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超音波スピーカ及びパラメトリックスピーカ

阅读:519发布:2020-05-08

专利汇可以提供超音波スピーカ及びパラメトリックスピーカ专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且【課題】従来構成に対し、振動膜の形状の保持を容易とし且つ工作 精度 を軽減可能とする。 【解決手段】超音波帯域の周 波数 で共振を生じる 曲率 半径に構成された蒲鉾状の湾曲部121を有する振動膜12と、主面に設けられた開口111、及び当該開口111に設けられ、湾曲部121を支持可能な複数の円弧状のリブ112を有し、主面に振動膜12が搭載されたフレーム11と、振動膜12に電気 信号 を印加する印加部13とを備え、振動膜12は、分極した圧電性膜122と、圧電性膜122の一面に設けられた電極膜123と、圧電性膜122の他面に設けられた電極膜124とを有する。 【選択図】図1,下面是超音波スピーカ及びパラメトリックスピーカ专利的具体信息内容。

超音波帯域の周波数で共振を生じる曲率半径に構成された蒲鉾状の湾曲部を有する振動膜と、 主面に設けられた開口、及び当該開口に設けられ、前記湾曲部を支持可能な複数の円弧状のリブを有し、主面に前記振動膜が搭載されたフレームと、 前記振動膜に電気信号を印加する印加部とを備え、 前記振動膜は、 分極した圧電性膜と、 前記圧電性膜の一面に設けられた第1の電極膜と、 前記圧電性膜の他面に設けられた第2の電極膜とを有する ことを特徴とする超音波スピーカ。前記圧電性膜は、高分子樹脂圧電材又は複合物圧電材から構成された ことを特徴する請求項1記載の超音波スピーカ。超音波帯域の周波数の搬送波を生成する搬送波生成部と、 前記搬送波生成部により生成された搬送波を外部から入されたオーディオ信号で変調した変調波を生成する変調部と、 前記搬送波生成部により生成された搬送波と前記変調部により生成された変調波とを加算した信号を得る加算部と、 前記加算部により得られた信号を増幅する増幅部と、 請求項1又は請求項2記載の超音波スピーカとを備え、 前記湾曲部は、前記搬送波生成部により生成された搬送波の周波数と同一の周波数で共振が生じる曲率半径に構成され、 前記印加部は、前記増幅部による増幅後の信号に基づく電気信号を前記振動膜に印加する ことを特徴とするパラメトリックスピーカ。

超音波帯域の周波数で共振を生じる曲率半径に構成された蒲鉾状の湾曲部を有する振動膜と、 主面に設けられた開口、及び当該開口に設けられ、前記湾曲部を支持可能な複数の円弧状のリブを有し、主面に前記振動膜が搭載されたフレームと、 前記振動膜に電気信号を印加する印加部とを備え、 前記振動膜は、 分極した圧電性膜と、 前記圧電性膜の一面に設けられた第1の電極膜と、 前記圧電性膜の他面に設けられた第2の電極膜とを有し、 前記圧電性膜は、高分子樹脂圧電材から構成され、 前記湾曲部で共振が生じる周波数は、下式(1),(2)で表される ことを特徴とする超音波スピーカ。 |Z|=|{(Y×t)/(ω×R2)}−ω×ρ×t|=0 (1) ω=2×π×f (2)超音波帯域の周波数の搬送波を生成する搬送波生成部と、 前記搬送波生成部により生成された搬送波を外部から入力されたオーディオ信号で変調した変調波を生成する変調部と、 前記搬送波生成部により生成された搬送波と前記変調部により生成された変調波とを加算した信号を得る加算部と、 前記加算部により得られた信号を増幅する増幅部と、 請求項1記載の超音波スピーカとを備え、 前記湾曲部は、前記搬送波生成部により生成された搬送波の周波数と同一の周波数で共振が生じる曲率半径に構成され、 前記印加部は、前記増幅部による増幅後の信号に基づく電気信号を前記振動膜に印加する ことを特徴とするパラメトリックスピーカ。

说明书全文

この発明は、超音波を空気中に放射する超音波スピーカ、及びこの超音波スピーカを備えたパラメトリックスピーカに関する。

超音波スピーカを利用する産業分野としては、超音波が非線形伝搬する特性を利用し、空気中に狭いビーム状の音場を形成して可聴音として再現するパラメトリックスピーカがある。このパラメトリックスピーカでは、高い音圧の超音波を出する超音波スピーカが求められる。

これに対し、従来から、振動膜に圧電性膜を利用した超音波スピーカが知られている。振動膜に圧電性膜を利用した超音波スピーカでは、空気中に超音波を放射するため、圧電性膜の面方向の伸縮を面方向に垂直な方向への振幅運動に変換する必要がある。 そこで、特許文献1に開示された超音波スピーカでは、振動膜のうちの超音波を放射する部分が、円弧状に突き出した形状とされている。具体的には、振動膜が、複数の穴を有するスペーサで挟み込まれ、穴に空気圧が充填されて圧力が加えられることで、円弧状に突き出した形状とされている。

また、特許文献2に開示された超音波スピーカでは、振動膜のうちの超音波を放射する部分が、凹んだ形状とされている。具体的には、電極膜を有する振動膜が、電極膜に直流バイアスが印加されることで、凹んだ形状とされている。

これらの超音波スピーカは、交流のオーディオ信号が印加されると、その電圧の強さに応じて圧電性膜が面方向に伸縮する。特許文献1に開示された超音波スピーカでは、圧電性膜の伸縮が円弧状に突き出した高さの変化となる。また、特許文献2に開示された超音波スピーカでは、圧電性膜の伸縮が直流バイアスによる凹みの深さの変化となる。このように、特許文献1,2に開示された超音波スピーカでは、圧電性膜の面方向の伸縮が面方向に垂直な方向への振幅運動となり、超音波が空気中に放射される。

また、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等から成る圧電性膜を用いた超音波スピーカでは、電気パワーから音響パワーへ変換する際の電気音響変換効率が低い。そのため、特許文献2に開示された超音波スピーカでは、振動膜が有するキャビティの共鳴を利用し、所望の周波数で機械系共振を発生させ、振動膜の振幅を大きくすることで電気音響変換効率を高めている。

特開昭61−214900号公報

特開2000−050392号公報

上記のように、振動膜に圧電性膜を利用した超音波スピーカでは、空気中に超音波を放射するため、圧電性膜の面方向の伸縮を面方向に垂直な方向への振幅運動に変換する必要がある。そのため、従来の超音波スピーカでは、振動膜のうちの音を放射する部分を円弧状に突き出した形状又は凹んだ形状としている。

しかしながら、特許文献1に開示された超音波スピーカでは、長期間に渡って空気が漏れないようにすることは難しく、振動膜の形状の保持が困難である。 また、特許文献2に開示された超音波スピーカでは、オーディオ信号を印加するための交流回路に加え、直流バイアスを印加するための電気回路が別途必要になる。

また、キャビティの共鳴を利用した従来の超音波スピーカでは、キャビティの深さが74μmの場合に共振周波数が65kHzとなり、キャビティの深さが56μmの場合に共振周波数が75kHzとなる。よって、この超音波スピーカでは、ミクロンオーダの精密な工作精度が要求される。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、従来構成に対し、振動膜の形状の保持が容易であり且つ工作精度を軽減可能な超音波スピーカを提供する。

この発明に係る超音波スピーカは、超音波帯域の周波数で共振を生じる曲率半径に構成された蒲鉾状の湾曲部を有する振動膜と、主面に設けられた開口、及び当該開口に設けられ、湾曲部を支持可能な複数の円弧状のリブを有し、主面に振動膜が搭載されたフレームと、振動膜に電気信号を印加する印加部とを備え、振動膜は、分極した圧電性膜と、圧電性膜の一面に設けられた第1の電極膜と、圧電性膜の他面に設けられた第2の電極膜とを有することを特徴とする。

この発明によれば、上記のように構成したので、従来構成に対し、振動膜の形状の保持が容易となり且つ工作精度を軽減可能となる。

実施の形態1に係る超音波スピーカの構成例を示す分解斜視図である。

実施の形態1に係る超音波スピーカの構成例を示す外観斜視図である。

実施の形態1における電極膜の接続例を示す構成図である。

実施の形態1における振動膜の動作例を示す断面図である。

実施の形態1における振動膜の動作例を示す断面図である。

実施の形態2に係るパラメトリックスピーカの構成例を示すブロック図である。

実施の形態2に係るパラメトリックスピーカの動作例を示すフローチャートである。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。 実施の形態1. 図1,2は実施の形態1に係る超音波スピーカ1の構成例を示す図であり、図3は実施の形態1における電極膜123,124の接続例を示す図である。図1は超音波スピーカ1の組立て前の状態を示す図であり、図2は超音波スピーカ1の組立て後の状態を示す図である。また、図1,2では、印加部13の図示を省略している。 超音波スピーカ1は、超音波を空気中に放射する。この超音波スピーカ1は、図1〜3に示すように、フレーム11、振動膜12及び印加部13を備えている。

フレーム11は、主面に1つ以上の開口111を有する板状部材である。図1,2では、開口111は、矩形状の溝に構成され、フレーム11の主面において横方向に沿って所定の間隔で複数設けられている。また、開口111には、主面側に、複数の円弧状のリブ112が設けられている。リブ112は、振動膜12が有する湾曲部121を支持可能な部位であり、超音波帯域の周波数で湾曲部121が共振する曲率半径に構成されている。図1,2では、リブ112は、開口111毎に、開口111の長手方向に沿って所定の間隔で3つ設けられている。このフレーム11は、主面に振動膜12が搭載され、当該振動膜12を固定する。

振動膜12は、モノモルフ構造の振動膜である。また、振動膜12は、1つ以上の蒲鉾状の湾曲部121を有する。湾曲部121は、上記曲率半径に構成されている。図1,2では、湾曲部121は、横方向に沿って所定の間隔で複数設けられている。この湾曲部121は、振動膜12がフレーム11に搭載された際に、リブ112に接合されて支持される。図1,2では、振動膜12は、フレーム11の主面と略同一の大きさに構成されている。この振動膜12は、圧電性膜122、電極膜(第1の電極膜)123及び電極膜(第2の電極膜)124を有する。

圧電性膜122は、フィルム状に構成された分極した圧電素子である。また、圧電性膜122は、1つ以上の蒲鉾状の湾曲部1221を有する。湾曲部1221は、上記曲率半径に構成されている。

圧電性膜122は、例えば、高分子樹脂圧電材又は複合物圧電材から構成される。高分子樹脂圧電材は、例えば、PVDF等の部材である。また、複合物圧電材は、硬質である無機質圧電材の粉末が高分子樹脂に混合された部材である。

電極膜123は、導電性を有する膜であり、圧電性膜122の一面(上面)に設けられている。また、電極膜123は、1つ以上の蒲鉾状の湾曲部1231を有する。湾曲部1231は、上記曲率半径に構成されている。

電極膜124は、導電性を有する膜であり、圧電性膜122の他面(下面)に設けられている。また、電極膜124は、1つ以上の蒲鉾状の湾曲部1241を有する。湾曲部1241は、上記曲率半径に構成されている。

このように、電極膜123,124は、圧電性膜122を挟み込むように配置されている。そして、電極膜123,124は、圧電性膜122に対する導電性パターンとなる。

なお、圧電性膜122に対する導電性パターン(電極膜123,124)の成形方法としては、圧電性膜122に対するアルミ等の導電材の真空蒸着又はスパッタリングの気相堆積法(真空成膜法)或いは導電材が混合された銀ペースト等のインクを用いたスクリーン印刷等がある。

印加部13は、図3に示すように、電極膜123と電極膜124との間に、電気信号を印加する。印加部13が電極膜123,124に対して電気信号を印加すると、振動膜12に電界が生じる。図3において、(+)及び(−)は極性を示している。また、図3に示す矢印は、圧電効果による圧電性膜122の伸縮方向を示している。

なお、実施の形態1に係る超音波スピーカ1では、複数のリブ112で区切られた領域が、それぞれ超音波トランスデューサとなる。

次に、図1〜3に示す超音波スピーカ1の動作例について、図4,5を参照しながら説明する。 まず、印加部13が、電極膜123を+極とし、電極膜124を−極とするように電気信号を印加した場合について説明する。この場合、図4に矢印401で示すように、振動膜12に生じた電界による圧電効果によって、圧電性膜122は湾曲形状のまま伸びる。その結果、図4に矢印402で示すように、両端がフレーム11に固定されている湾曲部121は山が高くなる。

なお、圧電性膜122の伸びの長さは、下式(1)から予測可能である。式(1)において、ΔLは圧電性膜122の伸びの長さを示し、d31は圧電性膜122の圧電定数を示し、Vは印加部13による印加電圧を示し、Lは開口111における圧電性膜122の長さ(湾曲部121の長さ)を示し、tは圧電性膜122の厚みを示している。 ΔL=d31×V×(L/t) (1)

次に、印加部13が、電極膜123を−極とし、電極膜124を+極とするように電気信号を印加した場合について説明する。この場合、図5に矢印501で示すように、振動膜12に生じた電界による圧電効果によって、圧電性膜122は湾曲形状のまま縮む。その結果、図5に矢印502で示すように、両端がフレーム11に固定されている湾曲部121は山が低くなる。

したがって、印加部13が電極膜123,124に交流のオーディオ信号を印加すると、フレーム11の開口111に対向した圧電性膜122は、その電圧の強さに応じて伸縮し、また、電界の極性に応じた方向に移動する。その結果、振動膜12は振幅を行い、超音波スピーカ1は超音波を放射する。

また、振動膜12は、超音波帯域の周波数で共振を生じる曲率半径に構成された小さい湾曲部121を有する。湾曲部121で共振が生じる周波数(共振周波数)は、下式(2)に示す湾曲膜の音響インピーダンスから予測可能である。式(2)において、Zは音響インピーダンスを示し、Yは湾曲部121の弾性率を示し、tは湾曲部121の厚さを示し、ωは湾曲部121の周波数を示し、Rは湾曲部121の曲率半径を示し、ρは湾曲部121の密度を示している。なお、ω=2×π×fであり、fは湾曲部121の周波数を示す。また、|Z|=0の場合でのfの値が湾曲部121の共振周波数となる。 |Z|=|{(Y×t)/(ω×R2)}−ω×ρ×t| (2)

例えば、湾曲部121の弾性率が5×109Paであり、湾曲部121の厚さが28μmであり、湾曲部121の曲率半径が6.5mmであり、湾曲部121の密度が1780kg/m3であるとする。この場合、湾曲部121の共振は、式(2)から、超音波帯域である41kHzで生じることが予測される。

またこの場合、湾曲部121の幅(開口111の幅)を5mmとすると、湾曲部121の曲率半径が6.5mmであるため、湾曲部121の高さは0.5mmとなる。よって、振動膜12は、1/10ミリオーダの工作精度でよく、容易に工作組立可能な寸法となる。

なお、従来のキャビティの共振を利用した超音波スピーカでは、共振周波数が65kHzである。それに対し、実施の形態1に係る超音波スピーカ1では、共振周波数を65kHzとすると、湾曲部121の曲率半径は4.1mmとなる。よって、この場合にも、振動膜12は、十分に工作組立可能な寸法となる。

なお、圧電性膜122としてPVDFから成るフィルムを用いた場合、このフィルムは、厚いほど電気インピーダンスが高くなり、また、薄いほど伸びが大きくなる。よって、この場合には、超音波スピーカ1としては、薄いフィルムのものを選択することが好ましい。

以上のように、実施の形態1に係る超音波スピーカ1では、振動膜12がリブ112により湾曲部121の形状が維持された状態でフレーム11に固定されている。これにより、実施の形態1に係る超音波スピーカ1では、振動膜12が圧電効果によって湾曲部121の形状に沿って伸縮し、その伸縮が上下方向の振幅方向に変換される。

また、実施の形態1に係る超音波スピーカ1では、振動膜12が有する湾曲部121が、超音波帯域の周波数で共振を生じる曲率半径に構成されている。これにより、実施の形態1に係る超音波スピーカ1では、振動膜12が上記周波数で共振することで振動膜12の振幅が増大し、更に高い音圧の超音波を放射可能となる。

なお、実施の形態1に係る超音波スピーカ1では、振動膜12のうち、リブ112に接合されている部分は振幅しないため、その部分は音を放射する領域から除外される。しかしながら、リブ112は、幅を十分狭く且つ接合面積を小さく構成可能である。そのため、上記部分は音を放射する領域に対して十分小さくでき、超音波スピーカ1から出力される超音波の音圧への影響は無視できる。

なお図1,2では、湾曲部121が外側(上方向)に突出した形状に構成されている。しかしながら、これに限らず、湾曲部121が内側(下側)に凹んだ形状に構成されていてもよく、上記と同様の効果が得られる。なおこの場合、リブ112は、上記とは上下逆向きの円弧形状となる。

また図1,2では、湾曲部121が直線状に配列されている。しかしながら、これに限らず、湾曲部121が、例えば超音波スピーカ1の外形形状に応じて同心円状又は曲線状に配列されていてもよく、上記と同様の効果が得られる。

以上のように、この実施の形態1によれば、超音波スピーカ1は、超音波帯域の周波数で共振を生じる曲率半径に構成された蒲鉾状の湾曲部121を有する振動膜12と、主面に設けられた開口111、及び当該開口111に設けられ、湾曲部121を支持可能な複数の円弧状のリブ112を有し、主面に振動膜12が搭載されたフレーム11と、振動膜12に電気信号を印加する印加部13とを備え、振動膜12は、分極した圧電性膜122と、圧電性膜122の一面に設けられた電極膜123と、圧電性膜122の他面に設けられた電極膜124とを有する。これにより、実施の形態1に係る超音波スピーカ1は、従来構成に対し、振動膜12の形状の保持が容易となり且つ工作精度を軽減可能となる。

すなわち、実施の形態1に係る超音波スピーカ1では、湾曲部121が複数のリブ112により支持されている。よって、実施の形態1に係る超音波スピーカ1では、空気の充填が不要となり、また、直流バイアスを印加するための電気回路が不要となるため、従来構成に対し、振動膜12の形状の保持が容易となり、製造コストが下がる。 また、キャビティの共鳴を利用した従来の超音波スピーカではミクロンオーダの精密な工作精度が要求されていたのに対し、実施の形態1に係る超音波スピーカ1では1/10ミリオーダの工作精度でよい。そのため、実施の形態1に係る超音波スピーカ1では、従来構成に対し、工作精度が軽減され、製品バラつきが少なくなる。

また、実施の形態1に係る超音波スピーカ1では、圧電性膜122を有する振動膜12を用い、圧電性膜122の面方向の伸縮を面方向に垂直な方向への振幅運動に変換可能であり且つ振動膜12の共振を利用可能である。その結果、実施の形態1に係る超音波スピーカ1は、高い音圧の超音波が得られる。

また、従来の超音波スピーカでは、複数の超音波トランスデューサを個々に形成している。これに対し、実施の形態1に係る超音波スピーカ1では、振動膜12を複数のリブ112により区切ることで、複数の超音波トランスデューサを形成している。これにより、実施の形態1に係る超音波スピーカ1では、従来構成に対し、複数の超音波トランスデューサの形成が容易になり、製造コストが下がる。

実施の形態2. 実施の形態2では、実施の形態1に係る超音波スピーカ1をパラメトリックスピーカに適用した場合について説明する。図6はこの発明の実施の形態2に係るパラメトリックスピーカの構成例を示すブロック図である。 パラメトリックスピーカは、可聴音を超音波に変換して音響放射し、ビーム状の音場を形成して可聴音として再現する。このパラメトリックスピーカは、図6に示すように、搬送波生成部2、変調部3、加算部4、増幅部5及び超音波スピーカ1を備えている。

搬送波生成部2は、超音波帯域の周波数の搬送波を生成する。この搬送波生成部2により生成された搬送波は、変調部3及び加算部4に出力される。

変調部3は、搬送波生成部2により生成された搬送波を外部から入力された可聴音のオーディオ信号で変調した変調波を生成する。この変調部3により生成された変調波は、加算部4に出力される。

加算部4は、搬送波生成部2により生成された搬送波と変調部3により生成された変調波とを加算した信号を得る。この加算部4により得られた信号は、増幅部5に出力される。

増幅部5は、加算部4により得られた信号を増幅する。この増幅部5による増幅後の信号は、超音波スピーカ1に出力される。

超音波スピーカ1は、実施の形態1で示した超音波スピーカ1である。なお、湾曲部121は、搬送波生成部2により生成された搬送波の周波数と同一(略同一の意味を含む)の周波数で共振が生じる曲率半径に構成されている。また、印加部13は、増幅部5による増幅後の信号に基づく電気信号を振動膜12に印加する。

次に、図6に示すパラメトリックスピーカの動作例について、図7を参照しながら説明する。 図6に示すパラメトリックスピーカでは、図7に示すように、まず、搬送波生成部2が、超音波帯域の周波数の搬送波を生成する(ステップST1)。 次いで、変調部3は、搬送波生成部2により生成された搬送波を外部から入力された可聴音のオーディオ信号で変調し、変調波を生成する(ステップST2)。 次いで、加算部4は、搬送波生成部2により生成された搬送波と変調部3により生成された変調波とを加算した信号を得る(ステップST3)。 次いで、増幅部5は、加算部4により得られた信号を増幅する(ステップST4)。 次いで、超音波スピーカ1は、増幅部5による増幅後の信号に基づく電気信号を振動膜12に印加することで、超音波(搬送波及び変調波)を空気中に放射する(ステップST5)。

その後、空気中に放射された超音波(搬送波及び変調波)は、空気中で、搬送波と変調波の2つのビームの非線形相互作用で差音を発生する。つまり、搬送波を変調したオーディオ信号が自己復調し、ビーム状の音場を形成する。 ここで、自己復調した可聴音(差音)の音圧は、超音波スピーカ1から空気中に放射された搬送波及び変調波の音圧に関係し、搬送波及び変調波の音圧が高くなるほど自己復調した可聴音の音圧も高くなる。なお、変調波の音圧が搬送波の音圧より高くなると過変調になり、パラメトリックスピーカが可聴音を正確に再現できなくなる現象が起きる。

そこで、パラメトリックスピーカに適用する超音波スピーカ1では、搬送波の周波数付近の音圧が高くなるように、湾曲部121を、搬送波の周波数と同一の周波数で共振を生じる曲率半径に構成する。これにより、湾曲部121は、搬送波の周波数付近で圧電性膜122の伸縮に誘発されて共振する。

以上のように、実施の形態2によれば、パラメトリックスピーカに適用する超音波スピーカ1として、湾曲部121を搬送波の周波数と同一の周波数で共振を生じる曲率半径に構成した超音波スピーカ1を用いた。これにより、超音波スピーカ1では、搬送波と変調波を加算した交流信号の印加により、圧電性膜122が湾曲形状に沿って伸縮してそれを振幅運動に変換して超音波を放射し、また、当該伸縮により誘発された湾曲部121の共振が搬送波の周波数付近で発生することで当該周波数付近で更に高い音圧が得られる。その結果、実施の形態2に係るパラメトリックスピーカは、従来構成に対し、再現性がよくなり、自己復調した可聴音の音圧が高くなる。

なお実施の形態1,2では、超音波スピーカ1は、音を放射する送信用のものを想定して説明を行った。しかしながら、これに限らず、超音波スピーカ1は、超音波帯域を使用した超音波センサの受信用としても利用可能である。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組合わせ、或いは各実施の形態の任意の構成要素の変形、若しくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

1 超音波スピーカ、2 搬送波生成部、3 変調部、4 加算部、5 増幅部、11 フレーム、12 振動膜、13 印加部、111 開口、112 リブ、121 湾曲部、122 圧電性膜、123 電極膜(第1の電極膜)、124 電極膜(第2の電極膜)、1221 湾曲部、1231 湾曲部、1241 湾曲部。

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