JP2013165329A - 発振装置及び発振方法 - Google Patents

Abstract

【課題】パラメトリックスピーカにおいて、可聴音が復調する領域を細かく制御する。
【解決手段】スピーカアレイ１０は、複数の振動子１００をアレイ状（２次元）に並べた構成を有している。ただし複数の振動子１００は、１次元的に並べられていても良い。制御部２０は、複数の振動子１００それぞれに、発振信号を入力し、複数の振動子１００それぞれから音波を出力させる。発振信号は、パラメトリックスピーカ用の変調信号、又は変調信号と同一周波数を有する搬送信号のいずれかである。そして制御部２０は、少なくとも１つの振動子１００に対して、変調信号及び搬送信号のいずれを入力するか、またはいずれの信号も入力しないかを切り替える。
【選択図】図１

Description

本発明は、パラメトリックスピーカとして機能する発振装置及び発振方法に関する。

スピーカの一つにパラメトリックスピーカがある。パラメトリックスピーカは、例えば特許文献１に記載されているように、音声信号を、超音波帯域の変調信号に変調し、この変調信号を大気中で可聴音に復調させるものである。

特開平４−１２３６９９号公報

パラメトリックスピーカの特徴は、高い指向性を有することにある。しかし、可聴音が復調する領域を細かく制御することは難しかった。

本発明の目的は、パラメトリックスピーカとして機能し、かつ可聴音が復調する領域を細かく制御することができる発振装置及び発振方法を提供することにある。

本発明によれば、並べて配置された複数の振動子と、
前記複数の振動子に発振信号を入力して発振させる制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、
前記複数の振動子に、パラメトリックスピーカ用の変調信号、又は前記変調信号と同一周波数を有する搬送信号のいずれかを前記発振信号として入力し、
少なくとも１つの前記振動子に対して、前記変調信号及び前記搬送信号のいずれを入力するか、またはいずれの信号も入力しないかを切り替える発振装置が提供される。

本発明によれば、並べて配置された複数の振動子に、パラメトリックスピーカ用の変調信号、又は前記変調信号と同一周波数を有する搬送信号のいずれかを入力し、
かつ、少なくとも１つの前記振動子に対して、前記変調信号及び前記搬送信号のいずれを入力するか、またはいずれの信号も入力しないかを切り替えることにより、可聴音の発生エリアを制御する発振方法が提供される。

本発明によれば、パラメトリックスピーカにおいて、可聴音が復調する領域を細かく制御することができる。

第１の実施形態に係る発振装置の構成を示す図である。 図１に示した発振装置が可聴音発生エリアを制御することができることを説明するための図である。 図１に示した発振装置が可聴音発生エリアを制御することができることを説明するための図である。 図１に示した発振装置が可聴音発生エリア御することができることを説明するための図である。 図１に示した発振装置が可聴音発生エリアを制御することができることを説明するための図である。 図１に示した発振装置が可聴音発生エリアを制御することができることを説明するための図である。 図１に示した発振装置が可聴音発生エリアを制御することができることを説明するための図である。 第２の実施形態に係る振動子の構成の一例を示す断面図である。 第２の実施形態に係る制御部の構成の一例を示す図である。 第３の実施形態に係る発振装置の構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る発振装置の構成を示す図である。この発振装置は、パラメトリックスピーカとして使用される。具体的には、この発振装置は、例えば電子機器（例えば、携帯電話機、ラップトップ型パーソナルコンピュータ、小型ゲーム機器など）の音源として使用される。

この発振装置は、スピーカアレイ１０及び制御部２０を備えている。スピーカアレイ１０は、複数の振動子１００をアレイ状（２次元）に並べた構成を有している。ただし複数の振動子１００は、１次元的に並べられていても良い。制御部２０は、複数の振動子１００それぞれに、発振信号を入力し、複数の振動子１００それぞれから音波を出力させる。発振信号は、パラメトリックスピーカ用の変調信号、又は変調信号と同一周波数を有する搬送信号のいずれかである。そして制御部２０は、少なくとも１つの振動子１００に対して、変調信号及び搬送信号のいずれを入力するか、またはいずれの信号も入力しないかを切り替える。これにより、詳細を後述するように、可聴音が復調する領域（後述する可聴音発生エリア３０）を細かく制御することができる。

制御部２０は、外部から入力された可聴音の音声信号を変調することにより、パラメトリックスピーカ用の変調信号を生成する。この変調信号は、例えばＡＭ（Amplitude Modulation）変調、ＤＳＢ（Double Side Band）変調、ＳＳＢ（Single Side Band）変調、又はＦＭ（Frequency Modulation）変調により生成される。また制御部２０は、搬送信号も生成する。

図２〜図７は、図１に示した発振装置が可聴音が復調する領域を制御することができることを説明するための図である。パラメトリックスピーカは、空気中に２つの周波数の音波が伝播した場合、空気における音波の粒子速度の非線形性に伴い２つの周波数の差周波が新たに発生することを利用するものである。このため、図１に示した発振装置をパラメトリックスピーカとして機能させる場合、いずれかの振動子１００に変調信号を入力して変調波を発振させ、かつ別の振動子１００から搬送信号を入力して搬送波を発振させる必要がある。これらの変調波及び搬送波は、いずれも周波数が超音波領域（例えば２０ｋＨｚ以上、好ましくは４０ｋＨｚ以上）を有しているため、指向性を有している。そして、これら変調波及び搬送波が重なる領域のうち、発振装置からの距離が一定の距離にある領域（図中復調可能エリアと記載）で可聴音が出現する。

本実施形態において、制御部２０は、全ての振動子１００に対して、全ての変調信号及び搬送信号のいずれを入力するか、またはいずれの信号も入力しないかを切り替えることができる。

例えば図２に示す例では、制御部２０は、９個並べられた振動子１００のうち、左端の３つを搬送波発振用発振素子１０４として機能させ、右側の３つを変調信号用発振素子１０２として機能させている。なお、制御部２０は、いずれの搬送波発振用発振素子１０４にも同一出力の搬送信号を入力しており、かついずれの変調信号用発振素子１０２にも同一出力の変調信号を入力している。そして搬送波発振用発振素子１０４から出力された搬送波と、変調信号用発振素子１０２から出力された変調波が重なる領域が、可聴音発生エリア３０となる。

これに対して図３に示す例では、制御部２０は、９個並べられた振動子１００のうち、左端の４つを搬送波発振用発振素子１０４として機能させ、右側の４つを変調信号用発振素子１０２として機能させている。この場合、図２に示した例と比較して、変調波及び搬送波の音圧は高くなるため、搬送波が伝わる領域の幅（すなわち指向角）、及び変調波が伝わる領域の幅（すなわち指向角）は、いずれも図２に示す例と比較し狭くなる。このため、可聴音発生エリア３０は、図２に示す例と比較して、スピーカアレイ１０と平行な方向において狭くなりやすい。一方、可聴音発生エリア３０は、スピーカアレイ１０からの距離方向では、図２に示す例と比較して広くなる。

また図４に示す例では、制御部２０は、図２と比較して搬送波発振用発振素子１０４の数を一つ減らしている。この場合、可聴音発生エリア３０は、図２に示す例と比較して、スピーカアレイ１０からの距離、及びスピーカアレイ１０と平行な方向の双方において狭くなっている。

さらに図５に示す例では、制御部２０は、図２と比較して変調信号用発振素子１０２として機能している振動子１００を、一つ左側にずらしている（すなわち搬送波発振用発振素子１０４に近づけている）。この場合、可聴音発生エリア３０は、図２に示す例と比較して、スピーカアレイ１０からの距離、及びスピーカアレイ１０と平行な方向の双方において広くなっている。

また制御部２０は、変調信号及び搬送信号の振幅を制御すること（すなわち信号の増幅率を制御すること）により、復調可能エリアの広さを制御することができる。

例えば図６に示す例では、図３に示す例と比較して変調信号及び搬送信号の振幅を小さくした場合を示している。この場合、復調可能エリアは、スピーカアレイ１０に近づく方向及び離れる方向それぞれで狭くなる。

また図７に示す例では、図３に示す例と比較して変調信号及び搬送信号の振幅を大きくした場合を示している。この場合、復調可能エリアは、スピーカアレイ１０に近づく方向及び離れる方向それぞれで広がる。

以上、本実施形態によれば、制御部２０は、少なくとも１つの振動子１００に対して、変調信号及び搬送信号のいずれを入力するか、またはいずれの信号も入力しないかを切り替えることにより、可聴音の発生エリアを細かく制御することができる。

また制御部２０は、変調信号を入力する振動子１００の位置及び数、及び搬送信号を入力する振動子１００の位置及び数を制御することにより、可聴音の発生エリアを細かく制御することができる。

（第２の実施形態）
本実施形態は、第１の実施形態に対して、振動子１００及び制御部２０の構成をさらに具体的にしたものである。

図８は、振動子１００の構成の一例を示す断面図である。本実施形態に係る振動子１００は圧電素子１５０を有している。制御部２０は、圧電素子１５０を屈曲振動させることにより、振動子１００から音波を発振させている。

詳細には、第１振動部材１４０、圧電素子１５０、第２振動部材１３０、弾性材１２０、及び支持部１１０を有している。

第１振動部材１４０はシート状であり、圧電素子１５０から発生した振動によって振動する。また第１振動部材１４０は、圧電素子１５０の基本共振周波数を調整する。第１振動部材１４０の厚みは５μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。また、第１振動部材１４０は、剛性を示す指標である縦弾性係数が１Ｇｐａ以上５００ＧＰａ以下であることが好ましい。第１振動部材１４０の剛性が低すぎる場合や、高すぎる場合は、機械振動子として特性や信頼性を損なう可能性が出てくる。なお、第１振動部材１４０を構成する材料は、金属や樹脂など、脆性材料である圧電素子１５０に対して高い弾性率を持つ材料であれば特に限定されないが、加工性やコストの観点からリン青銅やステンレスなどが好ましい。

圧電素子１５０は、例えばＰＺＴなどの圧電セラミックスにより形成されている。ただし圧電素子１５０は、他の圧電材料により形成されていても良い。圧電素子１５０の平面形状は、第１振動部材１４０の平面形状よりも小さい。

第２振動部材１３０はシート状であり、第１振動部材１４０よりも剛性が低い材料により形成されている。第１振動部材１４０が金属により形成されている場合、第２振動部材１３０は、樹脂により形成されている。第２振動部材１３０の平面形状は、第１振動部材１４０の平面形状よりも大きい。第２振動部材１３０の縁は、全周にわたって第１振動部材１４０からはみ出ている。

圧電素子１５０、第１振動部材１４０、及び第２振動部材１３０の積層体は、弾性材１２０を介して支持部１１０に支持されている。支持部１１０は枠状の部材であり、平面視でその内側に圧電素子１５０、第１振動部材１４０、及び第２振動部材１３０の積層体を保持している。具体的には、支持部１１０の内周面には全周にわたって凹部が形成されており、この凹部内に弾性材１２０が埋め込まれている。弾性材１２０は、例えば樹脂である。第２振動部材１３０の縁は、弾性材１２０に埋め込まれている。圧電素子１５０、第１振動部材１４０、及び第２振動部材１３０の積層体は、圧電素子１５０が支持部１１０の上面側を向くように配置されている。すなわち振動子１００は、支持部１１０の上面側に音波を発振する。

支持部１１０の底面は塞がれている、このため、第２振動部材１３０と支持部１１０によって、閉空間が形成されている。この閉空間は、支持部１１０の底面に形成された貫通孔１１２を介して外部と繋がっている。

また、支持部１１０の底面には、端子１７２，１７４が設けられている。端子１７２は、配線を介して圧電素子１５０の裏面電極に接続している。本図に示す例では、第１振動部材１４０が圧電素子１５０の裏面電極を兼ねている。また端子１７４は、配線を介して圧電素子１５０の表面電極に接続している。端子１７２，１７４は、制御部２０に接続している。

圧電素子１５０の上面には、接着層１６２を介してコーン１６０が固定されている。コーン１６０は、例えば金属製であり、振動子１００が出力する音波を大きくするために設けられている。

図９は、制御部２０の機能構成を示す図である。制御部２０は、変調信号生成部２２、搬送信号生成部２４、複数のスイッチ２６、及び切替制御部２８を有している。

変調信号生成部２２は、外部から入力された音声信号に基づいて変調信号を生成する。搬送信号生成部２４は、搬送信号を生成する。なお、変調信号及び搬送波は圧電素子１５０、第１振動部材１４０及び第２振動部材１３０からなる振動子の共振周波数、例えば基本共振周波数であるのが好ましい。

複数のスイッチ２６は、それぞれ互いに異なる振動子１００に接続している。そしてスイッチ２６が切り替わることにより、振動子１００に搬送信号が入力されるか、変調信号が入力されるか、又は何も入力されないかが切り替わる。切替制御部２８は、スイッチ２６を制御している。スイッチ２６は、機械的なスイッチであっても良いし、トランジスタであっても良い。

本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、振動子１００の振動源として圧電素子１５０を有している。圧電素子１５０は機械品質係数Ｑが高いため、変調信号及び搬送波を高効率で出力することができる。

（第３の実施形態）
図１０は、第３の実施形態に係る発振装置の構成を示す図である。本図に示す例は、変調信号用発振素子１０２となる振動子１００と、搬送波発振用発振素子１０４となる振動子１００とが別のスピーカアレイになっている点を除いて、第１又は第２の実施形態に示した発振装置と同様の構成である。
本実施形態によっても、第１又は第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

１０ スピーカアレイ
２０ 制御部
３０ 可聴音発生エリア
２２ 変調信号生成部
２４ 搬送信号生成部
２６ スイッチ
２８ 切替制御部
１００ 振動子
１０２ 変調信号用発振素子
１０４ 搬送波発振用発振素子
１１０ 支持部
１１２ 貫通孔
１２０ 弾性材
１３０ 第２振動部材
１４０ 第１振動部材
１５０ 圧電素子
１６０ コーン
１６２ 接着層
１７２ 端子
１７４ 端子

Claims (10)

1. 並べて配置された複数の振動子と、
   前記複数の振動子に発振信号を入力して発振させる制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、
   前記複数の振動子に、パラメトリックスピーカ用の変調信号、又は前記変調信号と同一周波数を有する搬送信号のいずれかを前記発振信号として入力し、
   少なくとも１つの前記振動子に対して、前記変調信号及び前記搬送信号のいずれを入力するか、またはいずれの信号も入力しないかを切り替える発振装置。
2. 請求項１に記載の発振装置において、
   前記制御手段は、全ての前記振動子に対して、前記変調信号及び前記搬送信号のいずれを入力するか、またはいずれの信号も入力しないかを切り替えることができる発振装置。
3. 請求項１又は２に記載の発振装置において、
   前記振動子は振動源として圧電素子を有する発振装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の発振装置において、
   前記制御手段は、前記少なくとも１つの振動子に対して、前記変調信号及び前記搬送信号のいずれを入力するか、またはいずれの信号も入力しないかを切り替えることにより、可聴音の発生エリアを制御する発振装置。
5. 請求項４に記載の発振装置において、
   前記制御手段は、さらに前記変調信号及び前記搬送信号の振幅を制御することにより、可聴音の発生エリアを制御する発振装置。
6. 請求項４又は５に記載の発振装置において
   前記制御手段は、さらに前記変調信号を入力する前記振動子の位置及び数、及び前記搬送信号を入力する前記振動子の位置及び数を制御することにより、可聴音の発生エリアを制御する発振装置。
7. 並べて配置された複数の振動子に、パラメトリックスピーカ用の変調信号、又は前記変調信号と同一周波数を有する搬送信号のいずれかを入力し、
   かつ、少なくとも１つの前記振動子に対して、前記変調信号及び前記搬送信号のいずれを入力するか、またはいずれの信号も入力しないかを切り替えることにより、可聴音の発生エリアを制御する発振方法。
8. 請求項７に記載の発振方法において、
   前記振動子は振動源として圧電素子を有する発振方法。
9. 請求項７又は８に記載の発振方法において、
   前記制御手段は、さらに前記変調信号及び前記搬送信号の振幅を制御することにより、可聴音の発生エリアを制御する発振方法。
10. 請求項７〜９のいずれか一項に記載の発振方法において
    さらに前記変調信号を入力する前記振動子の位置及び数、及び前記搬送信号を入力する前記振動子の位置及び数を制御することにより、可聴音の発生エリアを制御する発振方法。

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