JP2005286690A - 圧電膜スピーカ及びそれを用いたパラメトリックスピーカ - Google Patents

Abstract

【課題】 振動膜の振動を有効に音の変換に用いることができ、有効な音放射を行うことができる圧電膜スピーカを得る。
【解決手段】 音放射方向に対して前後となるよう交互に伸縮部４ａ，４ｂを設け、これらの伸縮部４ａ，４ｂの端部を立ち上がり部５で連結して波型の振動膜１とする。各伸縮部４ａ，４ｂは、印加される電界に垂直な方向に伸縮性を有しており、各伸縮部４ａ，４ｂの両面に電極３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを形成して、隣り合う伸縮部４ａ，４ｂには互いに逆相の電界を印加する。これにより、周期的に極性が反転する信号を電極３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄに与えた場合に呼吸的な振動を行い、音を発生する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、圧電膜を用いて、音響放射を行う圧電膜スピーカ及びそれを用いたパラメトリックスピーカに関するものである。

従来、圧電膜スピーカとして、圧電膜からなる振動膜を波型に成形し、この振動膜の表裏両面に電極を形成し、この電極に対して音声信号などの電界を印加するようなものがあった（例えば、特許文献１参照）。このような圧電膜スピーカは、電界を印加すると、圧電効果により電界印加方向と垂直な面の方向に振動膜が伸縮する。そして、表裏電極に音声信号などの信号を印加することにより、振動膜の前後に音を発生するものであった。

米国特許第６４１１０１５号明細書

しかしながら、従来の圧電膜スピーカでは、波型の振動膜における頂点部分が同相で振動する（隣り合う振動膜の頂点部分の伸張／収縮が同相で行われる）よう構成されていたため、振動の振幅は頂点部分で最大であり、頂点から離れるに従って振幅は小さくなっていく。このような状態では、振動によって発生する音が振動膜の前後方向に発生する場合、振幅の強弱ができ、振動膜の振動が有効に音への変換に結びついているとは言い難い状態であった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、振動膜の振動を有効に音の変換に用いることができ、有効な音放射を行うことができる圧電膜スピーカを得ることを目的とする。

この発明に係る圧電膜スピーカは、音放射方向に対して前後となるよう交互に設けられた伸縮部と、隣り合う伸縮部の端部を連結するための立ち上がり部とからなる振動膜で形成されると共に、伸縮部は印加した電界に垂直な方向に伸縮性を有し、また、その両面に電極を形成して、隣り合う伸縮部には互いに逆相の電界を印加するよう構成したものである。

この発明の圧電膜スピーカは、隣り合う伸縮部に互いに逆相の電界が印加されるので、伸縮部と立ち上がり部で形成される空間の空気の出入りにより、呼吸振動的な現象が起こり、振動膜の振動を有効に音に変換することができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による圧電膜スピーカを示す要部断面図であるが、この説明に先立ち、振動膜の全体構成について説明する。

図２は、この発明の実施の形態１による圧電膜スピーカによる振動膜の斜視図である。
図２に示すように、振動膜１は、波型に成形された圧電フィルム２と電極３で構成されている。圧電フィルム２は、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などの高分子樹脂圧電材や、硬質の無機質圧電材の粉末を樹脂に混合した複合物圧電材である。

このような圧電フィルム２は、図１に示すように、音放射方向に対して前後となるよう交互に設けられ、互いに逆向きとなった断面円弧状の伸縮部４ａ，４ｂと、それら伸縮部４ａ，４ｂの端部を連結するための立ち上がり部５を有するよう成形されている。また、円弧状の伸縮部４ａの表裏には、短冊状の電極３ａおよび電極３ｂが、また、伸縮部４ｂの表裏には短冊状の電極３ｃおよび電極３ｄがそれぞれ形成されている。これらの電極３ａ〜３ｄにおいて、電極３ａと電極３ｄ、電極３ｂと電極３ｃはそれぞれ同じ極性となるよう構成されている。即ち、電極３ａと電極３ｄが＋のとき、電極３ｂと電極３ｃは−となる。

図３は、電極の接続例を示す構成図である。
伸縮部４ａ，４ｂに配設された電極３ａ〜３ｄは図示のように一端で接続され、それぞれ一つの電極を構成している。

振動膜１の動作について更に説明する。前提として、伸縮部４ａの電極３ａが＋、電極３ｂが−の電界が印加されたとき、圧電フィルム２が伸張することとする。この状態のとき、上述したように、伸縮部４ｂの電極３ｃは−、電極３ｄが＋の電界が印加される（図１中の、＋，−の記号はこの状態を示している）。

伸縮部４ａは伸びることになるので、伸縮部４ａの円弧部分は図１における左右方向に拡がるように力が働く。一方、伸縮部４ｂは伸縮部４ａとは逆の電界印加となるので、収縮することになり、伸縮部４ｂの円弧部分は図１における左右方向に狭まるように力が働く。これらの力により、伸縮部４ａの両端部は左右方向に拡がるように変位し、また、伸縮部４ｂの両端部は左右方向に狭まるように変位する（立ち上がり部５は左右に向いている実線矢印方向に変位する）。

このような動作により、振動膜１は、図１中の拡張側変位分布線６に示すような変位分布となる（図では、この拡張側変位分布線６は誇張して描いている）。以上の結果、図１中の二つの矢印７，８に示すように、伸縮部４ａの下側では窪みに空気が入り込み（矢印８参照）、伸縮部４ｂの上側では窪みから空気が出ていく（矢印７参照）現象が起こる。

一方、電極３ａ〜３ｄの極性が逆になった場合、振動膜１の変位分布は、収縮側変位分布線９のようになり、空気の動きは上記の説明とは逆になる。以上の動作により、音声などの信号に応じて電界が＋−に変動して印加されると、空気の出入りによって呼吸振動的な現象が起こり、音が発生することになる。

また、以上の説明では、伸縮部４ａ，４ｂは円弧状に形成される例を説明したが、これに限定されるものではなく、断面形状が直線や楕円弧等の２次曲線の一部であっても同様の動作を呈する。即ち、伸縮部４ａ，４ｂと立ち上がり部５とで囲まれる空間が形成されるような形状であれば、これら伸縮部４ａ，４ｂと立ち上がり部５の形状はどのようなものであってもよい。

また、本実施の形態では、特に、伸縮部４ａ，４ｂの形状として円弧状に形成しているため、次のような効果がある。即ち、振動膜１が伸びたときには円弧の半径（曲率）が大きくなるよう変形し、縮んだときには円弧の半径（曲率）が小さくなるよう変形する。これらの動作により、伸びたときには立ち上がり部５との接合部の間隔が大きくなり、一方、縮んだときには立ち上がり部５との接合部の間隔が小さくなる。これらの結果として、振動膜１の変形が大きくなり、従って、空間の体積変化が大きくなり音放射の効率を更に向上させることができる。更に、直線状の振動膜等に比べて構造的な強度が得られ、その結果、振動膜１を薄くすることができる等、圧電膜スピーカとして有利となる。

また、以上のように構成し動作する振動膜１は、波型の山の間隔（ピッチ）と伸縮部４ａ，４ｂの寸法を変えることによって、音の再生帯域を変えることができる。即ち、間隔、寸法を大きくすると全体の変位量が大きくなり、低音域の再生に適合させることができる。一方、間隔、寸法を小さくすると高音域の再生に適合するようになり、超音波帯域再生用の電気音響変換器を得ることができる。

超音波帯域再生用の適用対象として、パラメトリックスピーカがある。
図４は、本実施の形態の圧電膜スピーカを電気音響変換器に用いたパラメトリックスピーカのブロック図である。
パラメトリックスピーカは、図４に示すような構成を用いて超音波を放射させることにより、空気の非線形現象を利用して可聴音を得るものである。即ち、パラメトリックスピーカは、可聴音を超音波に変換して電気音響変換器より音響放射し、ビーム状の音場を形成して可聴音として再現するものである。

パラメトリックスピーカは、音声生成器１０、振幅変調器１１、増幅器１２、高周波生成器１３、電気音響変換器１４からなる。
可聴音を生成する音声生成器１０で生成された音声信号は、振幅変調器１１において、高周波生成器１３からの、超音波にするための超音波キャリア信号と掛け算される。この掛け算処理により振幅変調が行われ、変調信号が得られる。振幅変調器１１の変調出力信号は、増幅器１２により増幅され、電気音響変換器１４に供給され、電気音響変換器１４から音波となって放射される。この音波は、強力超音波である有限振幅音波として空気中を伝播する過程で非線形相互作用を起こし、低周波成分が自己復調され、聴取者が聴取可能なものとなる。

このようなパラメトリックスピーカに、本実施の形態の圧電膜スピーカを用いることにより、パラメトリックスピーカとしての効率改善に寄与することができる。即ち、パラメトリックスピーカは、一般のスピーカと比べて変換効率が低く、その変換効率向上は最大の技術課題となっている。本実施の形態の圧電膜スピーカを電気音響変換器に用いることによって、パラメトリックスピーカとして復調音圧を大きくすることができる。従って、大きな音圧レベルが得られることによって、従来小さな音でしか使えなかったパラメトリックスピーカの応用範囲が拡大され、例えば、戸外や騒音の大きな場所など様々な場面で使用可能となる。

以上のように、実施の形態１によれば、音放射方向に対して前後となるよう交互に設けられた伸縮部４ａ，４ｂと、隣り合う伸縮部４ａ，４ｂの端部を連結するための立ち上がり部５とからなる振動膜を有し、かつ、伸縮部４ａ，４ｂは、印加した電界に垂直な方向に伸縮性を有すると共に、伸縮部４ａ，４ｂの両面に電極３を形成して、隣り合う伸縮部４ａ，４ｂには互いに逆相の電界を印加するよう構成したので、振動膜の振動を有効に音に変換することができ、大きな再生音圧レベルが得られる効果がある。

また、実施の形態１によれば、振動膜を、高分子樹脂圧電材または複合物圧電材で構成したので、伸縮部４ａ，４ｂと立ち上がり部５とからなる波型の振動膜として最適な成形を行うことができる効果がある。

また、実施の形態１によれば、伸縮部４ａ，４ｂの断面形状が直線または２次曲線の一部をなしているよう構成したので、振動膜の伸縮による音放射の効率向上が図れるため圧電膜スピーカとして有利であるといった効果がある。

また、実施の形態１によれば、可聴音を超音波に変換して電気音響変換器１４より音響放射し、ビーム状の音場を形成して可聴音として再現するパラメトリックスピーカにおいて、電気音響変換器１４を、音放射方向に対して前後となるよう交互に設けられた伸縮部４ａ，４ｂと、隣り合う伸縮部４ａ，４ｂの端部を連結するための立ち上がり部５とからなる振動膜１を有し、かつ、伸縮部４ａ，４ｂは、印加した電界に垂直な方向に伸縮性を有すると共に、伸縮部４ａ，４ｂの両面に電極３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを形成して、隣り合う伸縮部４ａ，４ｂには互いに逆相の電界を印加するよう構成された圧電膜スピーカで構成するようにしたので、パラメトリックスピーカとして復調音圧を大きくすることができ、従って、パラメトリックスピーカの応用範囲を拡大することができる。

この発明の実施の形態１による圧電膜スピーカの要部断面図である。 この発明の実施の形態１による圧電膜スピーカの振動膜の斜視図である。 この発明の実施の形態１による圧電膜スピーカにおける電極の接続例を示す構成図である。 この発明の実施の形態１による圧電膜スピーカを電気音響変換器に用いたパラメトリックスピーカのブロック図である。

符号の説明

１ 振動膜、２ 圧電フィルム、３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ 電極、４ａ，４ｂ 伸縮部、５ 立ち上がり部、１４ 電気音響変換器。

Claims (4)

1. 音放射方向に対して前後となるよう交互に設けられた伸縮部と、隣り合う伸縮部の端部を連結するための立ち上がり部とからなる振動膜を有し、
   かつ、
   前記伸縮部は、印加した電界に垂直な方向に伸縮性を有すると共に、当該伸縮部の両面に電極を形成して、隣り合う伸縮部には互いに逆相の電界を印加するよう構成された圧電膜スピーカ。
2. 振動膜は、高分子樹脂圧電材、または、複合物圧電材であることを特徴とする請求項１記載の圧電膜スピーカ。
3. 伸縮部は、その断面形状が直線または２次曲線の一部をなしていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の圧電膜スピーカ。
4. 可聴音を超音波に変換して電気音響変換器より音響放射し、ビーム状の音場を形成して可聴音として再現するパラメトリックスピーカにおいて、
   前記電気音響変換器を、
   音放射方向に対して前後となるよう交互に設けられた伸縮部と、隣り合う伸縮部の端部を連結するための立ち上がり部とからなる振動膜を有し、かつ、前記伸縮部は、印加した電界に垂直な方向に伸縮性を有すると共に、当該伸縮部の両面に電極を形成して、隣り合う伸縮部には互いに逆相の電界を印加するよう構成された圧電膜スピーカで構成したパラメトリックスピーカ。

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