JP4657225B2 - 気流スピーカ - Google Patents

Description

本発明はスピーカに関し、特に一定の流速を有する気流を変調することにより、音波を発生させる気流スピーカに関する。

１９３０年代に、大音響再生を目的とした電気音響変換器である「気流スピーカ」が提案された。気流スピーカとは、空気の流速を変化させ、音響として音を発生させるスピーカをいう。一般に知られている気流スピーカは、コンプレッサ等により一定流速の気流を発生させ、電気信号により空気弁を開閉制御するという構成を有している。この構成により、一定流速の気流を変調し、所望の音波を得ることができる。当初、気流スピーカは、航空母艦の甲板での放送や数キロメートル離れた敵地への音波による放送等に用いられていたが、現在では、ロケットの発射音のシミュレーション音場を作るため等に使用されている。気流スピーカは、小さい電気信号の入力で大きい音響出力を得ることができ、一般的に高効率であると言われている。この高効率にもかかわらず、気流スピーカは、その大きさや、騒音、そして制御の難しさ等により、一般用として作られることはほとんどなかった。なお、広く用いられている動電形、電磁形、コンデンサ形、圧電形の直接放射型スピーカはいずれも変換効率は１％程度である。

気流スピーカとして特許文献１では、図１１に示すものが提案されている。この気流スピーカ５１は、空気圧力源から正圧又は負圧の空気が送入される正圧又は負圧タンクと、該タンクの一方に固定され、多数の空気流通孔５３を有する固定板５２と、該固定板５２に沿設して移動し、前記固定板５２の空気流通孔５３と重複する位置に空気流通孔５４が設けられている移動板５５と、該移動板５５を電気信号に応じて動作させる作動手段５６とを備えたことを特徴としている。

ここで、特許文献１で説明されている気流スピーカ５１には、作動手段５６の構成品としてボイスコイル５７が使用されている。ボイスコイルとは、動電形スピーカに使用されるコイルで、コーンを作動させるための主要部品である。電磁形スピーカでは、ボイスコイルを電磁界中に配置して電流を流し、電磁力を発生させて（フレミングの左手の法則）コーンを作動させるのである。特許文献１の気流スピーカ５１もこの原理を利用している。具体的には、電磁石５８で電磁界をつくり、移動板５５にボイスコイル５７を接続して、音声信号にあわせて電流を流し、移動板５５を振動させている。固定板５２の空気流通孔５３と重複する位置に移動板５５の空気流通孔５４が設けられているため、移動板５５を振動させることにより、空気流通孔の面積が変化し、空気流量が変化して音波を発生させることができる。
実開昭６２−９３８９８号公報

ところが、ボイスコイル５７は電磁気力だけで作動するのではなく、実際には移動したボイスコイル５７を元の位置に戻すための構成が必要である。特許文献１に記載の気流スピーカ５１では、板バネ５９がこの役目を果たしている。つまり、ボイスコイル５７は板バネ５９の弾性力によって元の位置に戻るため、戻るときの速度は板バネ５９の弾性に依存することになる。そのため、信号に対する気流スピーカ５１の応答性は決して高くない。特に、特許文献１に記載の気流スピーカ５１のように振動板５５がある程度の質量を有し、固定板５２との摩擦力が生じる場合には、その傾向が顕著となる。

応答性が低いスピーカは、応答の遅れによって入力と出力とに大きな位相のずれが生じてしまう。この位相のずれは、周波数によって異なる実時間の遅れを生じさせる。そのため、聴取者は、高音に比べ、低音が遅れて聞こえるようになってしまう。このように、特許文献１に記載の気流スピーカでは、低音と高音の聞こえ方の違いが大きく、高音質の音声を発生させることができない。

そこで本発明は、高品位の音声を発生させる気流スピーカを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明にかかる気流スピーカは、気流を発生させる気流発生手段と、該気流発生手段によって発生した気流が通過する気流通路と、該気流通路の断面積を変化させる通路断面積変更手段と、を備え、該通路断面積変更手段の駆動源が超音波モータであり、該超音波モータは音声信号に基づいて制御される（請求項１）。

ここで、超音波モータとは、ステータとロータ（リニア型の場合は、ステータとスライダ）から主に構成され、ステータに所定の交流電圧をかけると、ステータの表面で円周方向の進行波が発生し、ロータを回転させる（スライダをスライドさせる）ことができるモータである。超音波モータでは、ロータ（スライダ）はステータに強く押しつけられているため、進行波の進行方向が逆転するような電圧をかけた場合、ロータ（スライダ）は俊敏に応答して反対方向に回転（スライド）することができる。

上記の構成によれば、駆動系の応答性を高くすることができる。よって、音声信号に基づいて気流通路の断面積を瞬時に変化させることができ、気流通路の断面積変化の遅れによる、音波の位相の遅れはほとんど生じない。

また、上記気流スピーカにおいて、該通路断面積変調手段は、固定板と、スライド板と、を有し、該スライド板は、該固定板と重なるように設けられており、該固定板と該スライド板とには、それぞれ開口部が施され、該固定板の開口部と該スライド板の開口部との重なる部分が該気流通路を形成し、該スライド板は、該超音波モータを駆動源にして該固定板に対してスライドし、該スライド板がスライドすることにより、該気流通路の断面積が変化するようにしてもよい（請求項２）。

かかる構成によれば、スライド板のスライド量に比例して気流通路の断面積を変化させることができる。よって、気流通路の断面積の制御が比較的簡単な気流スピーカとすることができる。

また、上記気流スピーカにおいて、該気流発生手段によって発生した気流の流速は、亜音速以下としてもよい（請求項３）。気流スピーカにおいて、気流が音速を超えるときには、音声信号とは無関係な大きな騒音が発生することが知られている。よって、上記構成のように、亜音速以下であれば、かかる騒音は生じない。

また、上記気流スピーカにおいて、ホーンをさらに備え、該ホーンは該通路断面積変調手段の下流に配設するようにしてもよい（請求項４）。かかる構成によれば、ホーン開口部では平面波に近い状態で音が放射されるため、指向性が強くなり、球面波のように音が広がらず、効率を上げることができる。

また、上記気流スピーカにおいて、吸音材をさらに備え、該吸音材は該通路断面積変調手段の下流 及び／又は 上流に配設するようにしてもよい（請求項５）。かかる構成によれば、吸音材が中高音用のフィルタとして機能することから、気流スピーカに発生しやすい音声信号とは無関係な中高音の騒音を低減させることができる。

また、上記気流スピーカにおいて、該超音波モータが、該気流通路内に配設されるようにしてもよい（請求項６）。かかる構成によれば、超音波モータから発生する熱を効果的に放出することができる。

また、上記気流スピーカにおいて、該超音波モータが、防振材を介して配設されるようにしてもよい（請求項７）。かかる構成によれば、超音波モータで生じた振動による影響を軽減することができる。

本願発明によれば、応答性の高い気流スピーカとすることができる。そのため、気流通路の断面積変化の遅れによる、音波の位相の遅れはほとんど生じない。よって、高効率で高品位の音声を発生させる気流スピーカを提供することができる。

本願発明にかかる気流スピーカを実施するための最良の形態について、図１〜８を参照しつつ以下に説明する。なお、本実施形態では、一般向けの気流スピーカを想定している。気流スピーカは大出力音量を得ることができるとともに、変換効率が高いことは既に述べたとおりである。本実施形態では、このうち変換効率の高さに着目してなされたものである。そして、大出力音量の代償として発生していた騒音を低減するような構成としている。

図１は、本実施形態にかかる気流スピーカ１の縦断面略示図である。気流スピーカ１は、気流発生手段２と、気流通路３と、通路断面積変更手段４と、ホーン５と、吸音材６とを備えている。まず、各構成要素２〜６について説明し、その後、通路断面積変更手段４についてさらに詳細に説明する。

気流発生手段２は、気流スピーカ１内に気流を発生させる役割を有している。本実施形態では、気流発生手段２としてファン２を使用する。図１に示すように、ファン２は気流スピーカ１の入口に配置されており、回転翼を回転させることにより、外部から空気を取り込み、気流スピーカ１内に気流を発生させる。気流は、ファン１の回転速度を制御することで、速度を一定にし、圧力変動のない気流（この気流を「直流気流」と呼ぶ。）とする。ファン１は既存のものであって、小型のものを使用する。これにより、製造コストを抑えることができ、比較的狭い場所にも設置することができる。また、気流の流速を亜音速以下とする。流速が音速、あるいはそれを超えることで著しく増加する騒音を防ぐためである。この点からも、ファンは大型にする必要はない。なお、本実施形態では、気流発生手段２としてファン２を使用しているが、これに替えてポンプを使用してもよい。

気流通路３は、気流発生手段２によって発生した気流の通路である。図１に示すように、気流発生手段２により発生した気流は、気流通路管７の内部を通り、この気流通路管７の内部が気流通路３の一部を構成している。本実施形態では気流通路管７を直線形状としているが、気流通路管７の形状は、入口側の位置と音の発生方向とを考慮して曲線状としてもよい。ただし、気流通路管７は、音声信号に無関係な不要な発音を防ぐ為、気流発生手段２から発生された直流気流を乱さないような構成とする。なお、本実施形態では、省スペース化のため、空気タンク（バッファタンク）を設けていないが、気流発生手段２の構成により気流が脈流となる場合は、これを是正するために空気タンクを設けても良い。その場合、空気タンクの大きさは必要最小限とする。

通路断面積変更手段４は、気流通路３の断面積を変化させる役割を果たす。図１に示すように、通路断面積変更手段４は気流通路管７の下流側に位置している。通路断面変更手段４は、開口部１３、１４をそれぞれ有する固定板８とスライド板９とを備えており（図２、３参照）、両開口部１３、１４の重なる部分が気流通路３の一部を構成している。通路断面積変更手段４の駆動源は、超音波モータ７であり、超音波モータ７は音声信号に基づいて制御される。その他、通路断面積変更手段４の詳細については、後述する。

ホーン５は気流スピーカ１の内部で発生した音声を、外部に放射する役割を有する。図１に示すように、ホーン５は通路断面積変更手段４よりも下流に配設されており、気流スピーカ１の出口部分を形成している。ホーン５の作用により音声放射効率が高められる。

吸音材６は、一部の周波数領域の音を吸収する役割を有し、通路断面積変更手段４よりも下流に配設されている。本実施形態では、吸音材６として５０〜１００ｍｍの厚さを有するグラスウール６を使用する。図１に示すように、グラスウール６はホーン５の内側をふさぐように配設されている。グラスウール６を一定の厚さにして音を通過させると、中高音のみが低減されるという現象が発生する。そのため、所定の厚さでグラスウール６は、気流スピーカ１の下流部分に配設されることで、中高音をカットする中高音用のフィルタとしての役割を果たす。これにより、気流スピーカ１で音声信号と無関係に発生しやすい中高音の騒音を低減させることができる。本実施形態では、吸音材６としてグラスウール６を使用しているが、これに替えて他の繊維形を使用しても良く、連続気流形軟質発泡樹脂としてもよい。かかる構成としても、同じ効果を得ることができる。なお、連続気流形軟質発泡樹脂とは、例えば連続気泡型発泡ポリウレタン樹脂をいう。なお、吸音材６は、本実施形態のように通路断面積変更手段４よりも下流にのみ配設してもよいが、上流にのみ配設してもよく、また、下流と上流の両方に配設してもよい。吸音材６を通路断面積変更手段４よりも上流に配設することで、上流側に放出される騒音を低減させることができ、かつ通路断面積変更手段４へ埃が流入するのを防止する防塵効果を得ることができる。

以上が気流スピーカ１の各構成要素２〜６の説明である。次に通路断面積変更手段４についてさらに詳細に説明する。図２は、通路断面積変更手段４付近の拡大図である。図２に示すように、通路断面積変更手段４は、固定板８と、スライド板９と、超音波モータ１０と、デジタル制御手段１２（図７参照）と、を有している。各構成について、以下に説明する。

固定板８は、気流通路管７に固定された平板である。図２に示すように、固定板８は、気流通路管７の軸方向に対して垂直に設置されている。図３は、固定板８とスライド板９の斜視図である。図３に示すように、固定板８には複数の開口部１３が施されている。開口部１３は縦横に規則的に並んでおり、その形状は長方形である。

スライド板９は、固定板８に対してスライドする平板である。図２に示すように、スライド板９は、固定板８と重なるように、かつ、固定板８の下方に設けられている。固定板８の下方の前面側と背面側には、左右方向に延びるガイド１５が施されている。スライド板９はこのガイド１５に沿ってスライドすることができる。図３に示すように、スライド板９はスライド量を考慮して、固定板８に比べて左右の幅が小さくなっている。また、スライド板９にも、固定板８の開口部１３に対応する位置に複数の開口部１４が設けられており、その形状は長方形である。そして、固定板８の開口部１３とスライド板９の開口部１４との重なる部分が気流通路３の一部を形成する。すなわち、スライド板９をスライドさせることで、気流通路３の断面積を変化させることができる。

超音波モータ１０は、スライド板９を固定板８に対してスライドさせる駆動源としての役割を果たす。図２に示すように、超音波モータ１０は、気流通路管７の外側で、かつ、スライド板９の近傍に取り付けられている。超音波モータ１０の回転軸には、この回転軸に垂直で、気流の流れと略平行に延びる連結部材１６が取り付けられており、連結部材１６の先端とスライド板９とは板バネ２４を介して連結されている。超音波モータ１０は、後述する駆動信号に基づいて、所定の角度範囲で往復運動を行う。この往復運動に伴って、連結部材１６も往復運動し、連結部材１６と板バネ２４を介して連結されているスライド板９もスライドする。なお、連結部材１６の往復運動は、超音波モータ１０の回転軸を中心とする円運動であるため、連結部材１６の先端とスライド板９との高さの位置関係が変化するが、バネ板２４の屈曲により吸収される。

ここで、超音波モータ１０の原理について説明する。超音波モータ１０はロータ１７とステータ１８とから主に構成されている。図４は、ロータ１７及びステータ１８の斜視断面図である。図４に示すように、ロータ１７とステータ１８はいずれもリング状の形状を有している。実際には、ロータ１７はステータ１８に強く押しつけられている。ステータ１８の上面は半径方向に延びる溝１９が施されており、ステータ１９が曲げ変形しやすくなっている。また、ステータ１８の下面は圧電セラミック板２０が接着されている。この圧電セラミック板２０に超音波域の周波数（２０ｋＨｚ以上）で電圧を印加するとステータ１８に定在波（振幅が同じ場所で繰り返される波）が生じ、ステータ１８は図５に示すように変形する。この定在波を進行波とすることができれば、ロータ１７を回転させることができる。定在波を進行波とするために、電圧セラミック２０を上下に分極し、定在波の２分の１ごとに、分極方向を正負反転するように構成する。そして、分極方向ごとに電圧を印加する。このとき、図６に示すように、それぞれの印可電圧を９０°ずらすと（ｓｉｎとｃｏｓの関係になる）、進行波が発生する。これにより、ロータ１７は、進行波の進行方向（図６では右方向）と逆の方向（図６では左方向）に回転する。また、印可電圧を２７０°ずらせば、ロータ１７を逆方向（図６では右方向）に回転させることができる。この正逆転を繰り返せば、超音波モータ１０を往復運動させることができる。なお、超音波モータ１０のロータはステータ１８に押しつけられているため、反転時にはステータ１８が高いトルクでロータ１７を反転させることができる。よって、超音波モータ１０では、駆動信号に対する応答の遅れはほとんど生じない。

デジタル制御手段１２は、超音波モータ１０の動きを制御する役割を果たす。図７は、通路断面積変更手段４における信号の流れを示した図である。図７に示すように、デジタル制御手段１２は、オーディオアンプ２１から送られた音声信号２２を受取り、音声信号２２に対して所定の変調を行うことによって、駆動信号２３を生成し、この駆動信号２３を超音波モータ１０に送る役割を有している。また、図３に示すように、固定板８の開口部１３とスライド板９の開口部１４とは、その形状がいずれも長方形であるため、スライド板９のスライド量に比例して気流通路３の断面積を変更させることができる。よって、気流通路３の断面積の制御が比較的容易に行うことができる。また、超音波モータ１０の往復運動において反転の際にバックラッシュが生じる場合は、音質に影響しないようにデジタル制御手段１２で補正処理を行う。

以上が本実施形態にかかる気流スピーカ１の構成である。かかる構成により、オーディオアンプ２１からの音声信号２２に基づいて、気流通路３の断面積を変更させ、直流気流を変調して音波を発生させることができる。また、通路断面積変更手段４の駆動源として超音波モータ１０を使用していることから、駆動系の応答性を高くすることができる。よって、音声信号に対する応答性が高い気流スピーカ１となる。

以上、本願発明にかかる気流スピーカ１を実施するための最良の形態について説明した。

なお、以上では、通路断面変更手段４として、開口部１３を有するスライド板９をスライドさせて気流通路３の断面積を変更する構成について説明したが、これに代えて、図８（ａ）に示すようにカメラの絞りと同じように、重ねられた複数の羽根の位置を変えることで気流通路３ａの直径を変化させ、断面積を変更する構成としてもよい。また、図８（ｂ）に示すように、放射状に延びる複数の開口部を有する固定平板３１と、この開口部に対応する位置に羽根が配置された回転平板３２を備え、回転平板３２が回転することで開口部の開口面積を変化させて気流通路３ｂの断面積を変更する構成としてもよい。いずれの構成であっても、気流通路３ａ、３ｂの断面積を変更することができるため、音声信号に基づいて直流気流を変調気流とすることができる。

また、図９は、本願発明にかかる気流スピーカの他の実施形態を示した図であって、図９（ａ）は直流気流管７内部の拡大正面図、図９（ｂ）側面図であり、図９（ｃ）は上面図である。最良の実施形態では、超音波モータ１０を直流気流管７の外部に配設している場合について説明したが、これに代えて、図９に示すように、超音波モータ１０を直流気流管７の内部に配設しても良い。かかる構成によれば、直流気流が超音波モータ１０から発生した熱を放出するのに有効であり、また、わずかではあるが発生する超音波モータ１０の駆動音の放射を低下させる効果もある。なお、超音波モータ１０を直流気流管７の内部へ配設した場合、固定板８Ａ及びスライド板９Ａを円弧状にすることで最良の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、超音波モータ１０は、防振材３５を介して直流気流管７に配設することで、超音波モータ１０から直流気流管７等に伝わる振動を軽減することができる。なお、防振材３５は、超音波モータ１０を直流気流管７の内部に配設する場合のみならず、直流気流管７の外側に配設する場合にも使用することができる。

また、図１０は、本願発明にかかる気流スピーカのさらに他の実施形態を示した図である。最良の実施形態では、回転型の超音波モータ１０について説明したが、これに代えて図１０に示すようにリニア型の超音波モータ１０Ａを使用しても良い。この場合、ステータ２０が直線部を有するような形状であって、ロータ１７の代りにスライダ１７Ａが用いられる。スライダ１７Ａは直線的な動きをするため、弾性体である板バネ２４ではなく、剛体のリンク３を用いることができる。

本発明によれば、高品位の音声を発生させる気流スピーカを提供することができる。よって、スピーカの技術分野において、特に気流スピーカの技術分野において有益である。

本発明の気流スピーカの一実施形態を示す縦断面略示図である。 図１に示す通路断面積変更手段付近の拡大図である。 図２に示す固定板とスライド板の斜視図である。 図２に示す超音波モータの構成品であるロータ及びステータの斜視断面図である。 図２に示す超音波モータのステータの変形を示した図である。 図２に示す超音波モータの進行波が発生する原理を示した図である。 図１に示す通路断面積変更手段における信号の流れを示した図である。 本発明の通路断面積変更手段の他の実施形態を示した図である。 本発明の他の実施形態を示した図であって、（ａ）が正面図、（ｂ）が側面図、（ｃ）が上面図である。 本発明の他の実施形態を示した図である。 従来の気流スピーカを示した図である。

符号の説明

１、１Ａ、１Ｂ 気流スピーカ
２ 気流発生手段（ファン）
３ 気流通路
４ 通路断面積変更手段
５ ホーン
６ 吸音材
８、８Ａ 固定板
９、９Ａ スライド板
１０ 超音波モータ
１０Ａ 超音波モータ（リニア型）
２２ 音声信号
３５ 防振材

Claims (7)

1. 気流を発生させる気流発生手段と、
   該気流発生手段によって発生した気流が通過する気流通路と、
   該気流通路の断面積を変化させる通路断面積変更手段と、を備え、
   該通路断面積変更手段の駆動源が超音波モータであり、
   該超音波モータは音声信号に基づいて制御される、気流スピーカ。
2. 該通路断面積変更手段は、固定板と、スライド板と、を有し、
   該スライド板は、該固定板と重なるように設けられており、
   該固定板と該スライド板とには、それぞれ開口部が施され、
   該固定板の開口部と該スライド板の開口部との重なる部分が該気流通路を形成し、
   該スライド板は、該超音波モータを駆動源にして該固定板に対してスライドし、
   該スライド板がスライドすることにより、該気流通路の断面積が変化する、
   請求項１記載の気流スピーカ。
3. 該気流発生手段によって発生した気流の流速は、亜音速以下である、請求項１又は２記載の気流スピーカ。
4. ホーンをさらに備え、該ホーンは該通路断面積変更手段の下流に配設されている、請求項１乃至３のうちいずれか一の項に記載の気流スピーカ。
5. 吸音材をさらに備え、該吸音材は該通路断面積変更手段の下流 及び／又は 上流に配設されている、請求項1乃至４のうちいずれか一の項に記載の気流スピーカ。
6. 該超音波モータが、該気流通路内に配設されている、請求項１乃至５のうちいずれか一の項に記載の気流スピーカ。
7. 該超音波モータが、防振材を介して配設されている、請求項１乃至６のうちいずれか一の項に記載の気流スピーカ。

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