(57)【要約】【課題】効率よく高い音圧を得ることができ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を提供する。【解決手段】パラメトリックスピーカ１００の発振源として利用される超音波発音体１１０であって、板状の圧電素子および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、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共振子と、を備え、共振子のみの固有振動の周波数と、自己の１次共振の周波数とが一致している。これにより、超音波振動子１１０全体だけでなく共振子が共振して高い音圧を得ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パラメトリックスピーカの発振源として利用される超音波発音体であって、
板状の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共振して超音波を発生させる共振子と、を備え、
前記共振子のみの固有振動の周波数と、自己の１次共振の周波数とが一致していることを特徴とする超音波発音体。
【請求項２】
請求項１記載の超音波発音体と、
前記超音波発音体を振動の節で支持する支持部材と、を備えることを特徴とする超音波素子。
【請求項３】
複数の発振源から超音波を放射するパラメトリックスピーカであって、
請求項２記載の超音波素子と、
配線パターンが設けられ、前記配線パターンに前記超音波素子が設けられた平板状の基板と、を備え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、発振源として利用される超音波発音体、超音波素子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、金属板と圧電素子を貼り合わせた圧電振動子を備えている。そして、圧電振動子は、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ことで振動し、超音波を発する。超音波発音体は、共振周波数が超音波帯域（２０ｋＨｚを超えたもの）であるため、「超音波」発音体と呼ばれる。
【０００３】
また、圧電振動子にアルミニウムまたはアルミニウム合金で構成された円錐筒形状（パラボラ状、漏斗状含む）の共振子を取り付けることで、音圧を増すことができ、前方への指向性を持たせることができる。
【０００４】
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行われている。なお、超音波発音体は超音波センサと同じ構造をしており、超音波センサは超音波の送信、受信を行うもの、超音波発音体は超音波の送信のみを行うものである。
【０００５】
そして、超音波発音体を複数個並べて構成したものがパラメトリックスピーカであり、パラメトリックスピーカは各々の超音波発音体が発した超音波が空気中で重なり合ってある音圧以上に達すると超音波から可聴音へ復調され、聞こえるようになる。また、超音波が重なり合った中心部のみが可聴音となるため、鋭い指向性を持ったスピーカとなる。
【０００６】
例えば、特許文献１記載の超音波送信器は、共振子の大型軽量化を図り、送信音圧を高めるために素材に軽いマグネシウムまたはマグネシウム合金を用いている。一方、特許文献１には、共振子の歪みを防止するために、共振子の固有振動数を超音波送信器の特定の共振周波数を中心とする使用帯域外にすべきことも記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−８８８８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記のように、共振子を大型軽量化した上で、圧電振動子の振動幅を大きくする方法では必ずしも効率の高い超音波の送信ができていない。また、上記の特許文献１記載において共振子の固有振動数を帯域外にすべきと述べられている超音波送信器の共振周波数は、高周波数側の共振周波数と考えられるが、低周波数側の共振周波数付近については検証されていなかった。
【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、効率よく高い音圧を得ることができる超音波発音体、超音波素子およびこれを用いた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、パラメトリックスピーカの発振源として利用される超音波発音体であって、板状の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共振して超音波を発生させる共振子と、を備え、前記共振子のみの固有振動の周波数と、自己の１次共振の周波数とが一致していることを特徴としている。
【００１１】
これにより、超音波振動子全体だけでなく共振子が共振して高い音圧を得ることが可能になる。また、音圧が高くなるとパラメトリックスピーカに必要な超音波発音体の数を低減でき、パラメトリックスピーカを小型かつ安価にすることができる。
【００１２】
（２）また、本発明の超音波素子は、上記の超音波発音体と、前記超音波発音体を振動の節で支持する支持部材と、を備えることを特徴としている。これにより、超音波発音体の振動を阻害せずに大きな音圧を得ることができる。
【００１３】
（３）また、本発明のパラメトリックスピーカは、複数の発振源から超音波を放射するパラメトリックスピーカであって、上記の超音波素子と、配線パターンが設けられ、前記配線パターンに前記超音波素子が設けられた平板状の基板と、を備えることを特徴としている。これにより、複数の発振源で大きな音圧を得ることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、超音波振動子全体だけでなく共振子が共振して高い音圧を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【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】本発明の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】本発明の超音波発音体のインピーダンス特性を示す図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）有限要素法（ＦＥＭ）により超音波発音体の振動をシミュレーションした結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。
【００１７】
（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。
【００１８】
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、配線パターンが設けられ、平板状に形成されており、超音波発音体１１０を固定し支持している。支持部材は、ゴム材料で形成され、基板上に設けられ、超音波発音体１１０を振動の節で支持する。これにより、超音波発音体１１０の動きが妨げられないため、少ない発振源で大きな音圧を得ることができる。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。なお、支持部材は、リング状の突起部が設けられた樹脂製の端子台であってもよい。超音波発音体１１０および支持部材は、超音波素子を構成する。
【００１９】
（超音波発音体の構成）
図２は、超音波発音体１１０の構成を示す側面図である。超音波発音体１１０は、発振源として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、ＰＺＴ等の圧電材料を用いて、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。圧電材料は、機械的品質係数Ｑｍ１００以上が好ましい。圧電素子１１１の径は、振動板１１２の径以下であることが好ましい。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。
【００２１】
共振子１１４は、円錐筒形状に形成されており、振動板１１２の径以下の径を有し、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。共振子１１４の高さは、０．５〜１．５ｍｍが好ましい。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。なお、共振子のみの固有振動の周波数を１次共振の周波数に一致させることで、周波数が２次共振の周波数の１／１０程度となっているため、共振子１１４に歪みが生じ難くなり破損しにくくなっている。
【００２２】
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、例えば、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。振動板１１２の直径は、５〜１５ｍｍが好ましいがこれに限定されない。
【００２３】
共振子１１４および圧電振動子１１５は、共振子１１４のみの固有振動の周波数と、超音波発音体１１０の１次共振の周波数とが一致するように設計されている。これにより、圧電振動子１１５だけでなく共振子１１４が共振して高い音圧を得ることができる。また、音圧が高くなるとパラメトリックスピーカに必要な超音波発音体１１０の数を低減でき、パラメトリックスピーカ１００を小型かつ安価にすることができる。なお、周波数が１ｋＨｚ以内である場合「一致する」と言える。
【００２４】
圧電振動子１１５の厚さは小さく、径は大きいことが好ましい。これにより、圧電振動子１１５の変動幅を大きくし、音圧を大きくすることができる。音圧は圧電振動子１１５の振動幅が大きく変位が大きいほど得られるため、変位を得るためには薄い形状の方が良い。
【００２５】
（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。
【００２６】
（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、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。
【００２７】
（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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。例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。
【００３０】
（インピーダンス特性）
図５は、超音波発音体のインピーダンス特性を示す図である。図５に示すように、超音波発音体は、インピーダンス特性において１次共振（圧電振動子が主となる共振）と２次共振（共振子が主となる共振）の２つの共振が現れる。１次共振、２次共振において圧電振動子と共振子は共に振動している。
【００３１】
図６（ａ）〜（ｃ）は、有限要素法（ＦＥＭ）により超音波発音体の振動をシミュレーションした結果を示す図である。図中の濃淡は、振動の大きさを示している。図６（ａ）は、１次共振時、図６（ｂ）は、２次共振時、図６（ｃ）は、共振子のみの固有振動時を示している。
【００３２】
このように、有限要素法（ＦＥＭ）の解析によれば、１次共振、２次共振の他に共振子のみが固有振動する周波数が存在する。インピーダンス特性は圧電振動子の圧電素子側と振動板側を接続して測定するが、共振子の固有振動は圧電振動子が振動しないため現れない。このインピーダンス特性には現れない共振子の固有振動の周波数に１次共振を合わせることで、より共振子が振動して高い音圧を得ることが可能になる。また、音圧が高くなるとパラメトリックスピーカに必要な超音波発音体の数を低減でき、小型かつ安価にすることができる。
【００３３】
（実施例）
共振子（アルミニウム合金、外径φ６．５ｍｍ、高さ１．０ｍｍ、厚み０．１ｍｍ）と圧電振動子（φ９ｍｍ）で構成された超音波発音体の圧電振動子の厚みを変えて、ＦＥＭで解析した。
【００３４】
表１は、圧電振動子の厚みに対する各振動の周波数の関係を示している。圧電振動子の厚みを変えると１次共振、２次共振は変化するが、共振子の固有振動の周波数はほぼ変化せず４４．５０ｋＨｚにとどまっている。そして、圧電振動子の厚みを０．６ｍｍと設定したとき１次共振と共振子の固有振動の周波数が近くなった。
【００３５】
このような解析結果に基づき、解析したものと同じ寸法の超音波発音体を実際に作製し、共振周波数と音圧を測定した。音圧測定は印加電圧３０Ｖｐ−ｐ、超音波発音体とマイクの距離３０ｃｍにて行った。
【００３６】
表２は、圧電振動子の厚さに対する共振周波数と音圧の測定結果を示している。解析により１次共振の共振周波数が共振子の固有振動に近くなった圧電振動子の厚み０．６ｍｍにおいて、高い音圧が得られた。その結果、共振子の固有振動に１次共振が近いと高い音圧が得られることを確認できた。また、４５ｋＨｚの高音圧の超音波発音体が得られた。
【００３７】
【表１】
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【表２】
2015012384.tif 000004
【００３８】
このように作製したい超音波発音体の周波数に共振子の固有振動の周波数を一致させるよう、解析にて共振子の形状、寸法を設計し、その後に圧電振動子の形状、寸法を調整して１次共振と固有振動の周波数を合わせた超音波発音体を実際に作製した。作製された超音波発音体は、上記以外の周波数でも、圧電振動子の１次共振周波数と共振子の固有振動の周波数が一致する設計で高い音圧が得られた。
【００３９】
また、圧電振動子の厚みを０．６ｍｍに固定し、径を変えて解析した。表３は、圧電振動子の径に対する各振動の周波数の関係を示している。厚み変更の場合よりも若干固有振動が変化したが、径を変えても共振子の固有振動が変わらないことを確認できた。
【００４０】
【表３】
2015012384.tif 000005
【００４１】
また、直径９ｍｍの円板の振動板と圧電素子とを組み合わせた圧電振動子の変位（最大値）を解析した。表４は、振動板の厚みと圧電素子の厚みの組合せに対する変位（μｍ）を示している。音圧は圧電振動子の振動幅が大きいほど、つまり変位が大きいほど得られる。表４に示す結果から、変位を得るためには薄いほうが良いことがわかる。
【００４２】
【表４】
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【符号の説明】
【００４３】
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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