JP4069904B2

JP4069904B2 - 超音波スピーカ、及びプロジェクタ

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Publication number: JP4069904B2
Application number: JP2004182464A
Authority: JP
Inventors: 博一関野; 欣也松澤; 芳樹福井; 新一宮▲崎▼
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2004-06-21
Filing date: 2004-06-21
Publication date: 2008-04-02
Anticipated expiration: 2024-06-21
Also published as: US7564986B2; CN100544498C; JP2006005845A; US20090257606A1; CN1713781A; US20050281420A1; US8009846B2

Description

本発明は、超音波スピーカ、および該超音波スピーカを搭載したプロジェクタに関するものであり、特に、プッシュプル型の静電型超音波トランスデューサの両方の音波出力面から放出される音波の全てを音源として活用することができる、超音波スピーカ、及びプロジェクタに関する。

近年、超音波に対する空気の非線形性を利用したパラメトリック効果を有するスピーカに関し、反射板により可聴音波を反射する反射板を組合せた出願が見られる。

例えば、反射板と超音波トランスデューサアレイをスピーカボックスの中に組み込んだ構造とした発明が開示されている。しかしながら、この発明の構造では、反射面に対して超音波トランスデューサアレイの音波放出面が等間隔ではないため、反射音の音圧が不均一となる課題があった（例えば、特許文献１参照）。

また、上記課題に対しての発明が開示されており、中心部に開孔を有するパラボラ状の基板の凹面に超音波トランスデューサアレイを構成し、その基板の曲率半径の中心点付近に可聴音波の反射板を設けることにより、指向性の強い二次波（可聴音波）が反射板に反射して、パラボラ状基板の中心に開けられた孔を通って放出する構成とすることで、上記課題を解決している（例えば、特許文献２参照）。

しかしながら、上記いずれの方法も、音波出力面が単一のトランスデューサに関するものであり、トランスデューサの両面方向に音波が出力される構造を成すプッシュプル型の静電型トランスデューサでは、裏側に放出される音波を有効に利用できていなかった。

図１０は、プッシュプル型の静電型超音波トランスデューサの駆動概念を説明するための図であり、プッシュプル型の静電型超音波トランスデューサでは、振動膜４１に対向して、一対の対向固定電極部５１と対向固定電極部５２とが設けられる。そして、振動膜４１に、ＤＣバイアス電源により＋側のＤＣバイアスを与え、対向固定電極部５１と対向固定電極部５２の間に交流信号を印加する。

図１０（ａ）は、交流信号がゼロ（０）の場合の、振動膜４１の振幅状態を示す図であり、振動膜４１は中立（対向固定電極部５１と対向固定電極部５２の真ん中）の位置にある。図１０（ｂ）は、対向固定電極部５１に交流信号の＋電圧が印加され、対向固定電極部５２に交流信号の−電圧が印加された場合の、振動膜４１の振幅状態を示す図であり、振動膜４１の中央部は、対向固定電極部５２との間の静電力（吸引力）と、対向固定電極部５１との間の静電力（反発力）により、対向固定電極部５２の方向に引き寄せられる。
図１０（ｃ）は、対向固定電極部５１に交流信号の−電圧が印加され、対向固定電極部５２に交流信号の＋電圧が印加された場合の、振動膜４１の振幅状態を示す図であり、振動膜４１の中央部は、対向固定電極部５１との間の静電力（吸引力）と対向固定電極部５２との間の静電力（反発力）により、対向固定電極部５１の方向に引き寄せられる。このようにして、振動膜４１は交流信号に応じて振動して音波を発生し、振動膜４１から発生した音波は、対向固定電極部５１と対向固定電極部５２の両面方向に放射される。

このような両面方向に音波が出力される構造のプッシュプル型の超音波トランスデューサを使用する場合は、図１１（ａ）に示すように、固定電極５０の両面側から出力される音波をそのまま放出（漏れ）させるか、図１１（ｂ）に示すように、一方の対向固定電極部５２側から出力される音波を吸収体９０で減衰させるなどしており、超音波トランスデューサから出力される音波の全てを使いきる構成とはなっていない。

また、図１２（ａ）に示すように、従来、超音波スピーカを円形として、これをプロジェクタの前面に音波出力面が向くように立てて搭載していたため、円形の固定電極５０の背後に反射板６０ａを設けた場合には、これに用いる反射板６０ａは、固定電極５０の倍の径を必要とし、さらにこれを容易に折りたたむ事は難しく、プロジェクタの大型化あるいは超音波スピーカの出力不足を招く課題があった。（なお、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）に示す超音波トランスデューサをプロジェクタに搭載した形態を示す）。
特開昭６１−１２３３８９号公報特許２７８６５３１号明細書

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的は、プッシュプル型の静電型超音波トランスデューサの両方の音波出力面から放出される音波の全てを音源として活用することができる、超音波スピーカ、及びプロジェクタを提供することにある。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の超音波スピーカは、導電層を有する振動膜と、該振動膜のそれぞれの面に対向して設けられた一対の固定電極とを有し、前記振動膜の導電層にＤＣバイアス電圧を印加すると共に、前記一対の固定電極部間に交流信号を印加して振動膜に音波を発生させ、該振動膜から発生する音波を、前記一対の固定電極のそれぞれに設けた貫通孔を通し、２つの音波出力面から出力する超音波トランスデューサを使用した超音波スピーカであって、前記超音波トランスデューサの音波出力面が、音波放射方向に対して直交する向きに配置されると共に、前記超音波トランスデューサの２つの音波出力面に対応して設けられ、各音波出力面から出力される音波を音波放射方向に反射する音波反射板とを備えることを特徴とする。
このような構成により、２つの音波出力面を有するプッシュプル型の静電型超音波トランスデューサを使用した超音波スピーカにおいて、超音波トランスデューサの音波出力面の向きが、超音波スピーカの音波放射方向に対して直交する向きになるように、該超音波トランスデューサを配置する。そして、各音波出力面に対応して音波反射板を設け、各音波出力面から出力される音波を、超音波スピーカの音波放射方向に反射する。
これにより、プッシュプル型の超音波スピーカにおいて、従来は利用せずに捨ててきた片側の音波出力面から出力される音波を活かす事ができるので、出力音圧を向上でき、指向性の良いスピーカが構成できる。

また、本発明の超音波スピーカは、前記超音波トランスデューサの音波出力面が水平面に対して水平になるように配置されるか、または、前記超音波トランスデューサの音波出力面が水平面に対して垂直になるように配置されたことを特徴とする。
このような構成により、超音波スピーカを構成する場合に、超音波トランスデューサの音波出力面が、水平面に対して水平になるように配置するか、または、超音波トランスデューサの音波出力面が、水平面に対して垂直になるように選択配置する。
これにより、超音波スピーカを機器（例えば、プロジェクタなど）に搭載する場合に、取り付け方向の自由度が増す。

また、本発明の超音波スピーカは、前記超音波トランスデューサの音波出力面に対する前記音波反射板の取付角度を可変に調節する手段を備えることを特徴とする。
このような構成により、音波反射板と音波出力面との取付角度を可変に調節できるようにする。これにより、音波反射板で反射された音波が、音波放射方向に向かうように調整することができる。

また、本発明の超音波スピーカは、前記超音波トランスデューサの音波出力面に対する前記音波反射板の取付角度が略４５度に設定されたことを特徴とする。
このような構成により、音波反射板と音波出力面との角度を略４５度になるように設定する。これにより、音波反射板で反射された音波を、音波放射方向に向かわせることができる。

また、本発明の超音波スピーカは、前記音波出力面の一方の側の音波反射板の位置を、前記音波出力面の他方の側の音波反射板の位置に対して、音波出力面に垂直な方向に、搬送波の周波数の半波長分移動させる移動機構制御手段を備えることを特徴とする。
このような構成により、片側の音波反射板に移動機構（スライド機構）を設け、搬送波の周波数に合わせて距離ｄ（振動膜からの距離）を半波長分移動させる。
これにより、両側の音波出力面から出力される音波の位相を同位相とする事が可能となるため、中心軸付近の音圧相殺を防止し、出力音圧をさらに向上できる。

また、本発明の超音波スピーカは、前記音波反射板が折りたたみ収納可能な構造で形成されたことを特徴とする。
このような構成により、反射板を折りたたみ収納可能な構造とする。これにより、反射板を容易に折りたたむことができるため、超音波スピーカをプロジェクタ内に容易に収納することができる。

また、本発明の超音波スピーカは、前記音波反射板により音波放射方向以外の方向に反射される音波成分を、音波放射方向に反射させるための曲面反射板をさらに備えることを特徴とする。
このような構成により、音波反射板を平板とした場合、超音波トランスデューサから放出される音波の一部は音波反射板に対して垂直に入射しないため、反射した音波は前方に放出されず、上下方向に反射されてしまう。そこで、平面反射板に対して曲面反射板（円錐形が望ましい）をさらに設けることにより、平面反射板で所望の方向（前方）からずれた方向に反射した成分を、曲面反射板にて前方に反射させる。
これにより、従来利用せずに捨ててきた片側の音波を、さらに有効に活かすことができる。

また、本発明のプロジェクタは、上記のいずれかに記載の超音波スピーカを搭載したことを特徴とする。
このような構成により、本発明による超音波スピーカをプロジェクタに搭載する。これにより、プロジェクタに搭載する超音波スピーカの出力音圧が向上し、スピーカの指向性を向上させることができる。

次に本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明による超音波スピーカの構成例を示す図である。図１において、可聴周波数帯信号発振源１１は可聴周波数帯信号（例えば、音声信号など）を生成する。キャリア波信号源１２は超音波周波数帯のキャリア波信号（搬送波信号）を生成する。変調部１３は、キャリア波信号源１２にて生成された超音波周波数帯のキャリア波信号を、可聴周波数帯信号により変調する。プリアンプ１４では変調信号の前段増幅を行い、パワーアンプ１５は変調信号をさらに増幅させる。超音波トランスデューサ３０では、パワーアンプ１５により増幅された変調信号を音波（超音波）に変換し、空気中に放出する。

超音波トランスデューサ３０から放出された超音波は、空気伝播中にパラメトリック効果が起こり、可聴周波数音波が自己復調され、可聴音として聞くことができる。

ここで超音波トランスデューサ３０は、振動膜４１と、振動膜４１に対して対向する一対の対向固定電極部（一対の固定電極）５１、５２からなる固定電極５０とで構成され、振動膜４１が、２つの対向固定電極部５１、５２により扶持されたプッシュプル型の構造を成している。また、超音波トランスデューサ３０の固定電極５０の両面側に、反射板６０が設けられている。

なお、図１において、超音波トランスデューサ３０および反射板６０は断面図で示されており、実際には、振動膜４１と、固定電極５０と、反射板６０とは、図面用紙と垂直の方向に広がりを持った構成となっている（図９に示す固定電極の構造例を参照）。

また、図２は振動膜４１の構成例を示す図であり、振動膜４１は、導電材（導電層）４２が絶縁体４３によってサンドイッチされた構造を有している。

図１に戻り、振動膜４１には、定電圧源１６より正（＋）または負（−）の単一極性のバイアス電圧を印加し（振動膜４１の導電層を荷電し）、２つの対向固定電極部５１、５２に対しては、交互に極性が切り換わるように、パワーアンプ１５から出力される交流信号を印加する。これにより、静電力による吸引作用および反発作用を同時に振動膜４１に作用させ、振動させる。

図３は、超音波トランスデューサと反射板の構成例を示す図であり、超音波トランスデューサ３０と反射板６０の部分を示した図である。前述したように、固定電極５０は、振動膜４１に対向する対向固定電極部５１と対向固定電極部５２とで構成されており、対向固定電極部５１、５２には、貫通孔部５３が同形状かつ同位置（同じ対応する位置）に設けられている。振動膜４１はこれらの対向固定電極部５１、５２に挟まれる構造で保持され、振動膜４１の振動によって発生する音波は、貫通孔部５３を通して空気中に放出される。

固定電極５０の両面側には、固定電極５０の音波放出面に対して取付角度（θ）が調整可能な反射板６０が設けられている。通常は、反射板６０は、音波出力面に対して４５度（約４５度）の角度で取り付けられており、音波の進行方向は反射板６０により音波放出面に対し直交する方向に変えられ、その結果、所望の音波放射方向（前面）に向けて音が放射される。

この際、各面から放出される音波は逆位相のため、超音波トランスデューサ近傍（中心付近）では一部音圧が向上しない可能性はあるが、従来のような片面からの放出に比べ、全体として音圧は向上する。

また、図４は、本発明による超音波スピーカの第２の構成例を示す図であり、図３に示す構成例における超音波トランスデューサ近傍（中心付近）での一部音圧の打ち消し合いを解消する構成例を示したものである。図４（ａ）に示す構成例では、搬送波（キャリア波信号）の周波数に合わせて、対向固定電極部５１側において、振動膜４１と反射板６０との間の距離ｄを半波長分移動させようにする。なお、対向固定電極部５２側において、振動膜４１と反射板６０の距離を移動するようにしてもよい。また、図４（ｂ）に搬送波周波数（キャリア波信号周波数）と半波長距離の関係を示す。

このように、片側の反射板を搬送波の半周期（＝半波長）分ずらすことにより、両側の対向固定電極部５１、５２から出力される音波の位相を同位相とする事が可能となるため、中心軸付近の音圧相殺を防止し、音圧をさらに向上できる。

また、図５は、図４に示す超音波スピーカの制御回路例を示す図である。搬送波信号（キャリア波信号）の周波数は変調処理の段階で決定されるため、図５に示すように、その情報信号（周波数情報信号）が、変調部１３から移動機構制御部（移動機構制御手段）１７に送られる。移動機構制御部１７では、情報信号（周波数情報信号）から周波数に応じた半波長量（＝移動量）を算出し、移動機構（移動機構制御手段）７１を駆動させる。

このような構成により、両側の音波の位相を同位相とする事が可能となるため、中心軸付近の音圧相殺を防止し、音圧をさらに向上させる事ができる。

また、図６は、本発明による超音波スピーカをプロジェクタに搭載した一例を示す図であり、左右の２つの超音波スピーカを使用したステレオ再生機能を備えたプロジェクタの例を示したものである。図６に示すように。プロジェクタ８０のサイズ（幅、高さ）にあわせて、超音波トランスデューサ３０と反射板６０で構成される超音波スピーカを、垂直置き、あるいは水平置きとすれば、プロジェクタ８０に容易に組み込める。
なお、図６（a）は、超音波トランスデューサ３０の音波出力面がプロジェクタ８０の左右方向になるように配置された例であり、図６（b）は、超音波トランスデューサ３０の音波出力面がプロジェクタ８０の上下方向になるように配置された例である。

また、このような配置構成とすることにより、反射板６０を折りたたみ、超音波スピーカを、プロジェクタ８０内の非常に狭いスペースに収納することが可能となる。

従来の搭載形態（図１２（ｂ）の従来例の図を参照）では、超音波スピーカを円形として、これをプロジェクタの前面に音波出力面が向くように立てて搭載していたため、これに用いる反射板は超音波トランスデューサ直径の倍の径を必要とし、これを容易に折りたたむ事も難しく、プロジェクタの大型化あるいは超音波スピーカの出力不足を招く課題があった。

また、図７は、本発明による超音波スピーカの収納状態を示す図であり、左右の２つの超音波スピーカを使用したステレオ再生機能を備えたプロジェクタの例を示したものである。本発明の構成では、図７に示すように、超音波トランスデューサ３０と反射板６０で構成される超音波スピーカを収納する時には、反射板６０を折り畳むことにより、非常にコンパクトなサイズに収まり、プロジェクタ８０の大型化を招くことはない。また使用時は、超音波スピーカを、プロジェクタ８０の上面または前面にスライドさせて突出させると同時に反射板６０を開けば良い。

なお、図８は、超音波トランスデューサに曲面反射板を追加した例を示す図であり、反射板を平板とした場合、超音波トランスデューサから放出される音波の一部は反射板に対して垂直に入射しないため、反射した音波は前方に放出されず、上下方向に反射されてしまう。そこで、図８に示すように、反射板（平面反射板）６０に対して曲面反射板（円錐形が望ましい）６１をさらに設けることにより、反射板（平面反射板）６０で所望の方向（前方）からずれた方向に反射した成分を、曲面反射板６１にて前方に反射させることができる。

なお、図９は、固定電極の形状の例を示す図であり、本発明の構成においては、図９に示すように、固定電極５０の形状は円形、楕円形、矩形のいずれの形状でもよいが、四角形が面積効率の点で望ましい。また、貫通孔部５３の形状は円形、楕円形、矩形でも良く、またその配置は、直線、蜂の巣または同心円状でも良い。

図９（ａ）は、固定電極５０を矩形状に形成し、貫通孔部５３を矩形とし、平行に配置した例である。また、図９（ｂ）および図９（ｃ）は、貫通孔部５３を円形にして配置した例を示している。

以上説明したように、本発明の超音波スピーカにおいては、プッシュプル型の超音波トランスデューサの音波出力面の両側に４５度の角度で反射板を設けることで、両側の音波を位相差が限りなく少ない状態で放射することができる。このため、従来利用せずに捨ててきた片側の音波を活かすことが可能となり、出力音圧を向上させることができる。また、超音波スピーカを垂直置き、あるいは水平置きとすることにより、プロジェクタ内に効率的に収納する事が可能となる。さらに、反射板を容易に折りたたむことができるため、超音波スピーカをプロジェクタ内に容易に収納することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の超音波スピーカは、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明による超音波スピーカの構成例を示す図。振動膜の構成例を示す図。超音波トランスデューサと反射板の構成例を示す図。本発明による超音波スピーカの第２の構成例を示す図。図４に示す超音波スピーカの制御回路例を示す図。本発明による超音波スピーカをプロジェクタに搭載した例を示す図。本発明による超音波スピーカの収納状態を示す図。超音波トランスデューサに曲面反射板を追加した例を示す図。固定電極の形状の例を示す図。プッシュプル型の静電型超音波トランスデューサの駆動概念ヲ示す説明図。従来例の説明図。従来例の説明図。

符号の説明

１１…可聴周波数帯信号発振源、１２…キャリア波信号源、１３…変調部、１４…プリアンプ、１５…パワーアンプ、１６…定電圧源、１７…移動機構制御部、３０…超音波トランスデューサ、４１…振動膜、４２…導電材、４３…絶縁体、５０…固定電極、５１…対向固定電極部、５２…対向固定電極部、５３…貫通孔部、６０…反射板、６１…曲面反射板、７１…移動機構、８０…プロジェクタ

Claims

導電層を有する振動膜と、該振動膜のそれぞれの面に対向して設けられた一対の固定電極とを有し、前記振動膜の導電層にＤＣバイアス電圧を印加すると共に、前記一対の固定電極部間に交流信号を印加して振動膜に音波を発生させ、該振動膜から発生する音波を、前記一対の固定電極のそれぞれに設けた貫通孔を通し、２つの音波出力面から出力する超音波トランスデューサを使用した超音波スピーカであって、
前記超音波トランスデューサの音波出力面が、音波放射方向に対して直交する向きに配置されると共に、
前記超音波トランスデューサの２つの音波出力面に対応して設けられ、各音波出力面から出力される音波を音波放射方向に反射する音波反射板と
を備えることを特徴とする超音波スピーカ。
前記超音波トランスデューサの音波出力面が水平面に対して水平になるように配置されるか、または、前記超音波トランスデューサの音波出力面が水平面に対して垂直になるように配置されたこと
を特徴とする請求項１に記載の超音波スピーカ。
前記超音波トランスデューサの音波出力面に対する前記音波反射板の取付角度を可変に調節する手段を
備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波スピーカ。
前記超音波トランスデューサの音波出力面に対する前記音波反射板の取付角度が略４５度に設定されたこと
を特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の超音波スピーカ。
前記音波出力面の一方の側の音波反射板の位置を、前記音波出力面の他方の側の音波反射板の位置に対して、音波出力面に垂直な方向に、搬送波の周波数の半波長分移動させる移動機構制御手段を
備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の超音波スピーカ。
前記音波反射板が折りたたみ収納可能な構造で形成されたこと
を特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の超音波スピーカ。
前記音波反射板により音波放射方向以外の方向に反射される音波成分を、音波放射方向に反射させるための曲面反射板を
さらに備えることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の超音波スピーカ。
請求項１から７のいずれかに記載の超音波スピーカを搭載したこと
を特徴とするプロジェクタ。