説明

超音波発音体およびパラメトリックスピーカ

【課題】パラメトリックスピーカ全体の音圧を高め、少ない数の超音波発音体で効率よく高い音圧で発音できる超音波発音体およびパラメトリックスピーカを提供する。
【解決手段】超音波を発生させるパラメトリックスピーカ用の超音波発音体110であって、厚み方向への電圧の印加により伸縮する板状の圧電素子111と、圧電素子111が一方の主面に接着された振動板112と、振動板112の他方の主面に設けられ、振動板112の振動に共振して超音波を発生させる円錐筒状の共振子114と、を備え、共振子114は、底部に充填された凝固体114aにより共振周波数を調整されている。これにより、超音波発音体110の共振周波数のばらつきを低減でき、パラメトリックスピーカ全体の音圧を高めることができる。そして、少ない数の超音波発音体110で効率よく高い音圧で発音できる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、超音波を発生させる超音波発音体およびこれが複数設けられたパラメトリックスピーカに関する。
【背景技術】
【0002】
超音波発音体は、振動板と圧電素子を貼り合わせた圧電振動子を構成に含む。圧電振動子に圧電振動子固有の共振周波数の交流電圧を印加すると圧電振動子が振動し、超音波発音体は共振周波数と同じ周波数の音を発する。その共振周波数は20kHzを超えた超音波帯域に含まれる。
【0003】
さらに圧電振動子に円錐筒状の共振子を取り付けることで、発生する超音波の音圧を増大させ、その超音波に前方60〜70度の指向性を持たせることができる。なお、超音波発音体は超音波センサと同様な構造を有するが、超音波センサは超音波の送信、受信を行ない、超音波発音体は超音波センサの送信のみを行なう点で両者は相違している。
【0004】
パラメトリックスピーカは、このような超音波発音体を複数個並べて構成されている(例えば特許文献1、2参照)。パラメトリックスピーカの各々の超音波発音体が発した超音波は、空気中で重なり合い、ある音圧以上に達すると可聴音へ復調される。また、超音波が重なり合った中心部の位置のみで可聴音が生じるため、パラメトリックスピーカは、鋭い指向性を持ったスピーカとして機能する。
【0005】
なお、超音波センサには、共振周波数の調整を行なっているものが知られている。例えば、特許文献3記載の超音波センサは共振子の側面と振動板との角度を調整することで共振周波数を調整している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開昭60−167597号公報
【特許文献2】特開昭62−296698号公報
【特許文献3】特開平7−72006号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
パラメトリックスピーカに用いられる複数個の超音波発音体は、各々の圧電振動子の振動を合わせるために共通の駆動周波数で駆動される。超音波発音体は、図5に示すように駆動周波数と共振周波数が近いと音圧は高くなり、駆動周波数と共振周波数が離れていると音圧は低くなる。
【0008】
パラメトリックスピーカとして複数個の超音波発音体を用いる場合、各々の超音波発音体の共振周波数にばらつきがあると、駆動周波数と大きく異なる共振周波数を有する超音波発音体では、音圧が低くなる。そして、音圧の低い超音波発音体の存在によりパラメトリックスピーカ全体の音圧も低くなる。
【0009】
これに対し、いくつかの超音波発音体の音圧が低くなることを想定し、予め超音波発音体の数を増やしてもよいが、その場合、パラメトリックスピーカが大きくなりすぎる。一方、超音波発音体の共振周波数のばらつきを小さくすれば、音圧の低い超音波発音体を無くし、用いる超音波発音体を少なくすることができる。そこで、特許文献3記載の超音波センサの周波数調整方法を適用することも考えられるが、個々の超音波センサの指向性がばらつくため、パラメトリックスピーカのように複数個並べて用いる場合には、この方法は不向きである。
【0010】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、パラメトリックスピーカ全体の音圧を高め、少ない数の超音波発音体で効率よく高い音圧で発音できる超音波発音体およびパラメトリックスピーカを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
(1)上記の目的を達成するため、本発明の超音波発音体は、超音波を発生させるパラメトリックスピーカ用の超音波発音体であって、厚み方向への電圧の印加により伸縮する板状の圧電素子と、前記圧電素子が一方の主面に接着された振動板と、前記振動板の他方の主面に設けられ、振動板の振動に共振して超音波を発生させる円錐筒状の共振子と、を備え、前記共振子は、底部に充填された凝固体により共振周波数を調整されていることを特徴としている。
【0012】
このように、共振子の共振周波数を調整することでパラメトリックスピーカを構成する超音波発音体の共振周波数のばらつきを低減できる。その結果、パラメトリックスピーカ全体の音圧を高めることができる。そして、少ない数の超音波発音体で効率よく高い音圧で発音できる。
【0013】
(2)また、本発明の超音波発音体は、前記共振子の底部に充填された凝固体が、シリコン樹脂であることを特徴としている。これにより、共振子ごとに容易にかつ低コストで共振周波数の調整を行なうことができる。
【0014】
(3)また、本発明のパラメトリックスピーカは、上記の超音波発音体が複数設けられ、それらの共振周波数の標準偏差が50Hz以下であることを特徴としている。これにより、超音波発音体の共振周波数のばらつきを低減し、パラメトリックスピーカ全体の音圧を十分に高めることができる。
【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、パラメトリックスピーカ全体の音圧を高め、少ない数の超音波発音体で効率よく高い音圧で発音できる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】本発明のパラメトリックスピーカを示す正面図である。
【図2】本発明の超音波発音体の構成を示す側断面図である。
【図3】(a)、(b)いずれも本発明の超音波発音体の動作の一場面を模式的に示す側面図である。
【図4】パラメトリックスピーカの電気的構成を示すブロック図である。
【図5】駆動周波数と共振周波数との差に対する音圧の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0017】
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【0018】
(パラメトリックスピーカの構成)
図1は、パラメトリックスピーカ100を示す正面図である。パラメトリックスピーカ100は、変調された強力な音圧の超音波を発生し、空気中を超音波が伝播する際の非線形特性により、可聴音を出現させる。このようにして方向や距離を特定し指向性を与えて音響情報を伝えることを可能にする。図1に示すように、パラメトリックスピーカ100は、複数の超音波発音体110が基板120上に設けられて構成されている。超音波発音体110は、変調信号に基づいて超音波を発生させる。基板120は、超音波発音体110を固定し支持している。なお、図1では、外観構成を示し、電気的構成は省略している。
【0019】
(超音波発音体の構成)
図2は、超音波発音体110の構成を示す側断面図である。超音波発音体110は、パラメトリックスピーカに用いられ、超音波を発生させる。超音波発音体110は、電圧の印加により変調超音波信号を発生させる。超音波発音体110は、圧電素子111、振動板112、リード線113a、113b、共振子114により構成されている。
【0020】
圧電素子111は、板状に形成され、厚み方向への電圧の印加により伸縮する。圧電素子111は、振動板112の一方の主面に接着されて設置されている。圧電素子111は、振動板112の他方の主面が振動面となっており、圧電素子111は、振動面を介し、超音波を発生させることができる。
【0021】
共振子114は、円錐筒状に形成されており、アルミニウムまたはアルミニウム合金で構成されていることが好ましい。なお、円錐筒状には、パラボラ状または漏斗状が含まれる。共振子114は、振動板112の他方の主面に設けられ、振動板112の振動に共振して超音波を発生させる。共振子114は、底部に充填された凝固体114aにより共振周波数を調整されている。このように、共振子の共振周波数を調整することで超音波発音体の共振周波数のばらつきを低減できる。その結果、パラメトリックスピーカ全体の音圧を高めることができる。そして、少ない数の超音波発音体で効率よく高い音圧で発音できる。
【0022】
凝固体114aは、シリコン樹脂であることが好ましい。これにより、共振子ごとに容易にかつ低コストで共振周波数の調整を行なうことができる。このように、共振周波数が調整された超音波発音体110をパラメトリックスピーカ100に用いることができる。その場合、共振周波数の標準偏差を50Hz以下とすることが好ましい。これにより、パラメトリックスピーカ全体の音圧を十分に高めることができる。
【0023】
圧電素子111の両主面には、それぞれ電極が形成されており、本体部分の圧電体は厚み方向に分極されている。振動板112は、圧電素子111が一方の主面に接着されている。振動板112は、円板状に形成されている。振動板112は、たとえば、真鍮、SUS304、42アロイまたはアルミニウム等の金属により形成できる。圧電素子111および振動板112は、圧電振動子115を形成している。圧電振動子115は、あらかじめ一定の共振周波数となるように設計されている。
【0024】
(超音波発音体の動作)
図3(a)、(b)は、いずれも本発明の超音波発音体110の動作の一場面を模式的に示す側面図である。図3(a)、(b)に示すように、超音波発音体110は、厚み方向に分極された圧電素子111の両主面の電極に交流電圧を印加することで屈曲振動する。その際には、圧電振動子115の共振周波数を駆動周波数として電圧を印加する。
【0025】
(超音波発音体の作製)
超音波発音体110の作製方法を説明する。まず、圧電振動子115について圧電素子111および振動板112の材料を決定し、それぞれの外形形状も設計しておく。
【0026】
圧電材料により板状の圧電体を形成し、電極を設けて分極することで、圧電素子111を形成する。圧電素子111を振動板112の一方の主面に接着する。そして、リード線113a、113bを所定箇所の電極または振動板112に接続する。振動板112の他方の主面に共振子114を接着する。このようにして、超音波発音体110を作製することができる。
【0027】
次に、作製された超音波発音体110の共振周波数を測定する。そして、超音波発音体110の最低値となる共振周波数を目標値として、シリコン樹脂を共振子114の底部に注入し、凝固させ、各超音波発音体の共振周波数を調整する。共振子114にシリコン樹脂を入れると量に応じて共振周波数が低くなるため、共振周波数が最低値より高いすべてのものを対象としてシリコン樹脂を注入する調整が可能である。一方、シリコン樹脂の量に対する共振周波数の変化は予め把握できるため、調整前と合わせる目標周波数の差からシリコン樹脂の量を決め、ディスペンサにて定量になるよう注入することができる。このようにして、複数の超音波発音体110の共振周波数をそれらのうちの最低値に合わせるよう調整する。
【0028】
(パラメトリックスピーカの電気的構成)
図4は、パラメトリックスピーカ100の電気的構成を示すブロック図である。図4に示すように、パラメトリックスピーカ100は、発振器101、変調器102、増幅器105および超音波発音体110を備え、これらを介して超音波を発生させる。発振器101は、超音波帯域の所定の周波数で信号を発振する。発振される周波数は、発振信号が超音波発音体110に伝達されたとき圧電素子111を駆動する駆動周波数であり、パラメトリックスピーカ100の用途に応じてあらかじめ決定されている。
【0029】
変調器102は、音声信号で発振信号をAM変調する。変調は、AM変調に代えて、DSB変調、SSB変調、FM変調であってもよい。増幅器105は、変調された発振信号を増幅し、超音波発音体110に出力する。超音波発音体110は、増幅された発振信号を音波に変換する。
【0030】
上記のように構成されたパラメトリックスピーカ100は、超音波帯域の周波数の信号を発振し、発振信号を所望の音声信号で変調し、変調信号を増幅して、超音波発音体110で音波に変換して放射する。このようにして、指向性の鋭い超音波を放射することができる。たとえば狭い範囲にいる人に選択的に案内を流すことができるため、美術館や水族館、博物館、アミューズメント施設などに利用できる。今後、交通案内などでも利用可能である。
【0031】
(実施例)
上記の作製方法に沿って、まず、シリコン樹脂を充填せず各圧電振動子の共振周波数を調整していない超音波発音体をパラメトリックスピーカ用に50個作製した。そして、これらの共振周波数を測定し、その標準偏差を計算したところ、301Hzだった。
【0032】
次に、各超音波発音体の平均値となる共振周波数を目標値として、シリコン樹脂を共振子の底部に注入し、凝固させ、各超音波発音体の共振周波数を調整した。そして、これらの共振周波数を測定し、その標準偏差を計算したところ、42Hzだった。
【0033】
表1は、共振周波数を調整する前と共振周波数を調整した後のそれぞれの共振周波数の標準偏差を示している。表1に示すように、シリコン樹脂を用いた調整によって共振周波数の標準偏差が小さくなり、ばらつきを抑えることができた。したがって、調整後の超音波発音体を用いてパラメトリックスピーカを作製すれば、音圧を向上できることを実証できた。
【表1】

【符号の説明】
【0034】
100 パラメトリックスピーカ
101 発振器
102 変調器
105 増幅器
110 超音波発音体
111 圧電素子
112 振動板
113a、113b リード線
114 共振子
114a 凝固体
115 圧電振動子
120 基板

【特許請求の範囲】
【請求項1】
超音波を発生させるパラメトリックスピーカ用の超音波発音体であって、
厚み方向への電圧の印加により伸縮する板状の圧電素子と、
前記圧電素子が一方の主面に接着された振動板と、
前記振動板の他方の主面に設けられ、振動板の振動に共振して超音波を発生させる円錐筒状の共振子と、を備え、
前記共振子は、底部に充填された凝固体により共振周波数を調整されていることを特徴とする超音波発音体。
【請求項2】
前記共振子の底部に充填された凝固体は、シリコン樹脂であることを特徴とする請求項1記載の超音波発音体。
【請求項3】
請求項1または請求項2記載の超音波発音体が複数設けられ、それらの共振周波数の標準偏差が50Hz以下であることを特徴とするパラメトリックスピーカ。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公開番号】特開2013−77992(P2013−77992A)
【公開日】平成25年4月25日(2013.4.25)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−216821(P2011−216821)
【出願日】平成23年9月30日(2011.9.30)
【出願人】(000000240)太平洋セメント株式会社 (1,449)
【出願人】(391005824)株式会社日本セラテック (200)
【Fターム(参考)】