(57)【要約】【課題】印加電圧を大きくして音圧を上げても、温度上昇を抑えることが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、１００以上の機械的品質係数Ｑｍを有する圧電材料を用いた圧電素子１１１および圧電素子１１１が一方の主面に接着された振動板１１２により形成される圧電振動子１１５と、振動板１１２の他方の主面に設けられ、振動板１１２の振動ににより超音波を発生させる共振子１１４と、を備える。これにより、印加電圧を大きくして音圧を上げても、温度上昇を抑えることができる。また、パラメトリックスピーカ用であるため、超音波の受信は不要であり、短時間で振動を収める必要は無く、大きいＱｍの圧電材料を用いることが可能になっている。【選択図】図１
2014064204.tif 000002
【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、
１００以上の機械的品質係数Ｑｍを有する圧電材料を用いた圧電素子および前記圧電素子が一方の主面に接着された振動板により形成される圧電振動子と、
前記振動板の他方の主面に設けられ、前記振動板の振動により超音波を発生させる共振子と、を備えることを特徴とする超音波発音体。
【請求項２】
前記圧電素子に用いられる圧電材料は、６００以上の機械的品質係数Ｑｍを有す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】
２０℃の温度上昇があっても発生させる超音波の音圧を１２２．５ｄＢ以上に維持できることを特徴とする請求項１または請求項２記載の超音波発音体。
【請求項４】
配線パターンが設けられた平板状の基板と、
前記基板上に設けられた支持部材と、
前記支持部材により支持された請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波発音体と、を備え、
前記超音波発音体が複数設けられ、前記超音波発音体を連続駆動することで、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とを特徴とするパラメトリックスピーカ。
【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を用い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。圧電素子に圧電振動子固有の共振周波数付近の交流電圧を印加すると圧電振動子が振動し、超音波を発する。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、その超音波に前方への指向性を持たせることができる。超音波発音体の固定は、圧電振動子の屈曲振動において動かない節部をシリコン接着剤などで接着し、極力振動を妨げないようにしている。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】
一方、機械的品質係数Ｑｍが高く、超音波振動子等の使用に適する特性を有する圧電セラミックス材料が開示されている（例えば特許文献３参照）。特許文献３記載の圧電材料は、Ｂｉ，Ｎａ，Ｔｉ，Ｂａ，Ｍｎ，ＮｂおよびＯを含み、一般式：（１−ｘ−ｙ）（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）ＴｉＯ３−ｘＢａＴｉＯ３−ｙＢａ（Ｍｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３で表される圧電セラミックス材料である。
【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２００７‐１３７７０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のような超音波発音体や超音波センサでは、駆動周波数を圧電振動子が最も振動する共振周波数に設定することで高音圧が得られる。しかし、共振周波数で駆動する際は音圧が得られる反面、圧電振動子の発熱が大きい。また、圧電振動子は温度が上がると図８に示すように共振周波数が低くなり、設定した駆動周波数から共振周波数が離れてしまうため、音圧は低下する。
【０００８】
超音波センサは間欠駆動により送信、受信を交互に行うため、圧電振動子の温度上昇は小さい。一方、超音波発音体はパラメトリックスピーカを構成し、連続駆動するため、圧電振動子の温度上昇が大きくなってしまい、上記のような事情によって音圧が低下してしまう。よって、連続駆動するパラメトリックスピーカ用の超音波発音体には、温度上昇が小さく音圧低下を防止でき、高い音圧の超音波を放射できる超音波発音体が望まれている。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、印加電圧を大きくして音圧を上げても、温度上昇を抑えることが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】
【００１０】
（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、１００以上の機械的品質係数Ｑｍを有する圧電材料を用いた圧電素子および前記圧電素子が一方の主面に接着された振動板により形成される圧電振動子と、前記振動板の他方の主面に設けられ、前記振動板の振動により超音波を発生させる共振子と、を備えることを特徴としている。
【００１１】
このように、本発明の超音波発音体は、１００以上の機械的品質係数Ｑｍを有する圧電材料を用いているため、印加電圧を大きくして音圧を上げても、温度上昇を抑えることができる。また、本発明の超音波発音体は、パラメトリックスピーカ用であるため、超音波の受信は不要であり、短時間で振動を収める必要は無く、大きいＱｍの圧電材料を用いることが可能になっている。
【００１２】
（２）また、本発明の超音波発音体は、前記圧電素子に用いられる圧電材料が、６００以上の機械的品質係数Ｑｍを有することを特徴としている。これにより、印加電圧を大きくして音圧を上げても、温度上昇を抑えることができる。
【００１３】
（３）また、本発明の超音波発音体は、２０℃の温度上昇があっても発生させる超音波の音圧を１２２．５ｄＢ以上に維持できることを特徴としている。これにより、温度上昇の許容範囲が２０℃の際に十分に大きい音圧を維持することができる。
【００１４】
（４）また、本発明のパラメトリックスピーカは、配線パターンが設けられた平板状の基板と、前記基板上に設けられた支持部材と、前記支持部材により支持された上記の超音波発音体と、を備え、前記超音波発音体が複数設けられ、前記超音波発音体を連続駆動することで、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とを特徴としている。
【００１５】
このように、大きいＱｍを有する圧電材料を用いた超音波発音体でパラメトリックスピーカを構成することで、超音波発音体の個々の音圧を大きくすることができ、少ない数で十分な音圧を得ることができる。その結果、パラメトリックスピーカを小型化することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、印加電圧を大きくして音圧を上げても、超音波発音体の温度上昇を小さく抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【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】音圧に対する温度上昇の関係で実験結果を示すグラフである。
【図６】機械的品質係数Ｑｍに対する温度上昇で実験結果を示すグラフである。
【図７】機械的品質係数Ｑｍに対する音圧の関係で実験結果を示すグラフである。
【図８】圧電振動子の各温度における共振周波数とインピーダンスとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【００１９】
（パラメトリックスピーカの構成）
図１は、それぞれ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、強力な音圧で変調された超音波を発生させ、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。
【００２０】
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。
【００２１】
大きいＱｍを有する圧電材料を用いた超音波発音体１１０がパラメトリックスピーカ１００を構成することで、超音波発音体１１０の個々の音圧を大きくすることができ、少ない数で十分な音圧を得ることができる。その結果、パラメトリックスピーカ１００を小型化することができる。
【００２２】
（超音波発音体の構成）
図２は、超音波発音体１１０の構成を示す側面図である。超音波発音体１１０は、パラメトリックスピーカ１００に用いられ、超音波を発生させる。超音波発音体１１０が、パラメトリックスピーカ用であることから、超音波の受信は不要であり、短時間で振動を収める必要は無く、大きいＱｍの圧電材料を用いることが可能になっている。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。
【００２３】
圧電素子１１１は、１００以上の機械的品質係数Ｑｍを有する圧電材料を用いて、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。このように、１００以上の機械的品質係数Ｑｍを有する圧電材料を用いているため、印加電圧を大きくして音圧を上げても、温度上昇を抑えることができる。
【００２４】
圧電素子１１１に用いられる圧電材料は、６００以上の機械的品質係数Ｑｍを有することが好ましい。これにより、１２２．５ｄＢの音圧の超音波を発生させても温度上昇が２０℃以下となり、印加電圧を大きくして音圧を上げても、温度上昇を抑えることができる。また、圧電素子１１１に用いられる圧電材料が１０００以上の機械的品質係数Ｑｍを有することがさらに好ましい。これにより、１２３ｄＢの音圧の超音波を発生させても温度上昇が２０℃以下となる。
【００２５】
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、振動面を介し、超音波を発生させることができる。
【００２６】
共振子１１４は、円錐筒形状に形成されており、例えば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。なお、円錐筒形状には、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。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、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円板状に形成されている。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。
【００２７】
なお、超音波発音体１１０であっても、超音波センサと同様に機械的品質係数Ｑｍが大きい材料を選択した場合に、超音波のパルス波形の尾引きが増大する。超音波センサでは、超音波が障害物等に反射して戻ってきたときに、振動子の振動が収まっていないと超音波が戻ってきたタイミングを判断できず、センサの機能を果たせないため、上記のパルス波形の尾引きが問題となっている。そして、超音波センサでは、小さいＱｍの材料を用いることで振動を短時間で小さくしている。
【００２８】
これに対し、パラメトリックスピーカ用の超音波発音体では、超音波の送信に特化しており、上記のような問題は生じない。超音波発音体１１０は、超音波センサのように超音波の受信を行わないため、振動を早く収める必要はなく、むしろ大きいＱｍの材料を用いて振動させる方が好ましい。
【００２９】
（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。このとき、圧電材料の機械的品質係数Ｑｍが高いと電気エネルギーが熱として消費され難くなり、音圧を上げても温度上昇を小さく抑えることができる。
【００３０】
（超音波発音体の作製方法）
超音波発音体１１０の作製方法を説明する。まず、１００以上（より好ましくは６００以上）のＱｍを有する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１００を作製することができる。
【００３１】
（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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
（実施例）
異なるＱｍの圧電材料を用いた圧電素子で超音波発音体を作製し、印加電圧を調整することで音圧を変え、それぞれについて連続駆動して温度上昇を測定した。図５〜図７は、それぞれ異なる観点で実験結果を示すグラフである。
【００３５】
図５は、音圧に対する温度上昇で実験結果を示すグラフである。図５は、飽和した際の音圧に対する温度上昇を示しており、音圧が高く、温度上昇が低いものほど良特性であることを示している。Ｑｍ５００の圧電材料を用いた超音波発音体（Ｑｍ５００試料）は、Ｑｍ１３５０の圧電材料を用いた超音波発音体（Ｑｍ１３５０試料）寄りの特性となり、Ｑｍが高い試料ほど良特性になることが分かる。
【００３６】
図６は、機械的品質係数Ｑｍに対する温度上昇で実験結果を示すグラフである。図６は、各温度上昇時のＱｍに対する音圧を示している。図６によれば、例えば音圧１１７ｄＢ出す場合において、Ｑｍ６０の圧電材料を用いた超音波発音体（Ｑｍ６０試料）の温度上昇は１０．９℃、Ｑｍ５００試料の温度上昇は６．０℃、Ｑｍ１３５０試料の温度上昇は５．０℃である。したがって、Ｑｍが大きい試料ほど、温度上昇を小さく抑えられていることが分かる。
【００３７】
図７は、機械的品質係数Ｑｍに対する音圧で実験結果を示すグラフである。図７によれば、温度上昇１０℃となるのは、Ｑｍ６０試料では１１６．３ｄＢ、Ｑｍ５００試料では１１９．１ｄＢ、Ｑｍ１３５０試料では１２０．０ｄＢである。このように、同じ温度上昇の条件では、機械的品質係数Ｑｍが大きいほど、高音圧が得られている。
【００３８】
上記の結果から実用時を想定すると、温度上昇の許容範囲に対して出せる最大音圧に差が生じる。例えば、温度上昇の許容が＋２０℃までである場合、最大音圧はＱｍ５０試料で１２０．５ｄＢ、Ｑｍ５００試料で１２２．３ｄＢ、Ｑｍ１３５０試料で１２３．７ｄＢである。なお、３ｄＢ高いと、１つの超音波発音体が１．４個分に相当する超音波を発することができる。したがって、材料のＱｍが大きいほど一定の温度上昇の許容範囲に対して大きい音圧が得られる。そして、その分、超音波発音体の数を少なくでき、パラメトリックスピーカを小型化できる。
【符号の説明】
【００３９】
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
１１５  圧電振動子
１２０  基板
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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