(57)【要約】【課題】  レンズ形状を長時間維持でき、かつ充填気体の抜けの軽減を図った音響レンズ及びこれを用いた超音波スピーカを提供する。【解決手段】  ゴム膜１０により隔てられた異種気体間での境界面において音波の進行方向を変える音響レンズ１であって、ゴム膜１０を支持構造体１１により支持することにより所望の音波のレンズ機能を発揮させるための形状を維持するように構成される。【選択図】    図２
2006013903.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜により隔てられた異種気体間での境界面において音波の進行方向を変える音響レンズであって、
膜を支持構造体により支持することにより所望の音波のレンズ機能を発揮させるための形状を維持するように構成したことを特徴とする音響レンズ。
【請求項２】
前記音響レンズの形状は、レンズ効果が得られる形状であることを特徴とする請求項１に記載の音響レンズ。
【請求項３】
前記支持構造体は多面体のフレーム構造であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の音響レンズ。
【請求項４】
前記膜は、前記支持構造体と接着されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の音響レンズ。
【請求項５】
前記膜は、ゴム膜であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の音響レンズ。
【請求項６】
可聴周波数帯の信号波を生成する信号源と、キャリア波を生成し、出力するキャリア波供給手段と、前記キャリア波を前記信号波で変調する変調手段と、前記変調手段から出力される変調信号により駆動され該変調信号を有限振幅レベルの音波に変換して媒質中に放射する超音波トランスデューサとを有する超音波スピーカであって、
請求項１乃至５のいずれかに記載の音響レンズを有することを特徴とする超音波スピーカ。
【請求項７】
可聴周波数帯の信号波を生成する信号源と、キャリア波を生成し、出力するキャリア波供給手段と、前記キャリア波を前記信号波で変調する変調手段と、前記変調手段から出力される変調信号により駆動され該変調信号を有限振幅レベルの音波に変換して媒質中に放射する超音波トランスデューサとを有する超音波スピーカであって、
前記超音波トランスデューサの音波放射面前面に連通し、音波放射方向に延設された筒体を有し、かつ該筒体には、前記筒体の出口部に外界との境界を形成する第１の膜と、該第１の膜と所定の間隔で前記第１の膜と前記音波放射面との間に配設される第２の膜とが設けられているとともに、前記第１の膜と第２の膜で形成された室内に外界気体と比重の異なる気体を充填する気体封入手段を有することを特徴とする超音波スピーカ。
【請求項８】
前記第１の膜を支持構造体に取り付けるように設け、前記気体封入手段により前記室内に前記気体を充填することにより前記第２の膜を所望の曲率に設定することを特徴とする請求項７に記載の超音波スピーカ。
【請求項９】
前記第１の膜の張力を第２の膜の張力に比して大きくなるように前記筒体に取り付け固定し、前記気体封入手段により前記室内に前記気体を充填することにより前記第２の膜を所望の曲率に設定することを特徴とする請求項７に記載の超音波スピーカ。
【請求項１０】
前記第２の膜を支持構造体に取り付けるように設け、前記気体封入手段により前記室内に前記気体を充填することにより前記第１の膜を所望の曲率に設定することを特徴とする請求項７に記載の超音波スピーカ。
【請求項１１】
前記第２の膜の張力を第１の膜の張力に比して大きくなるように前記筒体に取り付け固定し、前記気体封入手段により前記室内に前記気体を充填することにより前記第１の膜を所望の曲率に設定することを特徴とする請求項７に記載の超音波スピーカ。
【請求項１２】
前記気体は、外界の気体より比重が重いことを特徴とする請求項７乃至１１のいずれかに記載の超音波スピーカ。
【請求項１３】
可聴周波数帯の信号波を生成する信号源と、キャリア波を生成し、出力するキャリア波供給手段と、前記キャリア波を前記信号波で変調する変調手段と、前記変調手段から出力される変調信号により駆動され該変調信号を有限振幅レベルの音波に変換して媒質中に放射する超音波トランスデューサとを有する超音波スピーカであって、
超音波トランスデューサの音波放射面前面に連通し、音波放射方向に延設された筒体を有し、かつ該筒体には、該筒体の出口部に外界との境界を形成する第１の膜と、該第１の膜と所定の間隔で前記第１の膜と前記音波放射面との間に配設される第２の膜と、該第２の膜と前記音波放射面との間に配設され気体を封入する隔壁とが設けられているとともに、
前記第１の膜と第２の膜で形成された第１の室内と、前記第２の膜と前記隔壁により形成された第２の室内に異なる比重の気体を充填する気体封入手段を有することを特徴とする超音波スピーカ。
【請求項１４】
前記第１の膜を支持構造体に取り付けるように設け、前記気体封入手段により前記第１の室内と第２の室内の差圧を調整することにより前記第２の膜を所望の曲率に設定することを特徴とする請求項１３に記載の超音波スピーカ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体中の音波の進行方向を変える音響レンズに係り、特に超音波を集束および発散させるのに好適な音響レンズ及びこれを用いた超音波スピーカに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から（空中）音波の進行方向を変える音響レンズとしては、音響インピーダンスの高い物質による反射を利用し、反射材の構造に特徴を持たせて音波の集束を実現するというものがある（例えば、特許文献１参照）。
また、ゴム風船を用いた音響レンズとして、風船内部に空気よりも重い気体（二酸化炭素など）や軽い気体（ヘリウムなど）を充填し、風船境界での音波の屈折を利用したものがある。
【特許文献１】特開２００２−４４７７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
後者のゴム風船を用いた音響レンズでは、形状を構成する為に充填気体の圧力を高める必要がある。しかしながら、圧力が高いほどゴム膜を内部気体が透過しやすくなり（つまり抜けやすい）、長期間形状を維持することは難しい。
【０００４】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、レンズ形状を長時間維持でき、かつ充填気体の抜けの軽減を図った音響レンズ及びこれを用いた超音波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】
【０００５】
上記目的を達成するために本発明の音響レンズは、膜により隔てられた異種気体間での境界面において音波の進行方向を変える音響レンズであって、膜を支持構造体により支持することにより所望の音波のレンズ機能を発揮させるための形状を維持するように構成したことを特徴とする。
上記構成からなる本発明の音響レンズでは、所望の音波のレンズ機能を発揮させるための、気体が充填された膜の形状が支持構造体により支持される。
したがって、充填気体の圧力により膜形状を維持していた従来の音響レンズに比して、充填気体の抜けを軽減することができる。
【０００６】
また、本発明の音響レンズは、前記音響レンズの形状が、レンズ効果が得られる形状であることを特徴とする。
上記構成からなる本発明の音響レンズでは、例えば、球形、半球形、あるいは放物面、凸面、凹面が一部に形成されるような形状等のレンズ効果が得られる形状が、音響レンズの形状として選択される。
したがって、本発明の音響レンズを使用することにより、音源から放射される音波を用途に応じて所望の方向に収束または発散させることができる。
【０００７】
また、本発明の音響レンズは、前記支持構造体は多面体のフレーム構造であることを特徴とする。
上記構成からなる本発明の音響レンズは、多面体のフレーム構造により実現される。したがって、フレームの影響を考えながら音響レンズの形状として、自由な形状を選択することができる。
【０００８】
また、本発明の音響レンズは、前記膜は、前記支持構造体と接着されていることを特徴とする。
上記構成からなる本発明の音響レンズでは、音響レンズの形状をなす膜は支持構造体と接着される。したがって、膜の張力が維持され、膜の長寿命化が図れる。
【０００９】
また、本発明の音響レンズは、前記膜は、ゴム膜であることを特徴とする。
上記構成からなる本発明の音響レンズでは、音響レンズの形状は、ゴム膜により形成される。したがって、音響レンズの形状を所望のレンズ効果が得られるように自由に形成することができる。
【００１０】
また、本発明の超音波スピーカは、可聴周波数帯の信号波を生成する信号源と、キャリア波を生成し、出力するキャリア波供給手段と、前記キャリア波を前記信号波で変調する変調手段と、前記変調手段から出力される変調信号により駆動され該変調信号を有限振幅レベルの音波に変換して媒質中に放射する超音波トランスデューサとを有する超音波スピーカであって、上記いずれかの本発明に係る音響レンズを有することを特徴とする。
【００１１】
上記構成からなる本発明の超音波スピーカでは、キャリア波供給手段により生成されるキャリア波が信号源により生成される可聴周波数帯の信号波により変調手段により変調される。この変調手段から出力される変調信号により超音波トランスデューサは駆動され、超音波トランスデューサは、上記変調信号を有限振幅レベルの音波に変換して媒質中に放射する。このとき、超音波トランスデューサに音波放射面近傍に対向して設けられた上記いずれかの音響レンズにより、上記超音波トランスデューサにより放射された音波（音響信号）は収束または発散される。
したがって、本発明の超音波スピーカでは、出力される音響信号を所望の方向に収束または発散される。これにより、複数の超音波スピーカを搭載した超音波スピーカシステムに適用する際には、所望の音響効果を得ることができる。
【００１２】
また、本発明の超音波スピーカは、可聴周波数帯の信号波を生成する信号源と、キャリア波を生成し、出力するキャリア波供給手段と、前記キャリア波を前記信号波で変調する変調手段と、前記変調手段から出力される変調信号により駆動され該変調信号を有限振幅レベルの音波に変換して媒質中に放射する超音波トランスデューサとを有する超音波スピーカであって、前記超音波トランスデューサの音波放射面前面に連通し、音波放射方向に延設された筒体を有し、かつ該筒体には、前記筒体の出口部に外界との境界を形成する第１の膜と、該第１の膜と所定の間隔で前記第１の膜と前記音波放射面との間に配設される第２の膜とが設けられているとともに、前記第１の膜と第２の膜で形成された室内に外界気体と比重の異なる気体を充填する気体封入手段を有することを特徴とする。
【００１３】
上記構成からなる本発明の超音波スピーカは、超音波トランスデューサの音波放射面前面に連通し、音波放射方向に延設された筒体を有している。この筒体には、該筒体の出口部に外界との境界を形成する第１の膜と、該第１の膜と所定の間隔で前記第１の膜と前記音波放射面との間に配設される第２の膜とが設けられているとともに、前記第１の膜と第２の膜で形成された室内に外界気体と比重の異なる気体を充填する気体封入手段が取り付けられている。
したがって、前記気体封入手段により外界と比重の異なる気体を充填することにより前記気体封入手段の充填圧力で前記第１、第２の膜のいずれか一方または双方で、形成される曲面の曲率を変化させることができ、その曲率を調整することにより、例えば、凹レンズ、凸レンズ等の、所望のレンズ機能を有する音響レンズを備えた超音波スピーカを実現することができる。
【００１４】
また、本発明の超音波スピーカは、前記第１の膜を支持構造体に取り付けるように設け、前記気体封入手段により前記室内に前記気体を充填することにより前記第２の膜を所望の曲率に設定することを特徴とする。
上記構成からなる本発明の超音波スピーカでは、前記第１の膜が支持構造体に取り付けられ、前記気体封入手段により前記第１の膜と第２の膜で形成された前記室内に前記気体を充填することにより前記第２の膜が所望の曲率に設定される。
したがって、第１の膜の形状を変化させずに、第２の膜で形成される曲面の曲率のみを調整することにより所望のレンズ機能を有する音響レンズを備えた超音波スピーカを実現することができる。
【００１５】
また、本発明の超音波スピーカは、前記第１の膜の張力を第２の膜の張力に比して大きくなるように前記筒体に取り付け固定し、前記気体封入手段により前記室内に前記気体を充填することにより前記第２の膜を所望の曲率に設定することを特徴とする。
上記構成からなる本発明の超音波スピーカでは、前記第１の膜の張力が第２の膜の張力に比して大きくなるように前記筒体に取り付け固定され、前記気体封入手段により前記室内に前記気体を充填することにより前記第２の膜が所望の曲率に設定される。
したがって、支持構造体を設けることなく、第１の膜の形状を変化させずに第２の膜により形成される曲面のみを所望の曲率に設定し、所望のレンズ機能を有する音響レンズを備えた超音波スピーカを実現することができる。
【００１６】
また、本発明の超音波スピーカは、前記第２の膜を支持構造体に取り付けるように設け、前記気体封入手段により前記室内に前記気体を充填することにより前記第１の膜を所望の曲率に設定することを特徴とする。
上記構成からなる本発明の超音波スピーカでは、前記第２の膜が支持構造体に取り付けられ、前記気体封入手段により前記第１の膜と第２の膜で形成された前記室内に前記気体を充填することにより前記第１の膜が所望の曲率に設定される。
したがって、第２の膜の形状を変化させずに、第１の膜で形成される曲面の曲率のみを調整することにより所望のレンズ機能を有する音響レンズを備えた超音波スピーカを実現することができる。
【００１７】
また、本発明の超音波スピーカは、前記第２の膜の張力を第１の膜の張力に比して大きくなるように前記筒体に取り付け固定し、前記気体封入手段により前記室内に前記気体を充填することにより前記第１の膜を所望の曲率に設定することを特徴とする。
上記構成からなる本発明の超音波スピーカでは、前記第２の膜の張力が第１の膜の張力に比して大きくなるように前記筒体に取り付け固定され、前記気体封入手段により前記室内に前記気体を充填することにより前記第１の膜が所望の曲率に設定される。
したがって、支持構造体を設けることなく、第２の膜の形状を変化させずに第１の膜により形成される曲面のみを所望の曲率に設定し、所望のレンズ機能を有する音響レンズを備えた超音波スピーカを実現することができる。
【００１８】
また、本発明の超音波スピーカは、前記気体は、外界の気体より比重が重いことを特徴とする。
上記構成からなる超音波スピーカでは、超音波トランスデューサの音波放射面前面に連通し、音波放射方向に延設された筒体内に前記第１の膜と第２の膜で形成された前記室内に前記気体封入手段により充填される気体は、外界の気体（例えば、空気）より比重が重いものが使用される。
したがって、前記第１の膜と第２の膜で形成された前記室内へ上記外界の気体より比重が重い気体を充填することにより第１の膜及び第２の膜のいずれか一方、または双方で形成される曲面を所望の曲率に設定することができ、それ故所望のレンズ機能を有する音響レンズを備えた超音波スピーカを実現することができる。
【００１９】
また、本発明の超音波スピーカは、可聴周波数帯の信号波を生成する信号源と、キャリア波を生成し、出力するキャリア波供給手段と、前記キャリア波を前記信号波で変調する変調手段と、前記変調手段から出力される変調信号により駆動され該変調信号を有限振幅レベルの音波に変換して媒質中に放射する超音波トランスデューサとを有する超音波スピーカであって、超音波トランスデューサの音波放射面前面に連通し、音波放射方向に延設された筒体を有し、かつ該筒体には、該筒体の出口部に外界との境界を形成する第１の膜と、該第１の膜と所定の間隔で前記第１の膜と前記音波放射面との間に配設される第２の膜と、該第２の膜と前記音波放射面との間に配設され気体を封入する隔壁とが設けられているとともに、前記第１の膜と第２の膜で形成された第１の室内と、前記第２の膜と前記隔壁により形成された第２の室内に異なる比重の気体を充填する気体封入手段を有することを特徴とする。
【００２０】
上記構成からなる超音波スピーカは、超音波トランスデューサの音波放射面前面に連通し、音波放射方向に延設された筒体を有している。この筒体には、該筒体の出口部に外界との境界を形成する第１の膜と、該第１の膜と所定の間隔で前記第１の膜と前記音波放射面との間に配設される第２の膜と、該第２の膜と前記音波放射面との間に配設され気体を封入する隔壁とが設けられているとともに、前記第１の膜と第２の膜で形成された第１の室内と、前記第２の膜と前記隔壁により形成された第２の室内に異なる比重の気体を充填する気体封入手段が取り付けられている。
したがって、前記気体封入手段により、第１の室内と、第２の室内に充填する気体の圧力を調整することにより、前記第１の膜及び第２の膜のいずれか一方、または双方に形成される曲面を所望の曲率に設定することができ、それ故、故所望のレンズ機能を有する音響レンズを備えた超音波スピーカを実現することができる。
【００２１】
また、本発明の超音波スピーカは、前記第１の膜を支持構造体に取り付けるように設け、前記気体封入手段により前記第１の室内と第２の室内の差圧を調整することにより前記第２の膜を所望の曲率に設定することを特徴とする。
上記構成からなる超音波スピーカでは、前記第１の膜が支持構造体に取り付けられ、前記気体封入手段により前記第１の室内と第２の室内の差圧を調整することにより前記第２の膜が所望の曲率に設定される。
したがって、第１の膜の形状を変化させずに、第２の膜で形成される曲面の曲率のみを調整することにより所望のレンズ機能を有する音響レンズを備えた超音波スピーカを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。本発明の実施形態に係る音響レンズの構成例を図１に示す。本発明の実施形態に係る音響レンズは、膜により隔てられた異種気体間での境界面において音波の進行方向を変える音響レンズであって、膜を支持構造体により支持することにより所望の音波のレンズ機能を発揮させるための形状を維持するように構成したことを特徴としている。
図１（Ａ）は、気体を充填することにより音響レンズ１（または１Ａ）のレンズ形状をなすゴム膜１０が支持構造体１１により支持されている構造を模式的に示したものであり、図１（Ｂ）は、音響レンズのレンズ形状が多面体のフレーム構造により支持されている状態の外観構成を示している。
【００２３】
膜境界で比重の異なる気体を分離している場合、境界前後で音速が異なることから屈折現象が生じる。例えば、膜内部に（空気に対して）比重の重い気体（例えば二酸化炭素）が充填されていると、膜内部での音速は遅くなる（気体中での音速は気体の分子量の平方根に反比例する）。逆に比重の軽い気体（例えばヘリウム）が充填されていると、膜内部での音速は速くなる。
音速の違いによる屈折では、音速が遅くなる境界面では入射角より屈折角は小さくなる方向に屈折し、音速が速くなる境界面では入射角より屈折角は大きくなる方向に屈折する。
【００２４】
図１（Ａ）に示す音響レンズ１は、ゴム膜１０からなる風船に外界を形成する気体としての空気より比重の重い気体である二酸化炭素を充填して球形状に形成したものである。この音響レンズ１に向けて音源２より超音波等の指向性の高い音波を放射すると、この音波は、音響レンズ１に入射し、外界との境界面における点Ｘ１，Ｘ１’において、音波が屈折する。このとき、二酸化炭素が充填された風船内では、外界の空気中より音波の伝播速度が遅くなるので、入射角α１， α１’よりそれぞれ、屈折角β１，β１’が小さくなる。
【００２５】
そして、音波が音響レンズ１を出射する際には、外界との境界面における点Ｘ２，Ｘ２’において、音響レンズ１内から外界である空気中に向けて屈折する。このとき、上述した理由により、入射角α２， α２’よりそれぞれ、屈折角β２，β２’が大きくなり、音源２から放射された音波は、音響レンズ１を通過することにより平面波となる。したがって、図１（Ａ）に示す音響レンズ１は、音波に対して凸レンズとして機能する。また、図１（Ａ）における音源を平面波とすると、音波の収束を行うことができる。
【００２６】
また、図１（Ｂ）に示す音響レンズ１Ａは、ゴム膜１０からなる風船に外界を形成する気体としての空気より比重の軽い気体であるヘリウムを充填して球形状に形成したものである。
この音響レンズ１Ａに向けて音源２より超音波等の指向性の高い音波を放射すると、この音波は、音響レンズ１Ａに入射し、外界との境界面における点Ｘ１０，Ｘ１０’において、音波が屈折する。このとき、ヘリウムが充填された風船内では、外界の空気中より音波の伝播速度が速くなるので、入射角α１０， α１０’よりそれぞれ、屈折角β１０，β１０’が大きくなる。
【００２７】
そして、音波が音響レンズ１Ａを出射する際には、外界との境界面における点Ｘ１１，Ｘ１１’において、音響レンズ１Ａ内から外界である空気中に向けて屈折する。このとき、上述した理由により、入射角α１１， α１１’よりそれぞれ、屈折角β１１，β１１’が小さくなり、音源２から放射された音波は、音響レンズ１を通過することにより発散するように変化する。したがって、図１（Ｂ）に示す音響レンズ１Ａは、音波に対して凹レンズとして機能する。
【００２８】
上述した音響レンズ１、１Ａは、例えば、図２に示すように、フレーム構造の支持構造体１１にゴム膜１０で被覆して形成され、気体が充填されたゴム膜の形状が支持構造体１１により、レンズ形状を維持するように支持される。
通常、ゴム風船の様に充填気体の圧力により風船形状を構成する場合、内部気圧が高くなり、充填気体はゴム膜を透過しやすくなり、風船形状を長期間維持することは難しい。しかしながら、図２に示す様な支持構造体１１をゴム膜１０からなる風船内部に形成し、膜を構造体が支持することにより、形状維持の為に内部気圧を高くする必要がなくなる。これにより、充填気体のゴム膜透過は軽減されることになる。
【００２９】
したがって、充填気体の圧力により膜形状を維持していた従来の音響レンズに比して、充填気体の抜けを軽減することができる。
また、上記音響レンズは、多面体のフレーム構造により実現される。したがって、フレームの影響を考えながら音響レンズの形状として、自由な形状を選択することができる。
【００３０】
また、音響レンズ１（１Ａ）のレンズ形状は、球形状に限らず、半球形、あるいは放物面、凸面、凹面が一部に形成されるような形状などの所望のレンズ効果が得られる形状が選択される。
したがって、本発明の音響レンズを使用することにより、音源２から放射される音波を用途に応じて所望の方向に収束または発散させることができる。
【００３１】
また、本発明の実施形態に係る音響レンズでは、音響レンズの形状をなす膜（本実施形態ではゴム膜）１０は、支持構造体１１と接着させるようにしてもよい。
このように構成することにより、膜の張力が維持され、膜の長寿命化が図れる。
さらに、本実施形態に係る音響レンズでは、音響レンズの形状をなす膜としてゴム膜を使用している。したがって、音響レンズの形状を所望のレンズ効果が得られるように自由に形成することができる。
【００３２】
次に、上述した音響レンズを備えた本発明の実施形態に係る超音波スピーカの構成を図３に示す。同図において、超音波スピーカは、可聴周波数波発振源２１と、キャリア波発振源２２と、変調器２３と、パワーアンプ２４と、超音波トランスデューサ２５と、超音波トランスデューサ２５から放射される音波（音響信号）を収束または発散させる音響レンズ２６とを有している。
【００３３】
可聴周波数波発振源２１は、可聴周波数帯の信号を生成する機能を有している。
キャリア波発振源２２は、超音波周波数帯のキャリア波を生成する機能を有している。このキャリア波発振源２２は、キャリア波の周波数を可変できるように構成されている。
変調器２３はキャリア波発振源２２から供給されるキャリア波を可聴周波数波発振源２１より出力される信号波でＡＭ変調し、変調信号をパワーアンプ２４に出力する機能を有する。
また、超音波トランスデューサ２５は、変調器２３からパワーアンプ２４を介して出力される変調信号により駆動され、該変調信号を有限振幅レベルの音波に変換して媒質中に放射し、可聴周波数帯の信号音（再生信号）を再生する機能を有する。
【００３４】
上記構成において、可聴周波数波発振源２１より出力される信号波によってキャリア波発振源２２から出力される超音波周波数帯のキャリア波を変調器２３により変調し、パワーアンプ２４で増幅した変調信号により超音波トランスデューサ２５を駆動する。この結果、上記変調信号が超音波トランスデューサ２５により有限振幅レベルの音波に変換され、この音波は音響レンズ２６により収束または発散され、媒質中（空気中）に放射されて媒質（空気）の非線形効果によって元の可聴周波数帯の信号音が再生される。
音響レンズ２６は、図３の構成例では、音波に対して凸レンズの機能を有するものであるが、これに限らず、音波を発散させる機能を有する凹レンズの機能を有する音響レンズとしてもよい。また、音響効果を考慮して、複数の音響レンズを設けてもよい。
【００３５】
なお、可聴周波数帯の再生信号の再生範囲は、超音波トランスデューサ２５から放出軸方向へのビーム状の範囲となる。ここで、「再生信号の再生範囲」とは超音波トランスデューサの音波放射面から放射軸方向に再生信号が到達する距離と、超音波ビームのビーム幅（ビーム放射角）との両者を含み、キャリア波の周波数を変化させることにより、再生範囲を変化させることができる。
可聴周波数波発振源２１は、本発明の信号源に、キャリア波発振源２２は本発明のキャリア波供給手段に、変調器２３は本発明の変調手段に、それぞれ相当する。
【００３６】
この超音波トランスデューサ２５は、例えば、広周波数帯域の音響信号（超音波）を発振できる静電型トランスデューサである。超音波トランスデューサ２２は、広周波数帯域の音響信号を発振できるものであれば、静電型のものでなくてもよい。
超音波トランスデューサ２５の具体的構成を図４に示す。図４に示す静電型の超音波トランスデューサは、振動体として３〜１０μｍ程度の厚さのＰＥＴ（ポリエチレンテレフクレート樹脂）等の誘電体３１（絶縁体）を用いている。誘電体３１に対しては、アルミ等の金属箔として形成される上電極３２がその上面部に蒸着等の処理によって一体形成されるとともに、真鍮で形成された下電極３３が誘電体３１の下面部に接触するように設けられている。この下電極３３は、リード５２が接続されるとともに、ベークライト等からなるベース板３５に固定されている。
【００３７】
また、上電極３２は、リード５３が接続されており、このリード５３は直流バイアス電源５０に接続されている。この直流バイアス電源５０により上電極３２には５０〜１５０Ｖ程度の上電極吸着用の直流バイアス電圧が常時、印加され上電極３２が下電極３３側に吸着されるようになっている。５１は交流信号源であり、図３におけるパワーアンプ２４の出力（ＡＣ５０〜１５０Ｖｐ-ｐ）に相当する。
誘電体３１および上電極３２ならびにベース板３５は、メタルリング３６、３７、および３８、ならびにメッシュ３９とともに、ケース３０によってかしめられている。
【００３８】
下電極３３の誘電体３１側の面には不均一な形状を有する数十〜数百μｍ程度の微小な溝が複数形成されている。この微小な溝は、下電極３３と誘電体３１との間の空隙となるので、上電極３２および下電極３３間の静電容量の分布が微小に変化する。このランダムな微小な溝は、下電極３３の表面を手作業でヤスリで荒らすことで形成されている。静電方式の超音波トランスデューサでは、このようにして空隙の大きさや深さの異なる無数のコンデンサを形成することによって、超音波トランスデューサの周波数特性が広帯域となっている。
【００３９】
上記構成の超音波トランスデューサ２２では、上電極３２に直流バイアス電圧が印加された状態で上電極３１と下電極３３との間に変調信号（パワーアンプ２４の出力）が印加されるようになっている。因みに、共振型の超音波トランスデューサの周波数特性は、中心周波数（圧電セラミックの共振周波数）が例えば、４０kHzであり、最大音圧となる中心周波数に対して±５kHzの周波数において最大音圧に対して−３０dＢである。これに対して、上記構成の広帯域発振型の超音波トランスデューサの周波数特性は、４０kHzから１００kHz付近まで平坦で、１００kHzで最大音圧に比して±６dＢ程度である。
【００４０】
上記構成の本発明の超音波スピーカによれば、超音波トランスデューサ２５は、変調２３よりパワーアンプ２４を介して出力される変調信号を有限振幅レベルの音波に変換して媒質中に放射する。このとき、超音波トランスデューサ２５に音波放射面近傍に対向して設けられた音響レンズ２６により、上記超音波トランスデューサにより放射された音波（音響信号）は収束または発散される。
したがって、本発明の超音波スピーカでは、出力される音響信号を所望の方向に発散または収束される。これにより、複数の超音波スピーカを搭載した超音波スピーカシステムに適用する際には、所望の音響効果を得ることができる。
【００４１】
次に、音響レンズを備えた本発明の実施形態に係る超音波スピーカの具体的構成の一例を図５に示す。図５は、音響レンズを備えた超音波スピーカの要部の構成を示している。同図において、２５は超音波スピーカを構成する超音波トランスデューサであり、超音波スピーカ自体の構成は、図３及び図４に示したのと同様であるので、重複する説明は省略する。
【００４２】
図５において、超音波スピーカは、超音波トランスデューサ２５の音波放射面前面２５Ａに連通し、音波放射方向に延設された筒体１００を有している。この筒体１００には、該筒体１００の出口部に外界との境界を形成する第１の膜１０１と、該第１の膜１０１と所定の間隔で前記第１の膜１０１と前記音波放射面２５Ａとの間に配設される第２の膜１０２とが設けられている。
また、第１の膜１０１と第２の膜１０２で形成された室内１０３に外界気体（空気）と比重の異なる気体（本実施形態では、二酸化炭素）を充填するボンベ１０４が取り付けられている。第１の膜１０１及び第２の膜１０２は、本実施形態では、いずれもゴム膜である。また、ボンベ１０４には二酸化炭素が充填されており、ボンベ１０４は本発明の気体封入手段に相当する。
【００４３】
したがって、ボンベ１０４により外界の空気と比重の異なる気体である二酸化炭素を充填することによりボンベ１０４の充填圧力で第１、第２の膜１０１、１０２のいずれか一方または双方で、形成される曲面の曲率を変化させることができ、その曲率を調整することにより、例えば、凹レンズ、凸レンズ等の、所望のレンズ機能を有する音響レンズを形成することができ、それ故所望のレンズ機能を有する音響レンズを備えた超音波スピーカを実現することができる。
【００４４】
また、第１の膜１０１を支持構造体１０５に取り付けるように設け、ボンベ１０４により室内１０３に前記気体を充填することにより第２の膜１０２を所望の曲率に設定するようにしてもよい。
上記構成からなる本発明の実施形態に係る超音波スピーカでは、第１の膜１０１が筒体１００の出口部に設けられた支持構造体１０５に取り付けられ、ボンベ１０４により第１の膜１０１と第２の膜１０２で形成された室内１０３に前記気体（二酸化炭素）を充填することにより第２の膜１０２が所望の曲率に設定される。
したがって、第１の膜１０１の形状を変化させずに、第２の膜１０２で形成される曲面の曲率のみを調整することにより所望のレンズ機能を有する音響レンズを形成することができ、それ故故所望のレンズ機能を有する音響レンズを備えた超音波スピーカを実現することができる。
【００４５】
また、本発明の実施形態に係る超音波スピーカは、第１の膜１０１の張力を第２の膜１０２の張力に比して大きくなるように筒体１００に取り付け固定し、ボンベ１０４により室内１０３に前記気体（二酸化炭素）を充填することにより第２の膜１０２を所望の曲率に設定するようにしてもよい。
上記構成からなる本発明の実施形態に係る超音波スピーカでは、前記第１の膜の張力が第２の膜の張力に比して大きくなるように前記筒体に取り付け固定され、前記気体封入手段により前記室内に前記気体を充填することにより前記第２の膜が所望の曲率に設定される。
したがって、支持構造体１０５を設けることなく、第１の膜１０１の形状を変化させずに第２の膜１０２により形成される曲面のみを所望の曲率に設定し、所望のレンズ機能を有する音響レンズを形成することができ、それ故、所望のレンズ機能を有する音響レンズ備えた超音波スピーカを実現することができる。
【００４６】
次に、音響レンズを備えた本発明の実施形態に係る超音波スピーカの具体的構成の他の例を図６に示す。この構成例が、図５に示した構成例と異なるのは、第２の膜１０２を支持構造体１０５に取り付けるように設け、ボンベ１０４により第１の膜１０１と第２の膜１０２で形成された室内１０３に前記気体（二酸化炭素）を充填することにより第１の膜１０１を所望の曲率に設定するようにした点である。
【００４７】
上記構成からなる本発明の超音波スピーカでは、第２の膜１０２が支持構造体１０５に取り付けられ、ボンベ１０４により第１の膜１０１と第２の膜１０２で形成された室内１０３に前記気体（二酸化炭素）を充填することにより第１の膜１０１が所望の曲率に設定される。
したがって、第２の膜１０２の形状を変化させずに、第１の膜１０１で形成される曲面の曲率のみを調整することにより所望のレンズ機能を有する音響レンズが形成される。それ故、所望のレンズ機能を有する音響レンズを備えた超音波スピーカを実現することができる。
【００４８】
また、本発明の実施形態に係る超音波スピーカは、第２の膜１０２の張力を第１の膜１０１の張力に比して大きくなるように筒体１００に取り付け固定し、ボンベ１０４により室内１０３に前記気体（二酸化炭素）を充填することにより第１の膜１０１を所望の曲率に設定するようにしてもよい。
【００４９】
上記構成からなる本発明の超音波スピーカでは、第２の膜１０２の張力が第１の膜１０１の張力に比して大きくなるように筒体１００に取り付け固定され、ボンベ１０４により室内１０３に前記気体（二酸化炭素）を充填することにより第１の膜１０１が所望の曲率に設定される。
したがって、支持構造体を設けることなく、第２の膜１０２の形状を変化させずに第１の膜１０１により形成される曲面のみを所望の曲率に設定し、所望のレンズ機能を有する音響レンズを形成できる。それ故、所望のレンズ機能を有する音響レンズを備えた超音波スピーカを実現することができる。
【００５０】
また、本発明の超音波スピーカでは、超音波トランスデューサの音波放射面前面に連通し、音波放射方向に延設された筒体１００内に第１の膜１０１と第２の膜１０２で形成された前記室内にボンベにより充填される気体は、外界の気体（例えば、空気）より比重が重い気体（例えば、二酸化炭素）が使用される。
したがって、前記室内１０３へ上記外界の気体より比重が重い気体を充填することにより第１の膜１０１及び第２の膜１０２のいずれか一方、または双方で形成される曲面を所望の曲率に設定することができ、それ故所望のレンズ機能を有する音響レンズを備えた超音波スピーカを実現することができる。
【００５１】
次に、音響レンズを備えた本発明の実施形態に係る超音波スピーカの具体的構成のさらに他の例を図６に示す。この構成例が、図５に示した構成例と異なるのは、超音波トランスデューサの音波放射面前面に連通し、音波放射方向に延設された筒体１００において、該筒体１００の出口部に外界との境界を形成する第１の膜１０１と、該第１の膜１０１と所定の間隔で第１の膜１０１と前記音波放射面２５Ａとの間に配設される第２の膜１０２と、該第２の膜１０２と前記音波放射面２５Ａとの間に配設され気体を封入する隔壁１１０とを設けるとともに、第１の膜１０１と第２の膜１０２で形成された第１の室内１０３と、第２の膜１０２と隔壁１１０により形成された第２の室内１０８に異なる比重の気体を充填するボンベ１０４Ａ，１０４Ｂを取り付けるようにした点である。
【００５２】
ここで、本実施形態では、ボンベ１０４Ａには二酸化炭素が充填されており、ボンベ１０４Ｂには空気が充填されているものとする。隔壁１１０は、ゴム膜１０６と、該ゴム膜が固定される支持構造体１０７とから構成されている。
【００５３】
したがって、比重の異なる気体が充填されたボンベ１０４Ａ，１０４Ｂにより、第１の室内１０３と、第２の室内１０８に充填する気体の圧力を調整することにより、第１の膜１０１及び第２の膜１０２のいずれか一方、または双方に形成される曲面を所望の曲率に設定することができ、それ故、故所望のレンズ機能を有する音響レンズを備えた超音波スピーカを実現することができる。
【００５４】
また、本発明の超音波スピーカは、図７において、第１の膜１０１を筒体１００出口部に固定された支持構造体１０５に取り付けるように設け、ボンベ１０４Ａ，１０４Ｂにより前記第１の室内１０３と第２の室内１０８の差圧を調整することにより第２の膜１０２を所望の曲率に設定するようにしてもよい。
【００５５】
上記構成からなる超音波スピーカでは、第１の膜１０１が支持構造体に取り付けられ、ボンベ１０４Ａ，１０４Ｂにより第１の室内１０３と第２の室内１０８の差圧を調整することにより第２の膜１０２により形成される曲面が所望の曲率に設定される。
【００５６】
したがって、第１の膜１０１の形状を変化させずに、第２の膜１０２で形成される曲面の曲率のみを調整することにより所望のレンズ機能を有する音響レンズを形成でき、それ故所望のレンズ機能を有する音響レンズを備えた超音波スピーカを実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
音波の進行方向を変更可能な音響レンズとして汎用的な応用が可能である。
たとえば、（１）超音波スピーカから出力される超音波成分を拡散させる場合（軽い気体（ヘリウム）充填）、（２）超音波医療における超音波の収束機能を実現させることにより、超音波診断装置の分解能（解像度）の向上を図る、（３）周囲からの雑音（環境音）軽減（外からの音を発散）等の用途にも適用できる
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施形態に係る音響レンズの構成例を示す説明図。
【図２】図１に示した音響レンズの支持構造の一例を示す説明図。
【図３】本発明の実施形態に係る超音波スピーカの構成を示すブロック図。
【図４】図３に示した超音波スピーカを構成する超音波トランスデューサの構成を示す図。
【図５】本発明の実施形態に係る音響レンズを有する超音波スピーカの要部の構成の一例を示す説明図。
【図６】本発明の実施形態に係る音響レンズを有する超音波スピーカの要部の構成の他の例を示す説明図。
【図７】本発明の実施形態に係る音響レンズを有する超音波スピーカの要部の構成のさらに他の例を示す説明図。
【符号の説明】
【００５９】
１…音響レンズ、２…音源、１０…ゴム膜、２１…可聴周波数波発振源、２２…キャリア波発振源、２３…変調器、２５…超音波トランスデューサ、２５Ａ…音波放射面、２６…音響レンズ、１００…筒体、１０１…第１の膜、１０２…第２の膜、１０３…室内、１０４…ボンベ、１１、１０５…支持構造体
【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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