(57)【要約】【課題】従来の構成の指向性スピーカーは、スピーカー自体のサイズが大きかったため、携帯電子機器への搭載が不可能であった。【解決手段】外部からの電気信号により振動発生源を振動させて可聴音から超音波領域までの音波を発振する指向性スピーカーにおいて、前記音波を発振させるための薄膜状の振動膜と、その振動膜を保持するための基台と、前記振動膜に当接させて前記振動膜を除く他の部材とは離間して設けた振動発生源とを有する構成を採用した。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部からの電気信号により振動発生源を振動させて可聴音から超音波領域までの音波を発振する指向性スピーカーにおいて、
前記音波を発振させるための薄膜状の振動膜と、その振動膜を保持するための基台と、前記振動膜に当接させて前記振動膜を除く他の部材とは離間して設けた振動発生源とを有することを特徴とする小型薄型指向性スピーカー。
【請求項２】
前記振動発生源は、分極方向が逆方向となるように配設された複数枚の圧電素子からなり、前記振動膜の片面または両面に前記複数枚の圧電素子を貼り合わせたことを特徴とする請求項１に記載の小型薄型指向性スピーカー。
【請求項３】
請求項１または２に記載の小型薄型指向性スピーカーを少なくとも１つ有し、その小型薄型指向性スピーカーから超音波を発振させて、パラメトリック効果を利用して指向性スピーカーとして機能させることを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部からの電気信号により振動発生源を振動させて可聴音から超音波領域までの音波を発振する小型薄型指向性スピーカーと、そのスピーカーを搭載した小型の電子機器に関する。この電子機器は、例えば超音波のパラメトリック効果を用いて指向性の強い可聴音を発生させ、電子機器へ搭載した場合に使用者以外に音声が聞こえないような効果を有する構成とすることができる。
【０００２】
【従来の技術】
パラメトリック効果を用いた超音波の指向性スピーカーが知られている。この指向性スピーカーは、展示会における出展物の説明や、駅ホームでの案内放送等に最適なスピーカーである。
ここで、従来の技術におけるパラメトリック効果を利用できる指向性スピーカーについて説明する（例えば特許文献１参照。）。
【０００３】
この従来の技術に示されている指向性スピーカーの断面構造を図５に示す。
従来の技術の指向性スピーカー３０は、超音波の振動発生源となるセラミック圧電素子からなる超音波音源２５がベース板２６に固定されており、この超音波音源２５の前方１〜２ｍの位置にポリエチレンのフィルムで構成された複数枚の音響フィルタ２７を配置した構成になっている。
【０００４】
この様に構成された指向性スピーカー３０は、超音波音源２５から発生された超音波から発生する可聴音を、前記音響フィルタ２７を通って外部へ伝えるとともに、可聴音以外の超音波をこの音響フィルタ２７で減衰させる作用により、強い指向性を得ることができる。
【０００５】
【特許文献１】
特公平７−２８４６２号公報（第２項、第２〜５図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記構成の従来技術での指向性スピーカー３０は、確かに強い指向性を有するスピーカーであるが、前述した様にベース板２６に超音波音源２５を固定し、その超音波音源２５の前方１〜２ｍに音響フィルタ２７を配置する構成になっているため、指向性スピーカー３０自体のサイズが大きくなってしまう。そのため、この構成のままでは小型の電子機器へ搭載することは不可能とされていた。
【０００７】
本発明の目的は、上記課題を解決した小型薄型指向性スピーカーと、それを搭載した電子機器を提供することである。
特に、指向性スピーカーを小型薄型の構造にすることで、少なくとも１つの指向性スピーカーを携帯電子機器に搭載することが可能になる。さらに、この携帯電子機器にパラメトリック効果を利用して特定の領域のみに可聴音を再生させて、使用者以外には音が聞こえない機能を持つ携帯電子機器とすることができる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の小型薄型スピーカーの構造は、下記記載の構成を採用する。
【０００９】
本発明の小型薄型スピーカー構造は、外部からの電気信号により振動発生源を振動させて可聴音から超音波領域までの音波を発振する指向性スピーカーにおいて、前記音波を発振させるための薄膜状の振動膜と、その振動膜を保持するための基台と、前記振動膜に当接させて前記振動膜を除く他の部材とは離間して設けた振動発生源とを有することを特徴とする。
【００１０】
また、前述した本発明の小型薄型スピーカーの構造における前記振動発生源は、分極方向が逆方向となるように配設された複数枚の圧電素子からなり、前記振動膜の片面または両面に前記複数枚の圧電素子を貼り合わせたことを特徴とする。
【００１１】
さらに、本発明の電子機器は、前述した小型薄型指向性スピーカーを少なくとも１つ有し、その小型薄型指向性スピーカーから超音波を発振させて、パラメトリック効果を利用して指向性スピーカーとして機能させることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明の実施形態における小型薄型スピーカーの構造を説明する。図１は本発明の第１の実施の形態における小型薄型指向性スピーカーの断面構造図であり、図２は本発明の第２の実施の形態における小型薄型指向性スピーカーの断面構造図である。図３はパラメトリック効果の説明図と本発明の小型薄型指向性スピーカーを搭載した電子機器の構成例を示す概略図である。図４は本発明の小型薄型指向性スピーカーの製造工程を示した工程断面図である。以下図１、図２、図３、図４を用いて、本発明の小型薄型指向性スピーカーの構造と製造方法について詳細に説明する。
【００１３】
（第１の実施の形態）
まず図１を用いて第１の実施の形態である本発明の小型薄型指向性スピーカーの構成例について説明する。
図１に示す本発明の小型薄型指向性スピーカー１の構造は、中央部に凹部１７を設けた基台１１に、その凹部１７周辺の平坦部で薄膜状の振動膜１３を支持し、さらに振動膜１３に振動発生源である圧電素子１２を貼り付けた構造になっている。ここで配設した圧電素子１２は、振動膜１３を除く他の部材と離間した構造とすることが重要である。
【００１４】
この基台１１の周辺の平坦部には、ここでは図示しない外部回路からの信号を入力するための配線パターン１５が形成されており、リード線２４にて配線パターン１５と圧電素子１２が接続された形態とする。この構成とすることで、外部回路からの電気信号の入力で振動発生源となる圧電素子１２とともに振動膜１３を振動させて音波を発生させることができる。
【００１５】
また、図１に示す構成においては、振動膜１３が圧電素子１２よりも面積が大きく形成され、その圧電素子１２は振動膜１３を除き他の部材と離間した形態としている。そのため、振動膜１３が圧電素子１２の振動をより大きくし、圧電素子１２単体の振動で振動することにより発生する音波よりも、より大きな音波を発振することができる。
【００１６】
さらに、圧電素子１２とともに振動膜１３が振幅運動する際に、圧電素子１２と基台１１が接触することがないように、基台１１の中央部に凹部１７を有する。この凹部１７は圧電素子１２に大きな振幅を与えるための重要な構成である。この様に、本発明の小型薄型指向性スピーカー１は、圧電素子１２の振動をより大きくするための振動膜１３をベースとなる基台１１に配置することで、薄型構造でも音圧の強い音波を出力することができる形態となる。
【００１７】
次に、本発明の小型薄型指向性スピーカー１の製造方法について説明する。図４は、本発明の小型薄型指向性スピーカー１の製造工程を示す工程断面図である。
【００１８】
まず最初に、本発明の小型薄型指向性スピーカー１を構成する、ベース板４の製造方法について図４（ａ）を用いて説明する。
このベース板４を得るために、まずは結晶方位が（１００）面になっている平板状のシリコン基板の表面に絶縁膜１６としてＳｉＯ２膜を形成する。その絶縁膜１６上に、後段で説明する基台１１の凹部１７の形成箇所に開口部を有するパターン形状の感光性レジストを形成する。さらにＡｒ雰囲気中でドライエッチングを行い、開口部から露出する絶縁膜１６を除去した後に、表面に残っている感光性レジストを酸素雰囲気中のＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）にて除去する。
【００１９】
次に５０〜７０℃程度に加熱した３０％ＫＯＨ中に２〜６時間浸し、絶縁膜１６をマスクとして、開口部から露出するシリコン基板をエッチングすることで（１１１）の結晶面がエッチングされ凹部１７が形成され、基台１１が完成する。
【００２０】
続けて、基台１１上にアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）もしくは金（Ａｕ）などを蒸着またはスパッタリング法により形成し、フォトリソグラフィ法により絶縁膜１６上に配線パターン１５を形成することで、図４（ａ）に示すベース板４を得ることができる。
【００２１】
次に、音波を発生する振動発生部５の製造方法について図４（ｂ）を用いて説明する。
まず図４（ｂ）に示すように、薄膜状の振動膜１３に振動発生源となる圧電素子１２を貼り付けて振動発生部５を形成する。圧電素子１２の材料はチタン酸バリウム、ジルコン酸チタン酸鉛などの圧電効果を持つセラミックスなどを用いることができる。また、振動膜１３には、アルミニウムやプラスチックなどの薄板を用いることができる。
【００２２】
ここで、先に説明した図４（ａ）のベース板４と、図４（ｂ）の振動発生部５とを組み合わせて形成される小型薄型指向性スピーカー１の形成手段について説明する。
図４（ｃ）に示すように、図４（ａ）で作製した凹部１７と配線パターン１５が形成されたベース板４に、図４（ｂ）で作製した圧電素子１２を貼り付けた振動膜１３を有する振動発生部５を配設する。この際、前記圧電素子１２は、基台１１に形成した凹部１７をまたぐように配し、振動膜１３の周辺部を接着剤１４等で固定する。
【００２３】
さらに、配線パターン１５と圧電素子１２を、金や銅ワイヤー等のリード線２４で接続し、外部回路からの信号を配線パターン１５を通して圧電素子１２へ伝達できる形態として、図４（ｃ）に示す小型薄型指向性スピーカー１を得ることができる。
【００２４】
以上の実施の形態では、基台１１にシリコン基板を用いた構成例について説明したが、プラスチック等の樹脂を溶かして型に流し込んで作製した基台、または金属板を切削加工して形成された基台を用いても構わない。
【００２５】
また、図１に示す振動膜１３と圧電素子１２との配置位置を逆とした形態、つまり図中において振動膜１３よりも圧電素子１２が上段となる形態としても構わない。
【００２６】
（第２の実施の形態）
次に図２を用いて第２の実施の形態である他の構成例について説明する。
本実施の形態における小型薄型指向性スピーカーの構造は、図２（ａ），（ｂ）に示すように振動発生源となる圧電素子１２を、振動膜１３の両面または片面に２枚貼り付けた構造である。
【００２７】
この図２（ａ），（ｂ）に示す圧電素子１２を２枚使用する小型薄型指向性スピーカー２，３を採用する場合は、分極方向が逆になるように前記２枚の圧電素子１２を振動膜１３に貼り合わせる必要がある。この様に、２枚の圧電素子１２の分極方向を逆にして振動膜１３に貼り付けることで、１枚の圧電素子で構成された第１の実施の形態における振動膜１３の振幅に比べて、振動膜１３の振幅を大きくすることができ、より強力な音波を発生させることができる。
【００２８】
上記の説明では、２枚の圧電素子１２を振動膜１３に貼り合わせる実施の形態について説明したが、さらに大きな音波を発生させるために３枚以上の圧電素子１２を分極方向が逆になるように振動膜１３に貼り合わせる形態としてももちろん構わない。
【００２９】
なお、図２に示す本発明の第２の実施の形態における小型薄型指向性スピーカー２，３は、第１の実施の形態の構成に加えて、さらに１枚以上の圧電素子１２を設けることのみが異なり、その他は同じ製造工程となるので、ここでの説明は省略する。
【００３０】
（第３の実施の形態）
次に、第３の実施の形態として本発明での指向性の原理となる超音波のパラメトリック効果について図３を用いて説明する。
図３（ａ）に示すように、超音波スピーカーとして機能する本発明の小型薄型指向性スピーカー１から、目的の可聴音を生成するための１次音波を出力する。ここでは、１次音波として異なる周波数の超音波“ｆ１”と“ｆ２”２種の出力がされる場合で以下に説明する。
【００３１】
２つの超音波ｆ１とｆ２は、小型薄型指向性スピーカー１から出力されると互いに各超音波は干渉し合い、２つの波長周波数の変調波（以下「２次音波１９」と示す）が生成されることとなる。この２次音波１９は、２つの１次音波であるｆ１とｆ２の波長の和成分と差成分からなる。２つの１次音波は超音波領域の音波であるために、和成分も超音波となる。そのため、この和成分は使用者には聞こえないが、差成分が可聴周波数の音波になる場合に可聴音となるので、使用者のみにこの可聴音を聴かせることができる。
【００３２】
また、小型薄型指向性スピーカー１からの距離が長くなると、１次音波と２次音波は、音波が伝播される際の空気の抵抗等で減衰するので、小型薄型指向性スピーカー１から遠く離れるに従って、発生した可聴音は聞こえなくなる。この現象から、ある特定の領域にしか可聴音が生成されず指向性の強い可聴音場２０を形成することができ、特定の場所にしか音が聞こえないパラメトリック効果を有する形態とすることができる。
【００３３】
その原理を達成するための構成例を図３（ｂ）に示す。この構成によれば、例えば電子機器６である携帯電話に本発明の小型薄型指向性スピーカー１を搭載して、使用者のみに可聴音が聞こえる携帯用の電子機器とすることができる。
【００３４】
また、２つの本発明の小型薄型指向性スピーカー１を電子機器６に搭載し、２つの１次音波から可聴域の２次音波を生成できる形態とし、パラメトリック効果を用いて指向性の強いスピーカーを有する形態としても構わない。
【００３５】
この様に、携帯電話や携帯情報端末、携帯テレビ、パーソナルコンピューターなどの電子機器へ上記構成の本発明の小型薄型指向性スピーカー１を搭載すれば、使用者のみに可聴音が聞こえ、周辺の人にその音が聞こえることがない電子機器とすることができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明の指向性スピーカーは、外部からの電気信号により振動発生源を振動させて可聴音から超音波領域までの音波を発振する指向性スピーカーにおいて、前記音波を発振させるための薄膜状の振動膜と、その振動膜を保持するための基台と、前記振動膜に当接させて前記振動膜を除く他の部材とは離間して設けた振動発生源とを有する構成としたので、小型の電子機器に搭載可能な程にスピーカーサイズを小さくすることができ、薄型構造でも音圧の強い音波を出力することができる形態となる。
【００３７】
また、この様な構成の小型薄型指向性スピーカーを携帯用の電子機器に搭載することで、使用者が周囲へ気を使うことなく音を出すことを可能とし、例えば携帯電話でテレビ電話などを行うときに、周囲の人にはその会話が聞こえない電子機器とすることができる。
【００３８】
さらに、動画の音声付き再生や音楽などを聞くことができる電子機器にも本発明の小型薄型指向性スピーカーを搭載することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における小型薄型指向性スピーカーの構造を説明するための断面構造図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態における小型薄型指向性スピーカーの構造を説明するための断面構造図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態における小型薄型指向性スピーカーを携帯電子機器に搭載した場合のパラメトリック効果について説明するための原理図、及び電子機器の一例を示した説明図である。
【図４】本発明の小型薄型指向性スピーカーの製造工程を説明するための工程断面図である。
【図５】従来技術における指向性スピーカーの構造を説明するための断面構造図である。
【符号の説明】
１〜３  小型薄型指向性スピーカー
４  ベース板
５  振動発生部
６  携帯電子機器
１１  基台
１２  圧電素子
１３  振動膜
１４    接着剤
１５  配線パターン
１６  絶縁膜
１７  凹部
１９  ２次音波
２０  可聴音場
２４  リード線
【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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