(57)【要約】【課題】超音波スピーカを構成する超音波振動子が誘電体として持つ静電容量の効果を打ち消して、当該振動子を効率良く駆動する手段を提供する。【解決手段】超音波振動子の入力端子に、当該振動子が誘電体として持つ静電容量Ｃ0の効果を打ち消す値のインダクタンスＬ0を有するインダクタを並列に接続する。インダクタはＬ0＝ＬＣ／Ｃ0の関係が満足されるように選ぶ。ここにＬとＣは、電気／機械変換系としての超音波振動子の運動のエネルギーとひずみエネルギーを表している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波スピーカを構成する超音波振動子の入力端子に、当該振動子が誘電体として持つ静電容量の効果を打ち消す値のインダクタンスを有するインダクタを並列に接続することを特徴とする超音波スピーカの駆動方法。
【請求項２】
前記超音波振動子を等価回路で表現する場合の運動エネルギー及びひずみエネルギーをそれぞれＬ及びＣ、当該振動子が誘電体として持つ静電容量をＣ0とするとき、前記インダクタのインダクタンスＬ0を、Ｌ0＝ＬＣ／Ｃ0の関係が満足されるように選ぶことを特徴とする請求項１記載の超音波スピーカの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波振動子からなる超音波スピーカの駆動効率を改善する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、超音波は人間の耳には聞こえない。しかし、音声信号で超音波を振幅変調した変調波で超音波スピーカを駆動して、その変調波をある値以上の音圧レベルで空気中へ放射すると、空気の非線形性による自己復調現象が起こって元の音声信号が聞こえる。この場合、超音波の鋭い指向性を利用して狙った対象だけに音声を伝達し、対象外に拡散させない指向性アナウンスなどが可能になる（非特許文献１参照）。
【０００３】
上記の超音波信号の空気中への送出には、電気信号を空気振動に変換するために圧電セラミックス等の超音波振動子が用いられ、多数の振動子の振動面を一つの平面又は凹面上に配列した超音波スピーカ（パラメトリックスピーカ）が構成される。パラメトリックスピーカに関しては多くの特許出願がされている。その一例として特許文献１を挙げる。
【０００４】
【非特許文献１】「非線形音響学とその応用」電気通信大学  鎌倉  友男  著                    （http://ew3.ee.uec.ac.jp/subject/nonlinear_1.pdf）
【特許文献１】特開２００２−３５４５７５号公報
【０００５】
図１（Ａ）は超音波振動子の簡易等価回路である。図中のＬ−Ｃ−Ｒ直列回路は振動に伴う電気エネルギーと機械エネルギーの変換を表す部分であり、ＬとＣは振動子の運動エネルギーとひずみエネルギー、Ｒは振動損失を表している。また、上記直列回路に並列に接続されているＣ0は超音波振動子が誘電体として持つ静電容量を表している。この等価回路で表される超音波振動子ではキャリヤ周波数が数十kHzの入力信号が静電容量Ｃ0で短絡される形になり、大きい無効電流が流れて振動子を効率良く駆動できない点が問題である。
【０００６】
図１（Ａ）の等価回路の性質を調べるために、先ず上記の静電容量Ｃ0を除外して、電気／機械変換系を表すＬ−Ｃ−Ｒ直列回路の部分だけを抜き出して考察する。この部分のアドミタンスは次式Ｙ1で表される。式中、ωは超音波振動子への入力信号の角周波数、ｊは虚数記号（−１）1/2である（以下同様）。複素平面でベクトル表示したアドミタンスＹ1の周波数軌跡曲線を図３に示す。
【０００７】
【数１】
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【０００８】
アドミタンスＹ1の虚数部がゼロになる角周波数ω0（＝（ＬＣ）-1/2）において上記のＬ−Ｃ−Ｒ直列回路は共振し、アドミタンス値が実数（＝１／Ｒ）になる。この状態は、入力信号が振動子を力率１で励振する理想的駆動状態と考えられる。しかし、現実の超音波振動子は静電容量Ｃ0を含むので、上記の理想的駆動状態はそのままでは実現できない。
【０００９】
そこで次に、図１（Ａ）に示す通りの等価回路全体の性質を考察する。この等価回路のアドミタンスをＹ2と表記すると次式のようになる。
【００１０】
【数２】
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【００１１】
図４に示すように、アドミタンスＹ2の周波数軌跡曲線は、図３のアドミタンスＹ1の周波数軌跡曲線を虚数軸の正方向に距離ω0Ｃ0だけ平行移動したものになる。したがって、上記の周波数ω0の信号で振動子の励振しようとしても、アドミタンスＹ2の虚数部がゼロにならないから、超音波スピーカには無効電流が流れることになる。これが静電容量Ｃ0によってもたらされる好ましくない効果の一つである。
【００１２】
また、図１（Ａ）の等価回路の周波数−電流特性（後に示す）は、図４に注記したように、アドミタンスＹ2の絶対値が極大を示す周波数で電流極大（電流曲線が上に突）、同じく極小を示す周波数で電流極小（同、下に突）となる。この場合、電流の極大化／極小化それ自体は共振現象（虚数部がゼロになる）とは異なる現象であるが、これらの極大値／極小値は上記の周波数ω0を挟んでその前後に生じるので、周波数−電流特性が非対称となり、再生帯域が狭くなるという問題点につながる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明が解決しようとする課題は、超音波スピーカを構成する超音波振動子が誘電体として持つ静電容量の効果を打ち消して、当該振動子を効率良く駆動する手段を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の課題は、超音波振動子の入力端子に、該振動子が誘電体として持つ静電容量の効果を打ち消す値のインダクタンスを有するインダクタを並列に接続するという手段で解決することができる。
【００１５】
図１（Ｂ）は、本発明を超音波振動子に適用した状態の簡易等価回路である。振動子のＬ、Ｃ、Ｒ、及び静電容量Ｃ0からなる回路に、インダクタ（そのインダクタンスをＬ0とする）を並列に接続する。この状態の等価回路のアドミタンスをＹ3と表記すれば次式のように表される。
【００１６】
【数３】
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【００１７】
アドミタンスＹ3の式の形を観察すると、Ｙ1にｊ（ωＣ0−１／（ωＬ0））が付加された形になっている。この付加項はＹ2におけるｊωＣ0と異なり、Ｌ0の値を適当に選べばゼロにすることができる。すなわち、ωＣ0＝１／（ωＬ0）が成り立つようにＬ0を選べばＹ3はＹ1に還元される。ここでω2＝１／（ＬＣ）であるから、１／（Ｌ0Ｃ0）＝１／（ＬＣ）とすれば良いことが分かる。
【００１８】
したがって、付加するインダクタのインダクタンスをＬ0＝ＬＣ／Ｃ0の関係が満足されるように選べば、図１（Ａ）の等価回路における超音波振動子の電気／機械変換系を表すＬ−Ｃ−Ｒ直列回路が、静電容量Ｃ0を伴わない形で実現される。その結果、後述する図２の細線グラフに見るように、周波数ω0の位置に単一のピークを持つ左右対称な周波数−電流特性が実現され、図１（Ａ）の等価回路の周波数−電流特性（図２の太線グラフ）に見られる電流値の極大／極小化の現象が消失する。
【００１９】
図５はＬ0＝ＬＣ／Ｃ0の関係が満足された状態のアドミタンスＹ3の周波数軌跡曲線である。図３に示したアドミタンスＹ1の周波数軌跡曲線と見較べると、両者はほとんど重なり合うほど近似しており、静電容量Ｃ0の効果が有効に打ち消されて、上述した理想的駆動状態が実現されていることが分かる。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１の発明によれば、付加されるインダクタにより超音波振動子が誘電体として持つ静電容量の効果が打ち消され、キャリヤ周波数の信号を、無効電流がほぼゼロの状態で伝送することができる。したがって、パワーアンプに過大な負荷を与えることなく、効率良く超音波スピーカをドライブすることができる。
【００２１】
請求項２の発明によれば、超音波振動子の周波数−電流特性が単一のピークを持つ左右対称の曲線になるので、再生帯域が広がる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下の実施例１により、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００２３】
本実施例の超音波スピーカに用いた超音波振動子のＬ、Ｃ、Ｒ及びＣ0の値は、それぞれ８０ｍH、２００ｐF、７００Ω、２７００ｐFである。この超音波振動子中のＬ、Ｃ、Ｒ直列回路の共振周波数は３９．８ｋHzと計算される。
【００２４】
図２は、本実施例の超音波振動子に、周波数を変化させつつ一定電圧を印加したときの周波数−電流特性の実測例である。太線のグラフが本発明適用前、細線が本発明適用後のものである。太線のグラフに見るように電流値は全体としてＮ字形の変化を示し、約３８ｋHzの位置に極大点が、約４１ｋHzの位置に極小点が現われている。
【００２５】
図２の太線に見る通り、電流値は極大点でピークに達した後、周波数の増加と共に極小点に向かって急激に減少する。このような周波数−電流特性のために、再生帯域が狭いという問題点がある。
【００２６】
本発明に従って上記超音波振動子の入力端子に並列に接続すべきインダクタのインダクタンスＬ0を計算すると５．９ｍH を得る。このインダクタを付加した状態では、周波数−電流特性は３９．８ｋHzの位置に単一のピークを持つ左右対称の曲線になる。図２の細線のグラフはこの状態を示している。
【００２７】
本実施例の超音波スピーカは、上記の超音波振動子３００個を一つの平面上に配列して構成される。この超音波スピーカの入力端子に並列接続すべきインダクタのインダクタンスは、５．９ｍH の１／３００である１７．８μH になる。この超音波スピーカに３９．８ｋHzの信号を印加する場合の負荷インピーダンスは約２．３Ωの純抵抗分で、無効電流はほぼゼロになり、再生帯域が広がる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明は、超音波スピーカに関するものであるから、その製造及び応用に関連する電気機械製造業、各種サービス産業等多くの産業において実施されうる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】超音波振動子の簡易等価回路（Ａ）及び本発明を当該超音波振動子に適用した状態の簡易等価回路（Ｂ）である。
【図２】実施例１の超音波振動子に周波数を変化させつつ一定電圧を印加したときの周波数−電流特性の実測例である。
【図３】図１（Ａ）に示す等価回路中のＬ、Ｃ、Ｒ直列回路のアドミタンスＹ1の周波数軌跡曲線を示すグラフである。
【図４】図１（Ａ）に示す等価回路全体のアドミタンスＹ2の周波数軌跡曲線を示すグラフである。
【図５】図１（Ｂ）に示す等価回路のアドミタンスＹ3の周波数軌跡曲線を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３０】
Ｒ‥超音波振動子の振動損失
Ｌ‥超音波振動子の運動のエネルギー
Ｃ‥超音波振動子のひずみエネルギー
Ｃ0‥超音波振動子が誘電体として持つ静電容量
Ｌ0‥静電容量Ｃ0を打ち消すために挿入するインダクタ
【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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