(57)【要約】【課題】連続駆動による温度上昇を小さくして音圧低下を防止できる超音波発音体およびパラメトリックスピーカを提供する。【解決手段】超音波を発生させるパラメトリックスピーカ用の超音波発音体１１０であって、板状の圧電素子１１１および圧電素子１１１が一方の主面に接着された振動板１１２により形成される圧電振動子１１５と、振動板１１２の他方の主面に設けられ、振動板１１２の振動に共振して超音波を発生させる共振子１１４と、を備え、圧電振動子１１５の機械的品質係数Ｑｍは１００以上である。このように、圧電素子１１１の機械的品質係数Ｑｍが高いため、発熱による温度上昇を防止することができ、共振周波数の変動を防止できる。その結果、超音波発音体１１０の音圧を維持できる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を発生させるパラメトリックスピーカ用の超音波発音体であって、
板状の圧電素子および前記圧電素子が一方の主面に接着された振動板により形成される圧電振動子と、
前記振動板の他方の主面に設けられ、前記振動板の振動に共振して超音波を発生させる共振子と、を備え、
前記圧電振動子の機械的品質係数Ｑｍは１００以上であることを特徴とする超音波発音体。
【請求項２】
前記圧電素子および前記振動板は、いずれも円板状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の超音波発音体。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の超音波発音体が複数設けられ、前記超音波発音体を連続駆動することで、超音波が伝播する際の非線形特性により可聴音を出現させることを特徴とするパラメトリックスピーカ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波発音体を複数個並べて構成するパラメトリックスピーカに適した超音波発音体およびパラメトリックスピーカに関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波発音体は、振動板と圧電素子を貼り合わせた圧電振動子を構成に含む。圧電素子に圧電振動子固有の共振周波数の交流電圧を印加すると圧電振動子が振動し、超音波発音体は共振周波数と同じ周波数の音を発する。その共振周波数は２０ｋＨｚを超えた超音波帯域に含まれる。
【０００３】
さらに圧電振動子に円錐筒状の共振子を取り付けることで、発生する超音波の音圧を増大させ、その超音波に前方６０〜７０度の指向性を持たせることができる。なお、超音波発音体は超音波センサと同様な構造を有するが、超音波センサは超音波の送信、受信を行ない、超音波発音体は超音波センサの送信のみを行なう点で両者は相違している。
【０００４】
パラメトリックスピーカは、このような超音波発音体を複数個並べて構成されている（例えば特許文献１、２参照）。パラメトリックスピーカの各々の超音波発音体が発した超音波は、空気中で重なり合い、ある音圧以上に達すると可聴音へ復調される。また、超音波が重なり合った中心部の位置のみで可聴音が生じるため、パラメトリックスピーカは、鋭い指向性を持ったスピーカとして機能する。
【０００５】
なお、上記の超音波センサには、圧電振動子の共振周波数の変化を低減し、温度−音圧変化特性を向上させようとするものがある。たとえば、特許文献３記載の超音波トランスジューサは、圧電体よりも線膨張係数が小さい振動板を用いて圧電振動子の共振周波数の変化を低減しようとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６０−１６７５９７号公報
【特許文献２】特開昭６２−２９６６９８号公報
【特許文献３】特開２００１−２５８０９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のような超音波発音体や超音波センサは、駆動周波数を圧電振動子が最も振動する共振周波数に設定することで高音圧が得られる。しかし、共振周波数で駆動する際は音圧が得られる反面、圧電振動子の発熱が大きい。そして、圧電振動子は温度が上がると図７に示すように共振周波数が低くなり、設定した駆動周波数が共振周波数から離れ、音圧は低下してしまう。これに対し、例えば特許文献３記載の技術を超音波発音体に適用することも考えられるが、この技術により温度に対する共振周波数変化量が顕著に変わるわけではない。
【０００８】
超音波センサは、送信、受信を交互に行ない、間欠駆動するため、その圧電振動子の温度上昇は小さい。したがって、特許文献３記載の程度の効果でも十分である。一方、超音波発音体は、パラメトリックスピーカの構成要素として連続駆動するため、圧電振動子の温度上昇が大きくなり、音圧が低下する。これに対しては、温度に対する共振周波数変化量を調整するより超音波発音体の駆動による温度上昇を小さくする方が効果的である。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、連続駆動による温度上昇を小さくして音圧低下を防止できる超音波発音体およびパラメトリック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】
（１）上記の目的を達成するため、本発明の超音波発音体は、超音波を発生させるパラメトリックスピーカ用の超音波発音体であって、板状の圧電素子および前記圧電素子が一方の主面に接着された振動板により形成される圧電振動子と、前記振動板の他方の主面に設けられ、前記振動板の振動に共振して超音波を発生させる共振子と、を備え、前記圧電振動子の機械的品質係数Ｑｍは１００以上であることを特徴としている。
【００１１】
このように、圧電素子の機械的品質係数Ｑｍが高いため、発熱による温度上昇を防止することができ、共振周波数の変動を防止できる。その結果、超音波発音体の音圧を維持できる。
【００１２】
（２）また、本発明の超音波発音体は、前記圧電素子および前記振動板が、いずれも円板状に形成されていることを特徴としている。これにより、圧電素子の機械的品質係数Ｑｍを高くすることができる。また、作製時の歩留まり向上、および駆動時の故障率低下が可能になる。
【００１３】
（３）また、本発明のパラメトリックスピーカは、上記の超音波発音体が複数設けられ、前記超音波発音体を連続駆動することで、超音波が伝播する際の非線形特性により可聴音を出現させることを特徴としている。このように本発明のパラメトリックスピーカは、圧電素子の機械的品質係数Ｑｍが高いため、連続駆動しても圧電振動子の温度上昇が抑制され、音圧を高く維持することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、発熱による温度上昇を防止し、共振周波数の変動を防止できる。その結果、超音波発音体の音圧を維持できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明のパラメトリックスピーカを示す正面図である。
【図２】本発明の超音波発音体の構成を示す側面図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）いずれも本発明の超音波発音体の動作の一場面を模式的に示す側面図である。
【図４】パラメトリックスピーカの電気的構成を示すブロック図である。
【図５】圧電素子の機械的品質係数Ｑｍと温度上昇との関係を示すグラフである。
【図６】（ａ−１）〜（ｃ−２）それぞれ円形の振動板に各形状の板状の圧電素子を貼り付けた圧電振動子を示す側面図および底面図である。
【図７】圧電振動子の各温度における共振周波数とインピーダンスとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１７】
（パラメトリックスピーカの構成）
図１は、パラメトリックスピーカ１００を示す正面図である。パラメトリックスピーカ１００は、強力な音圧で変調された超音波を発生させ、空気中を超音波が伝播する際の非線形特性により、可聴音を出現させる。このようにして方向や距離を特定し指向性を与えて音響情報を伝えることを可能にする。図１に示すように、パラメトリックスピーカ１００は、複数の超音波発音体１１０が基板１２０上に設けられて構成されている。超音波発音体１１０は、変調信号に基づいて超音波を発生させる。基板１２０は、超音波発音体１１０を固定し支持している。なお、図１では、外観構成を示し、電気的構成は省略している。
【００１８】
（超音波発音体の構成）
図２は、超音波発音体１１０の構成を示す側面図である。超音波発音体１１０は、パラメトリックスピーカに用いられ、超音波を発生させる。超音波発音体１１０は、電圧の印加により変調超音波信号を発生させる。超音波発音体１１０は、圧電素子１１１、振動板１１２、リード線１１３ａ、１１３ｂ、共振子１１４により構成されている。
【００１９】
圧電素子１１１は、板状に形成され、厚み方向への電圧の印加により伸縮する。圧電素子１１１は、振動板１１２の一方の主面に接着されて設置されている。圧電素子１１１は、振動板１１２の他方の主面が振動面となっており、振動面を介し、超音波を発生させることができる。
【００２０】
共振子１１４は、円錐筒形状に形成されており、アルミニウムまたはアルミニウム合金で構成されていることが好ましい。なお、円錐筒形状には、パラボラ状または漏斗状が含まれる。共振子１１４は、振動板１１２の他方の主面に設けられ、振動板１１２の振動に共振して超音波を発生させる。圧電素子１１１の両主面には、それぞれ電極が形成されており、本体部分の圧電体は厚み方向に分極されている。振動板１１２は、圧電素子１１１が一方の主面に接着されている。振動板１１２は、たとえば、真鍮、ＳＵＳ３０４、４２アロイまたはアルミニウム等の金属により円板状に形成されている。
【００２１】
圧電素子１１１および振動板１１２は、圧電振動子１１５を形成している。圧電振動子１１５は、あらかじめ一定の共振周波数となるように設計されている。圧電振動子の機械的品質係数Ｑｍは１００以上である。圧電振動子１１５の機械的品質係数Ｑｍが高いため、発熱による温度上昇を防止することができ、共振周波数の変動を防止できる。その結果、超音波発音体１１０の音圧を維持できる。また、圧電素子１１１および振動板１１２は、いずれも円板状に形成されていることが好ましい。これにより、圧電素子１１１の機械的品質係数Ｑｍを高くすることができる。また、作製時の歩留まり向上、および駆動時の故障率低下が可能になる。さらには、パラメトリックスピーカ１００は、連続駆動しても圧電振動子の温度上昇が抑制され、音圧を高く維持することができる。
【００２２】
（超音波発音体の動作）
図３（ａ）、（ｂ）は、いずれも本発明の超音波発音体１１０の動作の一場面を模式的に示す側面図である。図３（ａ）、（ｂ）に示すように、超音波発音体１１０は、厚み方向に分極された圧電素子１１１の両主面の電極に交流電圧を印加することで屈曲振動する。その際には、圧電振動子１１５の共振周波数を駆動周波数として電圧を印加する。このとき、圧電振動子１１５の機械的品質係数Ｑｍが高いと電気エネルギーが熱として消費され難くなり、温度上昇を防止することができる。
【００２３】
（超音波発音体の作製）
超音波発音体１１０の作製方法を説明する。まず、圧電振動子１１５について所定以上のＱｍを有するように、圧電素子１１１および振動板１１２の材料を決定し、それぞれの外形形状も設計しておく。
【００２４】
圧電材料により板状の圧電体を形成し、電極を設けて分極することで、圧電素子１１１を形成する。圧電素子１１１を振動板１１２の一方の主面に接着する。そして、リード線１１３ａ、１１３ｂを所定箇所の電極または振動板１１２に接続する。振動板１１２の他方の主面に共振子１１４を接着する。このようにして、超音波発音体を作製することができる。
【００２５】
なお、圧電素子１１１の形状は圧電振動子１１５の製造時の歩留まりおよび駆動時の故障率に影響する。六角形、正方形のように角を有する圧電素子１１１は振動板との貼り付け時及び駆動時に掛かる応力が角に集まるため、破損しやすい。一方、円形は貼り付け時及び駆動時に掛かる応力が均等になるため、破損しにくくなり、作製時の歩留まり向上および駆動時の故障率低下ができる。
【００２６】
（パラメトリックスピーカの電気的構成）
図４は、パラメトリックスピーカ１００の電気的構成を示すブロック図である。図４に示すように、パラメトリックスピーカ１００は、発振器１０１、変調器１０２、増幅器１０５および超音波発音体１１０を備え、これらを介して超音波を発生させる。発振器１０１は、超音波帯域の所定の周波数で信号を発振する。発振される周波数は、発振信号が超音波発音体１１０に伝達されたとき圧電素子１１１を駆動する駆動周波数であり、パラメトリックスピーカ１００の用途に応じてあらかじめ決定されている。
【００２７】
変調器１０２は、音声信号で発振信号をＡＭ変調する。変調は、ＡＭ変調に代えて、ＤＳＢ変調、ＳＳＢ変調、ＦＭ変調であってもよい。増幅器１０５は、変調された発振信号を増幅し、超音波発音体１１０に出力する。超音波発音体１１０は、増幅された発振信号を音波に変換する。
【００２８】
上記のように構成されたパラメトリックスピーカ１００は、超音波帯域の周波数の信号を発振し、発振信号を所望の音声信号で変調し、変調信号を増幅して、超音波発音体１１０で音波に変換して放射する。このようにして、指向性の鋭い超音波を放射することができる。たとえば狭い範囲にいる人に選択的に案内を流すことができるため、美術館や水族館、博物館、アミューズメント施設などに利用できる。今後、交通案内などでも利用可能である。
【００２９】
（実験１）
次に、それぞれ機械的品質係数Ｑｍの異なる圧電振動子１１５を同じ電気エネルギーで駆動し、温度上昇を測定することで、機械的品質係数Ｑｍと温度上昇との関係を調べた。図５は、圧電素子の機械的品質係数Ｑｍと温度上昇との関係を示すグラフである。図５では、圧電素子の機械的品質係数Ｑｍと温度上昇との関係を回帰直線で表わしている。図５に示すように、機械的品質係数Ｑｍが高いほど温度上昇が低くなった。このように、圧電振動子１１５の機械的品質係数Ｑｍが高いほど、超音波発音体１１０の音圧を維持するには好ましいことが分かった。
【００３０】
（実験２）
次に、機械的品質係数Ｑｍの高い圧電振動子１１５の形状について実験を行なった。測定には共振周波数５０ｋＨｚの超音波発音体を用いた。以下のように形状の異なる圧電素子１１１を用いた圧電振動子１１５の機械的品質係数Ｑｍを測定した。
【００３１】
図６（ａ−１）〜（ｃ−２）は、それぞれ円形の振動板に各形状の板状の圧電素子を貼り付けた圧電振動子を示す側面図および底面図である。図６（ａ−１）、（ａ−２）は、圧電素子１１１が円板状である圧電振動子１１５を示している。図６（ｂ−１）、（ｂ−２）は、圧電素子１１１が正六角板状である圧電振動子１１５を示している。図６（ｃ−１）、（ｃ−２）は、圧電素子１１１が正方板状である圧電振動子１１５を示している。
【００３２】
表１は、それぞれの圧電振動子１１５の機械的品質係数Ｑｍを示している。表１に示すように、円板状の圧電素子１１１を円板状の振動板１１２に貼り付けた圧電振動子１１５のＱｍが最も高いことが分かった。この場合の圧電振動子１１５により、発熱による温度上昇およびそれに伴う共振周波数の変動を防止でき、超音波発音体１１０の音圧を維持できることが実証された。なお、共振周波数５０ｋＨｚの超音波発音体ではＱｍが１００以上で温度上昇が１０℃以下となった。
【表１】
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【符号の説明】
【００３３】
１００  パラメトリックスピーカ
１０１  発振器
１０２  変調器
１０５  増幅器
１１０  超音波発音体
１１１  圧電素子
１１２  振動板
１１３ａ、１１３ｂ  リード線
１１４  共振子
１１５  圧電振動子
１２０  基板
【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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【図７】
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