JP6274385B2 - 超音波素子およびパラメトリックスピーカ - Google Patents

Description

本発明は、交流電圧の印加により超音波を発生させる超音波素子およびこれを用いたパラメトリックスピーカに関する。

超音波発音体は金属板と圧電素子を貼り合わせた圧電振動子であり、圧電振動子に圧電振動子固有の共振周波数付近の交流電圧を印加することで振動し、超音波を発する。超音波発音体の共振周波数は、超音波帯域（２０ｋＨｚを超えたもの）である。また、圧電振動子にアルミニウムまたはアルミニウム合金で構成された円錐筒形状（パラボラ状、漏斗状含む）の共振子を取り付けることで、音圧を増すことができ、前方への指向性を持たせることができる。

超音波発音体は、圧電振動子の屈曲振動において動かない節部でシリコン接着剤などにより接着され、極力振動を妨げないように固定されている。なお、超音波発音体は超音波センサと同じ構造をしており、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の送信のみを行なう。

超音波発音体を複数個並べて構成したものがパラメトリックスピーカであり、パラメトリックスピーカは各々の超音波発音体が発した超音波が空気中で重なり合ってある音圧以上に達すると超音波から可聴音へ復調され、聞こえるようになる。また、超音波が重なり合った中心部のみが可聴音となるため、鋭い指向性を持ったスピーカとなる（特許文献１−３参照）。

特開２００７−８８８８６号公報 特開２００１−２５８０９８号公報 実用新案登録第３０３９０５５号公報

上記の特許文献１−３記載の超音波センサでは、図９に示すように超音波センサ６００の端子６２１、６２２を、圧電素子６１６を支持するリング状の突起部６１２の外側に設けている。そして、端子台６１０より上の位置で端子６２１、６２２と圧電振動子６５０とをリード線６３１、６３２で接続している。

しかし、図９に示すように、端子６２１、６２２の位置が超音波発音体６５０の径より外側になると端子台６１０も合わせて大きくする必要が生じ、超音波センサ６００が大きくなる。図１０に示す超音波素子７００の構成によれば、リング状の突起部６１２の外周と超音波発音体６５０との外周の間に端子６２１、６２２を設けると良いことがわかるが、これには限度がある。

図１１に示すように、φ９ｍｍの金属板とφ８ｍｍの圧電素子とを貼り合わせた超音波発素子７００の場合、振動の節はφ６ｍｍの位置に生じる。リング状の突起部６１２（厚み０．５ｍｍ）は内径φ５．７５ｍｍ、外径φ６．２５ｍｍである。この場合、リング状の突起部６１２の外周と超音波発音体６５０の外周との間の距離は、１．３７５ｍｍとなる。基板等へ実装後は、端子６２１で超音波素子７００を支えることになるが、超音波発音体６５０から端子台６１０を通じて端子６２１に伝わる振動に耐えるためには、端子６２１、６２２はある程度太いほうが良く、太さはφ０．５ｍｍ以上が好ましい。しかし、１．３７５ｍｍの幅は、十分な端子６２１を設けるには狭すぎる。また、仮に設けたとしても端子台６１０の破損が懸念される。

このように、リング状の突起部６１２の外周と超音波発音体６５０の外周との間を広くすると、超音波発音体６５０を大きくすることになるため、超音波素子６００を小型化できない。超音波発音体６５０を小さくしようとすると、リング状の突起部６１２と超音波発音体６５０の間をさらに狭くする必要が生じ、より端子６２１、６２２を設け難くなる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、端子を設け易く、かつ外径を小さくして小型化できる超音波素子およびこれを用いたパラメトリックスピーカを提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明の超音波素子は、
円板状の底部の周縁に一対の切欠きが形成され、前記底部上にリング状の突起部が設けられた端子台と、前記突起部の外径より中心軸側の位置において前記円板状の底部に差し込まれた一対の端子と、前記一対の切欠きを介して設けられた一対のリード線と、前記リング状の突起部により支持され、前記一対のリード線により前記一対の端子と接続された超音波発音体と、を備え、前記超音波発音体は、前記一対の端子から電圧を印加されることで超音波を発生させることを特徴としている。

このように、端子が突起部の外径より中心軸側に設けられ、リード線が切欠きを介して端子に接続されているため、端子台の外径を超音波素子の外径以下まで小さくすることができ、パラメトリックスピーカを小型化することができる。また、端子を設ける工程が容易になり製造し易くなるとともに、端子台が安定し破損もし難くなる。

（２）また、本発明の超音波素子は、前記端子台の外径が、前記超音波発音体の外径以下であることを特徴としている。これにより、超音波発音体のサイズに合わせて超音波素子を作製でき、超音波素子を小さくすることができる。その結果、パラメトリックスピーカを小型化することができる。

（３）また、本発明の超音波素子は、前記端子台が、前記リング状の突起部の反対側に形成された設置部を有し、前記設置部は、基板に設置されたとき前記超音波発音体の発音側表面を前記基板の表面に対して一定高さで平行に支持することを特徴としている。これにより、基板上での超音波発音体の発音側表面を高さ一定で基板に対して平行に維持することができる。その結果、超音波の位相が同期し、各素子からの超音波を打ち消しあうことなく、その指向性を向上させることができる。

（４）また、本発明のパラメトリックスピーカは、上記の超音波素子と、前記超音波素子が複数設置され、前記一対の端子に電圧を供給する基板と、を備えることを特徴としている。これにより、小型化したパラメトリックスピーカを実現できる。

（５）また、本発明のパラメトリックスピーカは、一体で形成されて前記基板上に設けられ、複数の前記超音波素子を保護する保護具を更に備えることを特徴としている。これにより、超音波素子全体に対して一体の保護具を設置できるため、保護具を設けたパラメトリックスピーカをさらに小型化できる。

本発明によれば、端子台の外径を超音波素子の外径以下まで小さくすることができ、パラメトリックスピーカを小型化することができる。また、端子を設ける工程が容易になり製造し易くなるとともに、端子台の安定性を高め、その破損を防止できる。

本発明に係るパラメトリックスピーカを示す正面図である。 （ａ）、（ｂ）それぞれ第１の実施形態に係る超音波素子を示す断面図および底面図である（ｃ）端子台の底面図である。 （ａ）〜（ｃ）それぞれ超音波発音体を示す断面図である。（ｄ）超音波発音体を示す底面図である。 （ａ）、（ｂ）それぞれ第２の実施形態に係る超音波素子を示す断面図および底面図である（ｃ）端子台の底面図である。 保護具の開口端を基板が支持する超音波素子を示す図である。 （ａ）〜（ｅ）それぞれ端子台を示す底面図である。 個別の保護具を設けたパラメトリックスピーカを示す正面図である。 （ａ）、（ｂ）それぞれ保護具無しおよび一体の保護具有りのパラメトリックスピーカを示す平面図である。 従来の超音波素子を示す断面図である。 従来の超音波素子を示す断面図である。 従来の超音波素子を示す拡大断面図である。

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。

［第１の実施形態］
（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を示す正面図である。パラメトリックスピーカ１０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１０は、複数の超音波素子１００が基板５０上に設けられ、信号源Ｐに接続されて構成されている。超音波素子１００は、変調信号に基づいて超音波を発生させる。基板５０は、超音波素子１００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。

（超音波素子の構成）
図２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ超音波素子１００を示す断面図および底面図である。また、図２（ｃ）は、端子台の底面図である。超音波素子１００は、端子台１１０、一対の端子１２１、１２２、一対のリード線１３１、１３２および超音波発音体１５０を備えている。

端子台１１０には、円板状の底部１１１の周縁に一対の切欠き１１３、１１４が形成され、底部１１１上にリング状の突起部１１２が設けられている。底部１１１の突起部１１２とは反対側には端子を差し込むための端子穴１１５、１１６が設けられている。端子台１１０の外径は、超音波発音体１５０の外径以下が好ましい。これにより、超音波発音体１５０のサイズに合わせて超音波素子１００を作製でき、超音波素子１００を小さくすることができる。その結果、パラメトリックスピーカ１０を小型化することができる。

一対の端子１２１、１２２は、突起部１１２の外径より中心軸側の位置において円板状の底部１１１に差し込まれている。一対のリード線１３１、１３２は、一対の切欠きを介して設けられ、端子１２１、１２２に接続されている。これにより、端子台１１０の外径を小さくすることができる。また、端子１２１、１２２を設ける工程が容易になり製造し易くなるとともに、破損し難くなる。シリコン接着剤１４０は、リード線１３１、１３２を覆うように塗布されており、圧電振動子１５３に釣られてリード線１３１、１３２が振動して発生する断線や異音を防いでいる。

（超音波発音体の構成）
図３（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ超音波発音体１５０を示す断面図である。図３（ｄ）は、超音波発音体１５０を示す底面図である。超音波発音体１５０は、端子台１１０のリング状の突起部１１２により支持され、一対のリード線１３１、１３２により一対の端子１２１、１２２と接続されている。超音波発音体１５０は、一対の端子１２１、１２２を介した電圧の印加により超音波を発生させる。

超音波発音体１５０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１５０は、振動板１５１、圧電素子１５２、共振子１５４により構成されている。振動板１５１は、圧電素子１５２が一方の主面に接着されている。振動板１５１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。

圧電素子１５２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１５２は、振動板１５１の一方の主面に接着されて設置されている。圧電素子１５２は、振動板１５１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。圧電素子１５２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１５１および圧電素子１５２は、圧電振動子１５３を形成している。

共振子１５４は、円錐筒形状に形成されており、例えば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。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１５４は、振動板１５１の他方の主面に設けられ、振動板１５１の振動に共振して超音波を発生させる。

図３（ｂ）〜（ｄ）に示すように、超音波発音体１５０は、振動の節Ｓを有しており、この節Ｓの位置で端子台１１０のリング状の突起部１１２で支持される。これにより、超音波発音体１５０は、振動を阻害されない。超音波発音体１５０は、基板５０上での超音波発音体１５０の発音側表面１５６を高さ一定で基板に対して平行に維持するように設けられる。その結果、超音波の位相が同期し、各超音波素子からの超音波を打ち消しあうことなく、その指向性を向上させることができる。

（超音波素子の構成方法）
まず、端子台１１０の径を超音波発音体１５０の径以下にし、端子１２１、１２２をリング状の突起部１１２の内側に配置する。その場合には端子台１１０の裏面側の端子１２１にリード線を半田で接続する。また、圧電振動子１５３に釣られてリード線１３１、１３２が振動して発生する断線や異音を防ぐために、リード線１３１、１３２にシリコン接着剤１４０を付けて固定する。端子台２１０の側部の切欠き２１３、２１４は、リード線１３１、１３２が圧電振動子１５３より外側へ行かないよう設けている。

［第２の実施形態］
（設置部を有する超音波素子の構成）
上記の実施形態では、端子台１１０の裏面と基板５０との間にリード線１３１等が露出しているが、端子台の裏面に超音波素子の表面を一定高さで支持する設置部２１８を設けてもよい。図４（ａ）、（ｂ）は、それぞれ設置部２１８を設けた超音波素子２００を示す断面図および底面図である。図４（ｃ）端子台２１０の底面図である。図４（ａ）、（ｂ）に示す超音波素子２００の構成は、基本的に超音波素子１００と同様であるが、端子台２１０には、リング状の突起部２１２の反対側に突出した設置部２１８が形成されている。設置部２１８は、超音波素子２００が基板５０に設置されたとき超音波発音体１５０の発音側表面１５６を基板５０の表面に対して一定高さで平行に支持でき、かつ配線を阻害しないように馬蹄形に形成されている。

図４（ｃ）に示すように、端子台２１０は、円板状の底部２１１の周縁に一対の切欠き２１３、２１４が形成され、底部２１１上にリング状の突起部２１２が設けられている。そして、リング状の突起部２１２は、超音波発音体１５０を支持している。底部２１１の突起部２１２とは反対側には端子を差し込むための端子穴２１５、２１６が設けられている。

（発音面）
従来知られる超音波センサの用途では、単体で使用するため、高さ、発音する表面の平行がばらついても使用上に大きな問題はない。しかし、複数個の超音波発音体１５０を並べて構成するパラメトリックスピーカ１０では、各超音波発音体１５０の高さが異なると各超音波発音体１５０が発する超音波の位相がずれて打ち消しあう。各超音波発音体１５０が平行にならず、超音波を発する向きがばらつくとパラメトリックスピーカ１０の指向性もばらつくため、超音波発音体１５０は高さ一定で平行にしなければならない。

これに対し、本発明では、超音波素子２００を小型化し、かつ高さ一定でかつ平行に実装できる。図２に示す、超音波素子１００には、その径が小さくなるものの端子台１１０の裏面には、リード線１３１、１３２と端子１２１、１２２を接続した半田、リード線１３１、１３２を固定するシリコン接着剤１４０がある。したがって、超音波素子１００を基板等に高さ一定でかつ平行に実装することは容易でない。

これに対しては、保護具における円筒形状の開口端を基板で支持し超音波発音体１５０の発音表面を基板に平行に実装することも考えられる。図５は、保護具３０２の開口端３１２で支持される超音波素子３００を示す図である。

しかし、保護具３０２を用いる場合は、これが超音波発音体１５０と接触しないように端子台１１０を超音波発音体１５０の径よりも一回り大きい径にする必要がある。さらに保護具３０２の厚みもあるため超音波素子１００の径は大きくなる。そこで、超音波素子２００ではリード線１３１、１３２、半田、シリコン接着剤１４０の厚み以上になるような設置部２１８を設けている。

（様々な形状の設置部）
図６（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ端子台２１０ａ〜２１０ｅを示す底面図である。端子台２１０ａには、３等分した底面扇形の設置部２１８ａが設けられ、端子台２１０ｂには、４等分した底面扇形の設置部２１８ｂが設けられている。端子台２１０ｃには、端子穴と切欠きを避けるように底面Ｈ字型の設置部２１８ｃが設けられている。端子台２１０ｄには、端子穴と切欠きを避けるように底面Ｘ字型の設置部２１８ｄが設けられている。端子台２１０ｅには、端子穴と切欠きとを楕円形に避けた形状の設置部２１８ｅが設けられている。このように、設置部２１８は切欠き２１３、２１４と端子穴２１５、２１６とを十分な余裕をもって避けた形状であることが好ましい。

スペーサー等を基板５０と端子台１１０の間に挟んだり、保護具３０２を使ったりすることでも発音面を高さ一定でかつ、平行に実装することは可能だが、部品数を増やすことになるため、好ましくない。端子台２１０に設置部２１８を設ける場合には、樹脂成型で設置部２１８と底部２１１とを一体化できる。

［第３の実施形態］
（一体の保護具）
図７は、保護具３０２を設けた超音波素子３００を配置したパラメトリックスピーカ３０を示す正面図である。超音波センサ同様に単体の超音波素子３００は保護具３０２で保護されている。

図８（ａ）、（ｂ）は、それぞれ保護具無しおよび保護具有りのパラメトリックスピーカ４０、４５を示す平面図である。パラメトリックスピーカ４０は、複数の超音波素子１００が設置され、一対の端子に電圧を供給する基板５０を備えている。超音波素子３００は、基板５０上に一体に設けられ、複数の超音波素子３００を保護する保護具３１０を備える。これにより、超音波素子３００全体に対して一体の保護具３１０を設置できるため、パラメトリックスピーカ４０をさらに小型化できる。保護具３０２のない超音波素子を図８（ａ）のように並べ、図８（ｂ）のようにまとめて保護一体の保護具３１０で保護すればパラメトリックスピーカ３０の小型化につながる。

１０、３０、４０、４５ パラメトリックスピーカ
５０ 基板
１００ 超音波素子
１１０ 端子台
１１１ 底部
１１２ 突起部
１１３、１１４ 切欠き
１１５、１１６ 端子穴
１２１、１２２ 端子
１３１、１３２ リード線
１４０ シリコン接着剤
１５０ 超音波発音体
１５１ 振動板
１５２ 圧電素子
１５３ 圧電振動子
１５４ 共振子
１５６ 発音側表面
２００ 超音波素子
２１０ 端子台
２１０ａ−２１０ｅ 端子台
２１１ 底部
２１２ 突起部
２１３、２１４ 切欠き
２１５、２１６ 端子穴
２１８ 設置部
２１８ａ−２１８ｅ 設置部
３００ 超音波素子
３０２ 単体の保護具
３１０ 複数一体の保護具

Claims (4)

1. 複数の超音波素子と、前記超音波素子が設置される基板と、を備えるパラメトリックスピーカであって、
   前記超音波素子は、
   円板状の底部の周縁に一対の切欠きが形成され、前記底部上にリング状の突起部が設けられた端子台と、
   前記突起部の外径より中心軸側の位置において前記円板状の底部に差し込まれた一対の端子と、
   前記一対の切欠きを介して設けられた一対のリード線と、
   前記リング状の突起部により支持され、前記一対のリード線により前記一対の端子と接続された超音波発音体と、を備え、
   前記リード線は、接着剤に覆われ、少なくとも前記端子台に固定されており、
   前記基板は、前記一対の端子に電圧を供給し、
   前記超音波発音体は、前記一対の端子から電圧を印加されることで超音波を発生させることを特徴とするパラメトリックスピーカ。
2. 前記端子台の外径は、前記超音波発音体の外径以下であることを特徴とする請求項１記載のパラメトリックスピーカ。
3. 前記端子台は、前記リング状の突起部の反対側に形成された設置部を有し、
   前記設置部は、基板に設置されたとき前記超音波発音体の発音側表面を前記基板の表面に対して一定高さで平行に支持することを特徴とする請求項１または請求項２記載のパラメトリックスピーカ。
4. 一体で形成されて前記基板上に設けられ、複数の前記超音波素子を保護する保護具を更に備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のパラメトリックスピーカ。

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