(57)【要約】      （修正有）【課題】従来のスピーカの音質を再現することが可能で、かつ薄型化、小型化、軽量化が可能な平面スピーカを提供する。【解決手段】可聴周波数帯域の音響信号によって変調した超音波周波数帯域の搬送波を生成する搬送波生成部と、搬送波により振動し、音響信号を再生する振動板２とを備え、搬送波生成部は、複数の超音波発生素子をアレイ状に配置し、超音波発生素子は音響信号に応じて駆動制御され、振動板２は、搬送波生成部から放射されて超音波発生素子７との間の空間を伝搬した搬送波によって振動するとともに、搬送波を反射する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可聴周波数帯域の音響信号によって変調した超音波周波数帯域の搬送波を生成する搬送波生成部と、前記搬送波により振動し、前記音響信号を再生する振動板とを備え、
前記搬送波生成部は、複数の超音波発生素子をアレイ状に配置し、前記超音波発生素子は前記音響信号に応じて駆動制御される構成とし、
前記振動板は、前記搬送波生成部から放射されて前記超音波発生素子と前記振動板との間の空間を伝搬した前記搬送波によって振動するとともに、前記搬送波を反射する構成としたことを特徴とする平面スピーカ。
【請求項２】
請求項１記載の平面スピーカにおいて、
前記超音波発生素子は、第１の基板上に形成され、
該第１の基板上に、あるいは該第１の基板と重なる第２の基板上に、前記超音波発生素子と駆動電源とを接続するスイッチ素子が形成され、
前記スイッチ素子の開閉を制御することによって、前記超音波発生素子を駆動制御することを特徴とする平面スピーカ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタル信号により駆動される平面スピーカに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、スピーカを搭載した電子機器の薄型化、小型化、軽量化の要求が強くなってきており、従来のコーン型スピーカではこれらの要求を満足することができなくなってきている。また、信号のデジタル化が進行しているが、スピーカの駆動時にはデジタル信号をアナログ信号に変換して駆動する必要があった。これに対し、超音波発生素子であるトランスデューサをアレイ上に配置して超音波域のクロック周波数のデジタル信号により直接駆動して、可聴周波数帯域の音声を得るスピーカが提案されている。例えば特許文献１には、通常のデジタル信号を１進デジタル信号に変換して、信号のビット数に応じた複数のトランスデューサを正方向または負方向に駆動し、アナログ音声を得るスピーカが開示されている。また、例えば特許文献２には、ＭＥＭＳ技術で形成したトランスデューサをアレイ状にして、デジタル信号で駆動制御する構成のデジタルスピーカが開示されている。
【０００３】
一方、超音波発生素子のトランスデューサをアレイ状に配置して、これらから可聴周波数帯域の音響信号により変調された超音波を放射し伝送媒体（空気）の非線形効果によって可聴周波数帯域の音響信号に再生される、いわゆるパラメトリックスピーカを構成する技術が、例えば特許文献３に開示されている。
【０００４】
上記のデジタルスピーカとパラメトリックスピーカの違いは、デジタルスピーカでは、それぞれのトランスデューサから放射される超音波が重なり合うことで、結果的に可聴周波数の音波が生成され、スピーカとして働くのに対し、パラメトリックスピーカは、超音波が伝搬している間に、空気の非線形効果で変調信号が自己復調されて可聴域の音声が再生されるという異なった原理で音声を得ていることである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３４９２６９８号
【特許文献２】米国特許第７０８９０６９号
【特許文献３】特許第４２８５５３７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のデジタルスピーカでは、上記で述べたように複数の微小トランスデューサ（超音波発生素子）から超音波が放出され、その超音波領域で振動する音波が重なり合うことで可聴周波数の音声信号を得る構成となっている。そのため、伝送媒体である空気中に、超音波が放射されるため、空気中の振動は、元の音響信号の振動とは異なることになる。また、人には聞こえないが動物などへの悪影響を防ぐために超音波を取り除く音響低減フィルタを入れることも考慮せざるを得ない欠点があった。
【０００７】
また、アレイには、ビット数に応じた多数のトランスデューサが必要で、面積を要し、ある一瞬には、複数の超音波発生素子の内、動作している超音波発生素子と動作していない超音波発生素子が存在することになり、放出される超音波の重なり合いが、再生時間毎に変化し、一点に定位しないという問題が発生する。また、最小音量に近づくと、アレイの内、駆動されるトランスデューサ数が減少し、音波がうまく重ならない問題も生じやすかった。あるいはそれぞれのトランスデューサは、超音波域のクロック信号で正負に駆動されるが、定常的に駆動されているわけではないので、トランスデューサに広く平坦な周波数特性が要求され、通常は平坦な周波数特性のトランスデューサは得難いので、それが音の忠実性を損なうという問題があった。
【０００８】
従来のパラメトリックスピーカでは、伝送媒体の非線形効果によって再生音が生成されるため、音圧分布が負音圧側に偏り、聴取者が違和感を持つような音となってしまうという問題点があった。また、超音波の伝搬方向で決まる鋭い指向性はその特徴であり、特定の人に対しての音声情報提供という特徴を生かせる分野において大きな優位性を持つが、通常のアナログスピーカのように不特定多数に聞かせる目的では使えなかった。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解消し、従来のアナログスピーカの音質を再現することが可能で、かつ薄型化、小型化、軽量化が可能な平面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】
上記目的を達成するため本願請求項１に係る発明は、可聴周波数帯域の音響信号によって変調した超音波周波数帯域の搬送波を生成する搬送波生成部と、前記搬送波により振動し、前記音響信号を再生する振動板とを備え、前記搬送波生成部は、複数の超音波発生素子をアレイ状に配置し、前記超音波発生素子は前記音響信号に応じて駆動制御される構成とし、前記振動板は、前記搬送波生成部から放射されて前記超音波発生素子と前記振動板との間の空間を伝搬した前記搬送波によって振動するとともに、前記搬送波を反射する構成としたことを特徴とする。
【００１１】
本願請求項２に係る発明は、請求項１記載の平面スピーカにおいて、前記超音波発生素子は、第１の基板上に形成され、該第１の基板上に、あるいは該第１の基板と重なる第２の基板上に、前記超音波発生素子と駆動電源とを接続するスイッチ素子が形成され、前記スイッチ素子の開閉を制御することによって、前記超音波振動素子を駆動制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、再生音に超音波が重畳することがなく、超音波の重なり合いによる不均一性も解消することができるので、音響信号（原音）を忠実に再生可能なスピーカを提供することができる。
【００１３】
また音響信号は、振動板の振動により再生される構成となっており、従来例のような超音波の重なりによって生成する構成となっていないため、超音波発生素子の振動周波数によらず、所望の帯域の再生音が得られるという利点がある。この再生音は、伝送媒体の非線形効果によって音圧分布が負音圧側に偏るということもないので、聴取者が違和感を持つことはない。
【００１４】
さらにまた、超音波発生素子を第１の基板上に形成すると共に、この超音波発生素子に供給される駆動電源との間に形成されるスイッチ素子も同一の第１の基板上に形成する、あるいは第１の基板と重なる第２の基板上に形成することができるので、薄型、小型、軽量化に好適である。この場合、超音波発生素子の駆動制御は、スイッチ素子の制御でよいので、調整し易いという利点もある。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の平面スピーカを説明する図である。
【図２】本発明の平面スピーカを説明する別の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の平面スピーカは、音声、オーディオ信号等の可聴周波数帯域の音響信号に応じて、超音波周波数帯域の搬送波（超音波）を搬送波生成部で生成する。この搬送波生成部は、超音波発生素子を複数個アレイ状に配列している。そして、複数個の超音波発生素子に対向するように所定の間隔を隔てて振動板を配置する。この振動板は、超音波発生素子との間の伝送媒体、具体的には、空気の音響インピーダンスと大きく異なる材料から構成する。更に振動板は、搬送波（超音波）が、振動板で反射し、再生音が聞こえる聴取者の方向へ伝搬しないように配置する。
【００１７】
このように構成すると、超音波発生素子から音響信号によって変調した搬送波（超音波）が放射されると、その近傍の空間を伝搬して振動板に到達する。この振動板では、搬送波（超音波）の非線形効果により、音響放射圧が発生する。この音響放射圧の大きさは、搬送波（超音波）のエネルギー強度に比例する。その結果、振動板が搬送波の進行方向に振動し、音響信号を再生する。このとき超音波は、音響インピーダンスの違いからほとんどが反射するので、聴取者の耳に達することはない。
【００１８】
このように音響信号の再生は、振動板の変位によっておこるため、複数の超音波発生素子の内、動作している素子と動作していない素子が存在することによる超音波の重なり合いの変化は、音の定位に何ら影響を与えない。また音響信号の振動周波数も、振動板の変位によって調整可能であるので、超音波発生素子の振動周波数の制限を受けることはなく、広帯域の信号を得ることができるという利点がある。
【００１９】
以上のように本発明によれば、従来のスピーカ同様に振動板の変位によって音響信号を再生する構成となっているため、従来のスピーカの音質を再現することができ、かつ薄型化、小型化、軽量化が可能となる。
以下、具体的な実施例について詳細に説明する。
【実施例１】
【００２０】
図１は、本発明の平面スピーカの説明図である。図２は、本発明の平面スピーカを構成する部分の説明図である。図に示すように、１は複数の超音波発生素子がアレイ状に配置された超音波発生素子部、２は振動板、３は筐体、４は振動板２を筐体３に変位可能に保持する接続部、５はスイッチ素子部、６は駆動回路部である。超音波発生素子部１は複数の超音波発生素子７から構成され、一例としてｃＭＵＴ（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer）等で形成することができる。スイッチ素子部５は、複数の超音波発生素子７それぞれに接続された複数のスイッチ素子８で構成されている。駆動回路部６は、超音波発生素子７を駆動するための超音波発生素子用電源９と、スイッチ素子８の開閉を制御するためのスイッチ素子コントローラ１０で構成されている。
【００２１】
図１に示すように、超音波発生素子部１から放射される搬送波（超音波）の進行方向に、その進行を遮るように振動板２が配置されている。この振動板２は、例えば弱いバネからなる接続部４で筐体３に接続することで、変位可能に保持されている。振動板２と超音波発生素子部２との間の寸法は、伝搬波（超音波）のエネルギーが確実に振動板２に届き、忠実に再生することができるように調整する。また、振動板２の大きさは、アレイ状に配置した超音波発生素子部１よりも大きくすることで、伝搬波（超音波）のエネルギーを確実に振動板２に伝えることができる。なお、この振動板２は、搬送波が進行する空間の音響インピーダンスと大きく異なる材料で、良好な音質を再生する必要があるので、従来のスピーカ同様、固く軽い材料を選択するのが好ましい。
【００２２】
アレイ状に配置された超音波発生素子７は、スイッチ素子部５を構成するスイッチ素子８の開閉を制御することで、駆動制御される。
【００２３】
図２に示すように、超音波発生素子７を例えば、ｃＭＵＴで構成すると、シリコン半導体基板上に、振動膜となる上部電極と下部電極等を、通常の半導体装置の加工技術を用いて形成することができる。超音波発生素子７は、ｃＭＵＴに限らず、シリコンマイクロマシーン技術を用いてシリコン基板を加工して形成することができる。同様にスイッチ素子８も同一のシリコン半導体基板上に形成する、あるいはこのシリコン半導体基板に重なる別のシリコン基板に形成し、両方を電気的に接続すると、小型、薄型化、軽量化に好適である。
【００２４】
スイッチ素子部５による超音波発生素子部１の駆動制御は、１個の超音波発生素子７に１個のスイッチ素子８が接続する構成としても、複数個の超音波発生素子７に１個のスイッチ素子８が接続する構成としてもよい。後者の場合、スイッチの数をデジタル信号のビット数に応じた数、例えば８ビットの場合は２５５個、１６ビットの場合は６５，５３５個、あるいはその整数倍とすることができる。
【００２５】
図２に示すように、スイッチ素子コントローラ１０によりスイッチ素子８の開閉が制御され、超音波発生素子用電源９に接続された超音波発生素子７から伝搬波（超音波）が空間に放出される。空間に放出された伝搬波（超音波）は、振動板２に到達し、振動板２を音響放射圧で押す。このとき放出される伝搬波（超音波）の強さは、超音波発生素子用電源９に接続された超音波発生素子７の数に比例することになる。従って、超音波発生素子用電源に接続された超音波発生素子の数と、振動板２の変位量が比例するように、接続部４を調整すればよい。例えば接続部４をバネで構成した場合は、バネ定数が線形特性を示すような範囲になるように調整すればよい。
【００２６】
この振動板２の変位の時間的変化により、振動板２近傍の空気が振動し、可聴周波数帯域の音響信号が再生される。これは、従来のスピーカの再生方法と同じであり、従来同様に再生が実現できる。このとき、振動板２を変位させた伝送波（超音波）は、振動板２を透過することはない。従って、空気中には、振動板２で再生した音のみが伝送するため、元の音響信号を忠実に再現できることになる。
【００２７】
なお、振動板２を均一に振動させるため、アレイ状に形成された超音波発生素子７の内、動作する超音波発生素子７が均一に分散するように制御するのが好ましい。また、再生する音響信号の周波数帯域や、音量等に応じて、動作する超音波発生素子の数を調整することもできる。
【００２８】
超音波発生素子から発生させる超音波は、スイッチ素子コントローラ１０を動作させる信号の周波数より高い必要がある。しかし、超音波は、周波数が高いほど、空気中での減衰が大きくなるので、おおむね２ＭＨｚ位が好ましい。
【符号の説明】
【００２９】
１：超音波発生素子部、２：振動板、３：筐体、４：接続部、５：スイッチ素子部、６：駆動回路部、７：超音波発生素子、８：スイッチ素子、９：超音波発振素子用電源、１０：スイッチ素子コントローラ
【図１】
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【図２】
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