(57)【要約】【課題】  アンプの駆動効率が良く、且つ小型化を実現することができるパラメトリックスピーカを提供する。【解決手段】  可聴周波数帯の電気信号と超音波周波数帯のキャリア信号との信号レベルを比較してキャリア信号から可聴周波数帯の入力信号レベルに応じたパルス幅の変調信号を生成するレベル比較器３と、パルス幅変調信号のパルス幅に応じた期間で電源電圧との接続を開閉させるスイッチング信号を生成する信号制御器４と、放射器７のインピーダンス特性に応じて容量素子の接続が選択される補整器８と、補整器８及び放射器７と接続するインダクタス９と、スイッチング信号に基づいて電源電圧との接続を開閉してインダクタス９と補整器８の容量素子又は容量性の放射器７とで共振させることにより可聴周波数帯の入力信号レベルに応じて増幅した電気信号で放射器７を駆動させるパルス幅変調増幅器５とを備える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可聴周波数帯の電気信号と超音波周波数帯のキャリア信号との信号レベルの比較結果に基づき、上記キャリア信号から上記可聴周波数帯の入力信号レベルに応じたパルス幅の変調信号を生成するパルス幅変調部と、
上記パルス幅変調信号のパルス幅に応じた期間で電源電圧との接続を開閉させるスイッチング信号を生成する信号制御部と、
容量素子を有し、超音波振動子のインピーダンス特性に応じて上記容量素子の接続が選択される補整器と、
上記補整器及び上記超音波振動素子と接続するインダクタ素子と、
上記スイッチング信号に基づいて上記電源電圧との接続を開閉して上記インダクタ素子と上記補整器の容量素子又は容量性の超音波振動子とで共振させることにより上記可聴周波数帯の入力信号レベルに応じて増幅した電気信号で上記超音波振動素子を駆動させる増幅部と
を備えたパラメトリックスピーカ。
【請求項２】
信号制御部は、キャリア信号の周波数の倍数のサイクルごとにディジタル値の極性が反転するスイッチング信号を生成することを特徴とする請求項１記載のパラメトリックスピーカ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、可聴音を指向性放射するパラメトリックスピーカに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
音波の非線形現象を利用したパラメトリックスピーカとは、一般的に超音波などの非常に高い周波数の搬送波を可聴音の信号波で振幅変調し有限振幅波として送波する。このようにして送出された音波は、その非線形相互作用によって信号に関係した２次波が空間内に縦型アレー状に分布する。これにより、指向性が鋭く、サイドローブも小さい信号波が送出される。
【０００３】
従来のパラメトリックスピーカとしては、例えば特許文献１に開示されるものがある。このスピーカは、係数器、直流源加算器、平方根変換器、掛け算器、パワーアンプ及び超音波振動子アレイ（以下、放射器と称す）から構成される。簡単に動作を説明すると、変調信号源などで生成された音声信号は、スピーカ装置内の係数器に入力される。係数器では、音声信号の値を所定の係数倍したあと、直流源加算器に出力する。
【０００４】
直流源加算器では、係数器からの音声信号電圧に対して直流源からのバイアス電圧を加えて平方根変換器に出力する。平方根変換器は、直流源加算器からの入力信号に対して平方根処理を実行し、処理結果を掛け算器に出力する。この掛け算器には、平方根変換器からの入力信号の他に、超音波帯域発振器からの超音波の搬送波信号が入力されている。
【０００５】
これにより、掛け算器は、平方根変換器からの入力信号に超音波の搬送波信号を掛け算して上記入力信号の振幅変調処理を実行する。このあと、掛け算器からの変調信号は、パワーアンプに出力される。パワーアンプでは、掛け算器からの変調信号の電力を増幅して放射器に供給する。これによって、放射器は、音声信号に由来する変調信号を音波として放射する。
【０００６】
この音波は、強力超音波である有限振幅音波として空気中を伝搬する過程で非線形相互作用を起こし、低周波数成分などからなる超指向性音声に自己復調して聴取者に対して聴取可能となる。
【０００７】
【特許文献１】特公平４−５８７５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来のパラメトリックスピーカでは、変調方式が振幅変調であり、その振幅変調信号をＡＢ級のリニアアンプで増幅することから電力ロスが大きい。また、電源回路規模も大きくなるために大型ヒートシンクなどが必要となり、スピーカ装置全体を小型化できない。さらに、近年では、ＡＢ級アンプに比べて駆動効率の優れたＤ級アンプ（パルス幅変調アンプ）を用いて信号増幅する構成もあるが、パルス幅変調周波数が高く出力段フィルタで可聴帯域音に積分処理が必要であり電力ロスが大きい。このため、装置全体の小型化が制限されたり、コスト面でも不利となる。
【０００９】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、アンプの駆動効率が良く、且つ小型化を実現することができるパラメトリックスピーカを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係るパラメトリックスピーカは、可聴周波数帯の電気信号と超音波周波数帯のキャリア信号との信号レベルの比較結果に基づき、キャリア信号から可聴周波数帯の入力信号レベルに応じたパルス幅の変調信号を生成するパルス幅変調部と、パルス幅変調信号のパルス幅に応じた期間で電源電圧との接続を開閉させるスイッチング信号を生成する信号制御部と、容量素子を有し、超音波振動子のインピーダンス特性に応じて容量素子の接続が選択される補整器と、補整器及び超音波振動素子と接続するインダクタ素子と、スイッチング信号に基づいて電源電圧との接続を開閉してインダクタ素子と補整器の容量素子又は容量性の超音波振動子とで共振させることにより可聴周波数帯の入力信号レベルに応じて増幅した電気信号で超音波振動素子を駆動させる増幅部とを備えるものである。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、可聴周波数帯の電気信号と超音波周波数帯のキャリア信号との信号レベルの比較結果に基づき、キャリア信号から可聴周波数帯の入力信号レベルに応じたパルス幅の変調信号を生成するパルス幅変調部と、パルス幅変調信号のパルス幅に応じた期間で電源電圧との接続を開閉させるスイッチング信号を生成する信号制御部と、容量素子を有し、超音波振動子のインピーダンス特性に応じて容量素子の接続が選択される補整器と、補整器及び超音波振動素子と接続するインダクタ素子と、スイッチング信号に基づいて電源電圧との接続を開閉してインダクタ素子と補整器の容量素子又は容量性の超音波振動子とで共振させることにより可聴周波数帯の入力信号レベルに応じて増幅した電気信号で超音波振動素子を駆動させる増幅部とを備えるので、変調方式にパルス幅変調を採用し、インダクタ素子と補整器又は超音波振動子とからなる系の共振及び増幅によって入力信号レベルに応じて増幅した電気信号を得るので、アンプの駆動効率を向上させることができる上、リニアアンプを採用する従来と比較して小型化することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるパラメトリックスピーカの構成を概略的に示すブロック図である。本実施の形態によるパラメトリックスピーカは、可聴信号源１、超音波帯域発振器２、レベル比較器（パルス幅変調部）３、信号制御器（信号制御部）４、パルス幅変調増幅器（増幅部）５及びフィルタ６から構成される。
【００１３】
可聴音源１は、可聴音入力信号であるオーディオ信号をレベル比較器３に出力する。可聴音源１は、例えば可聴音入力信号として入力されたオーディオ信号の電力を増幅するマイクアンプや、マイクアンプで増幅されたオーディオ信号からノイズや不要な高調波信号、高周波信号を除去すると共に、その電圧の増幅処理を実行するバンドパスアンプから構成することができる。
【００１４】
超音波帯域発振器２は、超音波帯域周波数の基準キャリア信号を発生し、レベル比較器３に出力する。レベル比較器３は、可聴音源１からの入力信号と超音波帯域発振器２からのキャリア信号とを電圧比較し、可聴音源１からの入力信号の信号レベルに応じたパルス幅の変調信号を生成する。
【００１５】
本実施の形態では、可聴音源１からのオーディオ信号の信号レベルがキャリア信号のレベルより高い期間にレベル比較器３のディジタル出力がＨレベルになるものとする。これにより、可聴音源１からのオーディオ信号の信号レベルに応じたパルス幅の変調信号を得ることができる。
【００１６】
信号制御器４は、レベル比較器３からのパルス幅変調信号の周波数を、超音波帯域発振器２からのキャリア信号の周波数（搬送波周波数）の２倍の周波数に変換し、２サイクルに１回は極性反転するパルス幅変調信号に変換してパルス幅変調増幅器５に供給する。例えば、搬送波周波数を４０ｋＨｚとしたとき、信号制御器４では、入力されるパルス幅変調信号の周波数を８０ｋＨｚとし、８０ｋＨｚの２周期に１回反転処理したパルス幅変調信号に変換する。
【００１７】
パルス幅変調増幅器５は、信号制御器４で処理した信号に同期して電源をスイッチングしてスイッチング増幅し、放射器（超音波振動子）７、補整器８及びインダクタンス（インダクタ素子）９で構成されるフィルタ６で変調信号を生成する。フィルタ６は、コイルなどのインダクタンス９を介して放射器７と補整器８とが並列に接続されて構成される。
【００１８】
補整器８では、図２に示すように、放射器７が容量成分のみであるか、あるいは抵抗成分のみであるかなどの、放射器７のインピーダンス特性に合わせて、容量性素子（コンデンサ）、抵抗素子（抵抗）、コイル（インダクタ）が切り替え選択される。例えば、放射器７の負荷が抵抗成分のみである場合、補整器８のスイッチを制御して容量性素子を選択することで放射器７の前段に容量素子が並列に接続される。
【００１９】
このとき、パルス幅変調増幅器５からの信号制御器４で処理された信号に同期したパルス幅変調信号が入力されると、共振コイルであるインダクタンス９と補整器８の容量素子とにより充放電が実行される。これにより、抵抗成分のみを有する定抵抗型の放射器７が駆動する。
【００２０】
なお、放射器７としては、複数の圧電素子のブロックを並べた容量性の特性を有する超音波振動子の他、負荷が抵抗成分のみの定抵抗型放射器であってもよい。放射器７の機能としては、可聴音の電気信号を超音波の音響信号として空気などの媒質中に送出する。例えば、信号制御器４で処理された８０ｋＨｚの２周期に１回極性反転するパルス幅変調信号であれば、放射器７から搬送波周波数４０ｋＨｚの増幅された変調信号が空気中に放射される。
【００２１】
図３は、図１中のパラメトリックスピーカの構成例を示す図である。パルス幅変調増幅器５は、ゲートドライバ１０、スイッチＳ１〜Ｓ４を構成するＭＯＳＦＥＴ１１、補整器８、及び、放射器７に接続した２つのコイルＬ１，Ｌ２から構成される。放射器７は、以降ＬＯＡＤとも称する。また、以降では、放射器７として容量性を有する超音波振動子で構成した例を示し、補整器８は放射器７のインピーダンス特性に合わせて抵抗素子、容量性素子及びインダクタのいずれかが選択される。なお、図１と同一構成要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００２２】
ゲートドライバ１０は、信号制御器４から入力したパルス幅変調信号である、スイッチング信号を４つのＭＯＳＦＥＴ１１のゲートにそれぞれ印加して、これらＭＯＳＦＥＴ１１からなるスイッチＳ１〜Ｓ４のオン、オフを制御する。
【００２３】
４つのＭＯＳＦＥＴ１１の接続としては、２つのＭＯＳＦＥＴ１１を直列に接続したユニットを並列に接続し、各ユニットの一端に電圧ＶＤＣで表した可変電源電圧１２が接続され、他端にグランド（ＧＮＤ）が接続する。各ユニットの直列接続するＭＯＳＦＥＴ１１は、コイルＬ１，Ｌ２を介して放射器７に接続する。
【００２４】
補整器８は、コイルＬ１，Ｌ２とＬＯＡＤ７の各接続部に一端がそれぞれ接続し、他端がグランド（ＧＮＤ）に接続する。なお、放射器７が容量性を有する超音波振動子であることから、補整器８では、例えば抵抗素子が選択されているものとし、共振コイルＬ１，Ｌ２と容量性のＬＯＡＤ７からなる系が共振及び増幅を実行することになる。
【００２５】
パルス幅変調増幅器５は、信号制御器４から入力するパルス幅変調信号である、スイッチング信号によってスイッチＳ１〜Ｓ４をオン、オフする。このスイッチングに合わせてＬＯＡＤ７及びコイルＬ１，Ｌ２からなる系が共振及び増幅を実行し、ＬＯＡＤ７に供給されるパルス波形をなめらかにすることができる。なお、コイルＬ１，Ｌ２は、理論上１つでもあってもよい。また、ＬＯＡＤ７の高周波成分を抑止するフィルタとしての機能も有する。
【００２６】
次に動作について説明する。
図４は、実施の形態１によるパラメトリックスピーカの動作を示すタイミングチャートであり、この図に沿って説明する。図において、Ｖｃａｒｒｉｅｒは、超音波帯域発振器２からの超音波周波数帯のキャリア信号の電圧波形を示している。Ｖｐｗｍは、レベル比較器３からのパルス幅変調信号の電圧波形であり、超音波帯域発振器２からのキャリア信号を基準とした可聴音源１からの可聴音入力信号の電圧レベルに応じたパルス幅を有するディジタル信号である。
【００２７】
なお、Ｖｐｗｍの電圧波形における破線部分は、可聴音源１からの可聴音入力信号の電圧レベルがキャリア信号より高い期間が実線部分より長いときの波形を示している。つまり、実線部分でのパルスの立ち上がりエッジが矢印で示す破線部分に位置し、パルス幅が広くなっている。また、実線部分での逆方向矢印は、可聴音源１からの可聴音入力信号の電圧レベルがキャリア信号より高い期間が実線部分より短いときの波形を示している。
【００２８】
Ｖ１（Ｓ１）、Ｖ２（Ｓ２）、Ｖ３（Ｓ３）、Ｖ４（Ｓ４）は、スイッチＳ１〜Ｓ４を構成する各ＭＯＳＦＥＴ１１のゲートに入力される信号の電圧波形である。ＶＬ（Ｌ１，Ｌ２）は、電源電圧１２によってコイルＬ１，Ｌ２にかかる電圧波形である。このＶＬ（Ｌ１，Ｌ２）の電圧波形における破線部分は、Ｖｐｗｍの電圧波形のパルス幅が破線部分の状態であるときのＶＬ（Ｌ１，Ｌ２）の電圧波形を示している。この場合、実線部分でのパルスのエッジが矢印で示す破線部分に位置する。また、実線部分での逆方向矢印は、可聴音源１からの可聴音入力信号の電圧レベルがキャリア信号より高い期間が実線部分より短いときの波形を示している。
【００２９】
ＶＬＯＡＤはＬＯＡＤ７にかかる電圧波形であり、実線部分の曲線はＶＬ（Ｌ１，Ｌ２）の電圧波形が実線部分のときの波形を表し、破線部分の曲線はＶＬ（Ｌ１，Ｌ２）の電圧波形が破線部分のときの波形を表している。つまり、ＶＬＯＡＤの破線部分の曲線は、Ｖｐｗｍの電圧波形パルス幅が実線部分より広い場合に対応する。また、Ｖｐｗｍの電圧波形パルス幅が実線部分より短い場合は、ＶＬＯＡＤの実線波形より振幅が下がるものとする。
【００３０】
信号制御器４は、レベル比較器３から図４に示すようなパルス幅変調信号を入力すると、その２サイクルに１回は必ず極性反転を持つスイッチング信号を生成する。図４の例では、Ｖｐｗｍの実線部分の電圧波形に基づいて、その２サイクルに１回は必ず極性反転を持つＶ１（Ｓ１）、Ｖ２（Ｓ２）、Ｖ３（Ｓ３）、Ｖ４（Ｓ４）の電圧波形を有する４モードのスイッチング信号が生成される。
【００３１】
これらスイッチング信号は、信号制御器４からゲートドライバ１０に出力される。ゲートドライバ１０では、スイッチング信号をそれぞれ対応するスイッチＳ１〜Ｓ４のゲートに入力する。
【００３２】
このとき、上述した４モードのスイッチングがなされることにより、１サイクルが図４中に記号Ａで示したキャリア信号の周期の２倍のＶＬ（Ｌ１，Ｌ２）がコイルＬ１，Ｌ２に印加される。また、ＬＯＡＤ７は、補整器８の抵抗素子によりグランド（ＧＮＤ）と遮断される。これにより、ＬＯＡＤ７が充放電し、結果的にＬＯＡＤ７の両端の電圧波形は、図４中のＶＬＯＡＤに示すような滑らかな波形になる。４モードのスイッチングは、具体的には下記の（１）〜（４）で構成される。
【００３３】
（１）スイッチＳ１，Ｓ４に印加するＶ１（Ｓ１），Ｖ４（Ｓ４）がともにオン状態（Ｈレベル）である場合、可変電源電圧１２からスイッチＳ１、コイルＬ１、ＬＯＡＤ７、コイルＬ２、スイッチＳ４を経由してグランド（ＧＮＤ）が接続される。これにより、ＬＯＡＤ７に可変電源電圧１２（以下、ＶＤＣと称する）が印加され、電荷が充電される。
【００３４】
（２）（１）に続いて、スイッチＳ２，Ｓ４に印加するＶ２（Ｓ２），Ｖ４（Ｓ４）を共にオン状態（Ｈレベル）にする。このとき、ＬＯＡＤ７は、スイッチＳ２，Ｓ４を経由して短絡される。これにより、ＬＯＡＤ７に充電された電荷は放電される。
【００３５】
（３）（２）に続いて、スイッチＳ２，Ｓ３に印加するＶ２（Ｓ２），Ｖ３（Ｓ３）を共にオン状態（Ｈレベル）にする。このとき、可変電源電圧１２からスイッチＳ３、コイルＬ２、ＬＯＡＤ７、コイルＬ１、スイッチＳ２を経由してグランド（ＧＮＤ）が接続される。これにより、ＬＯＡＤ７にＶＤＣが印加され、電荷が充電される。
【００３６】
（４）（３）に続いて、スイッチＳ２，Ｓ４に印加するＶ２（Ｓ２），Ｖ４（Ｓ４）を共にオン状態（Ｈレベル）にする。このとき、ＬＯＡＤ７は、スイッチＳ２，Ｓ４を経由して短絡される。これにより、ＬＯＡＤ７に充電された電荷は放電される。
【００３７】
このようにして得られるＶＬＯＡＤは、図４に示すようにパルス幅変調信号のパルス幅に応じた曲線となり、例えば図４中の破線の曲線と実線の曲線との間では、記号Ｂで示す振幅差が生じる。つまり、可聴音入力信号の電圧レベルに応じた振幅の電圧がＬＯＡＤ７に印加され、可聴音入力信号の電圧レベルに応じた強度の音響信号となって出力することになる。この出力電圧は、可変電源電圧１２の値を変えることによって調節可能である。
【００３８】
以上のように、この実施の形態１によれば、可聴周波数帯の電気信号と超音波周波数帯のキャリア信号との信号レベルの比較結果に基づき、キャリア信号から可聴周波数帯の入力信号レベルに応じたパルス幅の変調信号を生成するレベル比較器３と、パルス幅変調信号のパルス幅に応じた期間で電源電圧との接続を開閉させるスイッチング信号を生成する信号制御器４と、容量素子を有し、放射器７のインピーダンス特性に応じて容量素子の接続が選択される補整器８と、補整器８及び放射器７と接続するインダクタス９と、スイッチング信号に基づいて電源電圧との接続を開閉して、インダクタス９と補整器８の容量素子又は容量性の放射器とからなるフィルタ６で共振させることにより可聴周波数帯の入力信号レベルに応じて増幅した電気信号で放射器７を駆動させるパルス幅変調増幅器５とを備えるので、放射器７の負荷をキャリア周波数に共振させることから駆動効率を向上させることができる。また、レベル比較器３はコンパレータとなるオペアンプを用いて構成することができ、信号制御器４やパルス幅変調増幅器５も簡易な回路で構成することができる。これにより、従来の構成では困難であった変調回路と増幅回路とをＩＣとして一体化することが容易になる。
【００３９】
なお、上記実施の形態１では、放射器（ＬＯＡＤ）７が容量性を有する場合を示したが、ＬＯＡＤ７として負荷が抵抗成分のみの定抵抗型放射器を利用すると、補整器８では、容量素子が選択される。この場合も、上記（１）〜（４）と同様にスイッチングすることで、補整器８の容量素子とコイルＬ１，Ｌ２からなる系が共振及び増幅を行い、補整器８の容量素子で充放電される電荷によってＬＯＡＤ７が駆動する。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】この発明の実施の形態１によるパラメトリックスピーカの構成を概略的に示すブロック図である。
【図２】図１中の補整器の構成を示す図である。
【図３】図１中のパラメトリックスピーカの構成例を示す図である。
【図４】実施の形態１によるパラメトリックスピーカの動作を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００４１】
１  変調信号源、２  超音波帯域発振器、３  レベル比較器（パルス幅変調部）、４  信号制御器（信号制御部）、５  パルス幅変調増幅器（増幅部）、６  フィルタ、７  放射器（ＬＯＡＤ）（超音波振動子）、８  補整器、９  インダクタンス（インダクタ素子）、１０  ゲートドライバ、１１  ＭＯＳＦＥＴ、１２  可変電源電圧。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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