸にわたる空気運動において最大に達する位置を表し；空気運動の節は、空気分子の速度／変位の振幅がチャンバ内のＸ軸にわたる空気運動において最小に達する位置を表し（通常、０の運動）；空気圧の腹は、空気圧の変動の振幅がチャンバ内のＸ軸にわたる空気圧において最大に達する位置を表し；空気圧の節は、空気圧の変動の振幅がチャンバ内のＸ軸にわたる空気圧において最小に達する位置を表す。

図１において、曲線Ｕ１０２は、異なる時間におけるＸ方向に分布した空気粒子の変位を概略的に表し、曲線Ｗ１０２は、異なる時間におけるチャンバ内の圧力分布を概略的に表す。例えば、曲線Ｕ１０２及びＷ１０２の破線は時間ｔ_０に対応し、曲線Ｕ１０２及びＷ１０２の実線は時間ｔ_１に対応する。図１のＰ０は、周囲圧力を指し得、これは１気圧であり得る。一実施形態では、１次モード（又はｎ＝１モード）共振を達成するために、側壁８０４Ｌと８０４Ｒとの間の距離又は幅Ｗ_１０５は、空気波ＡＷの動作周波数ｆ_ＣＹに対応する半波長（λ_ＣＹ／２）であり得る。

１０１／１０３のバルブ移動の詳細は、図１６にさらに示される。時間ｔ_０において（又はｔ＝ｔ_０のとき）、バルブ１０１は、開口１１２が開く又は形成されるように上方に曲がるように作動され、バルブ１０３は、（実質的に）開口１１４をシールするように作動され得、これは、図１６の上部に示されるように、開口１１４が閉じているか又は形成されていないことを意味する。一方、時間ｔ_１において（又はｔ＝ｔ_１のとき）、バルブ１０１は、開口１１２を（実質的に）シールするように作動され得、これは、開口１１２が閉じているか又は形成されていないことを意味し、バルブ１０３は、図１６の底部に示すように、開口１１４が開かれるか又は形成されるように、上方に曲がるように作動される。一実施形態では、ある時点ｔ_２において（又はｔ＝ｔ_２、ここでｔ_２≠ｔ_０且つｔ_２≠ｔ_１）、バルブ１０１及び１０３は、図１６の中央に示すように、開口１１２及び１１４がほとんど開かれないか、又はほとんど閉じない状態にあり、図２に示すように、それぞれＺ１０１=Ｚ_Ｏ／Ｃ及びＺ１０３=Ｚ_Ｏ／Ｃに対応する。

図２は、本出願の一実施形態による複数の波形の概略図である。波形Ｚ１０１は、バルブ部分１０１の自由移動端のＺ方向における変位を概略的に表し；一方、波形Ｚ１０３は、バルブ部分１０３の自由移動端のＺ方向における変位を概略的に表す。Ｚ_Ｏ／Ｃはあるレベルの変位を表し、サフィックスＯ／Ｃは、開状態と閉状態を区切る線を表す。バルブＺ１０１の自由移動端の変位が変位レベルＺ_Ｏ／Ｃより大きい（上である）場合、開口１１２が形成される又はバルブ１０１が開く。バルブＺ１０３の自由移動端の変位が変位レベルＺ_Ｏ／Ｃより大きい場合、開口１１４が形成される又はバルブ１０３が開く。バルブＺ１０１の自由移動端の変位が変位レベルＺ_Ｏ／Ｃより小さい（下である）場合、開口１１２は形成されない又はバルブ１０１は閉じられる。バルブＺ１０３の自由移動端の変位が変位レベルＺ_Ｏ／Ｃより小さい場合、開口１１４が形成されない又はバルブ１０３が閉じられる。

波形Ｐ１１２は、開口１１２（チャンバ１０５内）における空気圧を概略的に表す。波形Ｐ１１４は、開口１１４（チャンバ１０５内）における空気圧を概略的に表す。波形Ｚ１０２ａは、膜部分１０２ａの変位を表し、これは、Ｐ１１２と同様の波形を共有し得る。波形Ｚ１０２ｂは、膜部分１０２ｂの変位を表し、これはＰ１１４と同様の波形を共有し得る。波形Ｐ７０７Ｌは、ポート７０７Ｌ（チャンバ１０５の外）における空気圧（又は空気圧に類似した量）を概略的に表す。波形Ｐ７０７Ｒは、ポート７０７Ｒ（チャンバ１０５の外）における空気圧（又は空気圧に類似した量）を概略的に表す。波形Ｐ８９０は、Ｐ７０７Ｌ及びＰ７０７Ｒの合計／重ね合わせを表し、装置８９０の集約された軸上出力音圧（aggregated on-axis output acoustic pressure）に対応する。単位がμＭのような長さである波形Ｚ１０２ａ／Ｚ１０２ｂは、一般に、単位がＰａのような圧力である波形Ｐ１１２／Ｐ１１４とは異なる振幅を有する。しかしながら、図２の目的は、主として、動作の異なる部分間のタイミング関係を示すために、これらの波形は、簡略化のために図２にマージされる。

図３は、本出願の一実施形態による複数の信号の概略図である。Ｓ_ＩＮは入力オーディオ信号を表す。Ｓ１０１／Ｓ１０３は、バルブ部分１０１／１０３を駆動するように構成されたバルブ駆動信号を表す。Ｓ１０２ａ／Ｓ１０２ｂは、膜部分１０２ａ／１０２ｂを駆動するように構成された膜駆動信号を表す。

ＡＭ変調波形

図２のプロット／波形Ｐ１１２及びＰ１１４から分かるように、Ｐ１１２及びＰ１１４は、振幅変調波形である／振幅変調波形を含み、振幅変調波形Ｐ１１２／Ｐ１１４は、一般に、キャリア成分及び変調成分の積として表され得る。通常、ｃｏｓ（２πｆ_ＣＹｔ）として表されるキャリア成分は、ｆ_ＣＹ＝１／Ｔ_ＣＹである動作周波数ｆ_ＣＹで振動し、ここで、ｆ_ＣＹは動作サイクルを示す。ｍ（ｔ）として表される変調成分は、入力オーディオ信号Ｓ_ＩＮに対応する振幅変調波形の包絡線（図２及び図３では点線で示されている）によって反映される。一実施形態では、変調成分ｍ（ｔ）は、入力オーディオ信号Ｓ_ＩＮに対応し得る又は比例し得る。

振幅変調波形Ｐ１１２／Ｐ１１４は、パルス振幅変調駆動信号によって膜構造１２を駆動することによって達成され得る。例えば、膜部分１０２ａ／１０２ｂを駆動する図３に示す膜駆動信号Ｓ１０２ａ／Ｓ１０２ｂは、入力オーディオ信号Ｓ_ＩＮに従って生成されるパルス振幅変調信号である。

膜駆動信号

換言すれば、膜駆動信号Ｓ１０２ａは、特定のバイアス電圧Ｖ_Ｂに対して複数の第１のパルスを含む第１のパルス振幅変調信号を含む。第１のパルスは、動作周波数ｆ_ＣＹによって時間的に分布／配置される。同様に、膜駆動信号Ｓ１０２ｂは、バイアス電圧Ｖ_Ｂに対して複数の第２のパルスを含む第２のＰＡＭ信号を含む。第２のパルスは、動作周波数ｆ_ＣＹによって時間的に分布／配置される。

加えて、第１のパルスは第１の遷移エッジ（transition edges）を含む；一方、第２のパルスは第２の遷移エッジを含む。ＰＡＭ信号Ｓ１０２ａ内の第１のパルスの第１の遷移エッジは、ＰＡＭ信号Ｓ１０２ｂ内の第２のパルスの第２の遷移エッジと一致する。さらに、第１の遷移エッジ及び第２の遷移エッジのある一致する時間（coincidence time）において、第１の遷移エッジは第１の遷移極性に対応し、第２の遷移エッジは第２の遷移極性に対応する。第１遷移極性は、ある一致する時間において、第２遷移極性とは反対である。第１及び第２の遷移エッジの一致及び第１及び第２の遷移極性の反対の詳細は、本出願の図３を参照してもよく、又は米国特許第11,043,197号又は米国特許第11,051,108号を参照してもよく、これらは簡潔のために本明細書では説明しない。

なお、膜部分１０２ａ／１０２ｂを駆動する膜駆動信号Ｓ１０２ａ／Ｓ１０２ｂは、バイアス電圧Ｖ_Ｂに対してバイポーラ（又はダブルエンド（double-ended））であり、これに限定されるものではない。例えば、図４は、第２のタイプの膜駆動信号Ｓ１０２ａ’及びＳ１０２ｂ’を示す。膜部分１０２ａ及び１０２ｂは、それぞれ、膜駆動信号Ｓ１０２ａ’及びＳ１０２ｂ’によって駆動され得る。膜駆動信号Ｓ１０２ａ’及びＳ１０２ｂ’は、バイアス電圧Ｖ_Ｂに対して単極性であるＳＥＡＭ駆動信号であることに留意されたい。単極膜駆動信号Ｓ１０２ａ及びＳ１０２ｂと同様に、駆動信号Ｓ１０２ａ’内の第１のパルス及び駆動信号Ｓ１０２ｂ’内の第２のパルスは、図４に示すように、相互にインターリーブされ（interleaved）、同時遷移エッジ及び反対の遷移極性を有する。単極ＳＥＡＭ駆動信号の詳細は、米国特許第10,771,893号を参照することができ、これは、簡潔のために本明細書では説明しない。

図４は、また、第３のタイプの膜駆動信号Ｓ１０２ａ”（下部の実線）及びＳ１０２ｂ”（下部破線、Ｓ１０２ａ”）を示している。一実施形態では、膜部分１０２ａは膜駆動信号Ｓ１０２ａ”によって駆動されてもよく、膜部分１０２ｂは膜駆動信号Ｓ１０２ｂ”によって駆動されてもよい。膜駆動信号Ｓ１０２ｂ”は、Ｓ１０２ｂ”＝Ｖ_Ｂ－Ｓ１０２ａ”（式１）又はＳ１０２ｂ”＝－Ｓ１０２ａ”（式２）で表される式に従ってＳ１０２ａ”から得られ得る。言い換えれば、膜駆動信号Ｓ１０２ａ”とＳ１０２ｂ”の和は定数であり得る。定数は、電圧レベルＶ_Ｂ（式１が適用される場合）又は０Ｖ（式２が適用される場合）であり得る。膜駆動信号Ｓ１０２ａ及びＳ１０２ｂと同様に、駆動信号Ｓ１０２ａ”内の第１のパルス及び駆動信号Ｓ１０２ｂ”内の第２のパルスは、同時（coincidence）遷移エッジ及び反対の遷移極性を有し、これらは図４から観察され得る。

圧力勾配

１つの観点では、第１のインターバル（動作サイクルのＴ_ＣＹの最初の半分であり得る）の間に、膜駆動信号対（Ｓ１０２ａ、Ｓ１０２ｂ）／（Ｓ１０２ａ’、Ｓ１０２ｂ’）／（Ｓ１０２ａ”、Ｓ１０２ｂ”）を膜部分１０２ａ及び１０２ｂに適用することによって、膜部分１０２ａは正のＺ方向に移動するように作動され得、膜部分１０２ｂは負のＺ方向に移動するように作動され得る。したがって、第１のインターバルの間に、膜部分１０２ａは、チャンバ１０５内の第１の部分／容積１０５ａ（膜部分１０２ａの上部）を圧縮するように作動され得、膜部分１０２ｂは、チャンバ１０５内の第２の部分／容積１０５ｂ（膜部分１０２ｂの上部）を膨張するように作動され得、その結果、第１の部分／容積１０５ａから第２の部分／容積１０５ｂへ向けて第１の空気圧勾配（図１においてブロック矢印１１６によって示される）が形成される。

逆に、第２のインターバル（動作サイクルＴ_ＣＹの第２の半分であり得る）の間、膜部分１０２ｂは、正のＺ方向に移動するように作動され得、膜部分１０２ａは負のＺ方向に移動するように作動され得る。したがって、第２のインターバルの間、膜部分１０２ｂは、第２の部分／容積１０５ｂを圧縮するように作動され得、膜部分１０２ａは、第１の部分／容積１０５ａを拡張するように作動され得、その結果、第２の部分／容積１０５ｂから第１の部分／容積１０５ａに向かって第２の空気圧勾配（１１６の反対、図１には示されていない）が形成され得る。

膜部分１０２ａ及び１０２ｂを含む膜構造１２によって発生する空気圧勾配（例えば、図１に示す１１６）の圧力勾配方向は、図１に示すＸ方向と平行である。チャンバ１０５内を伝搬する空気波ＡＷの伝搬方向もＸ方向と平行である。すなわち、圧力勾配方向は空気波伝搬方向と平行である。加えて、Ｘ方向に平行である圧力勾配方向は、膜構造１２の膜変位方向に垂直、主にＺ方向であり、膜変位方向とは、膜が、移動するように作動される方向を指す。したがって、圧力勾配方向は、ＸＹ平面、膜構造の平面に平行であり、膜変位（Ｚ）の方向に直交する。作動又は変形される膜構造を考慮することによって、圧力勾配方向（膜構造によって発生する）は、膜構造に対して実質的に平行である及び／又は膜変位／移動の方向に対して実質的に垂直である／直交するとみなされ得る。

バルブ開放の空間的位置

チャンバ１０５内に定在波が形成されるとき、オーディオ出力効率を高めるために、開口（複数可）は、定在波の空気圧の腹（複数可）に又はその近傍に位置することが示唆される。空気パルス発生装置８９０に対して、開口は、空気／定在波のピークが達成される位置に空間的に形成され得、ここで、空気／定在波のピークは、（ＡＰＰＳ用途の場合）空気圧の観点であり得る。

ＡＰＰＳに対して、チャンバ内の空気圧を単一変数関数ｐ（ｘ）又は２変数関数ｐ（ｘ，ｔ）として表され得ると仮定し、ここで、ｘはＸ軸における変数を示し、ｔは時間軸における変数を示す。ピークは、１次（偏）微分がゼロである場所、すなわち、ｄｐ（ｘ）／ｄｘ＝０又は∂ｐ（ｘ，ｔ）／∂ｘ＝０（バルブ開口の最適な空間的位置を求めるため）に対応し得る。言い換えれば、（ある固定された時間ｔ_０について）ピークは、Ｘ軸にわたって、ｐ（ｘ）／ｐ（ｘ，ｔ_０）の極大値又は極小値として解釈され得る。

この場合、空気パルス発生ＡＰＰＳ装置８９０に対して、定在波の空気圧の腹が側壁８０４Ｌ及び８０４Ｒに位置するので、開口１１２及び１１４が側壁８０４Ｌ及び８０４Ｒの近傍に形成される。

バルブ開放の時間的アライメント

別の態様では、空気パルス発生効率を高めるために、図１の１１２及び１１４に示すように、空気波のピーク圧力がバルブ開口の位置で達成されるインターバル中に、バルブ開放（複数可）のタイミングが形成されることが示唆される。本明細書におけるピーク圧力タイミングは、チャンバ内の空気圧が単一変数関数ｐ（ｔ）又は２変数関数ｐ（ｘ，ｔ）として表され得ることを前提として、１次（偏）時間微分がゼロである時間、すなわち、ｄｐ（ｔ）／ｄｔ＝０又は∂ｐ（ｘ，ｔ）／∂ｘ＝０（バルブ開放の最適なタイミング、すなわち時間的挙動を求めるため）に対応し得る。換言すれば、（ある固定位置ｘ_０に対して、ｘ_０はバルブ開口１１２又は１１４の位置であり得る）ピークは、ｔ軸にわたる、ｐ（ｘ）／ｐ（ｘ_０、ｔ）の極大値又は極小値として解釈され得る。

例えば、図２を参照すると、開口１１２が形成される（すなわち、バルブ部分１０１が開放されるように作動される又はバルブ１０１が開放される）時間インターバルは、プロットＺ１０１内の点線領域として示され；開口１１４が形成される（すなわち、バルブ部分１０３が開放されるように作動される又はバルブ１０３が開放される）時間インターバルは、プロットＺ１０３内のクロスハッチ領域として示される。開口１１２は（第１の）インターバルＴ_１の間に形成され；一方、開口１１４は（第２の）インターバルＴ_２の間に形成される。インターバルＴ_１及びＴ_２の両方は、動作サイクルＴ_ＣＹ内にあり、Ｔ_１≦Ｔ_ＣＹ、Ｔ_２≦Ｔ_ＣＹ且つＴ_１＋Ｔ_２≦（１＋ｄ）×Ｔ_ＣＹ、を意味し、ここでＴ_ＣＹ＝１／ｆ_ＣＹ且つｄ＜０．５である。

効率を向上させるために、第１の開口１１２は、第１のインターバルＴ_１内に形成され、その間、第１の位置（側壁８０４Ｌに対応する）における空気波ＡＷの第１のピーク圧力ｐｋ_１が達成され；第２の開口１１４は、第２のインターバルＴ_２内に形成され、その間、第２の位置における空気波ＡＷの第２のピーク圧力ｐｋ_２が達成される。

一つの観点では、バルブ１０１及び１０３の開放周波数は、図２に示す実施形態では、動作周波数ｆ_ＣＹに等しい。

なお、図２に示す実施形態では、第１のインターバルＴ_１（バルブ１０１の開放インターバルを表す）は、動作サイクルＴ_ＣＹの半分をカバーし、第２のインターバルＴ_２（バルブ１０３の開放インターバルを表す）は、動作サイクルＴ_ＣＹのもう１つの半分をカバーし、これは、Ｔ_１＝Ｔ_２≒Ｔ_ＣＹ／２（すなわち、インターバルＴ_ｙの長さを、動作サイクルＴ_ＣＹの長さの半分に等しくさせると、Ｔ_ｙ≒Ｔ_１又はＴ_ｙ≒Ｔ_２）ことを意味するが、これに限定されるものではない。インターバルＴ_１又はＴ_２は、Ｔ_ＣＹ／２よりわずかに短い又は長くてよい（例えば、±１０％又は±２０％以内）。バルブ１０１の開放インターバルが第１のピークｐｋ_１をカバーし、バルブ１０３の開放インターバルが第２のピークｐｋ_２をカバーする限り、本出願の要件は満たされ、これは本出願の範囲内である。

さらに、第１のインターバルＴ_１（バルブ１０１の開放インターバルを表す）は、膜の移動によって生成される空気圧Ｐ１１２が一定の圧力Ｐ_ｔｈより大きい／小さい間の第１の過圧／負圧（over/under-pressure）インターバルをカバーし得、第１の過圧／負圧インターバルは、図２に示す実施形態においてＴ_１と重複する。同様に、第２のインターバルＴ_２（バルブ１０３の開放インターバルを表す）は、膜の移動によって生成される空気圧Ｐ１１４は、特定の圧力Ｐ_ｔｈより大きい／小さい間の第２の過圧／負圧インターバルをカバーし得、第２の過圧／負圧インターバルは、図２に示す実施形態においてＴ_２と重複する。この場合、空気パルス発生装置８９０は、バルブ開放インターバルＴ_１及びＴ_２の間に正／負の空気パルスを発生し、ここで、正／負の空気パルスは、バルブ開放インターバル（複数可）の間にチャンバ１０５から周囲に伝搬され得る。

図４の駆動波形Ｓ１０２ａ’／Ｓ１０２ｂ’によって発生するＡＷ圧力波は、単純なＡＭであり、図３の駆動波形Ｓ１０２ａ／Ｓ１０２ｂ又は図４のＳ１０２ａ”／－Ｓ１０２ａ”によって発生するＡＷ圧力波は、ＤＳＢ－ＳＣ（両側波帯、抑制キャリア（double-sideband, suppress carrier））であることに留意されたい。図２に示されるタイミング関係は、単純なＡＭ変調ＡＷ圧力波に対応し、ピークｐｋ_１、ｐｋ_２はＰ_ｔｈのラインを横切らない。しかし、ＤＳＢ－ＳＣ変調ＡＷ圧力波については、ｐｋ_１、ｐｋ_２は、Ｓ_ＩＮの極性が変化するときはいつでもＰ_ｔｈのラインを横切り、このとき、過圧は、負圧となり、逆も同様である。

チャンバ内の全圧力は、２成分圧力を有し得ることに留意されたい：一つは膜の動きによって生じ、もう一つはバルブの動きによって生じる。両方の成分のいずれも定在波の形態であり得る。図２に示された圧力Ｐ１１２及びＰ１１４は、膜移動によって生じる成分圧力のみを指す。

同期バルブ開放

さらに、バルブ部分１０１は、複数の第１のバルブ開放インターバル内又は間に開口１１２を形成し得、空気圧Ｐ１１２は、複数の第１の過圧インターバル内又は間に特定の圧力Ｐ_ｔｈより大きくし得る。図２に示す実施形態では、複数の第１のバルブ開放インターバル（バルブ１０１の）及び複数の第１の過圧インターバル（圧力Ｐ１１２の）は、時間的に整列（aligned）又は重複され、第１のバルブ開放インターバル（バルブ１０１の）及び第１の過圧インターバル（圧力Ｐ１１２の）は、図２においてＴ_１として注釈を付けられる。

同様に、バルブ部分１０３は、複数の第２のバルブ開放インターバル内又は間に開口１１４を形成し得、空気圧Ｐ１１４は、複数の第２の過圧インターバル内で特定の圧力Ｐ_ｔｈより大きくし得る。複数の第２のバルブ開放インターバル（バルブ１０３の）及び複数の第２の過圧インターバル（圧力Ｐ１１４の）は、また、時間的に整列又は重複され得、バルブ開放インターバル（バルブ１０３の）及び過圧インターバル（圧力Ｐ１１４の）は、図２のようにＴ_２として注釈を付けられる。

本出願において、複数の第１の時間インターバルと複数の第２の時間インターバルとが時間的に整列又は重複していることは、１）複数の第１の時間インターバルと複数の第２の時間インターバルとが同じ周波数で時間的に配置（又は時間的に現れる）されていること、又は、２）第１の時間インターバル及び第１の時間インターバルと重複する第２の時間インターバルが、重複領域を形成し、重複領域の長さが第１の（又は第２の）時間インターバルの長さの少なくとも５０％であることを指し得る。

バルブ開放インターバルと過圧インターバルとを整列させる（aligning）ことによって、空気パルス発生装置８９０は、開口１１２を介して、ポート７０７Ｌにおいて複数の第１の空気パルスＡＰ_１（図２ではＰ７０７Ｌとして示される）を生成し得、開口１１４を介して、ポート７０７Ｒにおいて複数の第２の空気パルスＡＰ_２（図２ではＰ７０７Ｒとして示される）を生成し得る。加えて、Ｚ１０１／Ｚ１０３のピークバルブ開放に対応する時間は、好ましくは、膜移動によって生成されるＰ１１２／Ｐ１１４のピーク圧力に対応する時間に整列される。

異なる観点では、図２のＴ_１は、それぞれ：バルブ１０１の第１のバルブ開放インターバル（Ｚ１０１の観点）；容積１０５ａから、膜部分１０２ａの上に、容積１０５ｂに向かって、膜部分１０２ｂの上に向く圧力勾配（ベクトル）を作る、膜部分１０２ａ（Ｚ１０２ａの観点）及び１０２ｂ（Ｚ１０２ｂの観点）の第１の膜移動インターバル；第１の過圧インターバル（Ｐ１１２の観点）；及びポート７０７Ｌにおける第１の空気パルスＡＰ_１の第１のデューティ期間を指し得る。同様に、図２のＴ_２は、それぞれ：バルブ１０３の第２のバルブ開放インターバル（Ｚ１０３’の観点）；容積１０５ｂから、膜部分１０２ｂの上に、容積１０５ａに向かって、膜部分１０２ａの上に向く圧力勾配（ベクトル）を作る、膜部分１０２ａ（Ｚ１０２ａ’の透視図）及び膜部分１０２ｂ（Ｚ１０２ｂ’の観点）の第２の膜移動インターバル；第２の過圧インターバル（Ｐ１１４’の観点）；及びポート７０７Ｒにおける第２の空気パルスＡＰ_２の第２のデューティ期間を指し得る。

図２は、バルブ１０１の第１のバルブ開放インターバル、第１のチャンバ圧力勾配インターバル、膜部分１０２ａ及び１０２ｂの移動、第１の過圧インターバル及び第１の空気圧パルスＡＰ_１の第１のデューティ期間が、時間的に整列（ピーク間）され、重複（周期的）されることを示す。同様に、バルブ１０３の第２のバルブ開放インターバル、第２のチャンバ圧力勾配インターバル、膜部分１０２ａ及び１０２ｂの移動、第２の過圧インターバル（Ｐ１１４’の観点）、及び第２の空気圧パルスＡＰ_２の第２のデューティ期間が、時間的に整列（ピーク間）され、重複（周期的）される。

２つの半波整流パルスを１つの全波整流パルスに組み合わせる

ある観点では、波形Ｐ１１２とＰ７０７Ｌとを比較することによって、Ｐ７０７Ｌは、バルブ１０１の移動Ｚ１０１に関連するタイミング変動インピーダンスによって整流された、Ｐ１１２の半波整流バージョンとして解釈され得る。また、波形Ｐ１１４とＰ７０７Ｒとを比較することによって、Ｐ７０７Ｒは、バルブ１０３の移動Ｚ１０３に関連するタイミング変動インピーダンスによって整流されたＰ１１４の半波整流バージョンと解釈され得る。波形Ｐ７０７Ｌ及びＰ７０７Ｒを加算し、装置８９０の軸上出力音圧を表す波形Ｐ８９０は、Ｐ１１２又はＰ１１４の全波整流バージョンとして解釈され得る。

プロットＰ７０７Ｌを参照すると、複数の第１の空気パルスＡＰ_１は、動作周波数ｆ_ＣＹに対応する第１の（空気）パルスレートＡＰＲ_１で生成される。プロットＰ７０７Ｒを参照すると、複数の第２の空気パルスＡＰ_２は、動作周波数ｆ_ＣＹに対応する第２の（空気）パルスレートＡＰＲ_２で生成される。

プロットＰ８９０を参照すると、第１の複数の空気パルスＡＰ_１及び第２の複数の空気パルスＡＰ_２は、時間的に且つ相互にインターリーブされるため、空気パルス発生装置８９０は、複数の集約空気パルス（aggregated air pules）ＡＰを生成すると解釈することができる。複数の集約空気パルスＡＰは、第１のパルスレートＡＰＲ_１を有する第１の空気パルスＡＰ_１と、第２のパルスレートＡＰＲ_２を有する第２の空気パルスＡＰ_２とを含む。集約空気パルスＡＰは全体的な（空気）パルスレートＰＲＯで生成される。

図２に示す実施形態のようにＡＰＲ_１＝ＡＰＲ_２＝ｆ_ＣＹの条件下では、全体のパルスレートＰＲＯはパルスレートＡＰＲ_１（又はＡＰＲ_２）の２倍である。換言すれば、全体のパルスレートＰＲＯは、動作周波数ｆ_ＣＹの２倍に対応する、すなわち、ＰＲＯ＝２＊ｆ_ＣＹであり、６０Ｈｚの１１０ＶＡＣ正弦波波形が、全波整流後に1２０Ｈｚの半正弦波形を生成する。ことに類似する。

ＡＭ無線復調とのアナロジー（Analogy）

ある観点では、膜移動の作用を、音信号によって振幅変調されたＥＭ波を生成し、ＡＭＥＭ波を大気中に放射するＡＭラジオ局と比較することができる。ＥＭ波の代わりに、装置８９０は、振幅変調された超音波を生成し、そのようなＡＭ超音波をチャンバ１０５に送信する。このような超音波は、バルブの位置で、チャンバ１０５の定在波構造（standing wave construct）によってさらに増幅される。チャンバ１０５の定在波構造は、導波管の節（複数可）及び腹（複数可）にポートを配置することによって信号強度が最大化されるＥＭ導波管に類似している。次に、バルブの位置で受信された信号は、ＡＭ受信機の同期局部発振器に類似のバルブ（複数可）の周期的動作と、ＡＭ受信機のミキサーに類似のＺ_{ＶＡＬＶＥ}の非線形特性とによって復調され、Ｐ１１２／Ｐ１１４をその対応するバルブのインピーダンスＺ_{ＶＡＬＶＥ}（ｔ）で割ることによって出力Ｐ７０７Ｒ／Ｐ７０７Ｒを生成する。

一例として、プロットＺ１０１、Ｐ１１２、Ｚ１０３、及びＰ１１４が単純化のために正弦波であると仮定すると、すなわち、インターリーブされる駆動信号Ｓ１０１、Ｓ１０３により、Ｚ１０１∝ｓｉｎ（ωｔ）、Ｚ１０３∝－ｓｉｎ（ωｔ）を有し；図１に示された例では、ｎ＝１の定在波により、Ｐ１１２とＰ１１４の間に位相反転があり、したがって、これらの２つの局所圧力は∝Ｓ_ＩＮ・ｓｉｎ（ωｔ）、Ｐ１１４∝－Ｓ_ＩＮ・ｓｉｎ（ωｔ）と表すことができ、ここで負符号「－」は１８０°の位相差を表し、ω＝２πｆ_ＣＹである。Ｚ１０１＞Ｚ_Ｏ／Ｃの場合にＺ_{ＶＡＬＶＥ}∝１／（Ｚ１０１－Ｚ_Ｏ／Ｃ）及びそうでなければＺ_{ＶＡＬＶＥ}＝∞と仮定すると、Ｐ７０７Ｌは、Ｚ１０１＞Ｚ_Ｏ／ＣのときＰ７０７Ｌ∝Ｓ_ＩＮ・ｓｉｎ^２（ωｔ）、そうでなければＰ７０７Ｌ＝０と表され得る。同様に、Ｐ７０７Ｒは、Ｚ１０３＞Ｚ_Ｏ／Ｃの場合Ｐ７０７Ｒ∝Ｓ_ＩＮ・ｓｉｎ^２（ωｔ）及びそうでばければＰ７０７Ｒ＝０と表され得る。量Ｐ８９０は、Ｐ７０７Ｌ+Ｐ７０７Ｒであり、装置８９０によって生成されるオーディオ音を表す。Ｐ７０７Ｌ及びＰ７０７Ｒを置き換えた後、装置８９０が動作するすべての時間について、Ｐ８９０=Ｐ７０７Ｌ+Ｐ７０７Ｒ∝Ｓ_ＩＮ・ｓｉｎ^２（ωｔ）を得る。

Ｓ_ＩＮ・ｓｉｎ（ωｔ）の数学的に表現を有するＤＳＢ－ＳＣ ＡＭ無線波形が、乗算器を使用して、同期局部発振器によって生成された搬送波信号ｓｉｎ（ωｔ）によって復調されると、結果は、Ｓ_ＩＮ・ｓｉｎ（ωｔ）・ｓｉｎ（ωｔ）＝Ｓ_ＩＮ・ｓｉｎ^２（ωｔ）と表すことができ、これは、上の段落で導出されたＰ８９０とまったく同じ数式であることに留意されたい。

当業者には知られているように、ＡＭ変調信号／波形Ｓ_ＩＮ・ｓｉｎ（ωｔ）に復調信号ｓｉｎ（ωｔ）を乗じた後、得られた信号（すなわち、Ｓ_ＩＮ・ｓｉｎ^２（ωｔ））のエネルギの２／３はベースバンド内にあり、得られた信号のエネルギの１／３はキャリア周波数の２倍、すなわち２・ω又は２・ｆ_ＣＹを中心とする周波数帯域上にある。例として、Ｐ８９０∝Ｓ_ＩＮ・ｓｉｎ^２（ωｔ）＝Ｓ_ＩＮ・（１／２－１／２ｃｏｓ（２ωｔ））（式３）と仮定した。式３の第１項１／２・Ｓ_ＩＮの第１項は、ベースバンド上の復調成分を表し；一方、式３の第２項、１／２・Ｓ_ＩＮ・ｃｏｓ（２ωｔ）は、超音波バンドの成分を表す。式３から分かるように、ベースバンド内の第１項の第１のエネルギは、第２項の第２のエネルギの２倍である。本明細書では、ベースバンドとは、入力オーディオ信号Ｓ_ＩＮの周波数帯域を指し、このベースバンドは、人間の可聴周波数帯域をカバー／それと重複する。

図１（又は図６）では、バルブ１０１／１０３の下の酸化物基板の材料、膜部分１０２ａ／１０２ｂは、フォトリソグラフィプロセス／プロセス（複数）によって除去され得、サポート１１０及び壁１１１が形成され得る。非常に細い線のパターンによれば、Ｓｉ又はＰＯＬＹ層（複数可）が、開口／スリットを形成するためにエッチングされ得る。このようなスリットは、バルブ１０１／１０３上に自由移動端を形成する（例えば、これらのスリットは、バルブの自由移動端の変位がＺ_Ｏ／Ｃを超えるとき、開口１１２／１１４を形成し得る）。代替的には、スリットは、（例えば、膜部分１０２ａ／１０２ｂ上にスリット１１３ａ、１１３ｂを形成することによって）膜部分１０２ａ／１０２ｂのコンプライアンス（compliance）を増加させることができる。

図５は、図１に示される空気パルス発生装置８９０の上面図を示す概略図である。空気パルス発生装置８９０は、（オプションで）架橋ビーム（cross linked beams）８７１、８７２を含み得、（長い）バルブ１０１／１０３又は（長い）膜部分１０２ａ／１０２ｂを短い片に分解し、サポート１１０及び８９１を補強する。空気パルス発生装置８９０は、（オプションで）スロット８７３を有し得、これは、圧力が解放されるのを可能にするための空気流路として機能するように、膜部分上の１つのスリットを広げることによって形成され得る。ここで、スリットは、一般に、ＭＥＭＳ製造プロセスのエッチング分解能に対応する幅、例えば、厚さ３～７μＭのＳｉ膜にわたって０．５～１．８μＭの幅を有し；スロットは、ＭＥＭＳ製造プロセスの限界に制限されないラインジオメトリ幅（line geometry width）を意味する。

高調波

高調波共振は、空気パルス発生装置において発生し得る。例えば、図７は、本出願の一実施形態による空気パルス発生装置８５０の断面図の概略図である。空気パルス発生装置８５０では、側壁８０４Ｌと８０４Ｒとの間の幅Ｗ_１０５は、２次モード（又はｎ＝２モード）共振を達成するために、動作周波数ｆ_ＣＹに対応する１つの波長（λ）であり得る。２次モード共振では、２つの空気移動の腹（air-motion antinodes）がチャンバ１０５内に存在する（例えば、側壁８０４Ｌ又は側壁８０４Ｒのいずれかから幅Ｗ_１０５の４分の１（１／４）の位置）；３つの空気移動の節（air-motion nodes）がチャンバ１０５の中心及び側壁８０４Ｌ、８０４Ｒの近くに位置し；２つの空気圧の節がチャンバ１０５内に存在し（例えば、いずれかの側壁８０４Ｌ又は８０４Ｒから幅Ｗ_１０５の４分の１（１／４）に／近くに）；３つの空気圧の腹がチャンバ１０５の中心及び側壁８０４Ｌ、８０４Ｒの位置に位置する。経時的なチャンバ１０５内の圧力分布を概略的に表す曲線Ｗ１０２は、空気パルス発生装置８３０の膜部分１０２ｃ及び１０２ｄの移動によって生じ得、中心線７０３に対して対称的であり得る。図７のＷ１０２に示すように、装置８５０のチャンバ１０５内にｎ＝２モードの定在波が形成されるとき、膜１０２ｅ及び１０２ｆをＳ１０２ａ”のような１つの共通波形と同期して駆動することによって、側壁８０４Ｌ及び８０４Ｒ近傍の空気圧波形は、互いに同相になり、チャンバ１０５の中心に同様の振幅の位相反転空気圧波形が生成される。したがって、空気圧の腹がチャンバ１０５（又は幅Ｗ_１０５）の中心に位置するため、空気パルス発生装置８５０のバルブ開口１１２は、側壁８０４Ｌ及び８０４Ｒの間の中心位置に／その近傍に位置し得る。換言すれば、高調波共振（すなわち、ｎ≧２）については、側壁８０４Ｌ及び８０４Ｒの隣に加えて、空気パルス発生オリフィス（複数可）の開口は、共振を引き起こす２つの側壁の間の任意の空気圧の腹に／近傍にあってもよい。

すぐ前の段落の同じ説明は、図６の装置８３０にも適用可能である。

図６の装置８３０、図７の装置８５０、又は図１の装置８９０のような空気パルス発生装置では、バルブ１０１及び１０３の復調動作は、連続するパルスにわたって蓄積する空気流のパルスを生成し、チャンバ１０５内の長時間にわたる正味の空気質量の変化を引き起こし、チャンバ１０５内の圧力Ｐ０を増加／減少させる。そのような背圧は出力ＳＰＬを低下させるので、このような圧力を解放することが示唆される。

図６の空気パルス発生装置８３０の場合、スリット開口１１３ａ*／１１３ｂ*は、側壁８０４Ｌ／８０４ＲからＷ_１０５／４離れて位置する空気圧の節に近接するように設計され得る。ｎ＝２定在波の空気圧の節のオーディオフィルタ効果により、Ｐ０を横切る波形Ｗ１０２によって示されるように、拡大されたスリット１１３ａ*／１１３ｂ*は、バルブ開口１１２によって示されるバルブ１０１及び１０３の復調動作による圧力上昇を解放する間、装置８３０の動作に最小限の影響を与える。

チャンバＷ_１０５の幅にわたるｎ＝２モード共振に対応する周波数ｆ_ＣＹでも動作する図７の空気パルス発生装置８５０の場合、膜１０２ｅ及び１０２ｆはそれぞれ、それぞれのサポート１１０に取り付けられた薄いフラップの１つの単一片を含む。装置８３０における状況とは対照的に、膜１０２ｃ、１０２ｄは、装置８５０において、それぞれ、スリット１１３ａ及び１１３ｂによって分離された２つのサブ部分から構成されており、膜１０２ｅ及び１０２ｆの自由な移動を可能にするように形成されたスリット１１２及び１１４が、装置８５０のチャンバ１０５内の空気圧の腹に位置するので、空気圧の漏れを抑制するために、これらのスリットの幅を最小化する必要がある。したがって、空気圧の節の位置に、例えば、側壁８０４Ｌ及び８０４Ｒから離れたＷ_１０５／４の距離に、１つ又は複数のベント７１３Ｔを上部キャップ上に生成することができる。理論的には、１つのこのようなベントが背圧解放目的には十分であるが、チャンバ１０５内の空気圧の最適なバランスを考慮するためには、一般に、図７に示すように、一対のベント７１３Ｔを中央ミラー方式で配置するのがよい。

図１の空気パルス発生装置８９０の場合、バルブ１１２及び１１３からの音響音（例えば、音響音Ｐ８９０）の圧力パルスは、同じ極性を有し、これは、チャンバ１０５内の圧力Ｐ０を増減するために一緒に結合する。したがって、空気圧プロファイルＷ１０２がＰ０を通過する位置へのアライメントによって示されるように、空気圧の節に又はその近傍に位置する上部プレート上のベント開口７１３Ｔは、空気流が通過することを可能にするように形成され、バルブ１０１及び１０３の復調動作による圧力上昇を解放する。

ベント開口（複数可）７１３Ｔの長さ及び幅は、チャンバ１０５の容積と共に適切な音響ローパスフィルタ（ＬＰＦ）を形成するように調整され得る。ベント開口（複数可）７１３Ｔの位置は、動作周波数ｆ_ＣＹに対して、空気圧の腹（複数可）にあり得、定在波に対応する周波数成分の振幅がほぼゼロである。その結果、音響ノッチフィルタが形成され、振幅変調定在波に対応する圧力は、チャンバ１０５内のベント開口（複数可）７１３Ｔの近傍／そこで抑制され得、復調動作による圧力変化のみが、ベント開口（複数可）７１３Ｔの近傍／そこに存在し得る。２次モード共振で動作する装置（例えば、装置８５０）について、空気パルスのベント開口７１３Ｔは、１次モード共振で動作する装置（例えば、装置８９０）とは異なる、側壁８０４Ｒ及び８０４Ｌのいずれかから幅Ｗ_１０５（Ｗ_１０５／４）のほぼ４分の１に配置され得、ここで、（空気パルス発生装置８９０の）ベント開口７１３Ｔは、２つの側壁８０４Ｒ及び８０４Ｌの間の中間点近くにあり得る。

空気パルス発生装置８５０の構造は、異なる設計考察に従って変更され得る。例えば、膜１０２ｅ／１０２ｆは、膜１０２ａ／１０２ｂ又は１０２ｃ／１０２ｄのように、２つの膜サブ部分、又は２ピースを有してもよいが、これらに限定されない。図６の１０２ｅ／１０２ｆのような１ピース膜構造の最大Ｚ方向変位は、チャンバ１０５内の空気圧力の漏れを回避するために、１０２ｅ／１０２ｆの厚さ（Ｚ方向値）よりかなり小さくする必要があることに留意されたい。対照的に、膜構造毎の２ピースでは、２つのサブ部分が常にタンデムに動くため、そのようなＺ方向膜変位の制限は存在せず、より大きい変位が可能である可能性があり、したがって、ユニット－デバイス面積の有効性（unit-device-area effectiveness）（ＳＰＬ／ｍ）の改善につながる。

さらに、図７に示されたバルブ部分１０１及び１０３は、仮想バルブとみなされ得る。換言すれば、バルブ部分１０１と１０３との間に形成されたスリットは、バルブ部分１０１と１０３とが十分に作動されると、一時的に形成／開放されたバルブ開口（１１２’）となり得る。加えて、一時的に形成／開放されたバルブ開口は周期的に形成される。開口が開放されるとき、チャンバ及び周囲環境は開口（１１２’）を介して接続される。開口が開放されていないとき、スリットを通って流れる空気は無視できる又は閾値未満である。仮想バルブ（一時的に形成された開口）の詳細は、米国特許第11,043,197号を参照することができるが、これは簡潔のために本明細書では説明しない。

加えて、図１に示す装置８９０と同様に、膜移動及び定在波の性質を介して、装置８５０内に圧力勾配も生成される。装置８９０とは異なり、膜部分１０２ｅ及び１０２ｆは、同相様式で移動するように作動され、ある時間において、膜部分１０２ｅ及び１０２ｆの両方が、上方（又は下方）に移動するように作動されることを指す。この場合、圧力勾配はまた、ｎ＝２定在波の性質を利用することによっても確立される。図１の説明と同様に、図７では、曲線Ｕ１０２及びＷ１０２の破線は時間ｔ_０に対応し、曲線Ｕ１０２及びＷ１０２の実線は時間ｔ_１に対応する。時間ｔ_０において、膜部分１０２ｅ及び１０２ｆは、上方（正のＺ方向）に移動するように作動され、圧力勾配は、Ｗ１０２の破線の勾配によって示されるように、内方（Ｘ方向）に発生する。時間ｔ_１において、膜部分１０２ｅ及び１０２ｆは、下方（負のＺ方向）に移動するように作動され、圧力勾配は、Ｗ１０２の実線の勾配によって示されるように、外方（Ｘ方向）に発生する。同様に、膜移動方向は、圧力勾配方向に実質的に垂直である。

空気移動又はファン用途

装置８９０／８３０／８５０の構造／機構は、空気移動又はファン用途のために再生／適合され得る。音速Ｃで伝わる音波とは異なり、空気の運動は、風のもののように、空気の粒子の運動に関係する空気の流れであり、空気パルス発生装置８９０／８３０／８５０の膜部分１０２ａ～１０２ｄ／１０２に対応する、膜部分（複数可）の変位によって生じる。これらの装置の空気移動又はファン用途／モードでは、装置内の空気粒子は、主として流体力学又は空気力学に従って記述され得；対照的に、これらの装置の空気パルス（ＡＰＰＳ）発生用途／モードでは、装置内の空気の挙動は、主として音響学に従って記述され得る。

空気移動又はファン用途のために、装置８９０／８３０／８５０に示される開口１１２及び１１４のようなバルブ開口は、空気移動が最大化されるように、ある場所に空間的に、及び時間において一時的に形成され得、空気移動のピークは、移動される空気の速度又は移動される空気の体積の観点であり得る。

空気流発生又はファン用途のための装置の駆動信号（複数可）は、ＡＰＰＳ用途とは異なる。例えば、空気移動又はファン用途では、装置８９０は、チャンバ１０５内の容積と装置８９０外の周囲との間に圧力差を作り出すために、膜１０２ａ及び１０２ｂの両方に同じ駆動信号を印加することによって、同期して移動するようにその２つの膜（１０２ａ及び１０２ｂ）を作動させ得る。対照的に、ＡＰＰＳ用途では、装置８９０は、チャンバ１０５内で、２つの膜の上に圧力勾配（ベクトル１１６）を作り出すために、２つのインターリーブ（Ｓ１０２ａ／Ｓ１０２ｂなど）又は極性反転（Ｓ１０２ａ”、－Ｓ１０２ａ”など）駆動信号を膜１０２ａ及び１０２ｂに印加することによって、（Ｚ軸に沿って）反対方向に、同期して移動するように、２つの膜（１０２ａ及び１０２ｂ）を作動させる。

これらの２つの動作モードの間の重要な相違は、装置のチャンバ寸法と動作周波数の間の異なる関係にある。ＡＰＰＳ用途のための装置８９０／８３０／８５０に関連して記載されるように、動作周波数は、チャンバ内でモードｎの定在波を生成するように選択され得る。換言すれば、動作周波数ｆ_ＣＹは、式Ｗ_１０５＝ｎ／２・λ_ＣＹによってチャンバ幅Ｗ_１０５に関係し、ここで、λ_ＣＹ＝Ｃ／ｆ_ＣＹは、ｆ_ＣＹの特性長又は波長であり、ｎは、１～３のような小さい正の整数である。一方、装置８９０／８３０／８５０の空気移動又はファン用途について、膜移動の空気流への変換率（conversion rate）は、一般に、比λ_ＣＹ／Ｗ_{ｃｈａｍｂｅｒ}が増加するにつれて増加し、ここで、Ｗ_{ｃｈａｍｂｅｒ}は、空気パルス発生装置８９０／８３０／８５０のチャンバ１０５の幅、Ｗ_１０５に対応する装置のチャンバ幅である。換言すれば、膜移動の気流への変換率は、典型的には、（空気パルス発生装置８９０／８３０／８５０のチャンバ１０５に対応する）空気移動又はファン用途のための空気流発生装置のチャンバ内の圧力がより均一になると、増加し、空気パルス発生装置８９０／８３０／８５０の圧力勾配（又はチャンバ１０５内の圧力の不均一性）を最大化するための要望とは正反対である。

例えば、空気パルス発生装置８９０では、カンチレバービームの共振周波数ｆは、ｆ∝１／Ｌ^３によって、その長さＬに関連し得るので、９６ＫＨｚの動作周波数でＷ_１０５＝λ_ＣＹ＝３．６ｍｍである。一方、空気移動用又はファン用途のための空気パルス発生装置の動作周波数を９６ＫＨｚから２４ＫＨｚに低くし、空気移動用又はファン用途のための空気パルス発生装置の膜部分（複数可）及びバルブ部分（複数可）両方の共振周波数も２４ＫＨｚに低くすることにより、膜部分の幅は０．９４ｍｍから１．４４ｍｍに増加し得、バルブ部分の幅は０．４６ｍｍから０．７３ｍｍ増加し得、結果として得られるチャンバの幅は２×（０．１＋０．７３＋０．２）+１．４４＝３．５ｍｍとなり得、これは、２４ＫＨｚの周波数における１４．６ｍｍの波長よりもずっと短く、膜移動の空気流への高い変換率を示す。したがって、ほぼ同一の断面図にもかかわらず、膜部分（複数可）及びバルブ部分（複数可）の両方に対して２４ＫＨｚの共振周波数を有する空気移動又はファン用途のための空気パルス発生装置及び空気移動又はファン用途のための空気パルス発生装置の両方を２４ＫＨｚで同じ波形で駆動することは、空気移動用途に適し得るが、膜部分１０２ａ及び１０２ｂがインターリーブされた波形Ｓ１０２ａ’、Ｓ１０２ｂ’又は対称の波形Ｓ１０２ａ”、－Ｓ１０２ａ”によって駆動され、各動作サイクルＴ_ＣＹにわたってほぼ０の正味の空気移動を生成する空気パルス発生装置８９０は、音生成用途に最適化され得、空気移動装置としては適していない可能性がある。

要するに、装置８９０の膜部分１０２ａ／１０２ｂ又は１０２ｃ／１０２ｄの対称的な膜変位が、ＡＰＰＳ用途のためのチャンバ内圧力勾配を最大化するために使用され得るが、（同じ極性の信号で膜部分を駆動することによって）同期／同一の膜変位が、膜移動の気流への変換率を最大化するために採用され得る。別の観点では、ＡＰＰＳ用途に対して、チャンバ幅（Ｘ方向の）Ｗ_１０５は、チャンバ共振（すなわち、定在波）を利用することによってその音響出力を最大化するために、ｎ／２×λ_ＣＹ（ここで、ｎは小さい正の整数）に等しいか又は近くてもよく；一方、空気移動用途に対して、空気移動又はファン用途のための空気パルス発生装置のチャンバ幅（Ｘ方向の）は、膜移動の空気流への変換率を最大化するために、λ_ＣＹ／２よりもはるかに小さくてもよい。

異なる構造的実施形態（空気パルス発生）装置は、以下の段落に記載されている。例えば、図８は、本出願の一実施形態による空気パルス発生装置８８０の断面図の概略図である。空気パルス発生装置８８０の膜構造１２は、１つの膜部分を含み、これは、膜サブ部（membrane subparts）１０２ｅ’、１０２ｆ’及び１０２ｇに分割される。膜サブ部１０２ｅ’及び１０２ｇは、膜部分上のスリット１１３ｅ及び１１３ｆに従って区別され得る。膜サブ部１０２ｅ’及び１０２ｇを有する空気パルス発生装置８８０の膜構造１２は、空気パルス発生装置８９０の膜部分１０２ａ及び１０２ｂ（又は空気パルス発生装置８３０の膜部分１０２ｃ及び１０２ｄ）として働き得る／機能し得る。

ＡＰＰＳ用途では、膜サブ部１０２ｅ’及び１０２ｇは、膜駆動信号の対（Ｓ１０２ａ、Ｓ１０２ｂ）／（Ｓ１０２ａ’、Ｓ１０２ｂ’）／（Ｓ１０２ａ、Ｓ１０２ｂ’）に類似した膜駆動信号の対によって駆動され得、その結果、膜サブ部１０２ｅ’及び１０２ｇは、対称的な膜変位を有するためにほぼ反対に移動し得る。下向きに曲がる膜部分１０２ａ及び上向きに曲がる膜部分１０２ｂと同様に、膜サブ部１０２ｅ’及び１０２ｆ’は下向きに曲がるように凹状に湾曲され得、膜サブ部１０２ｆ’及び１０２ｇは上向きに曲がるように凸状に湾曲され得、逆も同様である。

図９は、本出願の一実施形態による空気パルス発生装置８００の断面図の概略図である。空気パルス発生装置８００の膜構造１２は、膜部分１０２ｇ及び１０２ｈを含み、これらは、空気パルス発生装置８００の中心でサポート１１０上に固定される。膜部分１０２ｇ及び１０２ｈのスリット／先端は、側壁８０４Ｌ及び８０４Ｒに近接して位置する。

空気パルス発生装置８９０／８３０／８５０／８８０のバルブ１０１及び１０３は、空気パルス発生装置８００には存在しない。膜部分１０２ｇ及び１０２ｈは、膜駆動信号の対（Ｓ１０２ａ、Ｓ１０２ｂ）／（Ｓ１０２ａ’、Ｓ１０２ｂ’）／（Ｓ１０２ａ”、Ｓ１０２ｂ”）により駆動されるとき、膜部分１０２ｇ及び１０２ｈは、空気パルス発生装置８９０のバルブ１０１、１０３の開口１１２、１１４のＡＭ超音波キャリア整流機能を実行するために膜部分１０２ｇ、１０２ｈと壁１１１との間のスリットを利用することによって、空気パルス発生装置８９０のバルブ１０１、１０３の圧力調整機能及び空気パルス発生装置８９０の膜部分１０２ａ、１０２ｂの圧力発生機能を提供し得る。

その結果、膜部分１０２ｇは、バルブ１０１の開口１１２として機能する開口１１２ｇを形成するように振動し得、その間に、圧力の最大／最小の変化（例えば、第１のピーク圧力ｐｋ_１）を生成し得る。膜部分１０２ｈは、バルブ１０３の開口１１４として機能する開口１１４ｈを形成するように振動することができ、その間に、圧力の最大／最小の変化（例えば、第２のピーク圧力ｐｋ_２）を生成し得る。

空気圧波形Ｐ７０７Ｌは、Ｚ１０２ａ＞Ｚ_Ｏ／Ｃのとき、Ｐ７０７Ｌ∝（Ｓ_ＩＮ・ｓｉｎ（ωｔ）＋Ｚ_０ＡＣ）^２、そうでなければＰ７０７Ｌ＝０と表され得る。Ｚ１０２ｂ＞Ｚ_Ｏ／Ｃのとき、空気圧波形Ｐ７０７Ｒ∝（Ｓ_ＩＮ・ｓｉｎ（ωｔ）＋Ｚ_０ＡＣ）^２、そうでなければＰ７０７Ｒ＝０と表され得る。ここで、波形Ｚ１０２ａ、Ｚ１０２ｂは、それぞれ、膜部分１０２ｇ、１０２ｈの変位を表し；波形Ｐ７０７Ｌ、Ｐ７０７Ｒは、それぞれ、ポート７０７Ｌ、７０７Ｒにおける（チャンバ１０５外の）空気圧を表す。

負のバイアス電圧が、膜部分１０２ｇ／１０２ｈのアクチュエータ（複数可）の底部電極（複数可）に印加され、その結果、入力ＡＣ電圧が０Ｖのとき、Ｚ方向における膜部分１０２ｇ／１０２ｈの（先端の）位置が、変位レベルＺ_Ｏ／Ｃと等しくなる又はわずかに上回るように持ち上げられる。言い換えれば、Ｚ_０ＡＣは正であり得る。入力ＡＣ電圧が０Ｖのときに、Ｚ方向における膜部分１０２ｇ／１０２ｈの（先端の）位置が変位レベルＺ_Ｏ／Ｃ未満である場合、Ｚ_０ＡＣは負であり得、低レベル入力信号（複数可）に対してクラスＢアンプと同様のクリッピング現象が発生し得る。クリッピング現象では、膜部分１０２ｇ／１０２ｈが完全に開かないことがある。

Ｚ_０ＡＣが正の数である場合、空気パルス発生装置８００の集約された軸上出力音圧（すなわち、Ｐ８００＝Ｐ７０７Ｒ＋Ｐ７０７Ｌ）は、次のように表され得る：
Ｐ８００∝（Ｓ_ＩＮ・ｓｉｎ（ω・ｔ）＋Ｚ_０ＡＣ）^２＋（Ｓ_ＩＮ・ｓｉｎ（－ω・ｔ）＋Ｚ_０ＡＣ）^２＝Ｓ_ＩＮ ^２・（１－ｃｏｓ^２（２ω・ｔ））＋２・Ｚ_０ＡＣ ^２、｜Ｓ_ＩＮ・ｓｉｎ（ω・ｔ）｜＜Ｚ_０ＡＣのとき（式５ａ）、
Ｐ８００∝（Ｓ_ＩＮ・ｓｉｎ（ω・ｔ）＋Ｚ_０ＡＣ）^２≒１／２ｓｉｎ^２・（１－ｃｏｓ^２（２ω・ｔ））＋２・Ｓ_ＩＮ・ｓｉｎ（ω・ｔ）・Ｚ_０ＡＣ、｜Ｓ_ＩＮ・ｓｉｎ（ω・ｔ）｜≫Ｚ_０ＡＣの場合（式５ｂ）、及び
Ｐ８００∝（Ｓ_ＩＮ・ｓｉｎ（ω・ｔ））^２≒１／２ｓｉｎ^２・（１－ｃｏｓ^２（２ω・ｔ））、Ｚ_０ＡＣ→０＋の場合（式５ｃ）。
Ｚ_０ＡＣは、入力ＡＣ電圧が０Ｖのときの変位レベルＺ_Ｏ／Ｃに対する膜の変位量である。

実施形態において、Ｚ_０ＡＣは、式５ａの第２項２・Ｚ_０ＡＣ ^２及び式５ｂの不可聴の第２項２・Ｓ_ＩＮ・ｓｉｎ（ω・ｔ）・Ｚ_０ＡＣを減少させるために小さい正の値に設定され得る。例えば、Ｚ_０ＡＣは、最大膜変位の１％～１０％の間の範囲であり得る。

一実施形態では、式５ａ～５ｃにおけるＳ_ＩＮ ^２の非線形性を補償するために、線形性補償がホストプロセッサ内に埋め込まれたＤＳＰ機能ブロックによって実行され得る。

Ｚ_０ＡＣを小さい正の値に設定することにより、入力ＡＣ電圧が０Ｖであるとき、膜部分１０２ｇ／１０２ｈはわずかに開き得る。膜駆動信号（Ｓ１０２ａ、Ｓ１０２ｂ）／（Ｓ１０２ａ’、Ｓ１０２ｂ’）／（Ｓ１０２ａ”、Ｓ１０２ｂ”）の対称性を考慮すると、開口１１２ｇ、１１４ｈの少なくとも１つは、任意の時点でわずかに開き得る／形成され得る。したがって、開口１１２ｇ、１１４ｈの整流効果によるチャンバ１０５内の圧力変化は、均衡され得、ベント開口（複数可）７１３Ｔ又はより広いスリット開口（１１３ａ*／１１３ｂ*）は、空気パルス発生装置８００に存在しない。

空気パルス発生装置８００では、共振がチャンバ１０５内で生じるか否かにかかわらず、全波整流及び同期復調の効果が、空気パルス発生装置８００によって生成され得る。側壁８０４Ｌ及び８０４Ｒにおいて又はそれらの近くにおいて最大音圧を生成するための定在波がなくても、そのような最大音圧は、単に、膜部分１０２ｇ、１０２ｈの開口１１２ｇ、１１４ｈの物理的位置、及び、側壁８０４Ｌ及び８０４Ｒの付近において最大変位を生じさせるように膜部分１０２ｇ、１０２ｈのアクチュエータを駆動する対称的な膜駆動信号（Ｓ１０２ａ、Ｓ１０２ｂ）／（Ｓ１０２ａ’、Ｓ１０２ｂ’）／（Ｓ１０２ａ”、Ｓ１０２ｂ”）の結果として生じ得る。例えば、膜部分１０２ｇは、局所的な圧力を最大化するためにチャンバ１０５内の第１の部分／容積１０５ａ（膜部分１０２ｇの上部）を圧縮するように作動され得る。膜部分１０２ｈは、局所的な圧力を最小化するためにチャンバ１０５内の第２の部分／容積１０５ｂ（膜部分１０２ｈの上部）を膨張させるように作動され得る。部分／容積１０５ａ及び１０５ｂ内の時間にわたる圧力プロファイルは、１次モード共振における定在波のものと同一であり得る。換言すれば、空気パルス発生装置８００は、チャンバ１０５の共振なしに、全波整流及び同期復調を達成し得、それによって、空気パルス発生装置の設計における柔軟性を高める。

空気パルス発生装置８００において、共振が発生する場合、空気パルス発生装置８００の出力は、そのような共振の定在波から利益を得ることができる。例えば、空気パルス発生装置８００のチャンバ１０５の幅Ｗ_１０５が、動作周波数ｆ_ＣＹに対応する波長の半分（λ／２）に等しい場合、定在波のものと同様の圧力プロファイルが、膜部分１０２ｇ及び１０２ｈの移動によって確立され得、したがって、チャンバ１０５内に既に確立されている定在波によって引き起こされる出力を高める。

エンクロージャレス（Enclosure-less）

空気パルス発生装置８９０／８５０／８３０は、従来のスピーカ（すなわち、前方放射及び位相反転後方放射）によって生成されるような位相外れベースバンド放射の対（a pair of out-of-phase baseband radiations）を生成しないので、空気パルス発生装置８９０／８５０／８３０は、従来のスピーカが行うように、いかなる背面（back）エンクロージャ（その目的は、後方放射を封じ込めるか又は変形し、位相反転後方放射が前方放射を相殺しないようにすることである）も必要としない。したがって、音を発生する空気パルス発生装置８９０／８５０／８３０は、エンクロージャレスとすることができる。

装置８９０の場合、チャンバ１０５の１次モード共振及びバルブ開放のインターリーブタイミングを利用することによって、空気パルス発生装置８９０は、位相が１８０°ずれている代わりに位相が同調している２つの放射を生成する。バルブ１０１／１０３の開放タイミング（図２ではＺ１０１／Ｚ１０３で示されている）と圧力波Ｐ１１２／Ｐ１１４との間の適切なタイミングアライメントにより、音響エネルギの位相が適切に整合され、超音波放射がベースバンド出力ＳＰＬを２倍にするように変換され、全音響エネルギの利用率を増加させ、エンクロージャの必要性を排除しながら、超音波ＡＭ信号の効果的な復調を達成する。

音響フィルタ

空気パルス発生装置の前に音響フィルタが追加され得る。例えば、図１０は、本出願の一実施形態による構成Ａ００内に配置された空気パルス発生装置８９０の概略図である。図１１は、本出願の一実施形態による構成Ａ３０内に配置された空気パルス発生装置８９０の概略図である。空気パルス発生装置８９０のポート７０７Ｌ及び７０７Ｒで測定される音響空気圧（acoustic air pressure）は、復調されたＡＭ超音波Ｐ７０７Ｌ及びＰ７０７Ｒだけでなく、バルブ１０１及び１０３の運動によって生成される超音波も含み得る。バルブ１０１及び１０３の対称的な動きは、双極子として特徴付けられ得る。バルブ１０１及び１０３の運動によって発生する超音波の重畳は、バルブ１０１及び１０３の面に沿ってピークとなり、側壁８０４Ｌ及び８０４Ｒの間の中心面上でゼロとなる。構成Ａ００／Ａ３０は、バルブ１０１及び１０３の運動によって発生する超音波を最小化するように構成され得、したがって音響フィルタとして機能し得る。

図１０では、構成Ａ００は、バルブ１０１／１０３の運動によって発生する超音波をフィルタリングして除去するように構成されたファンネル構造Ａ０５を含み得る。ファンネル構造Ａ０５は、構成Ａ００の内側に広い開口、傾斜した側面、及び構成Ａ００の外側付近に狭い管を有し得る。ファンネル構造Ａ０５の広い開口は、チャンバ１０５の幅Ｗ_１０５よりも小さくてもよい。ファンネル構造Ａ０５は、ポート７０７Ｌ及び７０７Ｒからの出力を合体させ、バルブ１０１及び１０３の対称的な動きによって生じた超音波を互いに消滅させ、波Ｐ８９０を残し、これは、波Ｐ７７０Ｌ及びＰ７７０Ｒの和／重畳である。

図１１では、構成Ａ３０は、構成Ａ３０のための出力ポートとして機能するポートＡ０７及び外部チャンバＡ０６を含み得る。外部チャンバＡ０６の側壁Ａ０６Ｔ、Ａ０６Ｂ間の幅Ｗａ０６は、チャンバ１０５の幅Ｗ_１０５（例えば、λ_ＣＹの半分）に等しくてよく、その結果、定在波は、周波数ｆ_ＣＹ（１次モード共振の場合）及び周波数２・ｆ_ＣＹ（２次モード共振の場合）の両方で発生し得る。ポートＡ０７の幅Ｗａ０７は、チャンバ１０５の幅Ｗ_１０５よりも小さくてもよい。ポートＡ０７の幅Ｗａ０７は、チャンバ１０５の幅Ｗ_１０５の半分又はλ_ＣＹの４分の１に等しくてもよい。

構成Ａ３０は、バルブ１０１／１０３の運動によって発生する超音波をフィルタリングして除去するように構成される。周波数ｆ_ＣＹを有するバルブ１０１及び１０３の対称運動によって発生する超音波に対しては、音響エネルギは、側壁Ａ０６ＴとＡ０６Ｂとの間の中間点に／中間点の近傍に空気圧の節を有する外部チャンバＡ０６の１次モード共振に存在してもよく、定在波の圧力は、ポートＡ０７の幅Ｗａ０７にわたってゼロに結合され得る。パルスレート２・ｆ_ＣＹを有する音波Ｐ８９０については、音響エネルギは、ポートＡ０７の中心でもある側壁Ａ０６ＴとＡ０６Ｂとの間の中間点に／中間点付近に空気圧の腹を有する外部チャンバＡ０６の２次モードに存在し得、定在波の圧力がポートＡ０７の幅Ｗａ０７にわたって積分されたときに最大出力圧力が発生し得る。２つの異なる共振モードを利用することによって、外部チャンバＡ０６は、１次モード共振によって周波数ｆ_ＣＹにおける超音波スペクトル成分を除去し、２次モード共振によって周波数２・ｆ_ＣＹにおける超音波スペクトル成分（すなわち、波Ｐ８９０）を通過させ得る。

図１１では、構成Ａ３０は、疎水性材料で作製され得るフィルムＡ０８を含み得る。フィルムＡ０８は、保護手段（塵埃、蒸気及び水分の侵入を防止するため）及び音響抵抗（外部チャンバＡ０６の容積でローパスフィルタを形成することによって、周波数２・ｆ_ＣＹで残りの超音波スペクトル成分を減衰させるために）として機能するために、ポートＡ０７内に配置され得る。

図１２は、本出願の一実施形態によるモバイルデバイスＡ６０の概略図である。各々が空気パルス発生装置８９０／８５０／８３０のいずれかであり得る２つの空気パルス発生装置Ａ０２及びＡ０３はが、スマートフォン又はノートパッドのようなモバイルデバイスＡ６０のエッジＡ０１上に取り付けられる。空気パルス発生装置Ａ０２、Ａ０４のポート７０７Ｌ及び７０７Ｒは、外側に向き得、空気パルス発生装置Ａ０２、Ａ０３によって生成される超音波は、オリフィスアレイＡ０４、Ａ０５を通過し得る。モバイルデバイスＡ６０は、構成Ａ００又はＡ３０の構造を利用して、バルブ１０１及び１０３の運動によって生成された周波数ｆ_ＣＹにおいて超音波スペクトル成分を除去し、一方、周波数２・ｆ_ＣＹの波Ｐ８９０を通過させることを可能にする構成Ａ３０のフィルムＡ０８は、周波数２・ｆ_ＣＹ付近の残りの超音波スペクトル成分をさらに低減し得る。

図１３は、本出願の一実施形態による空気パルス発生装置３００の断面図の概略図である。空気パルス発生装置８９０と同様に、空気パルス発生装置３００のチャンバ１０５によって定在波が形成されるとき、空気パルス発生装置３００の膜部分１０２ｃ、１０２ｄの動きは対称的であり、ほぼ０の正味の空気移動を生成し得る。各動作サイクルＴ_ＣＹにわたるほぼ０の正味の空気移動のために、膜部分１０２ｃ／１０２ｄによってもたらされるエネルギの大部分は、音響エネルギ（空気圧勾配又は定在波の形態）となり、ほぼゼロのエネルギは、運動エネルギ（空気質量移動、すなわち、風）となる。

図１４は、本出願の一実施形態による、装置の１つのポートから別のポートへ空気容積を移動させるための空気移動装置１００の断面図の概略図である。

空気パルス発生装置８５０／８９０とは対照的に、空気流発生装置１００の膜１０２の振動周波数は、チャンバ１０５の幅よりはるかに大きい波長λを生成し、チャンバ１０５内の圧力は均一であると考えられ得る。インターリーブされたバルブ駆動信号Ｓ１０１／Ｓ１０３は、バルブ部分１０１／１０３を時間インターリーブ方式で、又は１８０°位相がずれて開き、ポート１０７からポート１０８へ、又はポート１０８からポート１０７へのいずれかの空気移動を生じるように構成され得る。例えば、膜１０２がチャンバ１０５内の容積を圧縮するために正のＺ方向（＋Ｚ方向）に移動するときに、バルブ１０１／１０３が開き、バルブ１０３／１０１が閉じられる場合、空気は、ポート１０７／１０８を介してチャンバ１０５から流出する。逆に、膜１０２がチャンバ１０５の容積を拡大するために負のＺ方向（－Ｚ方向）に移動するときに、バルブ１０１／１０３が開かれ、バルブ１０３／１０１が閉じる場合、空気はポート１０７／１０８を介してチャンバ１０５に流入する。

空気移動装置１００のキャップ１０４は、放熱板／パッドとして機能し、これらに限定されるものではないがノートブック中央処理装置（ＣＰＵ）又はスマートフォンアプリケーションプロセッサ（複数可）（ＡＰ）などの熱発生部品と物理的に接触する。キャップ１０４は、アルミニウム又は銅などの熱伝導性材料で作られ得る。熱伝達効率を改善するために、チャンバ１０５内のキャップ１０４の表面に、細かいフィン（図示せず）が形成されてもよいが、これに限定されない。

特に、空気パルス発生装置８５０／８９０では、空気装置１００／３００のキャップ１０４は、上部プレート８０４Ｔ及び側壁としても機能するスペーサ８０４Ｌ、８０４Ｒに置き換えられる。上部プレート８０４Ｔは、プリント回路基板（ＰＣＢ）又はランドグリッドアレイ（ＬＧＡ）基板であり得、基板１０９又はプレート１１５上に他の方法で配置され得る金属トレース、ビア及び接触パッドを含む。厚さは、上部プレート８０４Ｔで０．２～０．３ｍｍ、側壁８０４Ｌ／８０４Ｒで０．０５～０．１５ｍｍ、壁１１１で０．２５～０．３５ｍｍである。空気パルス発生装置の総厚は、０．６～０．８ｍｍであり得るが、これに限定されない。

さらに、米国特許第10,536,770号に開示されているパルスインターリーブ概念を本出願に適用することもできる。換言すれば、ＡＰＰＳ用の超音波音響パルスを生成する間に、音質を改善するために、一実施形態では、複数の空気パルス発生装置（例えば、複数の空気パルス発生装置１００）が、１つの単一の空気パルス発生装置を形成するように一緒にカスケード接続され得る。空気パルス発生装置１００のための駆動信号（例えば、膜駆動信号Ｓ１０２ａ／Ｓ１０２ｂ／Ｓ１０２又はバルブ駆動信号Ｓ１０１／Ｓ１０３）は、インターリーブされたグループを形成するようにインターリーブされ得、人の可聴帯域から離れたところで、結果として、有効空気パルスレートを２倍高い周波数まで上昇させ得る。例えば、１つの空気パルス発生装置１００の膜駆動信号のパルスは、別の空気パルス発生装置１００の膜駆動信号のパルスとインターリーブされ得、その結果、１つの空気パルス発生装置１００の集約空気パルスは、有効空気パルスレートを増加させるように、別の空気パルス発生装置１００の集約空気パルスとインターリーブされ得る。代替的に、１つの空気パルス発生装置１００の膜駆動信号の各パルスは、他の空気パルス発生装置１００の膜駆動信号の２つの連続パルスの間の中間点に／その近傍に位置し、その結果、１つの空気パルス発生装置１００の各集約空気パルスは、有効空気パルスレートを増加させるように、他の空気パルス発生装置１００の２つの連続集約空気パルスの中間点に／その近傍に位置し得る。一実施形態では、各々が２４ＫＨｚの動作周波数Ｔ_ＣＹで動作するように設計された２つの空気パルス発生装置１００は、並んで配置される又は背中合わせに（back-to-back）取り付けられ、インターリーブ方式で駆動され得、その結果、有効空気パルスレートが４８ＫＨｚになる。

例示的に、図１５は、本出願の一実施形態による空気パルス発生装置４００の概略図である。空気パルス発生装置４００は、背中合わせに積み重ねられた２つの空気パルス発生装置１００及び１００’とみなされ得る。空気パルス発生装置４００において、２つの空気パルス発生装置１００及び１００’の２つのチャンバ１０５及び１０５’は、空気パルス発生装置４００のチャンバ１０６を形成するように、開口１１６を介して互いに接続される。

空気パルス発生装置４００は、第１のバルブ部分１０１、第２のバルブ部分１０３、第３のバルブ部分１０１’、及び第４のバルブ部分１０３’を有し得る。バルブ部分１０１が壁１１１に固定される第１のアンカーと、バルブ部分１０３が壁１１１に固定される第２のアンカーとは、Ｘ方向に整列し；一方、第１のアンカーとバルブ部分１０１’が壁１１１に固定される第３のアンカーとは、Ｚ方向に整列する。バルブ部分１０１及び１０３（又はバルブ部分１０１’及び１０３’）は、ＹＺ平面に対して対称であり；一方、バルブ部分１０１及び１０１’に印加されるバルブ駆動信号Ｓ１０１（又はＳ１０３）がゼロに低下したとき、（非作動の）バルブ部分１０１及び１０１’（又はバルブ部分１０３及び１０３’）は、ＹＺ平面に対して平行でない第２の平面（例えば、ＸＹ平面）に対して対称である。バルブ部分１０１及び１０１’（又はバルブ部分１０３及び１０３’）は、非共平面であり、一方、（非作動の）バルブ部分１０１及び１０３（又はバルブ部分１０１’及び１０３’）は、
バルブ部分１０１及び１０３に印加されるバルブ駆動信号Ｓ１０１及びＳ１０３がゼロに低下するとき、共平面であり得る。

ＡＰＰＳ用途の一実施形態では、２つの空気パルス発生装置１００の駆動信号をインターリーブすることによって、空気パルス発生装置４００の膜部分１０２（又はバルブ部分１０１、１０３）の変位プロファイル（複数可）は、空気パルス発生装置４００の膜部分１０２’（又はバルブ部分１０１’、１０３’）の変位プロファイル（複数可）と鏡面対称（mirror symmetric）であり得る。代替的には、２つの空気パルス発生装置１００の駆動信号をインターリーブ又は反転することによって、空気パルス発生装置４００の膜部分１０２（又はバルブ部分１０１、１０３）の変位プロファイル（複数可）は、空気パルス発生装置４００の膜部分１０２’及び（又はバルブ部分１０１’、１０３’）の変位プロファイル（複数可）と同じであり得、その結果、膜部分１０２の変位（の方向及び大きさ）は、膜部分１０２’の変位（の方向及び大きさ）と等しくなり、チャンバ１０６内の圧力変動を相殺させる。膜部分１０２は、膜部分１０２’に平行であり得る（又は整合するためにオフセットされ得る）。

空気移動用途の一実施形態では、特性長λ_ＣＹは、一般に、空気パルス発生装置４００の寸法よりはるかに長い。膜部分１０２の変位は、膜部分１０２’の変位と等しくなり得るので、空気パルス発生装置４００は、１つの膜部分のみを含み得、膜部分１０２、１０２’の１つが除去され得、それによって、電力消費を減少し、動作効率を改善する。

省電力

別の観点では、空気パルス発生装置の出力は、Ａ（ｔ）・ｐ（ｔ）に関連し、ここで、Ａ（ｔ）は開口１１２／１１４の面積であり、ｐ（ｔ）は、チャンバ１０５の空気圧を表す。換言すれば、バルブ１０１／１０３の開口１１２／１１４は、空気パルス発生装置の出力の強度に直接関連／比例する。具体的には、最大ＳＰＬ出力は、膜移動によって生成されるチャンバ１０５内の空気圧ｐ（ｔ）の最大値と、バルブ移動によって生成される開口１１２／１１４の面積Ａ（ｔ）の最大値との組み合わせである。面積Ａ（ｔ）を適切に変調／操作することにより、空気パルス発生装置の動作電力を低減することができる。

面積Ａ（ｔ）は、人間の聴覚に可聴のレート（rate audible to human hearing）では変化しない場合があるが、発生する音の音量又は包絡線に応じて、バルブ駆動電圧Ｓ１０１／Ｓ１０３をゆっくりと変化させることにより調整され得る。例えば、バルブ駆動電圧Ｓ１０１／Ｓ１０３は、５０ミリ秒のアタックタイム（attack time）及び５秒のリリースタイム（release time）のエンベロープ検出により制御され得る。空気パルス発生装置によって生成される音が一貫して低音量であるとき、バルブ駆動電圧Ｓ１０１／Ｓ１０３は、５秒（長い）リリースタイムで徐々に低下され得る。高い音圧を発生させるとき、バルブ駆動電圧Ｓ１０１／Ｓ１０３は、（短い）５０ミリ秒のアタックタイムで昇圧され得る。

以上をまとめると、本発明の空気パルス発生装置は、まずその膜構造を振動させ、次に、音圧（又は空気速度）の最大／最小の発生に応答して音圧（又は空気移動）をフィルタリング／再成形するためにそのバルブ構造を開／閉し、最終的に全波整流効果の下で音波（又は空気流）を出力することによって、音圧（又は空気移動）を生成し得る。同期復調が、音圧の最大／最小（又は空気速度）の発生に対して、そのバルブ構造を位相ロックされかつ時間整列された方法で開／閉することによって、及び／又はバルブ構造のバルブ部分を時間的にインターリーブされた方法で開／閉することによって実行され得る。

当業者は、本発明の教示を保持しながら、装置及び方法の多くの修正及び変更を行うことができることを容易に理解するであろう。したがって、上記の開示は、添付の特許請求の範囲の範囲によってのみ限定されると解釈されるべきである。

Claims (25)

1. 空気パルス発生装置であって：
   膜構造及びバルブ構造と；
   カバー構造であって、チャンバが、前記膜構造、前記バルブ構造、及び前記カバー構造の間に形成される、カバー構造と；を有し、
   動作周波数で振動する空気波が前記チャンバ内に形成され；
   前記バルブ構造は、少なくとも１つの開口を形成するために開閉動作を実行するよう作動するように構成され、前記少なくとも１つの開口は、前記チャンバ内の空気を前記チャンバ外の空気と接続し；
   前記開閉動作は、前記動作周波数と同期している、
   空気パルス発生装置。
2. 前記少なくとも１つの開口は、前記空気波のピークが達成される位置に空間的に形成される、
   請求項１に記載の空気パルス発生装置。
3. 前記空気波の前記ピークは、空気圧に関する、
   請求項２に記載の空気パルス発生装置。
4. 前記空気波の前記ピークは、空気速度に関する、
   請求項２に記載の空気パルス発生装置。
5. 第１の開口が第１の側壁によって形成され、第２の開口が第２の側壁によって形成される、
   請求項１に記載の空気パルス発生装置。
6. 前記バルブ構造は、前記少なくとも１つの開口を形成するよう作動されるように構成される、第１のバルブ部分及び第２のバルブ部分を有する、
   請求項１に記載の空気パルス発生装置。
7. 前記バルブ構造は、第１の側壁と第２の側壁との間の中心位置に前記少なくとも１つの開口を形成し；
   前記カバー構造は、前記第１の側壁及び前記第２の側壁を有する、
   請求項１に記載の空気パルス発生装置。
8. 前記少なくとも１つの開口は、前記空気波のピークが達成されるインターバル内で形成される、
   請求項１に記載の空気パルス発生装置。
9. 前記空気波の前記ピークは空気圧に関する、
   請求項８に記載の空気パルス発生装置。
10. 前記バルブ構造は、動作サイクル内の第１のインターバルの間に第１の開口を形成し；
    前記バルブ構造は、前記動作サイクル内の第２のインターバルの間に第２の開口を形成し；
    前記動作サイクルは、前記動作周波数に対応している、
    請求項１に記載の空気パルス発生装置。
11. 前記動作サイクルは前記動作周波数の逆数である、
    請求項１０に記載の空気パルス発生装置。
12. 前記第１のインターバル及び前記第２のインターバルは重複しない、
    請求項１０に記載の空気パルス発生装置。
13. 前記第１の開口は、前記空気波の第１のピークが達成される前記第１のインターバル内で形成され、
    前記第２の開口は、前記空気波の第２のピークが達成される前記第２のインターバル内で形成される、
    請求項１０に記載の空気パルス発生装置。
14. 前記第１の開口は、前記第１のインターバル内で第１の位置に形成され、前記第１のインターバルの間、前記チャンバ内の前記第１の位置に対応する前記空気波の第１の空気圧が特定の圧力より高く、
    前記第２の開口は、前記第２のインターバル内で第２の位置に形成され、前記第２のインターバルの間、前記チャンバ内の前記第２の位置に対応する前記空気波の第２の空気圧が前記特定の圧力より高い、
    請求項１０に記載の空気パルス発生装置。
15. 前記膜構造は、第１の膜部分を含み、前記第１の膜部分は第１のスリットを有し、前記第１のスリットは、前記空気波の空気圧の空気圧力の節が達成される位置に配置される、
    請求項１に記載の空気パルス発生装置。
16. 前記第１のスリットは、前記カバー構造の第１の側壁若しくは第２の側壁から前記チャンバの幅の４分の１に、又は、前記第１の側壁と前記第２の側壁との間の中心位置に位置する、
    請求項１５に記載の空気パルス発生装置。
17. 前記カバー構造は、前記膜構造に平行に配置された上部プレートを有し、前記上部プレートは、ベント開口を有し、前記ベント開口は、前記空気波の空気圧の空気圧力の節が達成される位置の近くに配置される、
    請求項１に記載の空気パルス発生装置。
18. 前記ベント開口は、前記カバー構造の第１の側壁若しくは第２の側壁から前記チャンバの幅の４分の１に、又は、前記第１の側壁と前記第２の側壁との間の中心位置に位置する、
    請求項１７に記載の空気パルス発生装置。
19. 空気パルス発生装置において適用される音生成方法であって、前記方法は：
    チャンバ内に空気波を形成するステップであって、前記空気波は、動作周波数で振動し、前記チャンバは、前記空気パルス発生装置内に形成される、ステップと；
    前記空気パルス発生装置に開放周波数で少なくとも１つの開口を形成するステップであって、前記少なくとも１つの開口は、前記チャンバ内の空気を前記チャンバ外の空気と接続する、ステップ；とを含み、
    前記開放周波数は、前記動作周波数と同期している、
    音生成方法。
20. 前記少なくとも１つの開口を形成するステップは：
    前記空気波のピークが達成されるインターバル内で前記少なくとも１つの開口を形成するステップを含む、
    請求項１９に記載の音生成方法。
21. 前記少なくとも１つの開口を形成するステップは：
    動作サイクル内の第１のインターバルの間に第１の開口を形成するステップと；
    前記動作サイクル内の第２のインターバルの間に第２の開口を形成するステップと；を含み、
    前記動作サイクルは、前記動作周波数に対応している、
    請求項１９に記載の音生成方法。
22. 前記動作サイクルは前記動作周波数の逆数である、
    請求項２１に記載の音生成方法。
23. 前記第１のインターバル及び前記第２のインターバルは重複しない、
    請求項２１に記載の音生成方法。
24. 前記少なくとも１つの開口を形成するステップは：
    前記第１の開口を、前記空気波の第１のピークが達成される前記第１のインターバル内で形成するステップと；
    前記第２の開口を、前記空気波の第２のピークが達成される前記第２のインターバル内で形成するステップと；を含む、
    請求項２１に記載の音生成方法。
25. 前記少なくとも１つの開口を形成するステップは：
    前記第１の開口を、前記第１のインターバル内で第１の位置に形成するステップであって、前記第１のインターバルの間、前記チャンバ内の前記第１の位置に対応する前記空気波の第１の空気圧が特定の圧力より高い、ステップと；
    前記第２の開口を、前記第２のインターバル内で第２の位置に形成するステップであって、前記第２のインターバルの間、前記チャンバ内の前記第２の位置に対応する前記空気波の第２の空気圧が前記特定の圧力より高い、ステップと；を含む、
    請求項２１に記載の音生成方法。

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