JP3924777B2 - フラットスピーカ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フラットスピーカ、特に、圧電素子を用いたフラットスピーカに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、オーディオ信号を音響出力に変換するスピーカ装置としては、一般にコーン型ダイナミックスピーカやホーン型ダイナミックスピーカ等が知られている。
【０００３】
例えばコーン型ダイナミックスピーカは、円錐形状を呈して形成された振動板と、この振動板を駆動するドライバユニットと、振動板の外周縁部を支持するフレームと、これら各部材を収納したキャビネット等の部材によって構成される。ドライバユニットは、ボイスコイルと、ポールと、プレートと、マグネットと、ダンパー及びセンタキャップ等の部材によって構成されている。
【０００４】
このコーン型ダイナミックスピーカに用いられる振動板は、軽量で内部損失が大きい素材によって前記した円錐形を基本形状に形成され、その中心部にドライバユニットが配置される。この振動板は、一般に内周部から外周部に向かって次第にその厚みが薄くされるとともに、その外周縁部が全周に亘って矢紙を介してフレームに支持されている。フレームは、振動板とドライバユニットとを結合するとともに、振動板を囲ってその保護作用も奏する部材である。フレームには、振動板に対してその振動動作による反作用の影響を及ぼさないように、一般に切欠き窓が形成されている。矢紙は、振動板の外周縁部の押さえと、この振動板が振動動作した際にキャビネットの取付部と接触しないように作用する。
【０００５】
一方、ホーン型ダイナミックスピーカは、ボイスコイルによって駆動される振動板の振動音をホーンによって拡大して放出するようにしたものであり、ホーンを有する以外の基本的な構成については、前記したコーン型ダイナミックスピーカと同等とされる。すなわち、ホーン型ダイナミックスピーカにおいても、マグネットと、その先端部に一体に組み付けられたポールと、ポールの周囲を取り囲むヨークと、ポールと対向する開口部を有してヨークに組み付けられたプレートとによってドライバユニットを構成し、このドライバユニットによって振動板が振動動作される。
【０００６】
このホーン型ダイナミックスピーカに用いられる振動板は、アルミニウム等の軽金属や合成樹脂等によって球面形状を呈して形成されている。この振動板は、開口部を閉塞することによってポールと対向するようにして、その外周縁部がプレートに結合されている。そしてこの振動板は、前記したコーン型ダイナミックスピーカの振動板よりも小さく、かつ、振動系の共振が再生帯域のほぼ中央領域でよいために機械的剛性が大きい。したがって、振動板は、ダンパーを介することなくプレートに結合されるとともに、その周辺部をドライバユニットによって振動動作される。換言すれば、ホーン型ダイナミックスピーカにおいても、その振動板が、コーン型ダイナミックスピーカの振動板と同様に外周縁部を固定されて支持されている。
【０００７】
ところで、スピーカ装置においては、ボックス等を必要とせず薄型であり、自由な位置に設置することができる、いわゆるフラット（パネル）型スピーカ装置の実現について多くの試みが図られてきた。しかしながら、これらの多くの試みは、いずれも技術上の限界や音響性能の限界等によって理想的なパネル型スピーカ装置を実現するまでには至っていない。
【０００８】
従来のスピーカ装置では、一般に再生入力信号が供給されると、ドライバユニットによって振動板がピストンのように動作して、出力再生が得られると考えられている。したがって、パネル型スピーカ装置においても、振動板を電磁駆動方式や静電駆動方式により、前記した従来型のスピーカ装置の振動板と同様に動作する高精度の平面ダイヤフラムを製作する試みがなされていた。例えば、静電駆動方式の振動板においては、所定のテンションをもって外周部が支持されており、ドライバユニットからの駆動力が与えられると、その駆動位置から波動が同心円状に連続して発生する。かかる振動板は、大きな単一位相の振動板として動作することによって、音の集中と制御が不可能な振動とを生じる大面積ピストン動作に起因する種々の問題を解決しなければならない。
【０００９】
一方、パネル型スピーカ装置として、曲げ波動理論に基づいてドライバユニットにより振動板を駆動するようにしたパネル構造を有するスピーカ装置が提案されている。
【００１０】
曲げ波動理論に基づくパネル型スピーカ装置では、機械的剛性が比較的大きな堅いパネル構造の振動板が用いられる。振動板は、ドライバユニットから駆動力が与えられるとその表面全体に複雑な振動モードが生成される。振動モードは、平面パネル（振動板）の動作周波数の範囲に均一に分布された最も複雑で密集した波形の構造となる。このパネル型スピーカ装置は、有限サイズの平面パネル（振動板）に関する曲げ波動の物理的特性と、波動の速度対周波数特性と、駆動点インピーダンス特性との解析により特徴付けられる。
【００１１】
この曲げ波動理論に基づくパネル型スピーカ装置では、想定される用途に応じてパラメータが最適化された曲げ剛性の平面パネルが用いられ、また、一般に平面パネルから最大密度の曲げモードを確保するために、この平面パネルの中心点付近がドライバユニットによって駆動される。平面パネルは、有限要素解析によって均一なモード密度を与える特定の縦横比が数学的なモデリングツールによって実証されている。また、平面パネルは、フーリェ型の分析によって、最良のモードの均一性を実現する駆動力の供給位置が求められる。そして、平面パネルにおいては、フーリェ型分析の拡張によって高周波数帯域において多少の損失が生じるものの、より大きな面積のパネルを駆動することも可能とされる。平面パネルは、波動関数のゼロ周波数限界をとることにより、より一般的な静的梁の曲げ方程式に近似した曲げ剛性の式によって表現される。
【００１２】
このような曲げ波動理論に基づくパネル型スピーカ装置は、平面パネルの曲げ動作を規定する要因、すなわち面密度、曲げ剛性、幾何学的寸法（外形寸法）、表面積、駆動点の位置、及びドライブユニットのパラメータ、コアのシェアモジュール、内部損失、或いはパネルの支持方法のパラメータが最適に設定されることによって製作される。
【００１３】
ところで、上記ダイナミックスピーカ以外では、圧電セラミック等の圧電現象を利用した圧電スピーカがあるが、これは主として電子機器の報知ブザーや携帯電話等、小型機器のスピーカとして用いられており、音響機器用としてはミニコンポ等のスピーカシステムにおける高音域を鳴らすツィータで僅かに用いられるに留まっている。
【００１４】
その理由としては、圧電スピーカは音圧が充分に取れず再生帯域も広くないので、小音で狭帯域でもよいというような限られた用途しか利用できなかったからである。例えば、図９は圧電スピーカ単体の測定距離１ｍ、入力電圧１０Ｖ一定の条件での音響特性の例を示す片対数グラフであり、縦軸に音圧レベル（ｄＢ）、横軸対数に周波数ｆ（５０Ｈｚ〜４００００Ｈｚ）を採ったものである。
【００１５】
この図９より明らかなように、圧電スピーカは低音域の音圧が小さく、１ｋＨｚ以上の帯域では起伏の激しい幅広のディップが繰り返し続いており、全体に音響機器用として求められるダイナミックスピーカのような全域でのフラットな音響特性は全く期待できない。元々、圧電振動体は構造上大きな寸法は期待できず、円形の振動板を使用した圧電振動体で、その直径は大きいものでもせいぜい４ｃｍ〜５ｃｍ程度である。
【００１６】
さりとて、圧電スピーカは上記のような欠点はあるものの、（イ）薄くて構造が簡単、（ロ）低電圧で駆動できる、（ハ）電気−音響変換効率が良好である、といった従来のダイナミックスピーカに比して優れた特長を有している。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一般的な音響機器用のダイナミックスピーカの能率（電気−音響変換効率）は、せいぜい３〜５％程度と言われている。即ち、スピーカの入力端子に加えられた電気エネルギーのうち、どれだけ音響エネルギーに変換されたかを表すスピーカの能率は極めて低く、ボイスコイルの電気抵抗を通しての熱エネルギー、振動部材の運動エネルギー、支持系の変形エネルギー、機械抵抗を通しての熱エネルギー等で無駄に消費されているのである。
【００１８】
この点等に関し、電気製品の省エネルギーがオーディオ業界を含む電気業界に強く求められていることは周知のとおりであり、プレーヤ、アンプ等の音響機器における低消費電力化は著しく進歩したが、最も電力を消費するスピーカでは遅々として進んでいないのが現状である。特に、ダイナミックコーンスピーカでは、磁気回路の磁束を大きくする手段、磁気ギャップ内に可及的にボイスコイルを多く巻く手段、振動板面積を大きくする手段等の工夫が採られているが、最早限界に近い。而して、能率の良い音響機器用スピーカの開発が切に望まれる状況にある訳である。
【００１９】
この点、前記した圧電スピーカは、一般にインピーダンスが大きくて電気−音響変換効率が高く、この圧電スピーカを音響機器用スピーカとして全面的に採用することが出来れば低消費電力化の要請に充分応えることができるであろう。
【００２０】
この際、解決しなければならない圧電スピーカの問題点は、（ａ）音響特性の改善と、（ｂ）音圧の向上である。
【００２１】
本発明は、前記した問題点を解決するためになされたものであり、圧電スピーカでありながら音響特性が良好で、かつ、音圧が向上し、しかも軽量で低消費電力化が図れたフラットスピーカを提供することを目的とすものである。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために、本発明は次の構成を有するフラットスピーカを提供する。
開口部を設けた枠体と、
前記枠体の前記開口部側表面にその裏面が貼着されており、かつ前記開口部よりも小さい開口を有する発泡シート状弾性体からなる振動板と、
前記振動板の裏面側に位置しており、かつ前記振動板の前記開口をその裏面側から覆うように、前記振動板の裏面側の前記開口の周縁に固着された圧電素子ユニットと、
前記振動板の裏面側に位置しており、かつ前記振動板の裏面側の前記開口の周縁に固着された前記圧電素子ユニットの裏面中央部に固定された重りと、
前記振動板の裏面側に位置しており、かつ前記振動板の裏面側の前記開口の周縁に固着された前記圧電素子ユニット及び前記圧電素子ユニットの裏面中央部に固定された前記重りの周囲を前記振動板の裏面側から取り囲むように、前記振動板の裏面に固着された分割振動制御板とを有し、
前記分割振動制御板の先端には、分割振動調整用の重りを固定してあり、
前記枠体の前記開口部側表面にその裏面が貼着された前記振動板の表面は、放音面であり、その裏面は被駆動面としてなることを特徴とするフラットスピーカ。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて説明する。なお、以下に述べる実施の形態は本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。
【００２４】
図１は、本発明に係るフラットスピーカの一実施例の平面図、図２は、同、側面図、図３は、同、背面図、図４は、本発明に係るフラットスピーカの音響特性を示す全体説明図、図５は、本発明に係るフラットスピーカの音響特性を示す説明図、図６は、図５において、分割振動制御板を付加した場合と、付加しない場合の周波数特性の違いを表わす周波数特性図である。
【００２５】
本実施例に係る図１〜図３に示す如くのフラットスピーカ１０は、略中央に開口部１ａを設けた枠体１と、この枠体１の開口部１ａ側表面に貼着された前記開口部１ａよりも小さい開口２ａを有する軽量な発泡シート状弾性ロス材よりなる振動板２と、前記開口部１ａ側にあって、かつ前記開口２ａを覆うようこの振動板２の例えば片面（裏面）２ｂに固着された発音体となる圧電素子ユニット３と、前記開口部１ａ側に配置された前記圧電素子ユニット３の中央近傍に固定された重り４と、前記開口部１ａ側にあって、略中央部に前記圧電素子ユニット３より大径の透孔５ａを設けて前記圧電素子ユニット３及び重り４を取り囲み、かつ前記振動板２に接するように固着された放射状の分割振動制御板５とより大略構成されている。なお、６は、前記した放射状の分割振動制御板５の先端部に固定された調整用の重りである。
【００２６】
次に、前記した各構成部材について以下に説明する。まず、前記したフラットスピーカ１０を構成する振動体は、圧電素子の圧電現象（電界を印加すると変形ひずみを生ずる電歪現象）を利用した発音体であり、圧電素子としては、主として強誘電体セラミックであるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸バリウム等の機械的強度に優れる圧電セラミックを典型とするが、ロッシェル塩結晶や有機圧電物質の二フッ化ポリビニル（ＰＶＤＦ）などでもよい。
【００２７】
なお、この圧電素子は、上記圧電素材を、多層バイモルフ構成の圧電素子ユニット３として形成しておく。このように、圧電素子ユニット３として、多層バイモルフ構成としたことにより、ドライバユニットとしてドライブ能力が向上し、広い周波帯域まで電気機械変換を行うことが出来るので、音圧が高められると共に、音色も良好となるものである。
【００２８】
また、振動板２としては、前記した如く略中央部に開口２ａを有し、軽量な発泡シート状弾性ロス材（ＰＥＴ系がベター）を矩形パネル状に形成したものを使用する。そして、振動板２は、後述する主面７側を放音面とし、同裏面側（枠体１の振動板２が貼着されていない側）８を被駆動面として構成したことにより、音圧が高められると共に、音色も良好となるものである。
【００２９】
次に、圧電素子ユニット３の裏面３ａ中央近傍に配設された重り４は、例えば、重さ２０ｇの金属片（鉛等）であり、接着剤等の手段で圧電素子ユニット３の裏面に固定される。
【００３０】
前記した軽量な発泡シート状弾性ロス材よりなる振動板２の裏面２ｂに固着され、略中央部に前記圧電素子ユニット３より大径の透孔５ａを設けた放射状の分割振動制御板５は、低音域を拡大するためのものであり、この分割振動制御板５は、軽くて弾性があり、適度にロスがあり、ある程度の強度を確保するために発泡倍率の高い材料である、例えば、発泡スチロールで構成する。本実施例では、略中央部の孔径をΦ７５、厚みを１０ｍｍ、短手方向長さを２４０ｍｍ、長手方向長さを３２０ｍｍとして形成した。
【００３１】
このように、分割振動を積極的に利用することで、振動体の表面（主面）側７と裏面（被駆動面）側（枠体１の振動板２が貼着されていない側）８で音が干渉しあうことにより、低下する低音を補正することが出来るので、迫力ある音量感が得られるものである。なお、共振周波数は、前記した放射状の分割振動制御板５の放射部分の長さと、先端部に固定された調整用の重り６により決まるものである。本実施例では、このように放射状の分割振動制御板５を設けたことにより、再生帯域に広がりをもたすことが出来るものである。
【００３２】
なお、前記した図１〜図３の圧電素子ユニット３には、信号入力端子が接続された状態として図示していないが、勿論そのように構成されているものである。
【００３３】
以上のように構成されたフラットスピーカ１０において、例えば、デジタルオーディオ信号が図示しない入力端子を介して圧電素子ユニット３に供給されると、前記した圧電素子ユニット３を構成する圧電素子の電歪特性により振動板２が駆動され、振動板２の放射面７から再生出力の放音が行われる。すなわち、前記圧電素子ユニット３と接合固定された振動板２の主面となる放射面７の略中心部を駆動点として振動板２に部分的な曲げ動作が生じることにより、再生出力の放音が行われる電気音響変換系が構成されるのである。
【００３４】
次に、前記した構成を有する本実施例になるフラットスピーカ１０において、測定距離１ｍ、入力電圧５Ｖとして、一定の条件下における音響特性を、図４の全体説明図を参照して説明する。この図４より明らかな如く、本実施例構成によれば、７０Ｈｚ〜２０ＫＨｚの帯域でほぼ平坦な特性が得られていることが分かる。また、この図４の下側より明らかな如く、インピーダンスが高いため、ミュージックソースを再生するときの消費電力が従来の１／５程度となるので省電力化が図れるものである。
【００３５】
図５は、前記した図４と同様の条件下における本発明に係るフラットスピーカの音響特性を示す説明図である。この図５は、振動板２としてＰＥＴ系発泡シート状弾性ロス材を利用したものであり、圧電ユニット３の中央近傍に重さ２０ｇの金属片（鉛等）の重りを付加すると共に、振動板２の裏面に放射状の分割振動制御板５を固着したものである。この図５より明らかな如く、本実施例構成によれば、音圧、歪特性において優れており、高帯域のオーディオ用のスピーカとして使用することが出来るものである。
【００３６】
図６は、図５において、分割振動制御板５を付加した場合と、付加しない場合の周波数特性の違いを表わす周波数特性図であり、特に、分割振動制御板５を付加した場合には、低音域特性に著しく差が生じていて、本実施例構成の優位性が立証されていることが分かる。
【００３７】
更に、本実施例構成の優位性につき、他の実施例構成を参照して説明する。図７は、振動板２として一般的なＰＥＴ系発泡シート材を利用した圧電スピーカであり、振動板２の中心に圧電ユニット３を取付けた場合の音響特性を示したものである。この場合、圧電ユニット３に重り４は付加していないものである。この図７より明らかな如く、音圧における上下の起伏が激しく、到底オーディオ用には採用できないものである。なお、この図７の音響特性は、前記した図４と同様の条件下で得られたものである。
【００３８】
図８は、図７において、圧電ユニット３に重り４を２０ｇ付加した時の音響特性を示したものである。この図８より明らかな如く、３００Ｈｚ以上の特性に上下の起伏がなくなり、特性が改善されていることが分かる。しかしながら、３００Ｈｚ以下の特性が急激に下降しており、帯域の狭さが伺えるものである。
【００３９】
【発明の効果】
本請求項になる発明は、開口部を設けた枠体と、前記枠体の開口部側表面に設けた前記開口部よりも小さい開口を有する発泡シート状弾性体からなる振動板と、前記開口部側にあって、かつ前記開口を覆うよう前記振動板に接して配置された圧電素子ユニットと、前記開口部側に配置された前記圧電素子ユニットの中央部に固定された重りと、前記開口部側にあって、前記圧電素子ユニット及び重りの周囲を取り囲み、かつ前記振動板に接するよう配置された分割振動制御板とから構成したことにより、音響特性の改善と、音圧の向上が図れると共に、省電力化が図れた能率の良い音響機器用のフラットスピーカが得られるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るフラットスピーカの一実施例の平面図である。
【図２】同、側面図である。
【図３】同、背面図である。
【図４】本発明に係るフラットスピーカの音響特性を示す全体説明図である。
【図５】本発明に係るフラットスピーカの音響特性を示す説明図である。
【図６】図５において、分割振動制御板を付加した場合と、付加しない場合の周波数特性の違いを表わす周波数特性図である。
【図７】一般的なＰＥＴ系発泡シート材を利用した圧電スピーカの音響特性図である。
【図８】図７において、圧電素子に重りを付加した場合の圧電スピーカの音響特性図である。
【図９】圧電スピーカ単体の音響特性の一例を示す片対数グラフである。
【符号の説明】
１ 枠体
１ａ 開口部
２ 振動板
２ａ 開口
２ｂ 裏面
３ 圧電素子ユニット
３ａ 裏面
４ 重り
５ 分割振動制御板
５ａ 透孔
６ 調整用重り
７ 放射（音）面
８ 被駆動面
１０ フラットスピーカ

Claims (1)

1. 開口部を設けた枠体と、
   前記枠体の前記開口部側表面にその裏面が貼着されており、かつ前記開口部よりも小さい開口を有する発泡シート状弾性体からなる振動板と、
   前記振動板の裏面側に位置しており、かつ前記振動板の前記開口をその裏面側から覆うように、前記振動板の裏面側の前記開口の周縁に固着された圧電素子ユニットと、
   前記振動板の裏面側に位置しており、かつ前記振動板の裏面側の前記開口の周縁に固着された前記圧電素子ユニットの裏面中央部に固定された重りと、
   前記振動板の裏面側に位置しており、かつ前記振動板の裏面側の前記開口の周縁に固着された前記圧電素子ユニット及び前記圧電素子ユニットの裏面中央部に固定された前記重りの周囲を前記振動板の裏面側から取り囲むように、前記振動板の裏面に固着された分割振動制御板とを有し、
   前記分割振動制御板の先端には、分割振動調整用の重りを固定してあり、
   前記枠体の前記開口部側表面にその裏面が貼着された前記振動板の表面は、放音面であり、その裏面は被駆動面としてなることを特徴とするフラットスピーカ。

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