JP2000354297A

JP2000354297A - 圧電型スピーカ

Info

Publication number: JP2000354297A
Application number: JP11202128A
Authority: JP
Inventors: Jiro Nakazono; 次郎中園; Shigeru Watanabe; 茂渡辺
Original assignee: Tohoku Pioneer Corp; Pioneer Electronic Corp
Current assignee: Tohoku Pioneer Corp; Pioneer Corp
Priority date: 1999-06-11
Filing date: 1999-06-11
Publication date: 2000-12-19
Anticipated expiration: 2019-06-11
Also published as: CN1135903C; BR0002579A; JP3794872B2; CN1277531A

Abstract

(57)【要約】【課題】簡単な構造で可聴周波数帯域を遥かに超えた
超高域まで良好に再生することのできるスピーカ装置を
提供することを目的とする。【解決手段】圧電素子と振動板をフレームより個々に
固定支持するとともに、振動板の中央部に連結固定され
た圧電素子を駆動することにより圧電素子を振動させて
その振動を振動板に伝えて振動板を振動させて振動板か
ら音響放射するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電型スピーカに
関し、特に超高域再生に用いられる圧電型スピーカに関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、スピーカ装置の高域再生に用いら
れるスピーカ（ツイータ）としてダイナミック型スピー
カや圧電型スピーカが知られている。

【０００３】ダイナミック型スピーカは、例えばコーン
形状を有する振動板に固定された駆動コイルを磁気回路
の磁気空隙内に配し、磁気空隙内の直流磁界によって得
られるコイルの電磁駆動力を機械振動として振動板に伝
えることにより、振動板がこの機械振動を音響変換して
放音することができる。

【０００４】ダイナミック型スピーカは構造が簡単であ
り、容易に作製でき、高域再生用のスピーカとして用い
れば、２０ｋＨｚまでの可聴周波数帯域をほぼ再生する
ことができるため、可聴周波数帯域におけるオーディオ
信号を良好に再生する必要がある音楽再生用のＨｉ−Ｆ
ｉスピーカ装置を始めとして、車載用スピーカ装置や携
帯用音響再生装置のスピーカ装置に広く用いられてい
る。

【０００５】また図５は従来の圧電型スピーカの一例を
示す主要部概略断面構造図である。図５において、圧電
型スピーカＰ０は、厚さの薄い樹脂等からなるコーン振
動板１００のコーンつけねが円盤状の圧電素子１０１の
略中央に固着され、さらにコーン振動板１００の周縁が
金属や硬質樹脂等からなる片側が閉じた円筒形状のフレ
ーム１０２の開口側の端面に固着されることにより、圧
電素子１０１がコーン振動板１００自体が有する弾性に
よって弾性支持されている。圧電素子１０１はロッシェ
ル塩やチタン酸バリウムなどの圧電物質による圧電効果
を利用した容量性のインピーダンスからなる圧電振動子
であり、ここでは円盤状のバイモルフ型の構造を有す
る。

【０００６】従って、この圧電素子１０１の入力端に接
続される外部入力端子にオーディオ信号に応じた電圧Ｅ
を印加することにより、円盤状の圧電素子１０１の周縁
を振動固定端とする圧電物質全体が半径方向に伸び縮み
することにより円盤の中心軸方向に沿って振動するの
で、コーン振動板１００に支持された圧電素子１０１の
この振動を駆動源としてコーン振動板１００が駆動され
ることにより当該コーン振動板から音響放射が行われ
る。

【０００７】このように圧電型スピーカＰ０はダイナミ
ック型スピーカと同様に構造が簡単であり、容易に作製
でき、高域再生用のスピーカとして用いられる。なお圧
電型スピーカＰ０は、圧電素子１０１がコーン振動板１
００と共に振動するので、周縁が固定されたコーン振動
板１００の質量に圧電素子１０１の質量を加えたものが
振動系の質量となる。

【０００８】また、スピーカ装置にオーディオ信号を供
給するためのオーディオソース側においては、使用者が
音楽再生を楽しむためにはオーディオソースに記録され
た記録信号は２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚの可聴周波数帯域が
再生可能な信号であることが望ましく、これに対応して
上記可聴周波数帯域内の再生音圧周波数特性をフラット
にすることのできる音楽再生用のＣＤ（コンパクトディ
スク）がオーディオソースとして実用に供されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところが、現実には、
生の演奏音楽には可聴周波数帯域を超える超高域成分が
含まれる場合が多いことから、近年、オーディオソース
やスピーカ装置を用いた再生装置によってより原音に忠
実に音楽再生するためには可聴周波数帯域を超える超高
域成分も含めて音楽再生する必要があるとの見方がなさ
れつつある。

【００１０】上記に対応してオーディオソース側では、
可聴周波数帯域を遥かに超えた１００ｋＨｚ近くの超高
域成分まで再生可能な音楽再生用の光ディスクが検討さ
れている。そのため、上記光ディスクの記録信号を良好
に再生する上で、スピーカ装置側においてもツイータは
超高域まで再生できることが望ましい。

【００１１】上述したダイナミック型スピーカを用いて
高い周波数帯域（高音域）まで再生するには、高域限界
周波数（ｆＨ）を高くして質量制御領域を超高域まで拡
大する必要がある。高域限界周波数は以下に示す式、ｆＨ＝（１／２π）×（（１／ｍ１＋１／ｍ２）Ｓｈ）
１／２によって表される。

【００１２】ここで、ｍ１は振動板の質量であり、ｍ２
はコイルの質量である。また、Ｓｈはいわゆる振動板の
コーンつけね付近のスチフネスであり、以下に示す式、Ｓｈ＝πＥｈｃｏｓ^２θ／ｓｉｎθ によって表される。

【００１３】ここで、Ｅはヤング率であり、ｈはコーン
つけねの厚さであり、θはコーンつけねの半頂角であ
る。

【００１４】この式からわかるように、高域限界周波数
は、振動板やコイルの質量が小さいほど高くなるので、
振動板の口径を小さくすると共に、コーンのつけね付近
のスチフネスをできるだけ大きく、また、コイルの質量
をできるだけ小さくするほうがダイナミック型スピーカ
の高音域における再生周波数帯域を拡大する場合に有利
となる。

【００１５】しかし、従来のダイナミック型スピーカで
は、Ｓｈ、ｍ１、ｍ２、はいずれもその値に限りがあ
り、高域限界周波数を超高域まで高くして再生周波数帯
域の高域限界側を１００ｋＨｚ近くまで拡大することが
極めて困難であった。

【００１６】また、ダイナミック型スピーカは、高域限
界周波数以上では、振動板が分割振動しながら音響放射
する分割振動領域となり、この領域では、振動板は円周
方向に分割振動することによりコーンつけね付近の領域
のみがコイルと共に振動するので、振動系の質量に含ま
れる振動板の質量がその分軽くなり高域感度が上がり、
再生周波数帯域の高域が少し伸びることとなるが、その
場合においても振動系の質量には音響放射に直接寄与す
ることのないコイルの全質量が依然として含まれるので
その分感度が上がらず、その結果、高い音圧レベルを得
るには限界があった。

【００１７】また、上述したダイナミック型スピーカ
は、周波数が高くなるにつれてコイルのインダクタンス
が上昇するので超高域では十分な音圧レベルが得られな
い。

【００１８】このように、ダイナミック型スピーカで
は、可聴周波数帯域を超える超高域ではコイルのインダ
クタンスが上昇するため入力側からみたインピーダンス
が増加し大きな駆動力が得られないことと、振動板やコ
イル等による振動系の軽量化（特にコイルの軽量化）に
限界があることから高域限界周波数を超高域まで伸ばす
ことができないといった問題がある。

【００１９】また、ダイナミック型スピーカの特殊な例
として金属箔からなる振動板を直流磁界内に配して直接
電流を流して電磁駆動させる全面駆動型のリボンツイー
タがある。これは振動板が即ちコイルをなしているの
で、振動系を軽量にすることができ、また、超高域にお
けるインダクタンスの上昇も抑えることができるので再
生周波数帯域を超高域まで伸ばすことが可能であるが、
振動板を配するための広い磁気空隙を有する磁気回路が
必要となる。その結果、振動板を駆動させるために必要
な駆動力を得るための磁束密度を空隙内に確保するため
には振動板に比して巨大な磁石が必要となり、その結
果、ツイータとしては極めて高価なものとなってしま
う。

【００２０】また、上述した圧電型スピーカはダイナミ
ック型スピーカと異なり振動系にコイルを用いていない
ので、超高域においてインダクタンスの上昇はなく、ま
た、振動系にコイルを用いていない分コーンつけねの半
頂角θを小さくすることが容易な為、その点では超高域
再生する上では有利であるが、スピーカ動作時には、圧
電素子が振動中のコーン振動板に常に弾性支持された状
態にあるので、高域限界周波数はダイナミック型スピー
カと同様にコーン振動板の質量と圧電素子の質量全体に
よって規制されてしまう。そのため、高域限界周波数を
超高域まで高くして再生周波数帯域の高域限界側を１０
０ｋＨｚ近くまで拡大することが極めて困難であった。

【００２１】本発明は、上述の問題点に鑑みなされたも
のであり、簡単な構造で可聴周波数帯域を遥かに超えた
超高域まで良好に再生することのできるスピーカ装置を
提供することを目的とする。

【００２２】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
振動板に連結固定された圧電素子を駆動する圧電型スピ
ーカにおいて、圧電素子がフレームに対して移動可能と
なるように圧電素子の一方の電極をフレームに対して連
結固定することを特徴とする。

【００２３】また請求項２記載の発明は、フレームに対
し移動自在に支持された振動板と、該振動板の中央部に
連結固定された圧電素子とを有する圧電型スピーカにお
いて圧電素子の周囲から引き出される一方の電極をフレ
ームに対して連結固定することを特徴とする。

【００２４】また、請求項３記載の発明は、請求項１ま
たは２に記載の圧電型スピーカにおいて、フレームの底
面には圧電素子と共に共振回路を構成する一対の空芯コ
イルが固定され、一対の空芯コイルの一方の空芯コイル
に圧電素子の電極が接続固定されて連結固定されること
を特徴とする。

【００２５】また、請求項４記載の発明は、フレーム
と、該フレームに弾性部材を介して連結支持された振動
板と、該振動板に連結固定された圧電素子とを有し、圧
電素子を駆動することにより振動板を振動して音響放射
する圧電型スピーカであって圧電素子はその一部がフレ
ームに連結固定されることにより該フレームに固定支持
されることを特徴とする。

【００２６】また、請求項５記載の発明は、請求項４に
記載の圧電型スピーカにおいて、フレームの底面には圧
電素子と共に共振回路を構成する一対の空芯コイルが固
定され、圧電素子は、一対の空芯コイルの一方の空芯コ
イルに圧電素子の電極が接続固定されることにより、空
芯コイルを介して該フレームに固定支持されることをを
特徴とする。

【００２７】また請求項６記載の発明は、請求項４又は
５記載の圧電型スピーカにおいて、弾性部材は、粘着剤
からなることを特徴とする。

【００２８】また、請求項７記載の発明は、請求項４又
は５又は６記載の圧電型スピーカにおいて、圧電素子
は、円盤状のバイモルフ型圧電素子からなることを特徴
とする。

【００２９】また、請求項８記載の発明は、請求項７記
載の圧電型スピーカにおいて、圧電素子は、円盤の一方
面の略中央部分に振動板が連結固定され、円盤の周縁が
フレームに固定支持されることを特徴とする。

【００３０】

【発明の実施の形態】次に、本発明の好適な実施の形態
について図をもとに以下に説明する。

【００３１】図１は、本発明の第１の実施形態における
圧電型スピーカＰ１の概略構造図である。なお、図１に
おいて、圧電型スピーカＰ１の各構成中、先の図５で示
した構成部分と同等の部分については同一の符号を付し
てあり、ここでは、その詳細な説明は重複するので省略
する。

【００３２】圧電型スピーカＰ１は、圧電素子１０１
と、コーン振動板１と、空芯コイル２と、弾性部材３
と、フレーム１０２を備えて構成される。

【００３３】コーン振動板１は、樹脂により形成された
厚さの薄いコーン形状の振動板であり、その周縁がフレ
ーム１０２の開口側の端面に弾性部材３を介してフレー
ム１０２に連結支持される。

【００３４】また、コーン振動板１の中央部に形成され
たコーンのつけねの先端部分は、圧電素子１０１の一方
面の略中央部分に固着されている。これにより圧電素子
１０１がコーン振動板１の中央部のコーンのつけねの先
端部分に連結固定される。コーン振動板１は、その中心
軸Ｘが圧電素子１０１の一方面に対し垂直となるように
コーンのつけねの先端部分が該圧電素子１０１に連結し
ている。

【００３５】また、コーン振動板１は、コーンつけねの
半頂角θが極めて小さいため、上記先端部分と圧電素子
１０１とは互いに微小な面積で連結固定される。また、
コーン振動板１の周縁とフレーム１０２の開口側の端面
とを連結する弾性部材３は、適度な弾性と制振性を有す
るゲル状の樹脂からなる粘着剤（ダンプ剤）からなる。

【００３６】圧電素子１０１は、その周縁が略円筒の固
定形状からなる空芯コイル２の円筒上部に固定されてい
る。又空芯コイル２の円筒下部はフレーム１０２の底面
に固定されている。

【００３７】以上により、フレーム１０２は、空芯コイ
ル２を介して圧電素子１０１の周縁を固定支持すること
により圧電素子１０１全体を支持するとともに、コーン
振動板１の周縁を弾性部材３を介して連結支持すること
によりコーン振動板１全体を支持している。

【００３８】図２は、圧電素子１０１と空芯コイル２の
接続回路図を示している。図２に示すように、空芯コイ
ル２は、１次側のコイルと２次側のコイルが概ね１対２
の巻数比で同軸円筒状に巻かれてトランス結合された一
対の空芯コイルであり、１次側のコイル両端が外部入力
端子に接続され、２次側のコイルの両端に圧電素子１０
１が接続される。空芯コイル２は２次側のコイルと圧電
素子１０１が例えば２０ｋＨｚの共振周波数を有する共
振回路を構成する。

【００３９】また、空芯コイル２は、ステップアップト
ランスでもあり、２次側の高インピーダンスを１次側の
コイルによって４〜８オーム程度の圧電型スピーカＰ１
の公称入力インピーダンスに整合させている。なお、上
述したように、圧電素子１０１は、圧電素子１０１の周
縁が空芯コイル２の円筒上部に固定されることでフレー
ム１０２に固定支持されるように構成したので、圧電素
子１０１の電極を空芯コイル２の２次側のコイルに短い
リード線によって接続することができるので、リード線
の配線による抵抗損失が少なくて済む。

【００４０】次に、圧電型スピーカＰ１の動作について
説明する。先ず、圧電型スピーカＰ１の外部端子にオー
ディオ信号に応じた入力電圧Ｅを印加すると、空芯コイ
ル２の１次側に入力電圧Ｅが加えられ、その結果、コイ
ル巻き数比に応じた電圧が空芯コイル２の２次側に発生
し、これにより圧電素子１０１が駆動される。

【００４１】圧電素子１０１は、周縁の振動固定端が空
芯コイル２によって固定されたまま駆動電圧に応じて圧
電物質全体が半径方向に伸び縮みすることにより円盤の
中心軸方向に沿って振動する。その結果、圧電素子１０
１の一方面の略中央部分に固着されたコーンつけねの先
端部分がこの振動により駆動されてコーン振動板１が振
動し、コーン振動板１から音響放射される。

【００４２】この場合に、圧電素子１０１はその周縁が
空芯コイル２を介してフレーム１０２に固定支持されて
いるのでコーン振動板１が振動中には、圧電素子１０１
の殆どの質量が空芯コイル２を介してフレーム１０２に
固定支持されることとなるので、振動系の質量は、殆ど
コーン振動板１の質量に等しくなる。そのため、高域限
界周波数（ｆＨ）を従来よりもはるかに高くすることが
できる。また、振動系の質量が殆ど圧電素子１０１の質
量分だけ軽量となることにより音圧レベルも増す。これ
により、再生周波数帯域の高域限界側を１００ｋＨｚ近
くまで拡大することができる。

【００４３】また、コーン振動板１はその周縁が粘着性
を有する弾性部材３を介してフレーム１０２に固定され
ているので、コーン振動板１が可聴周波数帯域を超える
超高域において振動板内を中央部から周縁に向かって伝
播する振動の周縁における反射を弾性部材３が制振する
ことができる。その結果、超高域における再生音圧周波
数特性に極端なピークディップを生じること無く良好に
再生することができる。

【００４４】又、コーン振動板１は、その周縁が粘着性
を有する弾性部材３を介してフレーム１０２に固定され
ているので、フレーム１０２中心軸Ｘ方向に適度な粘性
を有して移動自在に支持されるため、圧電素子１０１が
駆動されて振動する場合の圧電素子１０１の振幅を抑圧
することなくコーン振動板１の振幅として伝えることが
できる。その結果、圧電型スピーカＰ１は、圧電素子１
０１を駆動する場合の振幅ロスを生じないので感度が上
がるので、高い音圧レベルを得ることができる。

【００４５】図３は、圧電型スピーカＰ１の超高域にお
ける中心軸Ｘ状における再生音圧周波数特性を従来の圧
電型スピーカＰ０のそれとの比較のもとに示した図であ
る。図中、横軸は対数軸による周波数（ｋＨｚ）を示
し、縦軸は音圧レベル（ｄＢ）を示している。図中の実
線が圧電型スピーカＰ１の特性を示し、点線が圧電型ス
ピーカＰ０の特性を示している。

【００４６】同図からわかるように、圧電型スピーカＰ
１は圧電型スピーカＰ０に比べ同一入力における音圧レ
ベルが高く、高域限界周波数（ｆＨ）も１００ｋＨｚ近
くまで伸びていることがわかる。その結果、再生周波数
帯域の高域限界側が１００ｋＨｚ近くまで拡大する。

【００４７】尚、上述した実施形態では、圧電素子１０
１は、その周縁がフレーム１０２の底面に固定された空
芯コイル２の円筒上部に固定されることにより、圧電素
子１０１全体が空芯コイル２を介してフレーム１０２に
固定支持されるようにしたが、本発明は、これにかぎら
ず、例えば、圧電素子１０１の周縁に引き出された一方
の電極に空芯コイル２を連結固定されることにより、圧
電素子１０１全体が空芯コイル２を介してフレーム１０
２に固定支持されるようにしても良い。

【００４８】図４は、本発明における圧電型スピーカの
圧電素子１０１を空芯コイル２の一方の空芯コイル（２
次側のコイル）連結固定した一例を示した図であり、こ
の例では、圧電素子１０１の断面中央に配された一方の
電極（負電極）が他方の２つの正電極及び圧電物質のよ
りも大きな直径を有して引き出されて形成されており、
負電極の周縁が空芯コイル２に固定されている。これに
より、圧電素子１０１全体が空芯コイル２を介してフレ
ーム１０２に固定支持される。

【００４９】又、本発明では、圧電素子１０１は必ずし
も空芯コイル２を介してフレーム１０２に固定支持され
る必要は無く、フレーム１０２が圧電素子１０１の周縁
を直接固定支持するようにしても良い。

【００５０】

【発明の効果】本発明によれば、圧電素子と振動板をフ
レームより個々に固定支持するとともに、振動板の中央
部に連結固定された圧電素子を駆動することにより圧電
素子を振動させてその振動を振動板に伝えて振動板を振
動させて振動板から音響放射するようにしたので、振動
系の質量は、ほぼ圧電素子の質量分だけ軽くなり、殆ど
振動板の質量に等しくなるので、従って、音圧レベルが
上がると共に、高域限界周波数が１００ｋＨｚ付近の超
高域まで伸びるので、再生周波数帯域の高域限界側が１
００ｋＨｚ近くまで拡大する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態における圧電型スピー
カＰ１の概略構造図である。

【図２】圧電素子１０１と空芯コイル２の接続回路図で
ある。

【図３】圧電型スピーカＰ１の超高域における中心軸Ｘ
状における再生音圧周波数特性を従来の圧電型スピーカ
Ｐ０のそれとの比較のもとに示した図である。

【図４】本発明における圧電型スピーカの圧電素子を空
芯コイルの一方の空芯コイル（２次側のコイル）に連結
固定した一例を示した図である。

【図５】従来の圧電型スピーカの一例を示す主要部概略
断面構造図である。

【符号の説明】

１・・・・・コーン振動板２・・・・・空芯コイル３・・・・・弾性部材１０１・・・・・圧電素子１０２・・・・・フレーム

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】振動板に連結固定された圧電素子を駆動
する圧電型スピーカにおいて、前記圧電素子がフレーム
に対して移動可能となるように前記圧電素子の一方の電
極を前記フレームに対して連結固定することを特徴とす
る圧電型スピーカ。
【請求項２】フレームに対し移動自在に支持された振
動板と、該振動板の中央部に連結固定された圧電素子と
を有する圧電型スピーカにおいて、前記圧電素子の周囲から引き出される一方の電極を前記
フレームに対して連結固定することを特徴とする圧電型
スピーカ。
【請求項３】前記フレームの底面には前記圧電素子と
共に共振回路を構成する一対の空芯コイルが固定され、
前記一対の空芯コイルの一方の空芯コイルに前記圧電素
子の電極が接続されて連結固定されることを特徴とする
請求項１または２に記載の圧電型スピーカ。
【請求項４】フレームと、該フレームに弾性部材を介
して連結支持された振動板と、該振動板に連結固定され
た圧電素子とを有し、前記圧電素子を駆動することによ
り前記振動板を振動して音響放射する圧電型スピーカで
あって、前記圧電素子はその一部が前記フレームに連結固定され
ることにより該フレームに固定支持されることを特徴と
する圧電型スピーカ。
【請求項５】前記フレームの底面には前記圧電素子と
共に共振回路を構成する一対の空芯コイルが固定され、
前記圧電素子は、前記一対の空芯コイルの一方の空芯コ
イルに前記圧電素子の電極が接続固定されることによ
り、前記空芯コイルを介して該フレームに固定支持され
ることを特徴とする請求項４に記載の圧電型スピーカ。
【請求項６】前記弾性部材は、粘着剤からなることを
特徴とする請求項４又は５記載の圧電型スピーカ。
【請求項７】前記圧電素子は、円盤状のバイモルフ型
圧電素子からなることを特徴とする請求項４又は５又は
６記載の圧電型スピーカ。
【請求項８】前記圧電素子は、円盤の一方面の略中央
部分に前記振動板が連結固定され、前記円盤の周縁が前
記フレームに固定支持されることを特徴とする請求項７
記載の圧電型スピーカ。