JPH09284897A - 電気音響変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 波形歪が発生しにくく、低音域を大振幅で駆
動でき、電気音響変換効率が高い電気音響変換器を提供
する。 【解決手段】 ホルダ１６内に超音波振動子１８が収容
されている。超音波振動子１８の超音波放射面１８ａの
上方には、振動板２０が配設されている。振動板２０は
ダンパ２４を介してホルダ１６に支持されている。超音
波振動子１８は、オーディオ信号Ｓａで振幅変調された
超音波信号Ｓｕで駆動される。これにより、超音波振動
子１８の放射面１８ａからは超音波Ｗｕが放射される。
振動板２０はその放射圧を受けて、変調成分であるオー
ディオ信号に応じて上下方向に振動し、音を外部に放射
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、新規な形式の電
気音響変換器に関し、波形歪が発生しにくく、かつ低音
域を大振幅で駆動可能なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の電気音響変換器（スピーカ）は、
図２（ａ）に示す動電型、同（ｂ）に示す静電型、同
（ｃ）に示す圧電型が一般的であった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】図２（ａ）に示す動電
型は、次のような問題点があった。 （ア） 磁気回路中の磁束分布の不均一さにより、音に
波形歪が発生する。 （イ） 振幅を大きくした際に、振動板の剛性不足によ
り、たわみ振動が発生し、音に波形歪が発生する。 （ウ） 放射効率を上げるために口径を大きくすると、
振動板質量が大きくなり、かつたわみ振動が発生しやす
くなり、音に波形歪が発生する。

【０００４】図２（ｂ）に示す静電型は、次のような問
題があった。 （ア） 固定電極１０と振動板１２との間の距離ｄ１の
２乗に反比例して駆動力が小さくなる。したがって、距
離ｄ１を小さくすれば大きな駆動力（推力）が得られる
が、距離ｄ１を小さくすると振動板１２と固定電極１０
とが接触しやすくなるため、振幅がとれなくなる。この
ため、低音を大振幅で発声する用途には適さない。

【０００５】図２（ｃ）に示す圧電型では次のような問
題点があった。 （ア） 変位量が小さいため、低音を大振幅で発声する
用途には適さない。

【０００６】この発明は、前記従来の技術における問題
点を解決して、波形歪が発生しにくく、低音を大振幅で
発声するのも容易な電気音響変換器を提供しようとする
ものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明は、超音波振動
子に比較的近接して振動板を配し、超音波振動子をオー
ディオ信号で振幅変調した超音波信号で駆動して、超音
波振動子から放射される超音波を振動板で受けるように
したものである。これによれば、振動板は超音波振動子
から放射される超音波の放射圧を受けて、この放射圧で
（正確には、振動板の前面と後面の超音波エネルギの密
度差により）駆動される。このとき、超音波振動子を駆
動する超音波信号が一定振幅であれば、振動板は一定の
力を受けるに過ぎないが、超音波信号をオーディオ信号
で振幅変調することにより、振動板が受ける力は変調成
分（オーディオ成分）によって変化し、この変調成分に
応じた音が振動板から発声される。

【０００８】この発明によれば、超音波振動子と振動板
との距離を十分確保しても超音波のエネルギーを振動板
に十分与えることができる（静電型に比べて距離による
駆動力の変化は少ない）ので、振動板が大きな振幅で振
動しても超音波振動子に接触しにくくなり、低音を大振
幅で発声する用途にも適用できる。

【０００９】また、振動板が超音波の放射圧を均一に受
けることにより、たわみ振動が発生しにくくなり、大振
幅（大音量）で駆動しても波形歪が発生しにくい。

【００１０】

【発明の実施の形態】

（実施の形態１）この発明の実施の形態を図１に示す。
これは、超音波の放射方向に垂直に振動板を配置したも
のである。図１において（ａ）は中心軸２２を通る平面
で切断した縦断面図、（ｂ）は平面図である。この電気
音響変換器１４は、金属等で作られた円筒状のホルダ１
６を有している。ホルダ１６の内部空間２８の底面１６
ａ上には、円板状の超音波振動子１８がその中心軸を中
心軸２２に一致させて固定配設されている（たわみ振動
するタイプ（バイモルフ型圧電素子）であれば周辺支持
で固定し、厚み振動するタイプであればベタ固定す
る。）。超音波振動子１８は圧電振動子で構成され、そ
の厚み方向（中心軸２２に沿った方向）に振動して、そ
の上面の平坦な放射面１８ａから上方に向けて超音波Ｗ
ｕを放射する。

【００１１】超音波振動子１８の上方には、その放射面
１８ａとほぼ同じ大きさの円板状に形成された平板状の
振動板２０が、超音波振動子１８と平行に、周縁部をダ
ンパ２４で支持された状態で配設されている。振動板２
０は薄手の金属板、樹脂板等で構成されている（空気に
比して音響インピーダンスがかけ離れていてかつ軽量で
あるものが望ましく、アルミ板、ベーク板などが好適で
ある。）。ダンパ２４の外周縁部は、ホルダ１６の内周
面に固定されて、ホルダ１６の開口部１６ｂを塞いでい
る。ダンパ２４は振動板２０を超音波振動子１８の上方
の所定位置に保持しつつ、振動板２０が中心軸２２に沿
った方向に振動するのを許容するもので、弾性を有する
薄手の合成樹脂等で構成されている。ダンパ２４には、
振動板２０の中心軸２２に沿った方向への振動を容易に
するために複数本のコルゲーション２６が中心軸２２を
中心に同心円状に形成されている。

【００１２】なお、ホルダ１６の内部空間２８は外部に
対し完全密閉であると、振動板２０が変位を起こすのに
パワーを要し、振動板２０以外の望ましくない部分（ダ
ンパ２４等）が変形を起こすおそれがある。そこで、ホ
ルダ１６の底面１６ａに小孔１１が形成された部品１３
をはめ込むことにより、外部空間と連通させる。

【００１３】超音波発振器３０からは一定周波数の超音
波信号Ｓｕが発振される。超音波信号Ｓｕの周波数は、
可聴周波数よりも高い周波数（２０ｋＨｚ以上）で、か
つ超音波振動子１８の固有の共振周波数に設定されてい
る。また、その振幅は音量調整ボリウム４０によって任
意に調整される。音源３２からは音楽等のオーディオ信
号Ｓａが出力される。超音波発振器３０は超音波信号Ｓ
ｕをオーディオ信号Ｓａで振幅変調して出力する。振幅
変調された超音波信号Ｓｕはドライバ３４で増幅され、
信号ケーブル３６を介して超音波振動子１８に供給され
て、これを駆動する。これにより、超音波振動子１８は
その厚み方向に振動して、その放射面１８ａからオーデ
ィオ信号で振幅変調された超音波Ｗｕを放射する。この
超音波Ｗｕは振動板２０に略々均一に当たる。

【００１４】超音波Ｗｕによる振動板２０の動作につい
て図３を参照して説明する。超音波振動子１８から放射
された超音波Ｗｕが振動板２０に当たると、超音波Ｗｕ
は振動板２０で多くの部分が吸収あるいは反射されて、
振動板２０の両面側には、超音波の存在する領域Ａ１と
超音波の存在しない領域Ａ２が形成され、両領域Ａ１，
Ａ２のエネルギ密度の差に比例した放射圧を振動板２０
が受ける。このとき、超音波Ｗｕが一定の振幅であれば
振動板２０は一定の力を受けるに過ぎない。これに対
し、超音波Ｗｕを図４（ａ）のように、オーディオ信号
で振幅変調することにより、振動板２０が受ける力は、
図４（ｂ）に示すように変調成分で変化する。これによ
り、振動板２０はオーディオ信号に応じてその面に垂直
な方向に振動し、音を発声する。音量は、音量調整ボリ
ウム４０によって調整される。

【００１５】以上の構成の電気音響変換器１４によれ
ば、振動板２０と超音波振動子１８との距離ｄ２を、駆
動しようとする振動板２０の最大振幅よりもやや大き目
に設定することにより、超音波振動子１８から放射され
る超音波Ｗｕを効率よく振動板２０に与えることができ
る。そして、超音波Ｗｕの周波数は、超音波振動子１８
の固有の共振周波数に調整されているので、高い電気音
響変換効率が得られる。また、振動板２０は超音波の均
一な放射圧を受けるためだけのものであり、軽量化が可
能で、かつ薄くてもたわみ振動しにくく、波形歪が発生
しにくい。そして、波形歪が発生しにくいので、振動板
２０の大振幅駆動（大音量化）も可能である。また、低
周波域での大振幅も容易に得られる。

【００１６】尚、ホルダ１６の内部空間２８に超音波の
放射効率を向上させる媒質を充填することもできる。こ
の媒質としては、空気（ρ＝０．００１２９ｇ／cm³ ）
に比べて密度の大きいものが望ましく、例えば三弗化硼
素ＢＦ３（ρ＝０．００２８１ｇ／cm³ ）等のガスを用
いることができる。また、図１の構成では、ホルダ１６
の内部空間２８に充填した媒質がエアダンパ調整用の小
孔１１からもれ出すので、その対策として、例えば図５
に示すように、ホルダ１６の内部空間２８を振動板２０
の変位を妨げない弱い材料（例えば樹脂フィルム）１７
で上部空間２８−１と下部空間２８−２に分割し（超音
波振動子１８の外周面とホルダ１６の内周面との間にド
ーナツ状に装着する。）、上部空間２８−１に媒質を封
入することもできる。

【００１７】また、振動板２０の上方に超音波振動子を
放射面を下方に向けて配置し、この超音波振動子と下側
の超音波振動子１８をプッシュプル駆動して、振動板２
０を駆動することもできる。その具体例を、図６、図７
に示す。図６に示すものは、超音波振動子１８，１９を
通気性のあるもので構成して、振動板２０が発する音を
外部に取り出している。図７に示すものは、ホルダ１６
に片側空間２１に連通する開口部２３を設けて、当該空
間２１のエアを外部へ絞り出すことにより、振動板２０
が発する音を外部に取り出している。

【００１８】（実施の形態２）この発明の第２の実施の
形態を図８に示す。これは、超音波の放射方向に平行に
振動板を配置したものである。（ａ）は外観を示す斜視
図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視を示す縦断面図、
（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視を示す横断面図である。こ
の電気音響変換器４４は、前面および後面に開口部４
３，４５が形成された金属製等のホルダ４６を有し、そ
の内部空間６４の底面には、超音波振動子５０が固定配
設されている。開口部４３の上辺部にはダンパ５３の上
端部が連結され、開口部４３の下辺部にはダンパ５４の
下端部が連結されている。そして、ダンパ５３の下端部
とダンパ５４の上端部との間に振動板６１が連結されて
支持されている。同様に、開口部４５の上辺部にはダン
パ５５の上端部が連結され、開口部４５の下辺部にはダ
ンパ５６の下端部が連結されている。そして、ダンパ５
５の下端部とダンパ５６の上端部との間に振動板６２が
連結されて支持されている。ダンパ５３〜５６は薄手の
合成樹脂等で構成され、超音波振動子５０の上面５０ａ
と平行な方向に延在するコルゲーションが形成されてい
る。なお、開口部４３，４５の各左右辺部は、各々振動
板６１，６２の前後振動を妨げない程度の距離を保ちつ
つ、振動板６１，６２の左右側辺部に密接している。ま
た、ホルダ４６の上部には、ホルダ４６の内部空間６４
のエアダンパ成分の調整用に小孔７１が形成された部品
７３がはめ込まれている。超音波振動子５０はその厚み
方向に振動して、その上面５０ａから超音波Ｗｕを放射
する。

【００１９】超音波振動子５０には、オーディオ信号で
振幅変調された一定周波数（超音波振動子５０の共振周
波数）の超音波信号Ｓｕがリード線８０を介して印加さ
れる。これにより、超音波振動子５０はその厚み方向に
振動してその上面の放射面５０ａからオーディオ信号で
振幅変調された超音波Ｗｕを放射する。この超音波Ｗｕ
は振動板６１，６２の前後面にオーディオ信号に応じた
エネルギ密度差を発生させ、もって振動板６１，６２を
オーディオ信号に応じて面に直角な方向に振動させて、
外部に音を放射する。

【００２０】超音波振動子５０による振動板６１，６２
の駆動メカニズムについて説明する。前記図１の電気音
響変換器１４では、超音波進行方向に発生する力を利用
して振動板２０を駆動している。これに対し、図８の電
気音響変換器４４では、超音波進行方向の成分ではなく
超音波進行方向に垂直方向に発生する力（側圧成分）を
利用して振動板６１，６２を駆動している。すなわち、
図９に模式的に示すように、超音波振動子５０から発生
した超音波が振動板６１，６２に沿って進行していく
と、超音波Ｗｕの粗密により、振動板６１，６２の面に
垂直な方向に周期的に正負に反転する圧力が加わる。こ
のとき、超音波振動子５０が正弦波状に振動しても、空
気の粘性等による伝播の非線形性により圧力変化は正弦
波状にはならず、平均すると負圧になる。そして、超音
波Ｗｕをオーディオ信号で変調することにより、この負
圧の大きさが変化し、振動板６１，６２をその面に垂直
な方向に均一に駆動し、外部に音を放射する。

【００２１】なお、振動板６１，６２の左右側方には、
これら振動板６１，６２の前後振動を許容すべく、僅か
の間隙が存在するが、超音波Ｗｕの指向性は強く、これ
ら間隙による損失はほとんど生じることなく、振動板６
１，６２の振動面前後には充分なるエネルギ密度を生じ
させることができる。ただし、前述したように、内部空
間６４に超音波の放射効率を向上させる媒質を充填する
場合には、これら間隙および小孔７１の封入構造をとる
必要がある。具体的には、図５と同様に、小孔７１に対
して樹脂フィルム等で封入構造をとると共に、振動板６
１，６２の側辺あるいは内面全面に同様に樹脂フィルム
等の封入構造を形成することになる。

【００２２】（実施の形態３）この発明の第３の実施の
形態を図１０に示す。これは、超音波の放射方向に斜め
に振動板を配置したものである。（ａ）は中心軸を通る
平面で切断した縦断面図、（ｂ）は平面図である。この
電気音響変換器６４は、円筒状のホルダ６６を有してい
る。ホルダ６６内には、圧電振動子で構成されたリング
状の超音波振動子６８がその中心軸を中心軸６２に一致
させて固定配設されている。超音波振動子６８はその径
方向に振動して、その内周面の放射面６８ａからその厚
み方向（中心軸６２に直交する方向）に振動する。

【００２３】リング状の超音波振動子６８で囲まれた空
間には、すりばち状の振動板７０がその周縁部をダンパ
７２で支持された状態で配設されている。ダンパ７２の
外周縁部は、ホルダ６６の内周面に固定されている。振
動板７０は薄手の金属板、合成樹脂板等で構成されてい
る。ダンパ７２は、弾性を有する薄手の合成樹脂等で構
成されている。ダンパ７２には、中心軸６２を中心に複
数本のコルゲーション７４が同心円状に形成されてい
る。超音波振動子６８が収容された内部空間７６は、振
動板７０およびダンパ７２によって外部空間に対し密封
状態とされている。ホルダ６６の底面には、ホルダ６６
の内部空間７６のエアダンパ成分調整用に小孔８０が形
成された部品８２がはめ込まれている。

【００２４】超音波振動子６８には、オーディオ信号で
振幅変調された一定周波数（超音波振動子６８の共振周
波数）の超音波信号Ｓｕがリード線７８を介して印加さ
れる。これにより、超音波振動子６８はその厚み方向に
振動してその内周面の放射面６８ａからオーディオ信号
で振幅変調された超音波Ｗｕを放射する。この超音波Ｗ
ｕは振動板７０に当たり、振動板７０をオーディオ信号
に応じて上下方向に振動させて、外部に音を放射する。
尚、内部空間７６に超音波の放射効率を向上させる媒質
を充填することもできる。

【００２５】尚、前記実施の形態では、ダンパが振動板
を機械的にホルダに連結して支持するように構成した
が、エアー、磁気等を利用して振動板を非接触で支持す
るように構成することもできる。あるいは、ダンパを独
立した部品として構成せずに、振動板を直接ホルダに支
持して、振動板自身の張力でダンパの機能を果すように
してもよい。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、波形歪が発生しにくく、低音を大振幅で発生するこ
とができる電気音響変換器が実現される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の第１の実施の形態を示す縦断面図
および平面図である。

【図２】 従来の各種方式の電気音響変換器を示す縦断
面図である。

【図３】 図１の電気音響変換器の動作説明図である。

【図４】 図１の超音波振動子１８に印加される超音波
信号波形およびこの超音波信号により超音波振動子１８
から発生される超音波によって振動板２０が受ける力を
示す線図である。

【図５】 図１の実施の形態の変形例を示す縦断面図で
ある。

【図６】 第１の実施の形態の形式のもので超音波振動
子を２個設けてプッシュプル駆動するようにした一例を
示す縦断面図である。

【図７】 第１の実施の形態の形式のもので超音波振動
子を２個設けてプッシュプル駆動するようにした他の例
を示す縦断面図である。

【図８】 この発明の第２の実施の形態を示す斜視図お
よびＡ−Ａ，Ｂ−Ｂ矢視断面図である。

【図９】 図８の電気音響変換器の駆動メカニズムを示
す模式図である。

【図１０】 この発明の第３の実施の形態を示す縦断面
図および平面図である。

【符号の説明】

１４，４４，６４ 電気音響変換器 １８，５０，６８ 超音波振動子 ２０，６１，６２，７２ 振動板 ３０ 超音波発振器 Ｗｕ 超音波 Ｓａ オーディオ信号 Ｓｕ 超音波信号

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超音波を放射する超音波振動子と、 この超音波振動子に比較的近接した位置に配設され、当
   該超音波振動子から放射される超音波を受けて振動する
   振動板と、 オーディオ信号で振幅変調した超音波信号を発振して前
   記超音波振動子を駆動する超音波発振器とを具備してな
   る電気音響変換器。