JPH03140100A - 電気音響変換方法及びその為の装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、電気音響変換方法及びその為の装置に関する
。

従来の技術 従来、電気音響変換は、そのエネルギーの変換方向によ
って（１）電気エネルギーから音響エネルギー、（２）
音響エネルギーから電気エネルギーの二つに分けられ、
その中には可逆変換が可能なものと非可逆変換を行うも
のとがある。

可逆変換を行うものは次のように分類される。

（Ａ）電磁的変換器として、 （ａ）動電変換器 （ｂ）電磁変換器 （ｃ）磁気ひずみ変換器 （Ｂ）静電的変換器として、 （ｄ）静電変換器 （ｅ）圧電変換器 非可逆変換を行うものは次のように分類される。

（Ｃ）音響エネルギーから電気エネルギーに変換するも
の （ｒ）抵抗変化型変換器 （Ｄ）電気エネルギーから音響エネルギーに変換するも
の （ｇ）熱型変換器（サーモホン） （ｈ）放電型変換器 （ｉ）その他の特殊なもの 上記の内、（ｈ）の放電型変換器は、針状電極に低周波
電圧を重ねた直流高電圧又は高周波電圧を加えて放電を
起こさせ、放電の強さが低周波電圧に応じて変わり、そ
れに応じてイオン分子が移動することによって音圧を生
じるものであり、静止針状電極から直接音圧が生じる。

また、その他の変換器は、電気と音響の間で変換を行う
場合、最終的には全て機械系の振動を介して変換が行わ
れる。すなわち、音響エネルギーへの変換を行うものに
おいては、電気エネルギーによって、音源となる構造物
に機械的な振動を発生させることにより、その周囲に空
気の圧力波を発生させ、放射させるものである。そして
、構造物の具体例としては、弦、膜、板、殻等があげら
れ、これら構造物の振動によって周囲の空間に空気の圧
力波を放射する。この場合、電気エネルギーは、これら
構造物を振動させるために使用されるのである。

発明が解決しようとする課題 ところで、上記のような変換器においては、空気を振動
させる振動源が、ある質量を持った構造物であるために
、以下のような欠点がある。

（１）構造物の振動は、その振動数によって振動モード
が異なり、低周波から高周波になるに従い、−次モード
から高次のモードの振動や共振が現れてくる。そしてそ
れらが音の歪みとなる。

（２）振動源は何等かの手段で支持しなければならず、
そのために一つの振動源の中に、振動しない節の部分と
振動する腹の部分が存在することになり、完全に均一で
コヒーレントな空気圧力波を得ることが困難である。

（３）振動エネルギーを大きくしていくと、振動源の構
造物に加わる力が大きくなり、構造物の機械的な変形（
たわみ、ねじれ）が現れてくる。そしてそれが音の歪み
となる。

（４）振動源の質量に起因する慣性力が存在し、このた
めに応答遅れの問題がある。特にインパルス音波の形成
は、構造物の機械的振動では不可能に近い。

（５）構造物の小型化には限界があり、微小振動源の製
造は困難である。

また、放電型変換器の場合は、電極の消耗があるため、
十分なエネルギーの音波を繰り返して発生させることが
できない。

上記のような欠点を解決するために、従来より、それぞ
れの周波数に適した複数の振動源を用いたり、振動源の
質量を少なくしたりして、解決することが試みられてい
るが、未だ完全に解決されていないのが現状である。

したがって、本発明は、上記のような従来の技術におけ
る問題点を解決することを目的としてなされたものであ
る。

すなわち、本発明の目的は、振動源の質量や、その構造
物の変形に起因する問題が解決されると共に、上記した
従来の技術における欠点の全てを解決することが可能な
電気音響変換方法及びその為の装置を提供することにあ
る。

課題を解決するための手段及び作用 本発明の電気音響変換方法の基本原理は、従来の技術に
おけるような構造物の機械的な振動によって圧力波を発
生するメカニズムとは異なり、静止した変換器から直接
に周囲の空間に空気圧力波を放射することにある。

すなわち、本発明の電気音響変換方法は、基板上に形成
された一個又は複数個の抵抗発熱体よりなる発熱層に電
圧の印加及び停止を繰り返して行い、抵抗発熱体の発熱
及び冷却を繰り返すことによって、抵抗発熱体近傍に存
在する空気の膨脹及び収縮に伴う空気圧力波を発熱層前
方に放射することを特徴とする。

また、本発明の電気音響変換器は、基板上に一個又は複
数個の抵抗発熱体よりなる発熱層を設け、該発熱層の一
部に電極層を設けたことを特徴とする。

本発明の原理は、基板上に形成された抵抗発熱体よりな
る発熱層に、パルス電圧を印加して抵抗発熱体を加熱し
、その熱エネルギーの伝達によつて、抵抗発熱体近傍の
空気を加熱する。抵抗発熱体近傍の空気は、抵抗発熱体
の温度に近い温度まで断熱的に加熱され、それによって
発生する圧力は、瞬間的に１ないし散気圧に達し、高温
加圧状態になる。この時の圧力は、発熱層前方の空気中
を超音速の衝撃波として、または音速で伝播し、空気圧
力波となって放射される。

一旦加熱された抵抗発熱体は、電圧の印加が停止すると
同時に冷却過程に移る。この冷却過程では、熱エネルギ
ーの大部分は基板に伝達される。

基板は、抵抗発熱体の熱をすばやく放散するためのヒー
トシンクとしての役目を持っている。抵抗発熱体が冷却
されると、その近傍の空気も冷却される。

以上で１サイクルの圧力波が放射される。この１サイク
ルによって放射される圧力波は、構造物、例えば膜の振
動によって形成される空気の圧力波とほぼ同等のものと
なる。

本発明において、空気圧力波の放射は、上記１サイクル
を何回も繰り返すことによって行われるが、本発明の電
気音響変換器によって、空気圧力波を放射するためには
、まず、抵抗発熱体の加熱、冷却時間、及び抵抗発熱体
から空気への熱伝達時間を考慮する必要がある。

空気の熱伝導率はλ−２，４ｘｌＯ−２ｋｃａｌ／ｓ−
ｈ　−ｄｅｇであり、固体や液体に比べて非常に小さく
、断熱物質として用いられるものであるが、その温度伝
導率（すなわち熱伝導における物体の温度変化速度の大
小を表す物性値）はα−８，５Ｘｌ０−２ｒｙｌ’／ｈ
であり、非常に大きい。これらの二つの物性値から言え
ることは、空気は僅かの熱エネルギーで、急激な温度変
化を生じさせることが可能であることを意味している。

抵抗発熱体の温度を２０℃から８００℃に上昇した場合
、抵抗発熱体からその近傍の空気への熱伝達時間は、時
定数で表わすと０．数μｓｅｃから数十μｓｅｃである
。

また、抵抗発熱体自身の加熱、冷却の応答性については
、加熱の場合の時定数は０．数μｓｅｃから数十μｓｅ
ｃである。加熱された抵抗発熱体が、熱エネルギーを基
板側に伝達することによって冷却される場合は、その時
定数は、数μｓｅｃから数千μｓｅｃである。

これらの時定数より、本発明の上記原理に基づく電気音
響変換方法は、数Ｈｚの低周波から数百ＫＨｚまでの超
音波まで広範囲の周波数に対応できることがわかる。

次に、本発明の上記原理に基づく電気音響変換器につい
て説明する。

電気音響変換器においては、基板上に一個または複数個
の抵抗発熱体よりなる発熱層が形成される。一般にプリ
ンター技術などで用いられている薄膜のサーマルヘッド
の製造方法と同様な技術を応用して形成することができ
る。プリンター用薄膜サーマルヘッドは、一般には数十
癖から百数十ρ角の発熱体セルを、長尺の基板上に配列
した構造を有しているが、その技術が、本発明の電気音
響変換器の作成に応用できる。発熱層には、抵抗発熱体
に電圧を印加するための電極層が設けられる。

実施例 本発明の実施例を図面を参酌して説明する。

第１図は、本発明の電気音響変換器の概略断面図である
。図中、ｌは基板、２は断熱層、３は発熱層、４は電極
層、５は保護層である。

セラミックよりなる基板１の上に断熱層２として、グレ
ーズガラス層を膜厚数−以下になるように形成する。そ
の上に抵抗発熱体よりなる発熱層３を形成する。抵抗発
熱体としては、Ｔａ２Ｎ。

ＴａＮ５Ｓ　１−Ｔａ、Ｔａ−３ｉ　Ｏ２などを使用し
、蒸着またはスパッターなどによって膜形成を行う。電
極層４は、金またはアルミニウムの蒸着膜を形成した後
エツチングにより、発熱部７が形成されるようにパター
ン状に形成される。

本発明の電気音響変換器は、電圧の印加によって抵抗発
熱体を急激に加熱させるという機能の点でサーマルヘッ
ドと同じであるが、使用目的がサーマルヘッドとは異な
るために、その構造も当然に異なったものになっている
。以下に、本発明の電機音響変換器の特徴を、従来使用
されているす−マルヘッドとの相違点と対比して説明す
る。

第６図は一般のプリンターに用いられる代表的薄膜サー
マルヘッドの概略断面図である。図中、１はセラミック
よりなる基板、２は断熱層、３は発熱層、４は電極層、
５は保護層、６は耐摩耗層、７は発熱部である。

本発明の第１図に記載の電気音響変換器と、第６図に記
載の薄膜サーマルヘッドとの第１の相違点は、抵抗発熱
体に対する熱負荷の大きさに起因するものである。すな
わち、サーマルヘッドは、インクドナーフィルム或いは
感熱紙を加熱するのに対して、本発明の電気音響変換器
は、熱負荷の小さな空気を加熱するものである。インク
ドナーフィルムや感熱紙は、空気に比べて熱負荷が２桁
以上大きく、またその温度伝導率は２桁以上小さい。そ
の為、サーマルヘッドでは、変換器より多量の熱を長時
間かけて伝熱しなければならず、またそのことにより、
抵抗発熱体への電圧印加時間を長くしなければならない
。この両者の相違が、構造的には断熱層２の膜厚の相違
になって現れてくる。すなわち、サーマルヘッドでは、
断熱層は、例えば、膜厚数十繻であるのに対して、本発
明の電気音響変換器では、断熱層は短時間の加熱に対す
る断熱を行うためのものであるため、サーマルヘッドに
おけるよりも薄膜でよく、また、電圧印加停止後の冷却
過程での冷却速度を考慮すると、なるべく膜厚が薄いこ
とが好ましい。

第２の相違点は、耐摩耗層６の有無である。サーマルヘ
ッドでは、インクドナーフィルムや感熱紙が表面を摺動
する為に、機械的な摩耗に耐えるための耐摩耗層が必要
であるのに対して、本発明の電気音響変換器では、耐摩
耗層は存在させる必要がなく、その分、熱応答性も改善
される。

第３の相違点は、抵抗発熱体の大きさとその配列パター
ンである。サーマルヘッドでは、数十層から百数十加角
の発熱体セルを一列に配列した長尺のヘッドとすること
が一般的である。これに対して、本発明の電気音響変換
器では、必要な圧力波の放射域や音の強さによって変わ
るため、定まった大きさやその配列パターンは存在しな
い。

第２図ないし第４図は、本発明における発熱部の抵抗発
熱体のパターンの例を示すもので、第２図は、圧力波の
放射域全体を一つの抵抗発熱体３ａで構成したものであ
る。この場合、抵抗発熱体の大きさとして、−辺が数十
層から数十ｌｌｌ１まての範囲のものが従来技術で製造
可能である。この場合に放射される圧力波は、均一な平
面圧力波になる。

第３図及び第４図は、それぞれ抵抗発熱体３ａをストラ
イプ状、及びマトリックス状に配列したものである。こ
れらの抵抗発熱体３ａに、それぞれある関係にしたがっ
て電圧を印加すれば、個々の抵抗発熱体から放射される
圧力波を任意にコントロールすることが可能になり、そ
こから放射された圧力波は、任意の圧力波面と指向性を
持った一つの圧力波に合成されることになる。

上記の構成を有する本発明の電気音響変換器は、受話器
、スピーカ、各種標準音源、測定用音源、超音波音源等
に応用可能である。以下に、それ等の場合について説明
する。

受話器は、電気人力によって振動板と耳の鼓膜との間に
閉じられた小さな空間に音圧を生じさせることを目的と
するものである。従来の受話器は、静電型、動電型、電
磁型、圧電型等があり、いずれも振動板の機械的な振動
によって空気の圧力波を生じさせるものである。これら
の受話器は、感度、音の歪、音響パワー、周波数特性、
重量、体積、コストなどに一長一短があり、その利する
ところにしか適用できないというのが現状であるが、本
発明の電気音響変換器を受話器に応用することによって
、変換器部分の構成が非常に簡単になると共に、上記特
性項目を全て満足するものとなる。

スピーカは、受話器と異なって解放された空間内に、空
気の圧力波を放射するものであり、その為、受話器での
特性項目に加えて、音響効率、指向特性、過渡特性等が
問題となる。本発明の電気音響変換器は、これらの特性
項目が要求されるスピーカに応用可能であり、特に平面
スピーカとして適用した場合、その長所も合せ持った特
性を有するものとなる。

本発明の電気音響変換器は、各種音響１１）Ｉ定の標準
音源として応用可能である。すなわち、基板上に形成さ
れた一個または複数個の抵抗発熱体を、任意のタイミン
グで駆動することにより、任意の圧力波、例えば、平面
圧力波、球面圧力波等が形成でき、マイクロホンと組み
合わせて、音波の干渉、回折等の計測に応用可能である
。また、数十μｓｅｃ以下の一パルス電圧を印加するこ
とによって、比較的単純な波形のインパルスを形成する
ことが可能である。このようなパルス幅の短い音波は、
時間分解能がよいため、反射波、回折波等を直接波から
分離して観測することができる。また、広い周波数スペ
クトルを含んでいるため、フーリエ変換等の手法を用い
れば、原理的に一回の測定で広い周波数帯域にわたって
の情報を得ることができ、音響計測分野への広い応用が
可能となる。

さらにまた、本発明の電気音響変換器は、超音波源とし
て利用することもできる。従来の超音波発生源としては
、電歪、磁歪素子の共振を利用しており、その為−つの
素子からはある決まった周波数の超音波しか取り出せず
、また、低周波の超音波源は大きくなると言う欠点があ
ったが、本発明を利用すると、百ＫＨｚ以下の周波数ま
で駆動可能であり、低周波から高周波まで一つの変換器
で超音波を発生することが可能である。

次に、本発明のさらに具体的な実施例を示す。

この実施例では、抵抗発熱体が一個のものについて説明
するが、複数個のものはこの実施例を組み合わせたもの
として理解すればよい。

第５図は、その電気音響変換器の概略断面である。

厚さｌ　ｍ＋ｓ、縦横２５關のアルミナ基板ｌの上に、
厚さ１．５−の５１０２を断熱層２として設け、さらに
その上に、発熱層３として、Ｔａ２Ｎを膜厚０．５−に
なるように積層し、さらに電極層４として、金を膜厚２
．Ｏｕｒｎになるように蒸着した。電極層を所定のパタ
ーンに選択エツチングし、電極部と発熱部７に分離した
。発熱部７は、縦横３．［１ｍｍの正方形のものとした
。電極層と発熱部の上には、絶縁保護層５として、５ｉ
ｎ２を膜厚１．５　ｔｓになるように形成した。上記抵
抗発熱体の抵抗値は２０Ωてあった。

上記の構造の電気音響変換器の基体ｌの裏面に、剛性支
持体として、また放熱板として、縦横２５ＩｌｌＩ１１
抵抗値２　ｍ＋ｅのアルミニウム板８を接着して、電気
音響変換器を得た。

上記のようにして作成された電気音響変換器に以下の電
気信号を印加することによって、抵抗発熱体から放射さ
れる空気圧力波をマイクロホンを使用して測定した。

（１）電圧・・・・・３０ボルト（矩形波）（２）パル
ス幅・・瞼５μ５ｅｃ （３）周波数・・・・ＩＫＨｚ このとき、抵抗発熱体の温度は、最大６５０℃に達し、
また、そのときＩＯＸ　１Ｏ−２Ｎ／ｒｒｒの空気圧力
波か観測された。（抵抗発熱体より０．１ｍの距離だけ
離して測定した値） 抵抗発熱体の温度は、パルス間隔の時間て略室温まで冷
却されるため、連続通電による圧力波の変化は殆ど認め
られないことか判明した。また、二のときのアルミニウ
ム板の温度上昇は、たかだか１５℃であり、電気音響変
換器としては、同等問題がないことも判明した。

また、上記の電気音響変換器について、次の電気信号を
用いて駆動したところ、上記と同様の空気圧力波が観測
された。

（１）電圧・・・・・６０ボルト（矩形波）（２）パル
ス幅−・・１．０　μ５ｅｃ（３）周波数・・・・１０
ＫＨ２ 上記の結果から、本発明の電気音響変換器は、広範囲の
周波数において安定した空気圧力波を発生することが可
能であることが判明した。また、共振や分割振動、さら
にまた周波数の変化に対するインピーダンス特性は、常
に一定であり、これらの原因で発生する音による歪はま
ったくないことが確認された。

また、上記の抵抗発熱体の大きさを３゜０關から１．５
ｍ＋ｓｌこ変えた以外は、上記と同様にして第５図に示
す構造の電気音響変換器を作成した。このものについて
、以下の電気信号を用いて駆動したところ、１０−’Ｎ
／ｒｒＦの空気圧力波が観測された。

（１）電圧・・・・・３ボルト（矩形波）（２）パルス
幅・・・５μ５ｅｃ （３）周波数・・・・１ＫＨｚ この電気音響変換器は、微小音源としても十分利用でき
ることが確認できた。

発明の効果 上記のように、本発明の電気音響変換方法及び電気音響
変換器は、静止空気圧力波発生源を用いているため、 （１）低周波から超音波まで、広範囲にわたって歪のな
い空気圧力波を作ることが可能である。

（２）応答遅れがない。

（３）微小な電気音響変換器となり得る。

と言う優れた効果を生じると外に、 （４）任意の空気圧力波面が作れる。

（５）インパルス音波が作れる。

（６）変換器の小型化軽量化が達成できる。

（７）振動、高温、高湿等の悪環境下での使用が可能で
ある。

という優れた特徴をも有する。したがって、産業上の利
用価値は非常に大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の電気音響変換器の一例の概略断面図
、第２図ないし第４図は、それぞれ本発明の電気音響変
換器における抵抗発熱体の配列パターンを示す図、第５
図は本発明の電気音響変換器の他の一例の概略断面図、
第６図は、一般のプリンターに使用される薄膜サーマル
へ・・ばの概略断面図を示す。 ｌ・・・基板、２・・・断熱層、３・・・発熱層、３ａ
・・・抵抗発熱体、４・・・電極層、５・・・保護層、
８・・・耐摩耗層、７・・・発熱部、８・・・アルミニ
ウム板。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板上に形成された一個又は複数個の抵抗発熱体
   よりなる発熱層に電圧の印加及び停止を繰り返して行い
   、抵抗発熱体の発熱及び冷却を繰り返すことによって、
   抵抗発熱体近傍に存在する空気の膨脹及び収縮に伴う空
   気圧力波を発熱層前方に放射することを特徴とする電気
   音響変換方法。
2. （２）基板上に一個又は複数個の抵抗発熱体よりなる発
   熱層を設け、該発熱層の一部に電極層を設けたことを特
   徴とする電気音響変換器。