(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波モータと、前記超音波モータの駆動により回転する回転子と、を備え、
前記回転子の外周又は表面にフィンが複数枚設けられ、
前記フィンを覆うように風洞が設けられ、
前記風洞は、前記フィンを被覆し内側に空気流路が形成された被覆部と、前記超音波モータの回転に伴う前記フィンの回転によって生じる前記被覆部内の気流を排出する排出口と、外部から気流が流入する流入口とを備え、
外周に前記フィンを備えた回転子が、中心軸を共通にして２つ並列に設けられ、この２つの回転子に設けられたフィンは、一つの風洞によって覆われていることを特徴とする気流変調スピーカ。
【請求項２】
前記流入口には、流入する気流に対して抵抗を与える音響抵抗体が設けられていることを特徴とする請求項１記載の気流変調スピーカ。
【請求項３】
前記流入口には、音響抵抗、音響質量及び音響スチフネスを制御した音響回路からなるフィルタが設けられていることを特徴とする請求項１記載の気流変調スピーカ。
【請求項４】
前記流入口には、前記風洞内に気流送り込む気流発生手段が設けられていることを特徴とする請求項１記載の気流変調スピーカ。
【請求項５】
前記風洞と前記回転子との間が密閉されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の気流変調スピーカ。
【請求項６】
前記流入口と前記排出口とは、再生すべき最低の周波数の信号の波長と同等またはこの波長より大きい寸法からなる平板または箱形のバフルにより、遮断されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の気流変調スピーカ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発生させた気流を入力された音声信号に応じて変調することによって、音声信号を音響出力に変換する気流変調スピーカに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のダイナミックスピーカは再生できる最低の周波数が振動系の共振周波数で制約されている。この点を具体的に説明すると、角周波数ωの正弦波信号を放射している直接放射形スピーカの出力音圧の複素実効値は、放射体の振動速度の実効値をＶとすると変換原理によらず次式で与えられる。
（数１）
0004674138.tif 000002
ただしρａは空気の密度、Ｓは放射体の実効面積、ｒは観測点までの距離、ｋは波定数である。またスピーカは理想的な全指向性と仮定している。
【０００３】
この式より、平坦な周波数レスポンスを実現するにはωＶ（振動加速度）を周波数によらず一定とすべきことがわかる。通常の振動系は質量とばねによる単一共振系をなしているため、これを実現するには共振周波数（いわゆるエフゼロ）をなるべく低く設定し、質量制御の領域を用いればよいことになる。特に、低周波数域用では、質量を大きくするかバネを軟らかくする必要が生じるが、いずれも制約があり、「エフゼロの制約のない低周波数域用スピーカ」が実現されれば多くの利点があると見なされる。
【０００４】
これを根本的に解決する方法としては、振動特性を完全に制御できる放射体を用いて、上記の特性を電気的制御により実現する方法が望ましい。しかしながら、従来のスピーカに用いられてきた動電、電磁形変換器は、電磁気力の遠隔操作により駆動する方式をとるので、駆動機械インピーダンスを大きくすることが困難であった。一方、固体の変形を用いる圧電・電歪変換系では、機械インピーダンスは高いが大振幅動作が困難で直接放射形低周波数域用スピーカには不向きであった。
【０００５】
すなわち、動電形、電磁形、コンデンサ形、圧電形のスピーカはいずれも入力される電気エネルギーを音響エネルギーに変換する、いわゆるエネルギー変換形の電気音響変換器であるため、変換効率は１００％を超えることはなく、変換効率に理論的上限が存在していた。
【０００６】
上記のような変換効率の上限を打破する手段として、エネルギー流を変調する形式の変換器がある。すなわち、発音体では直気流を用意し、この流量を加減して音波を放射させる気流変調型発音体である。この種の変換器の例としては、信号音放射用サイレンがあげられる。小型のサイレンの出力音響エネルギーは、大型のスピーカのそれをはるかに上回るものである。
【０００７】
任意の波形の音波を出力する気流変調型発音体として、気流変調スピーカが長年にわたり用いられている（特許文献１参照）。この気流変調スピーカと信号音放射用サイレンとを比較した場合の差異は、入力信号の波形に従って電磁駆動される弁の存在にある。すなわち、送風手段により発生した気流は流入口から流入し、右上の流出口より流出する。この電磁駆動される弁の振動のため該流出口の面積が変化し、流量が信号の波形で変調されるので気流の流出と共に気圧の変化が発生し、その結果、ホーンから音波が放出される。
【特許文献１】特開昭６２−６２７００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、このような気流変調型のスピーカは、非常に大出力音量の機種が、例えばロケットや航空機の機体の音波暴露試験、航空母艦の甲板での放送や数キロメートル以上離れた敵軍基地への音波による放送等に用いられているが、その原理を見ればわかるとおり、一定の空気流がありきから始まっており、安定的に動作させるためには大型のコンプレッサや空気タンクを必要としていた。また、このような高速な流体を扱うために、広帯域なバックグラウンドノイズを宿命的に背負い易かった。したがって、このような従来の気流変調スピーカは、一般用として実用化するのは適当でなかった。
【０００９】
本発明は、上記のような課題を解決するもので、その目的は、振動特性が電気的に制御された放射体を実現し、周波数帯域の下限を振動系の共振特性とは無関係に自由に制御できる小型コンパクトな気流変調スピーカを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するため、請求項１の発明は、超音波モータと、前記超音波モータの駆動により回転する回転子と、を備え、前記回転子の外周又は表面にフィンが複数枚設けられ、前記フィンを覆うように風洞が設けられ、前記風洞は、前記フィンを被覆し内側に空気流路が形成された被覆部と、前記超音波モータの回転に伴う前記フィンの回転によって生じる前記被覆部内の気流を排出する排出口と、外部から気流が流入する流入口とを備え、外周に前記フィンを備えた回転子が、中心軸を共通にして２つ並列に設けられ、この２つの回転子に設けられたフィンは、一つの風洞によって覆われていることを特徴とする。
【００１１】
以上のような請求項１の発明では、超音波モータの回転により回転子が一定の角速度で回転すると、回転子に設けられたフィンにより気流が発生し、風洞の流入口から被覆部内部の空気流路を通過して流出口からは直気流が排出される。この回転角速度を音響信号の波形に応じて変化させると、この直気流の流量が変調され、流出口から音波が放出されることになる。超音波モータは、一般の電磁形モータに比較しで慣性の影響が少なく、回転角速度を高速的確に制御できるものであり、これを利用して流量の高速変化が可能となる。このように、超音波モータを気流変調スピーカに用いることにより圧電振動体と金属の固体接触で駆動される構成をとるので充分高い機械インピーダンスを期待できる。また、基本構造が無限回転するモータなので大振幅動作にも適している。
また、２つの回転子に設けられたフィンが並列して同じ角速度で回転することにより、気流を効率的に発生させることができる。また、それぞれの超音波モータのフィンに隙間を保って回転させると、気流は両フィンの間を流通できるので気流の発生効率が低下し、流量を減少させることができる。このように、２つの並列に設けられた超音波モータの相対的な回転角速度を信号の波形に合わせて変化させれば流量を自在に変調することが可能となる。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１記載の発明において、前記流入口には、流入する気流に対して抵抗を与える音響抵抗体が設けられていることを特徴とする。
以上のような請求項２の発明によれば、流入口に空気流に対する音響抵抗体を設置して気流に抵抗を与えることにより、請求項１における２つの超音波モータに設けられたフィンの相対位置変化による流量変化をさらに増やすことができる。
【００１５】
請求項３の発明は、請求項１記載の発明において、前記流入口には、音響抵抗、音響質量及び音響スチフネスを制御した音響回路からなるフィルタが設けられていることを特徴とする。
以上のような請求項３の発明によれば、流入口に、音響抵抗、音響質量、音響スチフネスを制御した、例えば自動車用マフラに類似した音響回路によるフィルタを用いることにより、出力周波数特性の制御を行うことが可能となる。
【００１６】
請求項４の発明は、請求項１記載の発明において、前記流入口には、前記風洞内に気流送り込む気流発生手段が設けられていることを特徴とする。
以上のような請求項４の発明によれば、流入口にファンなどの気流発生手段を設置することによって音響出力を増加させることができる。
【００１７】
請求項５の発明は、請求項１から４のいずれか１項に記載の発明において、前記風洞と前記回転子との間が密閉されていることを特徴とする。
以上のような請求項５の発明によれば、風洞と回転子との間を密閉することによって、回転子と風洞との間から漏洩する気流を減少させることができる。
【００１８】
請求項６の発明は、請求項１から５のいずれか１項に記載の発明において、前記流入口と前記排出口とは、再生すべき最低の周波数の信号の波長と同等またはこの波長より大きい寸法からなる平板または箱形のバフルにより、遮断されていることを特徴とする。
以上のような請求項６の発明によれば、本発明の気流変調スピーカでは音波は流出口のみならず、流入口からも放出される可能性があるが、これら２つの音波は特定の周波数で相互に逆位相となり空間で相互に干渉して放射効率や周波数特性を悪化させる可能性があるため、流入口と流出口とをバフル板等により音響的に絶縁することにより、逆位相の音波の干渉を防ぎ、放射効率や周波数特性の悪化を防止することができる。
【発明の効果】
【００１９】
以上のような本発明によれば、振動特性が電気的に制御された放射体を実現し、周波数帯域の下限を振動系の共振特性とは無関係に自由に制御できる小型コンパクトな気流変調スピーカを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に、本発明の音声操作卓を実施するための最良の実施形態（以下「本実施形態」と呼ぶ）について図を参照して説明する。なお、背景技術や課題で既に説明した内容と共通の前提事項は繰り返さない。
【００２１】
（１）参考例
［構成］
本参考例の気流変調スピーカは、超音波モータを用いて構成するものである。その基本的構成を図１を用いて説明すると、本参考例の気流変調スピーカ１は、この超音波モータ４の軸に固定される回転子５の外周に気流制御用のフィン２を設け、これを風洞３で両側から覆うことにより構成したものである。
【００２２】
ここで、超音波モータの原理と構成を説明しておく。図２（ａ）に示すように、超音波モータ４は、金属などの堅固な材料からなる円形のロータ４ａと、圧電セラミック材料から成り適切な押し圧力によりこのロータ４ａに接触している円形のステータ４ｂとを備える。ステータ４ｂには図のように円周と直交する方向に多数の溝が設けられており、ステータ４ｂはこの溝の凸部でロータ４ａと接触している。このステータ４ｂに適切な周波数、電圧の交流電気信号を印加すると、同図（ｂ）のような屈曲振動波が発生し、円周に沿って伝播する。このときステータの凸部は微小な円運動を行うので、これに接触している回転子は円周方向に回転する。この回転の角速度は入力電気信号の電圧及び周波数の変化により制御する。
【００２３】
フィン２は、方形で回転子５の周囲に回転子５の軸を中心として放射状に複数枚（図面では１４枚）設けられている。また、風洞３は、フィン２の周囲を覆う被覆部３ａと空気が被覆部３ａへ流入し、または被覆部３ａから流出する流入口３ｃと流出口３ｄとを備える。この流入口３ｃと流出口３ｄとは、筒状で、被覆部３ａから平行に突出するように設けられている。
【００２４】
この被覆部３ａは、ドーナツ形状で回転子５を収納する側に凹状の溝からなる空気流路３ｂを形成している。この空気流路３ｂの内壁と空気流路３ｂに収納されるフィン２との隙間は、図３（ｂ）に示すように、製造精度の許す限り少なくなるように形成されている。なお、図では説明の便宜上、風洞３を必要最小限の大きさで表現しているが、フィン２と回転子５全体を風洞３の構造物で覆って、気流の漏洩を減少させる構成も可能である。詳細は後述する。
【００２５】
［作用効果］
以上のような構成からなる本参考例の気流変調スピーカの作用について図３を用いて説明する。超音波モータ４の軸に固定された回転子５が一定の角速度で回転すると、回転子５に設けられたフィン２により気流が発生し、流入口３ｃから被覆部３ａの空気流路３を通過して、流出口３ｄから直気流が排出される。
【００２６】
この回転角速度を音響信号の波形に応じて変化させると、この直気流の流量が変調され、流出口３ｄから音波が放出されることになる。このように超音波モータ４の特徴は、例えば、図４に市販品（新生工業社製  ＵＳＲ６０Ｅ３）の超音波モータにおいて測定した直流電圧と回転数特性の関係を表すように、一般の電磁形モータと比較して慣性の影響が少なく、回転角速度を高速的確に制御できることであり、これを利用して流量の高速変化が可能となる。
【００２７】
ここで、超音波モータの大きな特徴は、堅固な固体の変形により回転を駆動するため一般の電磁形モータに比較して駆動部の機械インピーダンスが、回転子の質量の機械インピーダンスに比べて極めて大きく、そのため慣性による自由回転が少ないので、電気入力の変化により回転速度の制御を的確に行うことができることである。初期の超音波モータの欠点は回転に伴い騒音が発生することであったが、最近の技術の進歩により大幅に静音化され、音響機器に適用可能となった。
【００２８】
このような特徴を有する超音波モータを、気流変調スピーカに用いることにより圧電振動体と金属の固体接触で駆動される構成をとるので充分高い機械インピーダンスを期待できる。また、基本構造が無限回転するモータなので大振幅動作にも適していると考えられる。
【００２９】
超音波モータを用いた音響機器として一般に最も考えやすい構成は、超音波モータの外周またはそれに近い位置にロッドを接続し、このロッドの他端をコーン形状などの振動板に接続し、超音波モータを往復回転させて該振動板より音波を放出させる構造である。しかし、この構造では超音波モータが正回転、静止、逆回転、静止という動作を早い周期で繰り返すことになる。回転子が運動しているときの動摩擦力と静止している時の静摩擦力とは大きさに差異があるため、この構造では本質的に振動波形の歪みが発生しやすく、実施にあたっては歪み軽減のための工夫が必要となる。
【００３０】
（２）第１の実施形態
第１の実施形態に係る気流変調スピーカ１０は、参考例の構成に改良を加えたものである。図５に示すように、フィン１１を備えた回転子１３と、フィン１２を備えた回転子１４とを、中心軸を共有させて２つ並列に配置したものである。
【００３１】
このように構成される本実施形態の気流変調スピーカ１０では、第６図（ａ）に示すように２つの回転子１３，１４に設けられたフィン１１，１２が並列して同じ角速度で回転することにより、気流を効率的に発生させることができる。また、それぞれの超音波モータのフィン１１，１２が、図６（ｂ）のように隙間を保って回転すると、気流は両フィン１１と１２の間を流通できるので気流の発生効率が低下し、流量が減少する。
【００３２】
このように、２つの並列に設けられた回転子１３，１４の相対的な回転角速度を信号の波形に合わせて変化させれば流量を自在に変調することが可能となる。
【００３３】
（２−１）変形例１
上記のような第１の実施形態の気流変調スピーカ１０の変形例として、図７のように流入口３ｃに、空気流に対する音響抵抗体１５を設置して、気流に抵抗を与える。これにより、上記のフィンの相対位置変化による流量変化を増やすことができる。
【００３４】
さらに、この音響抵抗体に代えて音響抵抗、音響質量、音響スチフネスを制御した、例えば自動車用マフラに類似した音響回路によるフィルタを用い、出力周波数特性の制御を行うことも可能である。
【００３５】
（２−２）変形例２
また、他の変形例として、図８に示すように、流入口３ｃにファンなどの気流を発生させる気流発生手段１６を設置すると、上記の説明とは逆に、フィンが並列した場合に比べてフィンが隙間を保った場合のほうが流量が増加する。この構成は付加装置が必要となる代わりに、超音波モータの回転角速度が小さくてもよい。気流発生手段を強力にすると音響出力が増加する効果がある。
【００３６】
（３）第２の実施形態
第２の実施形態に係る気流変調スピーカ２０は、第１の実施形態の風洞に改良を加えたものであり、フィン２及び回転子５全体を覆うように風洞を構成し、超音波モータ４と風洞との間を密閉したものである。
【００３７】
より具体的には、図９に示すように、風洞２１は、上記第１の実施形態の風洞３と同様、被覆部と空気流路とからなる左右の側風洞２１ａと、超音波モータ４の上面側と底面側を覆う面風洞２１ｂとからなる。
【００３８】
このように風洞３１でフィン２及び回転子５全体を覆って密閉することにより、回転子５と風洞２１との間から漏洩する気流を減少させることが可能となる。
【００３９】
（４）他の実施形態
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、次に例示するような他の実施形態も含むものである。上記実施形態における気流変調スピーカにおいては、音波は流出口３ｄのみならず、流入口３ｃからも放出される可能性がある。これら２つの音波は特定の周波数で相互に逆位相となり、空間で相互に干渉して放射効率や周波数特性を悪化させる可能性がある。そこで、本発明のスピーカを実用する場合には、図１０に示すように流入口３ｃと流出口３ｄとをバフル板１７により音響的に絶縁することが好ましい。
【００４０】
バフル板１７の設計方法は一般のスピーカの場合と同様で、再生すべき最低の周波数の信号の波長と同等またはこの波長より大きい寸法を持つ平板を用いればよい。また、箱形のバフルも使用可能である。ただし、気流の流入が必要であるため密閉箱の使用は適当ではない。
【００４１】
また、上記実施形態では、風洞を、フィンを覆う被覆部から空気の流入または流出口をフィンの回転方向に突出させるように構成したが、本発明はこのような構成に限られるものではない。すなわち、図１１に示すように、風洞３０を、側風洞３１と面風洞３２とで構成し、この側風洞３１の当該図でいう手前側の一部に切欠部を設けることにより流入口３３、流出口３４を構成し、それを面風洞３２ａ，３２ｂで挟むように構成してもよい。このように構成することで、より簡易に超音波モータを利用した気流変調スピーカを作成可能となる。
【００４２】
また、上記実施形態では、フィンの形状はいずれも方形としたが、例えば風洞の被覆部の内壁形状が円形や多角形であれば、フィンの形状も円形や多角形で構成可能であるし、風洞の内壁形状に関わらず、気流を十分に発生させるものであれば、その形状は任意である。
【００４３】
さらに、上記実施形態では、フィンを回転子の外周に設ける構成としたが、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、回転子に対してフィンを設ける位置は任意に変更可能である。
【００４４】
例えば、図１２（ａ）の気流変調スピーカ４０に示すように、回転子４１の表面側にフィン４２を複数形成することも可能である。このような実施形態では、超音波モータ４の駆動により回転子４１が回転することによって、図１２（ａ）及び（ｂ）で示すように、フィン４２を設けた外周部分から空気が流入し、同図下部の流出口４３へ向かって直気流が排出される。このとき、超音波モータ４の回転角速度を音響信号の波形に応じて変化させることによって、この直気流の流量が変調され、流出口４３から音波が放出されることとなる。
【００４５】
また、上記実施形態では、フィンを超音波モータとは別に構成された回転子に設けることとしているが、本発明の気流変調スピーカでは、超音波モータ本体を回転子として捉え、これにフィンを設けることにより構成することも可能である。すなわち、図１に示される超音波モータ４の円柱形状部分の外周にフィンを設け、さらに超音波モータ４の軸を固定した状態でモータを回転させることにより、モータ本体が回転してフィンを回転させるようにすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の参考例の気流変調スピーカの全体構成を示す斜視図。
【図２】本発明の参考例の超音波モータの構成を示す図。
【図３】本発明の参考例の気流変調スピーカのフィンと風洞の内部構成を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）。
【図４】本発明の参考例の超音波モータの回転数特性を示すグラフ。
【図５】本発明の第１の実施形態の気流変調スピーカの全体構成を示す斜視図。
【図６】本発明の第１の実施形態の気流変調スピーカのフィンの作用を示す概念図。
【図７】本発明の第１の実施形態の気流変調スピーカの変形例１を示す図。
【図８】本発明の第１の実施形態の気流変調スピーカの変形例２を示す図。
【図９】本発明の第２の実施形態の気流変調スピーカの全体構成を示す斜視図。
【図１０】本発明の他の実施形態の気流変調スピーカの構成を示す図。
【図１１】本発明の他の実施形態の気流変調スピーカの構成を示す斜視図。
【図１２】本発明の他の実施形態の気流変調スピーカの構成を示す側面図（ａ）、平面図（ｂ）及び斜視図（ｃ）。
【符号の説明】
【００４７】
１，１０，２０，４０…気流変調スピーカ
２，１１，１２，４２…フィン
３，２１，３０…風洞
３ａ…被覆部
３ｂ…空気流路
３ｃ，３３…流入口
３ｄ，３４，４３…流出口
４…超音波モータ
４ａ…ロータ
４ｂ…ステータ
５，１３，１４，４１…回転子
１５…音響抵抗体
１６…気流発生手段
１７…バフル板
２１ａ，３１…側風洞
２１ｂ，３２，３２ａ，３２ｂ…面風洞
【図１】
0004674138.tif 000003
【図２】
0004674138.tif 000004
【図３】
0004674138.tif 000005
【図４】
0004674138.tif 000006
【図５】
0004674138.tif 000007
【図６】
0004674138.tif 000008
【図７】
0004674138.tif 000009
【図８】
0004674138.tif 000010
【図９】
0004674138.tif 000011
【図１０】
0004674138.tif 000012
【図１１】
0004674138.tif 000013
【図１２】
0004674138.tif 000014