JP2000175298A - 音響機器用圧電スピーカ及び圧電スピーカシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 圧電素子を用いた広帯域再生を実現する音響
機器用圧電スピーカ及び圧電スピーカシステムを提供す
る。 【構成】 音響機器用圧電スピーカ２０は、振動板１に
圧電素子２を固着した圧電振動体１０と、前記振動板１
の外縁１ａを囲うように貼着した弾性材１２と、圧電素
子２の表面中央に配設された重り１３と、前記弾性材１
２の周辺部を張着固定する開口端１６と共鳴音放射孔１
７を配設した筒状の１／４波長共鳴管１５と、を備え、
１／４波長共鳴管の長さＨと重り１３の重量を調整する
ことで音響特性が改善され、また、長さの異なる１／４
波長共鳴管を備えた上記音響機器用圧電スピーカを複数
本並列接続して組み合わせた圧電スピーカシステムは、
低消費電力で、広帯域に亙って音響機器用として用いる
ことができる良好な音響特性が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、音響機器用スピー
カ及びスピーカシステムに関し、特に、振動源として圧
電素子のみを用いた低消費電力の音響機器用圧電スピー
カ及び圧電スピーカを複数組み合わせた圧電スピーカシ
ステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】現在の音響機器用の代表的なスピーカ
は、電磁気力によって振動板を駆動するダイナミックス
ピーカ（動電形スピーカ）であり、特にムービングコイ
ル形が主流であるが、フルレンジタイプ（全帯域用）に
限っていえばダイナミックコーンスピーカが殆どであ
る。

【０００３】ダイナミックコーンスピーカの基本構造
は、駆動力を発生するボイスコイルと磁気回路、ボイス
コイルの先端に連結された振動板としてのコーン紙、ボ
イスコイルを磁気回路のギャップに対して一定の位置に
保つダンパ、さらにコーンの周辺を支持するエッジ、こ
れら部材を連結するフレームと、から成る。このダイナ
ミックコーンスピーカは可聴域のほぼ全域で大きな音圧
を得ることができ、インピーダンスが４Ω〜８Ωと低い
ことによる能率（電気−音響変換効率）の悪さを除けば
音響機器用として高性能が期待できるスピーカである。

【０００４】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。

【０００５】蓋し、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のである。例
えば、図７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。本グラフから明らか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４ｃｍ
〜５ｃｍ程度である。）。

【０００６】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。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】現在のところ、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。

【０００８】この点、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。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。

【０００９】この点、前述の圧電スピーカは、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、該
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答えるこ
とができるであろう。

【００１０】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。

【００１１】本発明は上記事情を考察してなされたもの
であり、圧電スピーカでありながら、音響特性が良好
で、組み合わせることによりフルレンジ対応可能な全く
新規な構造の音響機器用圧電スピーカ及び圧電スピーカ
システムを提供するものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、 （１） 振動板１の両面ないし片面に圧電素子２を固着
するとともに前記圧電素子２の対向する２つの主面２
ａ、２ｂに形成した電極３ａ、３ｂから導線４、４を引
き出した構造の圧電振動体１０と、該圧電振動体１０に
おける振動板１の外縁１ａを囲うように貼着した弾性材
１２と、前記圧電素子２の表面中央近傍に配設された３
ｇ〜５０ｇの重り１３と、前記弾性材１２の周辺部を張
着固定する開口端１６を一方に配設するとともに該開口
端１６と離間して他方に共鳴音放射孔１７を配設した筒
状の１／４波長共鳴管１５と、を備える構造を特徴とす
る音響機器用圧電スピーカ２０を提供することにより上
記課題を解決する。

【００１３】（２） また、前記弾性材１２がウレタン
樹脂、シリコン樹脂、天然ゴム、セーム皮の何れかであ
ることを特徴とする上記（１）に記載の音響機器用圧電
スピーカ２０を提供することにより上記課題を解決す
る。

【００１４】（３） また、前記筒状の１／４波長共鳴
管１５の長さＨが７０ｃｍ〜１５０ｃｍの範囲であるこ
とを特徴とする上記（１）または（２）に記載の音響機
器用圧電スピーカ２０を提供することにより上記課題を
解決する。

【００１５】（４） 長さの異なる１／４波長共鳴管１
５を有する上記（３）に記載の音響機器用圧電スピーカ
２本〜１０本を、並列接続して組み合わせてなることを
特徴とする音響機器用圧電スピーカシステム３０を提供
することにより上記課題を解決する。

【００１６】ここに、上記弾性材１２は圧電振動体１０
の機械的保持と吸収材となって歪みを減らす作用と低音
域の音圧を高める作用を与え、重り１３は適当にその重
量を変えることで１ｋＨｚ以上の音圧特性を安定させる
作用と、音響特性の微妙な変化を生む作用を有する。

【００１７】また、上記長さＨが７０ｃｍ〜１５０ｃｍ
の１／４波長共鳴管１５は、一方の開口端１６から他方
の共鳴音放射孔１７までの長さが近似的にλ／４、３λ
／４、５λ／４、・・・に等しくなる周波数の波長で共
鳴管が共鳴して音圧が盛り上がる作用がある。そして、
λ／４が７０ｃｍ〜１５０ｃｍに相当する周波数は概ね
１２０Ｈｚ〜５５Ｈｚである。したがって、上記（４）
の圧電スピーカシステム３０の場合は、意識的に共鳴周
波数をずらした長さの異なる１／４波長共鳴管をもつ複
数本の圧電スピーカを組み合わせることで、音圧が大き
くなり、かつ相互の音圧特性の重畳によって互いのディ
ップが埋まりシステムとしての音響特性がよりフラット
になる効果が得られる。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面に基づ
き説明する。

【００１９】図１は本発明に係る音響機器用圧電スピー
カの構造を説明するための正面図（ａ）とそのＭ−Ｍ線
での縦断面図（ｂ）である。図２は前記音響機器用圧電
スピーカの圧電振動体の構造を詳細に示す部分拡大正面
図（ａ）とそのＮ−Ｎ線縦断面図（ｂ）である。

【００２０】先ず、音響機器用圧電スピーカ２０は、図
２に示されるように、振動板１の片面（ないし両面）に
圧電素子２を固着するとともに前記圧電素子２の対向す
る２つの主面２ａ、２ｂに形成した電極３ａ、３ｂから
導線４、４を引き出した構造の圧電振動体１０と、該圧
電振動体１０における振動板１の外縁１ａを囲うように
貼着した弾性材１２と、前記圧電素子２の表面中央近傍
に配設された３ｇ〜５０ｇの重り１３と、図１に示され
るように前記弾性材１２の周辺部を接着剤等で張着固定
する開口端１６を一方に配設するとともに該開口端１６
と離間して他方に共鳴音放射孔１７を配設した筒状の１
／４波長共鳴管１５と、を備える構造を特徴とする。

【００２１】上記各部材について以下説明すると、先ず
上記圧電振動体１０は、圧電素子２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２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。圧電素子２
は上記圧電素材を数十μｍの厚さの薄い円形にしたもの
に銀ペースト等を塗着して電極３ａ、３ｂを形成して振
動板１の中央に接着剤で貼着される。また、上記振動板
１としては、厚さ５０〜１００μｍ程度の薄い真鍮或い
は鉄−ニッケル合金材からなる金属振動板を典型とし、
通常は直径数センチの円形形状または一辺数センチの四
角形状である。勿論、機械的強度が確保されるのであれ
ば金属振動板以外の合成樹脂製振動板でもよい。なお、
本発明で使用される上記圧電振動体１０は公知技術であ
る。

【００２２】次に、弾性材１２は上記圧電振動体１０の
機械的保持の役目と吸収材となって圧電スピーカの問題
点である歪みを減らす作用を与えるもので、薄く延ばし
たウレタン樹脂、シリコン樹脂、天然ゴムやセーム皮の
何れかであることが望ましい。蓋し、これらは特に圧電
振動体１０の振動に伴って自身が振動しつつ機械的保持
を担うに適した吸収材としての機能を兼ね備える素材な
のである。

【００２３】次に、重り１３は、重さ３ｇ〜５０ｇ、好
ましくは８ｇ〜１５ｇの金属片（鉛等）であり、接着剤
等の手段で圧電素子２の表面中央に固定される。

【００２４】次に、前記１／４波長共鳴管１５は、概ね
内径φが１０ｃｍ、長さＨが７０ｃｍ〜１５０ｃｍのプ
ラスチック製または紙製または金属製の円筒管であり、
図１に示されるように圧電振動体１０の張られた弾性材
１２が張着された開口端１６と共鳴音放射孔１７が同一
方向に向いている略真っすぐな管であるのを通常とする
が、環状ないし螺旋状や渦巻き状等に曲折してもよいで
あろう。唯、内径φは弾性材１２が張られた開口端１６
の内径と同等以上として音圧が減衰しないようにするこ
とが肝要である。なお、１／４波長共鳴管１５は図１の
ように土台部１９を設けて縦置きとしてもよいし、壁に
掛ける手段等で横置きとしてもよい。

【００２５】以上、詳述した構造の音響機器用圧電スピ
ーカ２０の測定距離１ｍ、入力電圧５Ｖ一定の条件での
音響特性を図３に示す。本図は上記１／４波長共鳴管１
５を備えた音響機器用圧電スピーカ２０における重り１
３の重量変化による音響特性の違いを示す音響特性グラ
フである。グラフの一点鎖線（符号Ａ）は重り無し、実
線（符号Ｂ）は４．５ｇの重り、破線（符号Ｃ）は９ｇ
の重りの場合である。グラフより、先ず１／４波長共鳴
管を備えたことによる共鳴周波数１００Ｈｚ、３００Ｈ
ｚ、５００Ｈｚ近辺での音圧の盛り上がりが見られるこ
とが判る。さらに、重り１３を圧電素子２の中央に付加
することで周波数１ｋＨｚ以上では重り無しよりもかな
り平坦な音圧特性が得られ、また、重量の変化で特に低
音域の共振周波数のピークがずれる（重いと低域へずれ
る）ことが判る。而して、重り１３と１／４波長共鳴管
１５を備えた音響機器用圧電スピーカ２０の音響特性は
改善されて音響機器用としての利用が可能になる。因
に、重り１３の重量は上記３ｇ〜５０ｇの範囲が現実的
な範囲であり、これ以上重いと荷重が圧電素子２に掛か
り過ぎて機械的強度が保持出来ず音響特性も良好とは言
えない。また逆に軽すぎると重りの有意な効果が得られ
ないのである。尤も、上記音響機器用圧電スピーカ２０
を１本のみ鳴らすのでは未だ充分な音圧が得られず、低
音域でダイナミックスピーカに匹敵するフラットな音響
特性になったとは言えない。

【００２６】図４は本発明に係る音響機器用圧電スピー
カシステムの実施の形態である。本図においては、長さ
Ｈが異なる３種類（Ｈ１＞Ｈ２＞Ｈ３）の１／４波長共
鳴管２１Ａ、２１Ｂ（以上長さＨ１＝１２０ｃｍ、重り
は１３ｇ）、２２Ａ、２２Ｂ（以上、長さＨ２＝１００
ｃｍ、重りは８．３ｇ）、２４（長さＨ３＝９０ｃｍ、
重りは８．３ｇ）を有する前記音響機器用圧電スピーカ
を５本並列接続して組み合わせた圧電スピーカシステム
３０であり、概ね７０Ｈｚ、８０Ｈｚ、９５Ｈｚの周波
数で共鳴するように設計されている。実際、上記各音響
機器用圧電スピーカの単独の音響特性（測定距離１ｍ、
入力電圧５Ｖ一定の条件）を示す図５のグラフから判る
ように、１／４波長共鳴管の長さの違いでλ／４、３λ
／４、５λ／４、・・・に相当する共鳴周波数にずれが
現れている（但し、重りの作用が付加されて低音側へシ
フトしている）。而して、本圧電スピーカシステム３０
の場合は、図６に示される重畳された圧電スピーカシス
テム３０全体の音響特性グラフ（測定距離１ｍ、入力電
圧５Ｖ一定の条件）から判るように、単独の圧電スピー
カ２０よりも当然音圧が大きくなり、かつ相互に意識的
にずらした音圧特性の重畳によって互いに音圧のディッ
プを埋め合うので、７０Ｈｚから２０ｋＨｚに至る広い
範囲において音響特性がよりフラットになる（特に１ｋ
Ｈｚ以上の音域では飛躍的に向上する）。また、低音域
の音圧も改善されるという効果が得られる。

【００２７】一方、上記音響機器用圧電スピーカシステ
ム３０の例では、インピーダンスが１ｋＨｚで約１３０
Ω、２０ｋＨｚで約３Ωという結果が得られた。そして
消費電流をダイナミックコーンスピーカ（インピーダン
ス４Ω）と比較するために実際に音楽ＣＤを同音量で鳴
らして測ったところ、約１／５に抑えられることが判明
した。換言すれば、ダイナミックコーンスピーカの能率
を５％と見積もれば、およそ２５％という高能率とな
る。これは音響機器用スピーカとしては画期的な低消費
電力である。

【００２８】今後、より大きな圧電素子を採用すれば能
率は一層向上するものと考えられる。 以上詳述したよ
うに、本発明に係る音響機器用圧電スピーカシステム３
０は極めて斬新な外観と圧電素子のみを振動源とする低
消費電力の低音域特性にも優れるフルレンジ型圧電スピ
ーカシステムとなっている。

【００２９】念のために付言すれば、上記弾性材１２の
材質選択と寸法設計、及び重り１３の重量の調整、さら
には１／４波長共鳴管１５の長さを適宜調整してシステ
ムとして組み合わせることで、全体の音響特性を最適に
調整することが可能である。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る音響
機器用圧電スピーカ及び圧電スピーカシステムは下記の
優れた効果を有する。

【００３１】（１）高い能率を有しており、ダイナミッ
クスピーカに比べて数分の一の低消費電力化が実現でき
る。

【００３２】（２）低音から高音に至るまで音響機器用
として採用し得る程にフラットな音響特性が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る音響機器用圧電スピーカの構造を
説明するための正面図（ａ）とそのＭ−Ｍ線での縦断面
図（ｂ）である。

【図２】本発明に係る音響機器用圧電スピーカの圧電振
動体の構造を詳細に示す部分拡大正面図（ａ）とそのＮ
−Ｎ線縦断面図（ｂ）である。

【図３】本発明に係る音響機器用圧電スピーカの重りの
重量変化による音響特性の違いを示す音響特性グラフで
ある。

【図４】本発明に係る音響機器用圧電スピーカシステム
の正面図である。

【図５】本発明に係る音響機器用圧電スピーカシステム
の単独の音響特性を示す図である。

【図６】圧電スピーカシステム全体の音響特性を表す片
対数グラフである。

【図７】圧電スピーカ単体の音響特性の例を示す片対数
グラフである。

【符号の説明】

１ 振動板 １ａ 振動板の外縁 ２ 圧電素子 ３ａ、３ｂ 電極 ４ 導線 １０ 圧電振動体 １２ 弾性材 １３ 重り １５、２１Ａ、２１Ｂ、２２Ａ、２２Ｂ、２４ １／
４波長共鳴管 １６ 開口端 １７ 共鳴音放射孔 ２０ 音響機器用圧電スピーカ ３０ 音響機器用圧電スピーカシステム

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動板の両面ないし片面に圧電素子を固
   着するとともに前記圧電素子の対向する２つの主面に形
   成した電極から導線を引き出した構造の圧電振動体と、
   該圧電振動体における振動板の外縁を囲うように貼着し
   た弾性材と、前記圧電素子の表面中央近傍に配設された
   ３ｇ〜５０ｇの重りと、前記弾性材の周辺部を張着固定
   する開口端を一方に配設するとともに該開口端と離間し
   て他方に共鳴音放射孔を配設した筒状の１／４波長共鳴
   管と、を備える構造を特徴とする音響機器用圧電スピー
   カ。
2. 【請求項２】 前記弾性材がウレタン樹脂、シリコン樹
   脂、天然ゴム、セーム皮の何れかであることを特徴とす
   る請求項１に記載の音響機器用圧電スピーカ。
3. 【請求項３】 前記筒状の１／４波長共鳴管の長さが７
   ０ｃｍ〜１５０ｃｍの範囲であることを特徴とする請求
   項１または請求項２に記載の音響機器用圧電スピーカ。
4. 【請求項４】 長さの異なる１／４波長共鳴管を有する
   請求項３に記載の音響機器用圧電スピーカ２本〜１０本
   を、並列接続して組み合わせてなることを特徴とする音
   響機器用圧電スピーカシステム。