(57)【要約】【課題】パラメトリックスピーカ全体の音圧を高め、少ない数の超音波発音体で効率よく高い音圧で発音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、厚み方向への電圧の印加により伸縮する板状の圧電素子１１１と、圧電素子１１１が一方の主面に接着された振動板１１２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円錐筒状の共振子１１４と、を備え、共振子１１４は、底部に充填された凝固体１１４ａにより共振周波数を調整されている。これにより、超音波発音体１１０の共振周波数のばらつきを低減でき、パラメトリックスピーカ全体の音圧を高めることができる。そして、少ない数の超音波発音体１１０で効率よく高い音圧で発音できる。【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、
厚み方向への電圧の印加により伸縮する板状の圧電素子と、
前記圧電素子が一方の主面に接着された振動板と、
前記振動板の他方の主面に設けられ、振動板の振動に共振して超音波を発生させる円錐筒状の共振子と、を備え、
前記共振子は、底部に充填された凝固体により共振周波数を調整されていることを特徴とする超音波発音体。
【請求項２】
前記共振子の底部に充填された凝固体は、シリコン樹脂であ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、それらの共振周波数の標準偏差が５０Ｈｚ以下であ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、超音波を発生させる超音波発音体およびこれが複数設けられた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。圧電振動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、超音波センサには、共振周波数の調整を行なっているものが知られている。例えば、特許文献３記載の超音波センサは共振子の側面と振動板との角度を調整することで共振周波数を調整している。
【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】特開平７−７２００６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
パラメトリックスピーカに用いられる複数個の超音波発音体は、各々の圧電振動子の振動を合わせるために共通の駆動周波数で駆動される。超音波発音体は、図５に示すように駆動周波数と共振周波数が近いと音圧は高くなり、駆動周波数と共振周波数が離れていると音圧は低くなる。
【０００８】
パラメトリックスピーカとして複数個の超音波発音体を用いる場合、各々の超音波発音体の共振周波数にばらつきがあると、駆動周波数と大きく異なる共振周波数を有する超音波発音体では、音圧が低くなる。そして、音圧の低い超音波発音体の存在によりパラメトリックスピーカ全体の音圧も低くなる。
【０００９】
これに対し、いくつかの超音波発音体の音圧が低くなることを想定し、予め超音波発音体の数を増やしてもよいが、その場合、パラメトリックスピーカが大きくなりすぎる。一方、超音波発音体の共振周波数のばらつきを小さくすれば、音圧の低い超音波発音体を無くし、用いる超音波発音体を少なくすることができる。そこで、特許文献３記載の超音波センサの周波数調整方法を適用することも考えられるが、個々の超音波センサの指向性がばらつくため、パラメトリックスピーカのように複数個並べて用いる場合には、この方法は不向きである。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、パラメトリックスピーカ全体の音圧を高め、少ない数の超音波発音体で効率よく高い音圧で発音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】
【００１１】
（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、厚み方向への電圧の印加により伸縮する板状の圧電素子と、前記圧電素子が一方の主面に接着された振動板と、前記振動板の他方の主面に設けられ、振動板の振動に共振して超音波を発生させる円錐筒状の共振子と、を備え、前記共振子は、底部に充填された凝固体により共振周波数を調整されていることを特徴としている。
【００１２】
このように、共振子の共振周波数を調整することでパラメトリックスピーカを構成する超音波発音体の共振周波数のばらつきを低減できる。その結果、パラメトリックスピーカ全体の音圧を高めることができる。そして、少ない数の超音波発音体で効率よく高い音圧で発音できる。
【００１３】
（２）また、本発明の超音波発音体は、前記共振子の底部に充填された凝固体が、シリコン樹脂であることを特徴としている。これにより、共振子ごとに容易にかつ低コストで共振周波数の調整を行なうことができる。
【００１４】
（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、それらの共振周波数の標準偏差が５０Ｈｚ以下であることを特徴としている。これにより、超音波発音体の共振周波数のばらつきを低減し、パラメトリックスピーカ全体の音圧を十分に高めることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、パラメトリックスピーカ全体の音圧を高め、少ない数の超音波発音体で効率よく高い音圧で発音できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【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断面図である。
【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】駆動周波数と共振周波数との差に対する音圧の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
（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、変調された強力な音圧の超音波を発生し、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。
【００１９】
（超音波発音体の構成）
図２は、超音波発音体１１０の構成を示す側断面図である。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。
【００２０】
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、圧電素子１１１は、振動面を介し、超音波を発生させることができる。
【００２１】
共振子１１４は、円錐筒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。共振子１１４は、底部に充填された凝固体１１４ａにより共振周波数を調整されている。このように、共振子の共振周波数を調整することで超音波発音体の共振周波数のばらつきを低減できる。その結果、パラメトリックスピーカ全体の音圧を高めることができる。そして、少ない数の超音波発音体で効率よく高い音圧で発音できる。
【００２２】
凝固体１１４ａは、シリコン樹脂であることが好ましい。これにより、共振子ごとに容易にかつ低コストで共振周波数の調整を行なうことができる。このように、共振周波数が調整された超音波発音体１１０をパラメトリックスピーカ１００に用いることができる。その場合、共振周波数の標準偏差を５０Ｈｚ以下とすることが好ましい。これにより、パラメトリックスピーカ全体の音圧を十分に高めることができる。
【００２３】
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、円板状に形成されている。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形成できる。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。
【００２４】
（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。
【００２５】
（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。
【００２６】
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１１０を作製することができる。
【００２７】
次に、作製された超音波発音体１１０の共振周波数を測定する。そして、超音波発音体１１０の最低値となる共振周波数を目標値として、シリコン樹脂を共振子１１４の底部に注入し、凝固させ、各超音波発音体の共振周波数を調整する。共振子１１４にシリコン樹脂を入れると量に応じて共振周波数が低くなるため、共振周波数が最低値より高いすべてのものを対象としてシリコン樹脂を注入する調整が可能である。一方、シリコン樹脂の量に対する共振周波数の変化は予め把握できるため、調整前と合わせる目標周波数の差からシリコン樹脂の量を決め、ディスペンサにて定量になるよう注入することができる。このようにして、複数の超音波発音体１１０の共振周波数をそれらのうちの最低値に合わせるよう調整する。
【００２８】
（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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
（実施例）
上記の作製方法に沿って、まず、シリコン樹脂を充填せず各圧電振動子の共振周波数を調整していない超音波発音体をパラメトリックスピーカ用に５０個作製した。そして、これらの共振周波数を測定し、その標準偏差を計算したところ、３０１Ｈｚだった。
【００３２】
次に、各超音波発音体の平均値となる共振周波数を目標値として、シリコン樹脂を共振子の底部に注入し、凝固させ、各超音波発音体の共振周波数を調整した。そして、これらの共振周波数を測定し、その標準偏差を計算したところ、４２Ｈｚだった。
【００３３】
表１は、共振周波数を調整する前と共振周波数を調整した後のそれぞれの共振周波数の標準偏差を示している。表１に示すように、シリコン樹脂を用いた調整によって共振周波数の標準偏差が小さくなり、ばらつきを抑えることができた。したがって、調整後の超音波発音体を用いてパラメトリックスピーカを作製すれば、音圧を向上できることを実証できた。
【表１】
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【符号の説明】
【００３４】
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
１１４ａ  凝固体
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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