(57)【要約】【課題】電気信号を超音波に変換する際の変換効率に優れるとともに、小型化に有利なパラメトリックスピーカ用電気音響変換器およびパラメトリックスピーカを提供すること。【解決手段】パラメトリックスピーカ用電気音響変換器２は、パラメトリックスピーカに用いられ、入力された電気信号を超音波に変換して放射するものである。このパラメトリックスピーカ用電気音響変換器２は、長尺形状をなし、電気信号が入力されることによりその長手方向に伸縮振動する圧電アクチュエータ３と、圧電アクチュエータ３の基端部を支持する基台４と、圧電アクチュエータ３の先端側に設置され、圧電アクチュエータ３の伸縮振動に伴って超音波を発生するように振動する振動部５１を有する振動板５と、振動板５が発生する超音波を共鳴させる共鳴器６とを備える。【選択図】図２
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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に用いられ、入力された電気信号を超音波に変換して放射するパラメトリックスピーカ用電気音響変換器であって、
長尺形状をなし、前記電気信号が入力されることによりその長手方向に伸縮振動する圧電アクチュエータと、
前記圧電アクチュエータの基端部を支持する基台と、
前記圧電アクチュエータの先端側に設置され、前記圧電アクチュエータの伸縮振動に伴って超音波を発生するように振動する振動部を有する振動板と、
前記振動板が発生する超音波を共鳴させる共鳴器とを備えることを特徴とするパラメトリックスピーカ用電気音響変換器。
【請求項２】
前記共鳴器は、共鳴室と、前記共鳴室に連通する放音孔とを有する請求項１に記載のパラメトリックスピーカ用電気音響変換器。
【請求項３】
前記放音孔は、前記圧電アクチュエータの先端面と非対向な位置に形成されている請求項２に記載のパラメトリックスピーカ用電気音響変換器。
【請求項４】
前記圧電アクチュエータは、圧電材料と導電材料とをそれぞれ層状に交互に積層した部分を有する請求項１ないし３のいずれかに記載のパラメトリックスピーカ用電気音響変換器。
【請求項５】
前記圧電材料と前記導電材料とは、前記圧電アクチュエータの伸縮方向に対し平行に積層されている請求項４に記載のパラメトリックスピーカ用電気音響変換器。
【請求項６】
前記圧電材料と前記導電材料とは、前記圧電アクチュエータの伸縮方向に対し垂直に積層されている請求項４に記載のパラメトリックスピーカ用電気音響変換器。
【請求項７】
前記基台と前記共鳴器とは、固定部材を介して固定されている請求項１ないし６のいずれかに記載のパラメトリックスピーカ用電気音響変換器。
【請求項８】
前記振動板と重ねて接合された放音プレートを備え、前記振動板と前記放音プレートとの少なくとも一方の接合面側に形成された凹部により前記共鳴器の共鳴室が形成されている請求項１ないし７のいずれかに記載のパラメトリックスピーカ用電気音響変換器。
【請求項９】
前記振動板とスペーサプレートと放音プレートとがこの順に重ねて接合されており、前記スペーサプレートにより前記振動板と前記放音プレートとの間に形成された空間によって前記共鳴器の共鳴室の少なくとも一部が形成されている請求項１ないし７のいずれかに記載のパラメトリックスピーカ用電気音響変換器。
【請求項１０】
前記圧電アクチュエータは、その伸縮方向に平行な面が前記基台に重なるように固着されている請求項１ないし９のいずれかに記載のパラメトリックスピーカ用電気音響変換器。
【請求項１１】
前記圧電アクチュエータの伸縮方向についての前記基台の長さは、前記圧電アクチュエータの長さより長い請求項１ないし１０のいずれかに記載のパラメトリックスピーカ用電気音響変換器。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のいずれかに記載の少なくとも１つのパラメトリックスピーカ用電気音響変換器と、
超音波帯域の周波数で電圧が振動する信号を生成する発振器と、
音声信号に基づいて前記信号を振幅変調する振幅変調器と、
前記振幅変調器によって変調された被変調信号を増幅する増幅器とを備え、
前記増幅器で増幅された被変調信号を前記パラメトリックスピーカ用電気音響変換器に入力して超音波を放射することを特徴とするパラメトリックスピーカ。
【請求項１３】
前記パラメトリックスピーカ用電気音響変換器の圧電アクチュエータの伸縮振動の固有振動数と、前記発振器の発振周波数とが近傍にある請求項１２に記載のパラメトリックスピーカ。
【請求項１４】
前記パラメトリックスピーカ用電気音響変換器の共鳴器の共鳴周波数と、前記発振器の発振周波数とが近傍、または倍音関係の近傍にある請求項１２または１３に記載のパラメトリックスピーカ。
【請求項１５】
前記パラメトリックスピーカ用電気音響変換器の圧電アクチュエータの伸縮振動の固有振動数と、前記共鳴器の共鳴周波数とが近傍、または倍音関係の近傍にある請求項１２ないし１４のいずれかに記載のパラメトリックスピーカ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パラメトリックスピーカ用電気音響変換器およびパラメトリックスピーカに関する。
【０００２】
【従来の技術】
音を向ける方向に関して高い指向性が得られるパラメトリックスピーカ（俗にオーディオ・スポットライトとも称される）が知られている（例えば、非特許文献１参照）。パラメトリックスピーカは、電気信号を超音波に変換して放射する電気音響変換器を備えており、音声信号に応じて振幅変調した超音波をこの電気音響変換器から放射し、この超音波が空中を伝播する間に音波の非線形現象によって自己復調されることによって生じた可聴音を人間の耳に聞かせる。このように、パラメトリックスピーカは、指向性の高い超音波帯域の音波を放射することによって可聴音を発生することができるので、音を向ける方向に関して高い指向性を有している。
【０００３】
しかしながら、従来のパラメトリックスピーカでは、超音波源となる電気音響変換器の変換効率が悪く、かつ大型であった。このため、従来のパラメトリックスピーカでは、重量が重い、大型である、電力消費量が大きい、音質が悪い、製造コストが高い等の多くの欠点がある。そして、パラメトリックスピーカは、自己復調によって可聴音に変換される際に生じる損失のために、エネルギー効率が低いので、上述したような欠点を克服するのが極めて困難であった。
【０００４】
【非特許文献１】
Ｍ．Ｙｏｎｅｙａｍａ，  ｅｔ  ａｌ．，  Ｊ．Ａｃｏｕｓｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ  ｖ７３  １５３２−１５３６  （１９８３）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、電気信号を超音波に変換する際の変換効率に優れるとともに、小型化に有利なパラメトリックスピーカ用電気音響変換器およびパラメトリックスピーカを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明のパラメトリックスピーカ用電気音響変換器は、パラメトリックスピーカに用いられ、入力された電気信号を超音波に変換して放射するパラメトリックスピーカ用電気音響変換器であって、
長尺形状をなし、前記電気信号が入力されることによりその長手方向に伸縮振動する圧電アクチュエータと、
前記圧電アクチュエータの基端部を支持する基台と、
前記圧電アクチュエータの先端側に設置され、前記圧電アクチュエータの伸縮振動に伴って超音波を発生するように振動する振動部を有する振動板と、
前記振動板が発生する超音波を共鳴させる共鳴器とを備えることを特徴とする。
これにより、電気信号を超音波に変換する際の変換効率に優れるとともに、小型化に有利なパラメトリックスピーカ用電気音響変換器を提供することができる。このパラメトリックスピーカ用電気音響変換器を用いたパラメトリックスピーカでは、電力消費量の低減、小型化・軽量化、低コスト化が図れる。
【０００７】
本発明のパラメトリックスピーカ用電気音響変換器では、前記共鳴器は、共鳴室と、前記共鳴室に連通する放音孔とを有することが好ましい。
これにより、超音波の音圧をより強く放射することができ、さらに優れた変換効率が得られるとともに、パラメトリックスピーカの特徴である音の指向性をさらに十分に生かすことができる。
【０００８】
本発明のパラメトリックスピーカ用電気音響変換器では、前記放音孔は、前記圧電アクチュエータの先端面と非対向な位置に形成されていることが好ましい。
これにより、複数のパラメトリックスピーカ用電気音響変換器を並べて配置する場合、各パラメトリックスピーカ用電気音響変換器の放音孔の配置を高い自由度で定めることができる。
【０００９】
本発明のパラメトリックスピーカ用電気音響変換器では、前記圧電アクチュエータは、圧電材料と導電材料とをそれぞれ層状に交互に積層した部分を有することが好ましい。
これにより、圧電アクチュエータは、比較的低い電圧でも大きな変位量が得られるとともに、制御性（応答性）に優れることとなるので、さらに優れた変換効率が得られ、パラメトリックスピーカに用いた場合、より優れた音質が得られる。また、圧電アクチュエータの加工性を優れたものにすることもできるので、量産に適し、より低いコストで製造することができる。
【００１０】
本発明のパラメトリックスピーカ用電気音響変換器では、前記圧電材料と前記導電材料とは、前記圧電アクチュエータの伸縮方向に対し平行に積層されていることが好ましい。
これにより、圧電アクチュエータは、他の振動モードと比較してより高いエネルギー効率が得られる。
【００１１】
本発明のパラメトリックスピーカ用電気音響変換器では、前記圧電材料と前記導電材料とは、前記圧電アクチュエータの伸縮方向に対し垂直に積層されていることが好ましい。
これにより、圧電アクチュエータは、より多層に積層を可能とし、より低い電圧で駆動することができる。
【００１２】
本発明のパラメトリックスピーカ用電気音響変換器では、前記基台と前記共鳴器とは、固定部材を介して固定されていることが好ましい。
これにより、製造（組み立て）に際し、固定部材と基台との相対的な位置関係を調整することにより共鳴器（振動板）に対して圧電アクチュエータを正確に位置決めすることができ、容易に製造することができる。
【００１３】
本発明のパラメトリックスピーカ用電気音響変換器では、前記振動板と重ねて接合された放音プレートを備え、前記振動板と前記放音プレートとの少なくとも一方の接合面側に形成された凹部により前記共鳴器の共鳴室が形成されていることが好ましい。
これにより、共鳴器部分の製造（組み立て）を容易に行うことができる。
【００１４】
本発明のパラメトリックスピーカ用電気音響変換器では、前記振動板とスペーサプレートと放音プレートとがこの順に重ねて接合されており、前記スペーサプレートにより前記振動板と前記放音プレートとの間に形成された空間によって前記共鳴器の共鳴室の少なくとも一部が形成されていることが好ましい。
これにより、共鳴器部分の製造（組み立て）を容易に行うことができる。
【００１５】
本発明のパラメトリックスピーカ用電気音響変換器では、前記圧電アクチュエータは、その伸縮方向に平行な面が前記基台に重なるように固着されていることが好ましい。
これにより、基台に対して圧電アクチュエータを容易かつ強固に固定することができる。
【００１６】
本発明のパラメトリックスピーカ用電気音響変換器では、前記圧電アクチュエータの伸縮方向についての前記基台の長さは、前記圧電アクチュエータの長さより長いことが好ましい。
これにより、パラメトリックスピーカ用電気音響変換器の製造（組み立て）を容易に行うことができる。
【００１７】
本発明のパラメトリックスピーカは、本発明の少なくとも１つのパラメトリックスピーカ用電気音響変換器と、
超音波帯域の周波数で電圧が振動する信号を生成する発振器と、
音声信号に基づいて前記信号を振幅変調する振幅変調器と、
前記振幅変調器によって変調された被変調信号を増幅する増幅器とを備え、
前記増幅器で増幅された被変調信号を前記パラメトリックスピーカ用電気音響変換器に入力して超音波を放射することを特徴とする。
これにより、電力消費量の低減、小型化・軽量化、低コスト化が図れるパラメトリックスピーカを提供することができる。
【００１８】
本発明のパラメトリックスピーカでは、前記パラメトリックスピーカ用電気音響変換器の圧電アクチュエータの伸縮振動の固有振動数と、前記発振器の発振周波数とが近傍にあることが好ましい。
これにより、圧電アクチュエータを共振現象によってより大きな振幅で振動させることができるので、電気音響変換器の変換効率をさらに向上することができ、さらなる電力消費量の低減、小型化・軽量化が図れる。
【００１９】
本発明のパラメトリックスピーカでは、前記パラメトリックスピーカ用電気音響変換器の共鳴器の共鳴周波数と、前記発振器の発振周波数とが近傍、または倍音関係の近傍にあることが好ましい。
これにより、振動板で発生した超音波をより強く共鳴させることができるので、電気音響変換器の変換効率をさらに向上することができ、さらなる電力消費量の低減、小型化・軽量化が図れる。
【００２０】
本発明のパラメトリックスピーカでは、前記パラメトリックスピーカ用電気音響変換器の圧電アクチュエータの伸縮振動の固有振動数と、前記共鳴器の共鳴周波数とが近傍、または倍音関係の近傍にあることが好ましい。
これにより、振動板で発生した超音波をより強く共鳴させることができるので、電気音響変換器の変換効率をさらに向上することができ、さらなる電力消費量の低減、小型化・軽量化が図れる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のパラメトリックスピーカ用電気音響変換器およびパラメトリックスピーカを添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。
図１および図２は、それぞれ、本発明のパラメトリックスピーカ用電気音響変換器の実施形態を示す斜視図および断面側面図である。なお、以下では、説明の都合上、図１および図２中の上側を「先端」、下側を「基端」と言う。
【００２２】
図１および図２に示すパラメトリックスピーカ用電気音響変換器２（以下、単に「電気音響変換器２」と言う）は、パラメトリックスピーカに用いられるものであり、入力された電気信号を超音波（超音波振動）に変換して空中に放射するものである。なお、電気音響変換器２を備えたパラメトリックスピーカ１の全体構成については後述する。
この電気音響変換器２は、長尺形状（細長い形状）をなす圧電アクチュエータ（圧電振動体）３と、該圧電アクチュエータ３の基端（固定端）部を支持する基台４と、圧電アクチュエータ３の先端（自由端）側に設置された振動板５と、振動板５が発生する超音波を共鳴させる共鳴器６と、固定部材７とを備えている。
【００２３】
図１に示すように、本実施形態では、ｎ行×２列（ｎは、２以上の整数）に並ぶ複数の電気音響変換器２が一体となった構成（電気音響変換器アレイ）になっている。そして、この電気音響変換器アレイでは、基台４、振動板５、共鳴器６および固定部材７（固定部材７は図１中では省略）は、それぞれ、各電気音響変換器２のものが一体に形成されている。
図２に示すように、同図中で左側の列の電気音響変換器２と右側の列の電気音響変換器２とは、その構造が互いに面対称の関係にある。また、各列の複数の電気音響変換器２は、その構造が互いに同じになっている。よって、以下では、１つの電気音響変換器２について代表して説明する。
【００２４】
圧電アクチュエータ３は、電気信号（振動電圧）が入力（印加）されることにより、その長手方向に伸縮振動するものである。この圧電アクチュエータ３は、圧電材料と導電材料とをそれぞれ層状に交互に積層した部分を有している。また、本実施形態では、圧電材料と導電材料とは、圧電アクチュエータ３の伸縮方向（長手方向）に対し平行に積層されている。
【００２５】
以下、この圧電アクチュエータ３の製造方法の一例について説明するが、製造工程の図示は省略する。また、以下の例は、列方向（図２の紙面に垂直な方向）に並ぶ複数の圧電アクチュエータ３を同時に製造する場合の例である。
定盤の上にペースト状に調製した圧電材料（例えばチタン酸・ジルコン酸鉛系複合ペロブスカイトセラミックス材料）を薄く塗布して第１の圧電材料層３１を形成し、これの表面に例えば蒸着または導電性塗料の塗布等の方法により、第１の圧電材料層３１の一部に露出部を残すようにして第１の導電層３２を形成し、さらにこの第１の導電層３２および第１の圧電材料層３１の露出部との表面に圧電材料を薄く塗布して第２の圧電材料層３３を形成し、さらにこれの上に第１の導電層３２とは異なる側に第２の導電層３４を形成する、という工程を必要な回数だけ繰り返す。
【００２６】
このようにして所定の層数を形成した段階で、乾燥させ、これに圧力を加えた状態で温度１０００〜１２００℃で１時間程度焼成することにより板状のセラミック（圧電板）に仕上がる。次いで、各第１の導電層３２が露出している一方の端部に導電塗料を塗布して一方の集電極３５を、また各第２の導電層３４が露出している他方の端部に導電塗料を塗布して集電極３６を形成する。このようにして形成された圧電板を基台４（基台４の集合体）の突部４１に例えば導電性接着剤等を用いて固定し、所定幅間隔で、基台４の表面近傍までダイヤモンドカッタ等によりカット（歯割加工）する。この歯割加工（切削）により生じたスリットによって前記圧電板を複数の長尺形状部材に分離することにより、複数の圧電アクチュエータ３が形成される。圧電アクチュエータ３は、例えば以上説明したような方法により、比較的容易かつ低コストで製造することができる。
【００２７】
このような圧電アクチュエータ３では、複数の第１の導電層３２と、複数の第２の導電層３４とが、一対の櫛歯電極として機能する。そして、電気音響変換器２では、集電極３５、３６に、それぞれ、図示しない導電材料（導電部材）が接続されており、一対の櫛歯電極としての第１の導電層３２および第２の導電層３４に電気信号（電圧）を入力（印加）することができるようになっている。なお、振動板５が導電材料で構成されている場合には、振動板５が集電極３５に対する導電部材として機能してもよい。
図２に示す圧電アクチュエータ３では、圧電材料と導電材料（電極）とが伸縮方向（長手方向）に平行に配置されていることにより、他の振動モードと比較してより高いエネルギー効率が得られる。
【００２８】
圧電アクチュエータ３は、伸縮振動の固有振動数ν１が、２０ｋＨｚ〜８００ｋＨｚであるのが好ましく、４０ｋＨｚ〜４００ｋＨｚであるのがより好ましい。また、後述するように、この固有振動数ν１は、パラメトリックスピーカ１の発振器１１の発振周波数ν２の近傍にあることがより好ましい。また、固有振動数ν１と、共鳴器６の共鳴周波数ν３とが近傍、または倍音関係の近傍にあることがより好ましい。
【００２９】
図３は、本発明における圧電アクチュエータの他の構成例を示す斜視図である。図３に示す圧電アクチュエータ３’では、圧電材料と導電材料とが圧電アクチュエータ３’の伸縮方向（長手方向）に対し垂直に積層されている。本発明では、前記圧電アクチュエータ３に代えて、この圧電アクチュエータ３’のようなものを用いてもよい。図３に示す圧電アクチュエータ３’では、圧電材料と導電材料とをより多くの層で積層することができるので、より低い電圧で駆動することができる。
【００３０】
図２に示すように、基台４は、その基端側の部分に、圧電アクチュエータ３を固定するための側方に突出した突部４１を有している。圧電アクチュエータ３は、その先端（先端面）が振動板５に接合され、その基端部が基台４の突部４１に固定されている。
本発明では、圧電アクチュエータ３の基端部が基台４に固着されているため、基台４の強度（剛性）により、圧電アクチュエータ３にはそれほど大きな強度が必要とされないことから、製造が容易であり、小型化にも有利である。また、図示の構成では、圧電アクチュエータ３は、その伸縮方向（長手方向）に平行な面が基台４の突部４１に重なるように固着されている。これにより、上記効果がより顕著に発揮される。
【００３１】
基台４は、その先端の位置が圧電アクチュエータ３の先端面とほぼ一致し、また基端の位置が圧電アクチュエータ３の基端を超えて基端方向に突出する大きさに構成されている。すなわち、圧電アクチュエータ３の伸縮方向についての基台４の長さは、圧電アクチュエータ３の長さより長くなっている。そして、基台４は、その基端（基端面）を固定部材７に固定されている。また、基台４の先端（先端面）は、振動板５に接合（固定）されている。固定部材７は、振動板５および共鳴器６を支持するとともに、基台４を介して圧電アクチュエータ３の先端を振動板５に当接させている。
【００３２】
基台４の先端面には、後述する共鳴室６３と圧電アクチュエータ３とを隔離する振動板５が固定されている。この振動板５は、圧電アクチュエータ３の先端面と接合（固定または当接）された振動部５１を有している。また、振動板５は、振動部５１の近傍に設けられた凹部５２、５３によって形成された薄肉部を有している。これにより、振動部５１は、圧電アクチュエータ３の振動により確実に追従して振動できるようになっている。
【００３３】
振動板５の構成材料は、特に限定されないが、例えば、ステンレス鋼、シリコン、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ジグリコールジアルキルカルボネート樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂窒化珪素、ジルコニア、部分安定化ジルコニア等の、各種金属材料、各種樹脂材料、各種セラミックを用いることができる。
【００３４】
振動板５の先端面側には、共鳴室６３を有する共鳴器６が設置されている。この共鳴器６は、ヘルムホルツ共鳴器として機能するものである。共鳴器６は、振動板５の先端面側に重ねて接合（固定）されたスペーサプレート（スペーサ部材）６２と、該スペーサプレート６２の先端面側に重ねて接合（固定）された放音プレート６１とで構成されている。
【００３５】
スペーサプレート６２は、振動板５との接合面側に形成された凹部６２１と、凹部６２１から先端面側に貫通する貫通孔６２２とを有している。凹部６２１によって、振動板５と放音プレート６１との間に空間（隙間）が形成されており、この凹部６２１内の空間が共鳴室６３を構成している。
放音プレート６１には、貫通孔６２２を介して共鳴室６３に連通する放音孔６４が形成されている。この放音孔６４および貫通孔６２２は、ヘルムホルツ共鳴器におけるポート部を構成する。
図示の構成では、放音孔６４および貫通孔６２２は、圧電アクチュエータ３の先端面と非対向な位置に形成されている。これにより、放音孔６４の配置位置の自由度を高めることができ、例えば本実施形態のように、各列の放音孔６４を互いに近づけて配置することも可能になる（図１参照）。
【００３６】
このような電気音響変換器２の圧電アクチュエータ３に超音波帯域の周波数で電圧が振動する電気信号（振動電圧）を入力すると、圧電アクチュエータ３は、その長手方向に伸縮振動し、これに伴って振動板５の振動部５１が振動して、超音波を発生する。振動板５で発生した超音波は、共鳴器６で共鳴し、図２中の上方向に向かって放射される。
【００３７】
基台４、放音プレート６１、スペーサプレート６２、固定部材７の構成材料は、それぞれ、特に限定されないが、例えば、ステンレス鋼、シリコン、ＳｉＯ２、ポリイミド、ポリサルフォン、ネガ型またはポジ型の感光性樹脂材料（エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ジグリコールジアルキルカルボネート樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂など）等の、各種金属材料、各種樹脂材料、各種ガラス、各種セラミックスを用いることができる。
【００３８】
本発明の電気音響変換器２では、共鳴器６を設けたことにより、超音波を共鳴させて放射することができるので、入力された電気信号を超音波（音響エネルギー）に変換する変換効率（以下、単に「変換効率」と言う場合もある）が高い。よって、電気音響変換器２を用いたパラメトリックスピーカでは、比較的低い電圧の電気信号でも十分な強さで超音波を放射することができるので、電力消費量の低減が図れる。
【００３９】
さらに、本発明の電気音響変換器２は、小型化に極めて有利であり、多数の電気音響変換器２を例えば行列状に並べて設置する場合、単位面積当たりの配置個数を極めて多くすることができる。よって、比較的小さいパラメトリックスピーカでも、十分な強さの可聴音が得られ、パラメトリックスピーカの小型化・軽量化が図れる。
【００４０】
特に、本実施形態では、共鳴器６に放音孔６４を設けたことにより、超音波がより強く共鳴し、さらに優れた変換効率が得られるとともに、超音波の音圧をより強く放射することができる。よって、上述した効果（電力消費量の低減、小型化・軽量化）がより顕著に発揮されるとともに、パラメトリックスピーカの特徴である音の指向性をさらに十分に生かすことができる。
【００４１】
なお、共鳴器６は、より優れた共鳴状態を得るために、次のような条件を満足するものであるのが好ましい。共鳴器６の共鳴周波数ν３は、１０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚであるのが好ましく、２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚであるのがより好ましい。なお、後述するように、この共鳴周波数ν３は、圧電アクチュエータ３の伸縮振動の固有振動数ν１やパラメトリックスピーカ１の発振器１１の発振周波数ν２と近傍にあることや倍音関係の近傍にあることがより好ましい。共鳴器６が上記のような条件を満足するものであることにより、電気音響変換器２を用いたパラメトリックスピーカでは、上述した共鳴器６の効果がより顕著に発揮される。
なお、一般に、ヘルムホルツ共鳴器は、次式で示される共鳴周波数νを持つ。
【００４２】
【数１】
2004312394.tif 000003
ただし、上記式において、ｃは音速、Ｓはポート部（放音孔）の開口面積、Ｖは共鳴室の容積、Ｌはポート部の長さ（図２中のＬで示す長さ）である。
【００４３】
以下、上記式に基づいて、例えばある実施例における共鳴周波数νを計算する。Ｓ＝５０μｍ×５０μｍ、Ｌ＝５０μｍ、Ｖ＝１００μｍ×１００μｍ×１．５ｍｍの共鳴器を考えると、共鳴周波数νは約９９ｋＨｚである。この場合、後述するパラメトリックスピーカ１において、この共鳴周波数νの近傍の発振周波数ν２を使うことにより、さらに高い効率で空気にエネルギーを伝達させることができる。ただし、実際の共鳴器６は複雑な幾何学的構造を持つため、上記のような計算値は目安に留め、実物での合わせこみが望ましい。こうすれば、より低パワー（低消費電力）で高効率なパラメトリックスピーカが得られる。
【００４４】
また、電気音響変換器２では、基台４を介して共鳴器６（振動板５）に対し圧電アクチュエータ３を位置決めできるため、固定部材７と基台４との相対的な位置関係を調整することにより共鳴器６（振動板５）に対して圧電アクチュエータ３を正確に位置決めすることができる。よって、圧電アクチュエータ３の先端を振動部５１に高い位置精度で当接させることが可能となる。また、基台４に前記圧電板の基端側を固着した状態で歯割加工してから、固定部材７に位置決めできるため、機械的強度が高い基台４を介して脆弱な圧電アクチュエータ３を位置決めでき、共鳴器６（振動板５）への位置決め時のハンドリングを容易化することができ、さらに基台４と固定部材７とが別部材として構成できるため、それぞれの目的に合致した材料、つまり基台４には圧電アクチュエータ３からの反力を受け止めるに十分な剛性の高い材料を、また固定部材７には射出成形等により製造することが可能な高分子材料等を選択することができる。このようなことから、電気音響変換器２では、高性能化（高変換効率化）と、製造コストの低減との両立を、高いレベルで達成することができる。
【００４５】
また、本実施形態では、圧電アクチュエータ３は、前述したような積層構造を有していることにより、比較的低い電圧でも大きな変位量が得られるとともに、制御性（応答性）に優れる。これにより、本実施形態の電気音響変換器２は、さらに優れた変換効率が得られ、パラメトリックスピーカに用いた場合、より優れた音質が得られる。また、圧電アクチュエータ３は、前述したような積層構造を有していることにより、加工性にも優れ、量産に適し、より低いコストで製造することができ、さらに耐久性も高い。
【００４６】
図４は、本発明のパラメトリックスピーカ用電気音響変換器による他の実施形態を示す斜視図である。図４に示す電気音響変換器２’では、前記電気音響変換器２と異なり、共鳴器６がスペーサプレート６２を有さず、振動板５’に放音プレート６１’が重ねて接合（固定）されている。そして、振動板と放音プレートとの接合面側にそれぞれ形成された凹部５４、５５と凹部６５とにより、共鳴器６の共鳴室６３が形成されている。なお、図示の構成では、凹部５４、５５は、隣り合う電気音響変換器２’のものが連通しているが、共鳴器として独立させるためには、隔壁を形成することにより分離することがより望ましい。図４に示す実施形態では、スペーサプレート６２が不要となり、組立工程の簡素化が図れる。上記の点以外は、電気音響変換器２’は、前記電気音響変換器２と同様である。
【００４７】
図５は、本発明のパラメトリックスピーカの実施形態を示すブロック図、図６は、パラメトリックスピーカの原理を説明するための図である。以下、同図に基づいて、本発明のパラメトリックスピーカの実施形態について説明する。
図５に示すパラメトリックスピーカ（パラメトリックアレイスピーカ）１は、前述した電気音響変換器２と、発振器（搬送波発生手段）１１と、振幅変調器（振幅変調手段）１２と、増幅器（増幅手段）１３と、音声入力インターフェース１４とを備えている。
このパラメトリックスピーカ１は、可聴音（音声信号）によって超音波帯域の周波数をもつ搬送波（信号）を振幅変調したものを空中に放射し、空気の非線型特性を利用して可聴音を復調（自己復調）することにより、指向性の高い音響放射を行うことができるスピーカである。
【００４８】
パラメトリックスピーカ１における電気音響変換器２の設置個数は、１個でもよいが、複数個であるのが好ましい。この設置個数の調整により、十分な大きさ（音圧）の可聴音を発生させることができる。前述したように、本発明の電気音響変換器２は、小型化に有利であるので、多数の電気音響変換器２を高い集積度（密度）で配置することができる。
【００４９】
発振器１１は、超音波帯域の周波数（約２０ｋＨｚ以上）で電圧が振動する信号（搬送波）を生成（発生）する。発振器１１の発振周波数（搬送波の周波数）ν２は、超音波帯域であれば特に限定されないが、２０ｋＨｚ〜４００ｋＨｚ程度であるのが好ましく、４０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ程度であるのがより好ましい。
【００５０】
図示しない音声生成器で生成された音声信号は、音声入力インターフェース１４を介して振幅変調器１２に入力される。振幅変調器１２は、この音声信号に基づいて、発振器１１から発振された信号、すなわち搬送波を振幅変調する。振幅変調器１２における振幅変調方式は、特に限定されず、通常の振幅変調方式のものでもよく、また、信号の包絡をもって振幅変調する包絡変調方式でもよい。
【００５１】
振幅変調器１２によって変調された被変調信号は、増幅器１３に入力され、電気音響変換器２を駆動可能なレベルに増幅される。増幅器１３で増幅された被変調信号は、電気音響変換器２に入力される。電気音響変換器２は、この入力された信号を超音波に変換し、空中に、指向性を持って（図２中の上方向に）放射する。
【００５２】
電気音響変換器２から空中に放射された超音波（被変調波）は、空気の非線形特性によって歪み波となり、空気中を伝搬中に元の音声信号の可聴音に復調される。この復調された可聴音は、元の超音波の超指向特性を持っているため、パラメトリックスピーカ１は、所望の特定空間（特定方向）に対してのみ音響放射を行うことができる。
【００５３】
上記のようなパラメトリックスピーカ１の原理について、図６に基づいてさらに説明する。図６（ａ）は、伝送波、すなわち音声生成器から出力された音声信号の波形である。図６（ｂ）は、発振器１１で生成された信号（搬送波）の波形である。この搬送波を伝送波にのせることによって、伝送波は、図６（ｃ）のような被変調波（被変調信号）に変換される。この被変調波を空中に放射すると、空気の非線形特性により空気が順方向に震動するときには早く進み、空気が逆方向に進むときには遅く進むことから、音波は、図６（ｄ）のように歪んでゆき、元の可聴音が復調されていく（図６（ｅ））。この復調された可聴音は、元の超音波の超指向特性を持っている。
【００５４】
このようなパラメトリックスピーカ１では、電気音響変換器２の圧電アクチュエータ３の伸縮振動の固有振動数ν１と、発振器１１の発振周波数ν２とが近傍にあるのが好ましい。ここで、ν１とν２とが近傍にあるとは、好ましくは０．８≦ν１／ν２≦１．２、より好ましくは０．９≦ν１／ν２≦１．１なる関係を満足することを言う。ただし、固有振動数ν１は駆動中の発熱などによって微妙に変化するので、実際には、ほんのわずかに発振周波数ν２をずらすことによって結果として安定する条件を選ぶことも好ましい。以上のような条件を満足することにより、圧電アクチュエータ３を共振現象によって比較的低い電圧でもより大きな振幅で振動させることができるので、電気音響変換器２の変換効率をさらに向上することができる。
【００５５】
また、パラメトリックスピーカ１では、発振器１１の発振周波数ν２と、電気音響変換器２の共鳴器６の共鳴周波数ν３とが近傍、または倍音関係の近傍にあるのが好ましい。ここで、ν２とν３とが近傍にあるとは、好ましくは０．８≦ν２／ν３≦１．２、より好ましくは０．９≦ν２／ν３≦１．１なる関係を満足することを言う。また、ν２とν３とが倍音関係の近傍にあるとは、ｍおよびｎをそれぞれ正の整数として、ｍ×ν２と、ｎ×ν３とが上記と同様に近傍にあることを言う。これにより、振動板５で発生した超音波をより強く共鳴させることができるので、電気音響変換器２の変換効率をさらに向上することができる。
【００５６】
また、パラメトリックスピーカ１では、共鳴器６の共鳴周波数ν３と、圧電アクチュエータ３の固有振動数ν１とが近傍、または倍音関係の近傍にあるのが好ましい。ここで、ν３とν１とが近傍にあるとは、好ましくは０．８≦ν３／ν１≦１．２、より好ましくは０．９≦ν３／ν１≦１．１なる関係を満足することを言う。また、ν３とν１とが倍音関係の近傍にあるとは、ｉおよびｊをそれぞれ正の整数として、ｉ×ν３と、ｊ×ν１とが上記と同様に近傍にあることを言う。これにより、振動板５で発生した超音波をより強く共鳴させることができるので、電気音響変換器２の変換効率をさらに向上することができる。
【００５７】
さらに、パラメトリックスピーカ１では、圧電アクチュエータ３の固有振動数ν１と、発振器１１の発振周波数ν２と、共鳴器６の共鳴周波数ν３とが互いに近傍にあるか倍音関係の近傍にあるのが最も好ましい。
なお、このようなパラメトリックスピーカ１は、複数の電気音響変換器２を有するものである場合、複数（複数組）の電気音響変換器２から互いに異なる周波数の超音波を放射してもよい。
【００５８】
以上、本発明のパラメトリックスピーカ用電気音響変換器およびパラメトリックスピーカを図示の実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、パラメトリックスピーカ用電気音響変換器およびパラメトリックスピーカを構成する各部は、同様の機能を発揮し得る任意の構成のものと置換することができる。また、任意の構成物が付加されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のパラメトリックスピーカ用電気音響変換器の実施形態を示す斜視図。
【図２】本発明のパラメトリックスピーカ用電気音響変換器の実施形態を示す断面側面図。
【図３】本発明における圧電アクチュエータの他の構成例を示す斜視図。
【図４】本発明のパラメトリックスピーカ用電気音響変換器の他の実施形態を示す斜視図。
【図５】本発明のパラメトリックスピーカの実施形態を示すブロック図。
【図６】パラメトリックスピーカの原理を説明するための図。
【符号の説明】
１……パラメトリックスピーカ  １１……発振器  １２……振幅変調器  １３……増幅器  １４……音声入力インターフェース  ２、２’……パラメトリックスピーカ用電気音響変換器  ３、３’……圧電アクチュエータ  ３１……第１の圧電材料層  ３２……第１の導電層  ３３……第２の圧電材料層  ３４……第２の導電層  ３５、３６……集電極  ４……基台  ４１……突部  ５、５’……振動板  ５１……振動部  ５２、５３、５４、５５……凹部  ６……共鳴器  ６１、６１’……放音プレート  ６２……スペーサプレート  ６２１……凹部  ６２２……貫通孔  ６３……共鳴室  ６４……放音孔  ６５……凹部  ７……固定部材
【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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