WO2012090433A1 - 電気音響変換器 - Google Patents

Abstract

　第１の振動面から音波（３０）を出力し、第１の振動面とは逆の第２の振動面から音波（３０）とは逆位相の音波（３２）を出力する発振装置（１０）と、第１の振動面に設けられ、開口端（４６）を有する導波路（４０）と、第２の振動面に設けられ、開口端（４６）と同一の方向を向いた開口端（５６）を有する導波路（５０）と、導波路（５０）に設けられた、音波（３２）を減衰する音波フィルタ（８０）と、を備える電気音響変換器を提供する。

Description

電気音響変換器

　本発明は、超音波を利用した電気音響変換器に関する。

　携帯機器などの電気音響変換器として、圧電型電気音響変換器がある。圧電型電気音響変換器は、圧電振動子に電界を印加することにより発生する伸縮運動を利用して、振動振幅を発生させるものである。圧電型電気音響変換器に関する技術としては、例えば特許文献１に記載のものがある。これは、圧電素子を貼り付ける台座を、台座よりも低剛性な振動膜を介して支持部材に接続するというものである。

　圧電振動子は、例えば超音波を利用した超指向性スピーカに用いられる。超指向性スピーカに関する技術としては、例えば特許文献２～５に記載のものがある。特許文献２に記載の技術は、超音波の位相を制御することにより、空間内の任意の点に可聴音場を形成するというものである。特許文献３に記載の技術は、表面側および裏面側の二方向へ超音波を出力するというものである。特許文献４に記載の技術は、超音波スピーカと広域スピーカとを組み合わせた超指向性スピーカに関する。特許文献５に記載の技術は、超音波を出力する超指向性スピーカと、可聴音の超音波領域を減衰するフィルタとを有するマンコンベア用のポストに関する。

国際公開第２００８／０８４８０６号パンフレット 特開２００２－３４５０７７号公報 特開２００８－１１３１９４号公報 特開２０００－３６９９３号公報 特開２００９－４６２３６号公報

　電気音響変換器による音響再生において、使用者から見たときの左右方向における再生領域の空間制御は可能であるが、前後方向における再生領域の空間制御は困難であった。

　本発明の目的は、音響再生において、使用者から見たときの前後方向における再生領域の空間制御を可能とする電気音響変換器を提供することにある。

　本発明によれば、第１の振動面から第１の音波を出力し、前記第１の振動面とは逆の第２の振動面から前記第１の音波とは逆位相の第２の音波を出力する発振装置と、
　前記第１の振動面に設けられ、第１の開口端を有する第１の導波路と、
　前記第２の振動面に設けられ、前記第１の開口端と同一の方向を向いた第２の開口端を有する第２の導波路と、
　前記第２の導波路に設けられた、前記第２の音波を減衰する音波フィルタと、
　を備える電気音響変換器が提供される。

　本発明によれば、音響再生において、使用者から見たときの前後方向における再生領域の空間制御を可能とする電気音響変換器を提供することができる。

　上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。

第１の実施形態に係る電気音響変換器を示す断面図である。 図１に示す発振装置を示す断面図である。 図２に示す圧電振動子を示す断面図である。 図１に示す電気音響変換器による音響再生の原理を示すグラフである。 第２の実施形態に係る電気音響変換器を示す断面図である。

　以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

　図１は、第１の実施形態に係る電気音響変換器１００を示す断面図である。電気音響変換器１００は、発振装置１０と、導波路４０と、導波路５０と、音波フィルタ８０と、を備えている。電気音響変換器１００は、例えば電子機器（携帯電話、ラップトップ型コンピュータ、小型ゲーム機器等）の音源として用いられる。

　発振装置１０は、第１の振動面から超音波３０を出力する。また、発振装置１０は、第１の振動面とは逆の第２の振動面から超音波３０とは逆位相の超音波３２を出力する。導波路４０は、第１の振動面に設けられ、開口端４６を有している。導波路５０は、第２の振動面に設けられ、開口端４６と同一の方向を向いた開口端５６を有している。音波フィルタ８０は、導波路５０に設けられており、超音波３２を減衰する。以下、電気音響変換器１００の構成について、詳細に説明する。

　図１に示すように、電気音響変換器１００は、筐体２０をさらに有している。筐体２０は、発振装置１０を内部に有している。開口端４６および開口端５６は、筐体２０の表面に設けられている。

　図２は、図１に示す発振装置１０を示す断面図である。図２に示すように、発振装置１０は、圧電振動子１１と、振動部材１２と、支持部材１３と、を有している。振動部材１２は、圧電振動子１１を拘束している。支持部材１３は、振動部材１２を支持している。また、発振装置１０は、信号生成部９２と、制御部９４と、を有している。信号生成部９２は、圧電振動子１１と接続しており、圧電振動子１１に入力する電気信号を生成する。制御部９４は、信号生成部９２と接続しており、外部から入力された情報に基づいて、信号生成部９２による信号の生成を制御する。発振装置１０がスピーカとして用いられる場合、制御部９４に入力される情報は音声信号である。

　信号生成部９２による信号に基づいて、圧電振動子１１に電界を印加することにより、圧電振動子１１は伸縮運動をする。この伸縮運動を受けて、振動部材１２が図中上下方向へ振動することとなる。このとき、図２に示すように、第１の振動面からは超音波３０が、第１の振動面とは逆の第２の振動面からは超音波３０とは逆位相である超音波３２が出力される。

　本実施形態において、発振装置１０は、パラメトリックスピーカとして使用される。このため、制御部９４は、信号生成部９２を介してパラメトリックスピーカとしての変調信号を入力する。発振装置１０をパラメトリックスピーカとして用いる場合、圧電振動子１１は、２０ｋＨｚ以上、例えば１００ｋＨｚの音波を信号の輸送波として用いる。発振装置１０において、圧電振動子１１および振動部材１２は、アレイ状に複数組設けられていてもよい。これにより、発振装置１０が出力する超音波３０および超音波３２の指向性を向上させることができる。

　図３は、図２に示す圧電振動子１１を示す断面図である。図３に示すように、圧電振動子１１は、圧電体１４、上部電極１５、下部電極１６からなる。また、圧電振動子１１は、例えば円形、楕円形または矩形を有する。圧電体１４は、上部電極１５と下部電極１６に挟まれている。圧電体１４は、圧電効果を有する材料により構成され、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）またはチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）等により構成される。また圧電体１４の厚みは、１０ｕｍ～１ｍｍであることが好ましい。厚みが１０ｕｍ未満であると、圧電体１４は脆性材料により構成される場合、破損等が生じやすい。一方、厚みが１ｍｍを超える場合、圧電体１４の電界強度が低減する。従ってエネルギー変換効率の低下を招く。

　上部電極１５、及び下部電極１６は、例えば銀または銀／パラジウム合金等によって構成される。上部電極１５および下部電極１６の厚みは、１～５０ｕｍであることが好ましい。厚みが１ｕｍ未満の場合、均一に成形することが難しくなる。一方、５０ｕｍを超える場合、上部電極１５または下部電極１６が圧電体１４に対して拘束面となり、エネルギー変換効率の低下を招く。

　振動部材１２は、セラミック材料に対して高い弾性率を持つ材料によって構成され、例えばリン青銅またはステンレス等によって構成される。振動部材１２の厚みは、５～５００ｕｍであることが好ましい。また、振動部材１２の縦弾性係数は、１～５００ＧＰａであることが好ましい。振動部材１２の縦弾性係数が過度に低いまたは高い場合、機械振動子としての特性や信頼性を損なうおそれがある。

　図１に示すように、導波路４０は、発振装置１０側を構成する内側領域４２と、開口端４６側を構成する外側領域４４により構成されている。導波路５０は、発振装置１０側を構成する内側領域５２と、開口端５６側を構成し、かつ外側領域４４とは互いに平行である外側領域５４により構成されている。

　導波路４０は、内側領域４２と外側領域４４との接合部分において直角に折れ曲がっている。導波路４０は、内側領域４２と外側領域４４とを合わせた全体において湾曲している形状としてもよい。導波路５０は、内側領域５２と外側領域５４との接合部分において直角に折れ曲がっている。導波路５０は、内側領域５２と外側領域５４とを合わせた全体において湾曲している形状としてもよい。

　導波路４０の長さと導波路５０の長さの差ｄは、
　（ｎ＋３／４）×λ＜ｄ＜（ｎ＋５／４）×λ　　（ｎは整数）
である。導波路４０の長さと導波路５０の長さとの差ｄは、例えば発振装置１０の位置を調整することにより調整できる。例えば、発振装置１０を、内側領域４２側または内側領域５２側へ移動させることにより調整ができる。図１に示すように、外側領域４４と外側領域５４の長さが等しい場合、内側領域４２の長さをｄ１、内側領域５２の長さをｄ２としたとき、｜ｄ１－ｄ２｜＝ｄとなる。

　音波フィルタ８０は、開口端５６を覆うように設けられている。超音波３２が音波フィルタ８０を通過すると、超音波３２の音圧が減衰する。音波フィルタ８０の厚さは、後述する再生領域の空間制御に合わせて適宜変更することができる。

　次に、パラメトリックスピーカの動作原理を説明する。パラメトリックスピーカの動作原理は、ＡＭ変調やＤＳＢ変調、ＳＳＢ変調、ＦＭ変調をかけた超音波を空気中に放射し、超音波が空気中に伝播する際の非線形特性により、可聴音が出現する原理で音響再生を行うというものである。ここでいう非線形とは、流れの慣性作用と粘性作用の比で示されるレイノルズ数が大きくなると、層流から乱流に推移することをいう。すなわち、音波は流体内で微少にじょう乱しているため、音波は非線形で伝播している。特に超音波を空気中に放射した場合に、非線形性に伴う高調波が顕著に発生する。また音波は、空気中の分子集団が濃淡に混在する疎密状態である。空気分子が圧縮よりも復元するのに時間が生じた場合、圧縮後に復元できない空気が、連続的に伝播する空気分子と衝突し、衝撃波が生じて可聴音が発生する。パラメトリックスピーカは、使用者の周囲にのみ音場を形成することができ、プライバシー保護という観点から優れる。

　次に、本実施形態に係る電気音響変換器１００によって、音響再生における再生領域の空間制御が可能となる原理について説明する。図４は、図１に示す電気音響変換器１００による音響再生の原理を示すグラフである。電気音響変換器１００は、発振装置１０の第１の振動面から導波路４０に向けて超音波３０を出力する。このため、導波路４０の開口端４６が向いている方向に位置する領域には音場が形成される。また、電気音響変換器１００は、発振装置１０の第２の振動面から導波路５０に向けて超音波３２を出力する。このため、導波路５０の開口端５６が向いている方向に位置する領域には音場が形成される。超音波３０および超音波３２は、高い指向性を有しながらも、多少の広がりを見せながら空間を進む。よって、同一の方向を向いた開口端４６と開口端５６からそれぞれ出力され、互いに平行に進行する超音波３０と超音波３２は、互いに干渉し合う。

　一方で、電気音響変換器１００において、波長λを有する超音波３０と超音波３２は、発振装置１０が有する第１の振動面と、第１の振動面とは逆の面により構成される第２の振動面からそれぞれ発せられる。このため、超音波３０と超音波３２は逆の位相を有している。すなわち、超音波３０と超音波３２の位相は、λ／２ずれている。ここで、導波路４０の長さと導波路５０の長さの差ｄは、
　（ｎ＋３／４）×λ＜ｄ＜（ｎ＋５／４）×λ　　（ｎは整数）
である。このため、超音波３０と超音波３２が衝突した場合、超音波３０と超音波３２は干渉して互いに消滅し、または弱め合う。

　ここで、図４に示すように、超音波は一定距離において急速に減衰する。また、超音波の音圧によって、超音波が減衰するまでの距離が長くなったり短くなったりする。すなわち、超音波の音圧が高いほど、より遠い距離において急速に減衰する。本実施形態において、超音波３２は、導波路５０に設けられた音波フィルタ８０を通過するため、電気音響変換器１００の外部に出力された段階において超音波３２の音圧は減衰している。従って、超音波３２は、図４に示すように超音波３０よりも電気音響変換器１００に近い位置において急速に減衰する。従って、超音波３２が減衰するまでの空間において、超音波３０と超音波３２は干渉して互いに消滅し、または弱め合うこととなる。このように、電気音響変換器１００から一定の距離までの空間における音圧を制御することが可能となる。また、超音波３２が減衰する位置より後方の空間には、超音波３０のみが進行する。よって、超音波３２が減衰する位置より後方の空間では、良好な音圧の音が再生されることとなる。

　なお、電気音響変換器１００から超音波３２が減衰する位置までの空間において、再生音圧を消滅させる場合、導波路４０の長さと導波路５０の長さの差ｄは、
　ｄ＝ｎλ　　（ｎは整数）
であることがより好ましい。

　また、導波路４０の長さと導波路５０の長さの差ｄは、他の数値範囲をとることもでき、例えば、
　（ｎ＋１／４）×λ＜ｄ＜（ｎ＋３／４）×λ　　（ｎは整数）
とすることもできる。この場合、超音波３０と超音波３２は、互いに強め合う。よって、電気音響変換器１００から超音波３２が減衰する位置までの空間において、再生音圧が増大することとなる。

　次に、本実施形態の効果を説明する。本実施形態に係る電気音響変換器１００によれば、同一の方向を向いた開口端４６と開口端５６から、互いに逆位相を有する超音波３０および超音波３２がそれぞれ出力される。また、導波路５０には、音波フィルタ８０が設けられている。よって、電気音響変換器１００から超音波３２が減衰する一定の距離までの空間における音圧を制御することが可能となる。また、超音波３２が減衰する位置より後方の空間では、良好な音圧の音が再生される。よって、音響再生において、使用者から見たときの前後方向における再生領域の空間制御が可能となる。

　図５は、第２の実施形態に係る電気音響変換器１０２を示す断面図であり、第１の実施形態に係る図１に対応している。本実施形態に係る電気音響変換器１０２は、音波フィルタ８０が、導波路５０の導波路の内壁に設けられている点を除いて、第１の実施形態に係る電気音響変換器１００と同様である。

　超音波３２は、図示していないが、内側領域５２の内壁や、外側領域５４の内壁に衝突しながら開口端５６から出力される。従って、音波フィルタ８０を導波路５０の内壁に設けても、超音波３２の音圧は減衰されることとなる。

　本実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

　以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

　この出願は、２０１０年１２月２８日に出願された日本出願特願２０１０－２９１８７１号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (9)

1. 　第１の振動面から第１の音波を出力し、前記第１の振動面とは逆の第２の振動面から前記第１の音波とは逆位相の第２の音波を出力する発振装置と、
   　前記第１の振動面に設けられ、第１の開口端を有する第１の導波路と、
   　前記第２の振動面に設けられ、前記第１の開口端と同一の方向を向いた第２の開口端を有する第２の導波路と、
   　前記第２の導波路に設けられた、前記第２の音波を減衰する音波フィルタと、
   　を備える電気音響変換器。
2. 　請求項１に記載の電気音響変換器において、
   　前記第１の導波路の長さと前記第２の導波路の長さとの差ｄは、
   　（ｎ＋３／４）×λ＜ｄ＜（ｎ＋５／４）×λ　　（ｎは整数）
   　である電気音響変換器。
3. 　請求項１または２に記載の電気音響変換器において、
   　前記第１の導波路の長さと前記第２の導波路の長さとの差ｄは、
   　ｄ＝ｎλ　　（ｎは整数）
   　である電気音響変換器。
4. 　請求項１ないし３いずれか１項に記載の電気音響変換器において、
   　前記第１の音波および前記第２の音波は、超音波である電気音響変換器。
5. 　請求項１ないし４いずれか１項に記載の電気音響変換器において、
   　前記発振装置と接続する信号生成部と、
   　前記信号生成部と接続し、前記信号生成部による信号の生成を制御する制御部と、
   　をさらに備える電気音響変換器。
6. 　請求項１ないし５いずれか１項に記載の電気音響変換器において、
   　前記音波フィルタは、前記第２の開口端を覆うように設けられている電気音響変換器。
7. 　請求項１ないし５いずれか１項に記載の電気音響変換器において、
   　前記音波フィルタは、前記第２の導波路の内壁に設けられている電気音響変換器。
8. 　請求項１ないし７いずれか１項に記載の電気音響変換器において、
   　前記第１の導波路は、前記発振装置側を構成する第１の内側領域と、前記第１の開口端側を構成する第１の外側領域により構成されており、
   　前記第２の導波路は、前記発振装置側を構成する第２の内側領域と、前記第２の開口端側を構成し、かつ前記第１の外側領域とは互いに平行である第２の外側領域により構成されている電気音響変換器。
9. 　請求項１ないし８いずれか１項に記載の電気音響変換器において、
   　前記発振装置を内部に有する筐体をさらに備え、
   　前記第１の開口端および前記第２の開口端は、前記筐体の表面に設けられている電気音響変換器。

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