(57)【要約】【課題】熱誘起音波放射素子を利用して音を発生する装置において、熱誘起音波放射素子の駆動電力を抑えつつ、変換対象の音信号に忠実な音波を発生する。【解決手段】入力部２１に与えられた音信号Ｘはバッファ２３において遅延を与えられてから加算部２５に供給される。音信号Ｘは信号解析部２２にも供給される。信号解析部２２は、音信号Ｘの包絡線信号ＸＥをバイアス生成部２４に供給する。バイアス生成部２４は、熱誘起音波放射素子１０のナノ結晶シリコン層１２の厚みＬで決まる最低再生周波数以下の成分から構成されるバイアス信号Ｙを加算部２５に供給する。加算部２５は、信号Ｘ及びＹを加算した加算信号Ｚに基づいて熱誘起音波放射素子１０を駆動する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板上に形成されたナノ結晶シリコン層と、前記ナノ結晶シリコン層上に形成された発熱体薄膜とを有する熱誘起音波放射素子と、
音信号のピークに追随して変化する包絡線信号を音信号から生成する信号解析手段と、
前記包絡線信号に基づいてバイアス信号を生成するバイアス生成手段と、
前記音信号と前記バイアス信号とを加算し、この加算結果である信号を前記発熱体薄膜に供給する加算手段と
を具備することを特徴とする音波発生装置。
【請求項２】
前記音信号から前記包絡線信号を生成する際の時定数が、前記包絡線信号に前記ナノ結晶シリコン層の厚みに応じて決まる最低再生可能周波数よりも高い帯域の成分を生じさせない程度の時定数であることを特徴とする請求項１に記載の音波発生装置。
【請求項３】
前記音信号を前記時定数以上の時間だけ遅延させて前記加算手段に供給するバッファを具備し、
前記バイアス生成手段は、前記バッファから前記加算手段に出力される音信号の包絡線と、前記バイアス生成手段から前記加算手段に出力されるバイアス信号の包絡線とが同期するように、前記バイアス信号を遅延させて出力することを特徴とする請求億１または２に記載の音波発生装置。
【請求項４】
前記音信号に急峻な立ち上がりが生じた場合に、前記バイアス生成手段は、前記包絡線信号から生成される第１のバイアス信号を出力するのに先立って、緩やかに上昇して前記第１のバイアス信号と繋がる第２のバイアス信号を出力することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１の請求項に記載の音波発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱誘起音波放射素子を利用して音波を発生する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱誘起音波放射素子により電気信号を音波に変換する音波発生装置の開発が進んでいる。熱誘起音波放射素子は、熱導電性の素材からなる基板上に多孔質なナノ結晶シリコン層を形成し、このナノ結晶シリコン層上に発熱体薄膜を形成したものである。発熱体薄膜は、当該膜に供給される電流に応じた熱量の熱を発生する性質を持っている。よって、熱誘起音波放射素子の発熱体薄膜に音信号を与えて膜の周囲の空気の温度を変化させ、この温度の変化により発生する空気の粗密である音波を変換結果として取り出すことが可能である。
【０００３】
この種の音波発生装置の中には、音波への変換を要する音信号をそのまま発熱体薄膜に供給するものがある。しかしながら、発熱体薄膜が発生する熱の熱量は、膜に与えられる電流の極性を問わずその大きさのみに依存する。よって、発熱体薄膜に与えられる音信号をそのまま発熱体薄膜に供給した場合、図５に示すように、発熱体薄膜が発生する熱の波形は元の信号を全波整流したような波形となり、変換結果として得られる音波の周波数は元の音信号の２倍の周波数となる。このため、音信号をそのまま発熱体薄膜に供給する技術では音の再現性が低くなる。このような問題を解決する技術を開示した文献として特許文献１がある。この文献１に開示された音波発生装置は、音信号にその最大振幅の半分以上の振幅の直流成分を加えた上で発熱体薄膜に供給するようになっている。特許文献１の技術によると、元の音信号の極性の如何に拘わらず、発熱体薄膜には常に一方向にのみ電流が流れる。よって、この技術によると、図６に示すように、音信号の波形を忠実に再現した音波が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１５０７９７号公報
【特許文献２】特開２００５−７３１９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、この種の音波発生装置において、音波発生装置の発熱体薄膜に供給される電気信号のうち発熱体薄膜から空気中に放出される成分の最低周波数（以下、最低再生可能周波数ｆｃ）とナノ結晶シリコン層の厚さＬとの間には次式の関係がある。次式において、α（Ｗ／ｍＫ）はナノ結晶シリコン層の熱伝導率であり、Ｃ（１０６Ｊ／ｍ３Ｋ）はナノ結晶シリコン層の熱容量である。
Ｌ＝（α／πｆｃＣ）１/２…（１）
【０００６】
この式（１）に示す最低再生可能周波数ｆｃ以下の成分を含む電気信号が発熱体薄膜に供給された場合、最低再生可能周波数ｆｃより低い周波数成分は、ナノ結晶シリコン層を介して基板に伝わる。また、最低再生可能周波数ｆｃ以上の周波数成分は、ナノ結晶シリコン層において遮断されて基板側には伝わらない。よって、発熱体薄膜からはこの最低再生可能周波数ｆｃ以上の成分だけが空気中に放出される。このため、特許文献１の技術のように音信号に直流成分を加えたとしても、その直流成分の影響が変換結果である音波に及んで音の再現性が損なわれることはない（ナノ結晶シリコン層の厚みＬと最低再生可能周波数ｆｃの関係については、特許文献２の段落０００７〜０００８を参照）。
【０００７】
しかしながら、特許文献１に開示された技術の場合、変換結果である音波の音圧に寄与せず定常的にナノ結晶シリコン層を介して基板に伝搬されていく熱のために直流電流を流し続けることになり、変換効率が悪いという問題があった。
【０００８】
本発明は、このような背景の下に案出されたものであり、熱誘起音波放射素子を利用して音を発生する装置における熱誘起音波放射素子の駆動電力を抑えつつ、音信号に忠実な音波を得られるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、基板と、前記基板上に形成されたナノ結晶シリコン層と、前記ナノ結晶シリコン層上に形成された発熱体薄膜とを有する熱誘起音波放射素子と、音信号のピークに追随して変化する包絡線信号を音信号から生成する信号解析手段と、前記包絡線信号に基づいてバイアス信号を生成するバイアス生成手段と、前記音信号と前記バイアス信号とを加算し、この加算結果である信号を前記発熱体薄膜に供給する加算手段とを具備することを特徴とする音波発生装置を提供する。
【００１０】
本発明では、音信号にバイアス信号を加算した加算信号の振幅を０以下にしない程度の振幅を持ってバイアス信号を緩やかに変化させることにより、熱誘起音波放射素子の駆動電力が抑制される。また、本発明では、熱誘起音波放射素子の発熱体薄膜に供給される加算信号のうちバイアス信号の成分は、空気中に伝搬されずに、ナノ結晶シリコン層を介して基板に伝搬される。よって、本発明によると、音信号に忠実な音波を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態である音波発生装置の構成を示す図である。
【図２】同音波発生装置の熱誘起音波放射素子の構成を示す図である。
【図３】同音波発生装置の入力信号Ｘ、バイアス生成部の出力信号Ｙ、加算部の出力信号Ｚ、及び同装置が発生する音波の波形を示す図である。
【図４】同音波発生装置の入力信号Ｘ、バイアス生成部の出力信号Ｙ、加算部の出力信号Ｚ、及び同装置が発生する音波の波形を示す図である。
【図５】従来の音波発生装置を説明するための図である。
【図６】従来の音波発生装置を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態である音波発生装置１の構成を示す図である。この音波発生装置１は、熱誘起音波放射素子１０と制御部２０とを有する。図２（Ａ）は、熱誘起音波放射素子１０の表面図であり、図２（Ｂ）は、熱誘起音波放射素子１０の縦断面図である。
【００１３】
図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、熱誘起音波放射素子１０は、熱導電性の基板１１上にナノ結晶シリコン層１２を形成し、ナノ結晶シリコン層１２上に発熱体薄膜１３とこの膜１３に電流を流す一対の電極１４Ｌ及び１４Ｒとを形成したものである。この熱誘起音波放射素子１０における発熱体薄膜１３に電極１４Ｌ及び１４Ｒを介して電流を供給した場合、供給された電流のうちナノ結晶シリコン層１２の厚みＬで決まる最低再生可能周波数ｆｃ以上の周波数成分が発熱体薄膜１３から熱として放出され、この熱により発生する空気の粗密が音波として空気中を伝搬する。また、最低再生可能周波数ｆｃより低い周波数成分は、空気中に伝搬されずに、ナノ結晶シリコン層１２を介して基板１１に伝搬される。
【００１４】
図１において、制御部２０は、入力部２１、信号解析部２２、バッファ２３、バイアス生成部２４、加算部２５、及びアンプ２６を有する。制御部２０において、入力部２１には音波への変換の対象である音信号Ｘが与えられる。入力部２１に与えられた音信号Ｘは同部２１から信号解析部２２及びバッファ２３に供給される。
【００１５】
信号解析部２２は、音信号Ｘに発生するピークに追随して立ち上がり、その後、ある時定数τに従って減衰する包絡線信号ＸＥを発生し、発生した包絡線信号ＸＥをバイアス生成部２４に供給する。ここで、時定数τは、音信号Ｘから生成される包絡線信号ＸＥに最低再生可能周波数ｆｃよりも高い帯域の成分を生じさせない程度の値になっている。また、信号解析部２２は、音信号Ｘの波形に急峻な立ち上がりが発生したか否かを観測し、急峻な立ち上がりが発生した場合にはその旨をバイアス生成部２４に通知する。
【００１６】
バイアス生成部２４は、信号解析部２２から供給される包絡線信号ＸＥに基づいて、この包絡線信号ＸＥの波形を内包する波形を持ったバイアス信号Ｙを生成し、生成したバイアス信号Ｙを加算部２５に供給する。このバイアス生成部２４によるバイアス信号Ｙの生成の手順については後述する。
【００１７】
バッファ２３は、入力部２１から供給された音信号Ｘに信号解析部２２の時定数τ以上の時間Ｔの遅延を与えてから加算部２５へ供給する。加算部２５は、バッファ２３から供給される音信号Ｘとバイアス生成部２４から供給されるバイアス信号Ｙとを加算し、その加算結果を示す加算信号Ｚをアンプ２６に出力する。アンプ２６は、加算部２５の出力信号Ｚを増幅した信号Ｚ’を熱誘起音波放射素子１０の電極１４Ｌ及び１４Ｒを介して発熱体薄膜１３に供給する。
【００１８】
次に、バイアス生成部２４によるバイアス信号Ｙの生成の手順について説明する。バイアス生成部２４は、信号解析部２２からの通知の有無により音信号Ｘの波形に急峻な波形が発生したか否かを判定し、音信号Ｘの波形に急峻な立ち上がりが発生していない場合と発生している場合の各々におけるバイアス信号Ｙの生成を次のようにして行う。
【００１９】
まず、図３（Ａ）に示すように、音信号Ｘの波形に急峻な立ち上がりが発生していない場合、バイアス生成部２４は、包絡線信号ＸＥに１／２を乗算した信号をバイアス信号Ｙとする。そして、バイアス生成部２４は、バッファ２３から加算部２５に出力される音信号Ｘの包絡線とバイアス生成部２４から加算部２５へ出力されるバイアス信号Ｙの包絡線とが同期するように、当該バイアス信号Ｙ（包絡線信号ＸＥの１／２の振幅を持ったバイアス信号Ｙ）を遅延させて加算部２５に出力する。
【００２０】
図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の波形を持った音信号Ｘが与えられた場合におけるバイアス生成部２４の出力信号Ｙ（破線）と加算部２５の出力信号Ｚ（実線）を示す図である。図３（Ｂ）に示すように、この場合におけるバイアス信号Ｙは、バイアス信号Ｙと音信号Ｘとを加算した加算信号Ｚの振幅を０以下にしない程度の振幅を持って緩やかに変化し、音信号Ｘの振幅が０に近づくとバイアス信号Ｙの振幅も０に近づく。よって、一定の振幅のバイアス信号Ｙを音信号Ｘに加算し続けるものよりも熱誘起音波放射素子１０の駆動電力が抑制される。また、バイアス信号Ｙは最低再生可能周波数ｆｃ以下の周波数成分のみによって構成されており、この信号Ｙの成分は全て熱として基板１１に伝搬される。このため、この信号Ｙの成分が空気中を伝搬する音波の音圧に寄与することは無い。よって、図３（Ｃ）に示すように、発熱体薄膜１３から空気中に伝搬される音波の波形は、信号Ｚにおける信号Ｙの加算前の信号、つまり、元の音信号Ｘの波形と同じになる。
【００２１】
これに対し、図４（Ａ）に示すように、音信号Ｘの波形に急峻な立ち上がりが発生している場合、そのような立ち上がりが発生していない場合と同じようにバイアス信号Ｙを生成することは好ましくない。その理由は次の通りである。音信号Ｘが急激に立ち上がると、音信号Ｘに１／２を乗算した信号である包絡線信号ＸＥも急激に立ち上がる。従って、この場合に包絡線信号ＸＥからバイアス信号Ｙを生成すると、バイアス信号Ｙに最低再生可能周波数ｆｃより高い周波数成分が含まれることになり、音信号Ｘの変換結果として得られる音の音質が損なわれる。そこで、音信号Ｘの波形に急峻な立ち上がりが発生している場合、バイアス生成部２４は、急峻な立ち上がり以降の包絡線信号ＸＥから生成されるバイアス信号Ｙａを出力するのに先立って、緩やかに上昇してそのバイアス信号Ｙａと繋がるバイアス信号Ｙｂを出力する。より具体的に説明すると、バイアス生成部２４は、包絡線信号ＸＥに１／２を乗算し、かつ、バッファ２２の遅延時間Ｔだけ遅延させたバイアス信号Ｙａ（後半部分）と、音信号Ｘに急激な立ち上がりがあった時点からバッファ２２の遅延時間Ｔに相当する時間をかけて信号Ｙａの立ち上がり時のピーク値まで緩やかに上昇する波形を持ったバイアス信号Ｙｂ（前半部分）とを生成する。そして、バイアス生成部２４は、この信号Ｙａ及びＹｂを加算し、バイアス信号Ｙとして加算部２５へ出力する。
【００２２】
図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の波形を持った音信号Ｘが与えられた場合におけるバイアス生成部２４の出力信号Ｙｂ及びＹａ（破線）と加算部２５の出力信号Ｚ（実線）を示す図である。図４（Ｂ）に示すように、この場合におけるバイアス信号Ｙｂ及びＹａの振幅は、音信号Ｘの急峻な立ち上りがあった時点より時間Ｔだけ前の時点から緩やかな上昇を始め、時間Ｔの経過後に音信号Ｘの１／２に達する。この場合におけるバイアス信号Ｙｂ及びＹａもまた最低再生可能周波数ｆｃ以下の周波数成分のみによって構成される。よって、図４（Ｃ）に示すように、発熱体薄膜１３から空気中に伝搬される音波の波形は、信号Ｚにおける信号Ｙｂ及びＹａの加算前の信号、つまり、元の音信号Ｘの波形と同じになる。
【００２３】
以上が、本実施形態における音波発生装置１の構成である。本実施形態によると、熱誘起音波放射素子１０の駆動電力を抑えつつ、音波への変換を要する音信号Ｘに忠実な変換結果を得ることができる。
【００２４】
以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明には他にも実施形態があり得る。例えば、以下の通りである。
（１）上記実施形態では、バイアス生成部２４は、包絡線信号ＸＥに１／２を乗算した信号をバイアス信号Ｙとした。しかし、包絡線信号ＸＥに１／２以上の値を乗算した信号をバイアス信号Ｙとしてもよい。
（２）上記実施形態において、加算部２５と熱誘起音波放射素子１０との間にアンプ２６を介挿せずに、加算部２５の出力信号Ｚを熱誘起音波放射素子１０にそのまま供給してもよい。
【符号の説明】
【００２５】
１…音波発生装置、１０…熱誘起音波放射素子、１１…基板、１２…ナノ結晶シリコン層、１３…発熱体薄膜、１４…電極、２０…制御部、２１…入力部、２２…信号解析部、２３…バッファ、２４…バイアス生成部、２５…加算部、２６…アンプ。
【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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