JP2007195239A - 機械−音響変換機及びマルチメディアフラットフィルムスピーカー - Google Patents

Abstract

【課題】改善された機械−音響変換機を提供する。
【解決手段】機械−音響変換機は薄く、可撓性のシート材料から形成された振動板の１つの縁に概略垂直に接続した、少なくとも１つの、圧電モータである、アクチュエーターを備える。振動板はアクチュエーターの変移が機械的に、通常５から７倍程度に増幅された振動板の変移に変換されるように、アクチュエーターから、それの動きの方向に間隔を開けた場所で支持部材に固定される。振動板は放物線状に僅かに湾曲している。振動板は、それが光学的に透明な状態で形成された場合、ディスプレイ画面のフレーム上に取り付けることができ、スクリーンスピーカーとして利用することができる。アクチュエーターは一方の端がフレームに固定され、もう一方の、可動な端が、概略垂直方向に、振動板の端に固定される。振動板の圧力勾配を維持するために、ガスケットが振動板の縁に封止される。
【選択図】図１

Description

本発明は機械的エネルギーを音響エネルギーに変換する変換機（または、トランスデューサー）に関する。詳細に述べると、本発明は、１つの形式において、ピエゾアクチュエーターを備えたスピーカーに関し、もう１つの形式において、ディスプレイと互換性のあるフラットフィルムスピーカーに関する。

全ての音響変換機は正及び負の圧力の大気（または、空気）を交互に供給する。最も単純な形式として、電磁式、静電式、または圧電式のリニアモータ（linear motor）が振動板（または、ダイアフラム）を駆動する。振動板はモータの一部として構成されてもよい。

多くの（ラウド）スピーカー（以降、単にスピーカーと呼ぶ）は電磁変換機（または、電磁トランスデューサー）を利用している。ダイナミックスピーカーに関して述べると、それらは１９２０年代から実質的に変化していない。電磁式モータは（比較的）長い線形の動きを持つ。この特徴は比較的小さくて硬い振動板に、（この分野で使用される用語を使用すると「ピストン様」の様式で）音響の発生のために必要な（比較的）長い変移（または、たわみ）を起こさせるために使用される。しかしながら、この動作は、比較的距離が長いときに効率が悪いという欠点がある。

静電式または圧電式のデバイスはダイナミックスピーカーに対して、優れた電気−機械結合の効率を持つ。これらのデバイスは理論上、高い効率を有するが、それらの比較的短い線形の変移のために制限を受けてしまい、長い間、限られた領域でのみ使用されてきた。静電式の場合、必要な音響上の変移を起こすために両側に数十センチメートル程度（または、１メートル以上）の非常に大きな振動板のための構造が必要とされる。あるいは、実用的な大きさで作製するために、それらの動作を、長い変移を必要としない高周波部の動作のみに限定しなければならない。圧電式のものは最も優れた効率を持つが、それらの比較的小さな寸法や限定された変移のために、高周波専用のものとみなされている。

したがって、本発明の目的は、新しいクラスの機械−音響変換機を提供することである。本発明の変換機は上述の全てのアクチュエーターを利用することができるが、特に圧電モータ（または、ピエゾモータ）の高効率で、短い線形の変移を、振動板のピストン様（または、それに匹敵する）大きな変移に変換することに適している。本発明のもう１つの目的は、スピーカーを通してディスプレイを見ることが可能な、テレビやコンピューター用のモニターのための、フラットなフィルム型のスピーカーを提供することである。

本発明に従った機械−音響変換機は、薄くて、（比較的）硬い、且つ可撓性の（または、フレキシブルな）振動板に結合した、好まれるものとして圧電モータ（または、ピエゾモータ）である、少なくとも１つのアクチュエーター（または、作動装置）を備える。振動板は振動板とアクチュエーターとの（１つまたは複数の）結合点から離れた点（または、場所）で（支持部材に）固定される。振動板は、垂直方向からの断面で見たときに（すなわち、振動板の側面から見たときに）、（１つまたは複数の）アクチュエーターとの結合点と（１つまたは複数の）固定点との間で湾曲させられる。振動板は薄い、可撓性のシート材料から形成される。スクリーンスピーカー（すなわち、画面上に配置されたスピーカー）として利用する場合、振動板はさらに、透明な材料から形成される。

１つの形式において、アクチュエーターは振動板を、（実質的に２つの変換機を与えるために）２つの区分に分割する縦方向の中心線上または、その付近に配置される。振動板（全体）を動きに対して固定するために、振動板の、アクチュエーターに対して遠位の、両側の縁が固定される。両側の縁は振動板及び圧電バイモルフ駆動装置（piezo bimorph drive）を支持するフレームに固定されてもよい。振動板の縁に取り付けられたガスケット（または、パッキン）は装置の圧力勾配を維持するために利用される。

振動板の２つの区分の各々は、振動板の縦軸に垂直な平面から見たときに、わずかに放物線状に湾曲している。圧電バイモルフ（または、バイモルフ圧電素子）が中央の静止位置（または、中立位置）に位置しているとき、一方の区分は凸状に、もう一方の区分は凹状に湾曲し、全体として「Ｓ」型の形状を有する。圧電構造に存在するヒステリシスを最小にするためにＤＣ電位を使用してもよい。ヒステリシスは、通常のスピーカーで一般的に使用されている線形磁気モータにも存在するが、このヒステリシスは、バイモルフの場合のように、積極的（または、能動的）に対処することができない。アクチュエーターを「Ｓ」型カーブの中央の点に配置することにより、振動板の正の変移と負の変移との非対称性が相殺され、駆動装置の実質的に線形の横方向の変移への応答で、振動板の実質的に線形の有効な（縦方向の）変移が生ずる。

本発明のスピーカーへの利用に便利なアクチュエーターは大きな力（強力）と短い変移（短変移）によって特徴付けられるアクチュエーターである。また、本発明のスピーカーの振動板はピストン様の、大きな変移（長変移）によって特徴付けられる。本発明の典型的な増幅装置、または機械的なてこの作用は変移を５から７倍にする。また、本発明の１つの実施例において、縦方向に配置された複数のアクチュエーターが、縦方向に配置された振動板の対応する部分を駆動してもよい。もう１つの形式において、アクチュエーターは振動板の横方向の縁の１つに固定される。

本発明のもう１つの形式において、本発明はテレビやコンピューターのモニター等のディスプレイ上に取り付けられる（比較的）硬くて、透明な材料の薄いシート状の振動板を使用する。好まれる形式において、シートは、各々が上部、下部、及び側部の３つの自由端を持った２つの横方向の区分、または「羽」を形成するために、縦方向の中心線または、その付近に沿って（好まれるものとして、シートの上部または下部の縁で）、機械的に（ピン等で）留められるか、接着剤で固定される。リニアアクチュエーター（linear actuator）は好まれるものとして、アクチュエーターの自由端を、隣接する振動板の縁に接着剤等で接着することによって、動作可能な状態で振動板の両方の羽の横方向の端に概略垂直に結合する。

各アクチュエーターの横方向の線形の動きは対応する羽の僅かな湾曲を増大または減少させる。湾曲は好まれるものとして、（例えば、留められた中心線等の垂直軸に対して垂直な平面で見たときに）放物線状の曲率を持つ。本発明の典型的な振動板は（放物線を円で近似した場合に）約１メートルの「半径」を有する。

アクチュエーターは電磁式、圧電式、または静電式等の電気−機械式である。圧電アクチュエーターはディスプレイの画像に干渉を起こす磁場を発生しないので、圧電アクチュエーターの使用が特に好まれる。スピーカーへの利用の場合、アクチュエーターは通常、大きな力（強力）で、短い変移（短変移）のタイプが利用される。本発明のスピーカーはこのアクチュエーターの動きを、低圧力で、増大された大きな変移（長変移）を持つ振動板の動きに変換する。画面のギラツキを制御するために、シートには偏光材料（polarizing material）の層が結合されてもよいし、ギラツキを抑える光学的な効果を生み出すために、振動板の表面に他の周知の処理が適用または成形されてもよい。

本発明のこれら及び他の特徴及び目的は付随する図面と共に以下の詳細な説明を参照することにより理解されるだろう。

図１−６は、特にスピーカーへの応用に適している、本発明の機械−音響変換機１０の第１の形式の実施例を示している。変換機１０は大きな力（以降、強力と呼ぶ）で、短い線形の変移（以降、短変移と呼ぶ）の駆動機構を持ったアクチュエーター１２の出力を、振動板１４の増大された大きな変移（以降、長変移と呼ぶ）の、ピストン様の動きに変換する能力がある。ここで使用される用語「強力」は従来のスピーカーの駆動力に比べて、少なくとも一桁程度、強力であることを意味する。力の差は、典型的には、４０：１比程度である。本発明によって与えられる典型的な運動増幅器（または、振動増幅器）は変移を５から７倍程度増大する。

本発明に適当な駆動機構またはアクチュエーター１２は圧電バイモルフ（または、バイモルフ圧電素子（piezo bimorph））である。図１−６のスピーカーに対して、目下のところ好まれる圧電バイモルフ駆動装置はPiezo Systems Inc（Cambridge Massachusetts）から部品番号#58-S4-ENHで販売されている圧電バイモルフ駆動装置である。図１に示されているように、駆動装置１２は真鍮、ケブラー（kevlar）、または他の材料から成る中央の基板２８の両側に結合した、両面に伝導性のコーティング２０、２２、２４、２６を備えた圧電性材料の「ウェハー（または、薄片）」１６、１８の層から成る、実質的に７層のデバイスである。基板はある程度の弾性力を備えている。基板はまた、緩衝装置として、及び、絶縁状態のときには、容量性の挿入材料としても利用することができ、それらの特性は駆動装置の周波数応答を調整するために使用することができる。

圧電ウェハー１６、１８は図５に最もよく図示されているように、Ｘ軸方向（垂直軸３０及びウェハーの平面方向に概略整列または概略平行な方向）に膨張または収縮する。コーティング２０、２２、２４、２６は任意の電圧に対して極性が反転した状態になるように、互いに位相がずれた状態で配線されている。結果として、ウェハー１６、１８のうち、一方は膨張し、もう一方は収縮する。したがって、最終的な湾曲の動作Ｄは圧電ウェハー単体の動作に比べてはるかに大きくなる。６０ボルトにおいて、上述のバイモルフは０.３ｍｍの変移を持ち、５００Ｈｚで１.０９ワットに対応する。

電気的な刺激（または、励起）を受けている圧電バイモルフ１２はＸ軸方向に沿って正及び負の動きを生じ、振動板１４の湾曲及び湾曲の戻りによる、Ｙ軸に沿った正及び負のピストン様の変移を生ずる（図１及び５参照）。図２には、右方向の変移の、半サイクルの動作が示されている。アクチュエーター１２は一方の端が固定されているので、このＸ軸に沿った動作は、それが駆動されたときに機械的なてこの作用を生ずる。

振動板は放物線状の湾曲した区分の状態に形成された、薄くて、可撓性のシートである。振動板はカプトン（ポリアミド−イミド（poly amide-imide））、ポリカーボネート、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリプロピレン、または、同様なポリマーのブレンド（すなわち、混合物や化合物）等のプラスチックを含むヤング率材料（Young's Modulus material）；トリアセテート及び強化ガラス等の光学的な特性を持った材料；チタン、または他の可撓性の金属；樹脂を含有する繊維、または他の化合物や合成物のいずれであってもよい。

以下に記載した関係は変換機の効率及び周波数応答に影響を与える。
・任意の入力に対する変移（効率）は振動板の湾曲の半径に比例する。
・正の変移と負の変移との非対称性は振動板の湾曲の半径に比例する。
・高周波の共振（音響出力の最大値）は振動板の湾曲の半径に逆比例する。
・高周波の共振は振動板の材料のヤング率に比例する。
・高周波の共振は振動板の重さ（または、大きさ）に逆比例する。

正の変移と負の変移との非対称性は２つの振動板１４ａ、１４ｂをそれらの間に配置された単一の圧電バイモルフアクチュエーターによって駆動することにより相殺され、音響エネルギーの出力は倍になる。図３に示されているように、一方の振動板１４ａは凸方向の湾曲状態にあり、もう一方は凹状態にある。これは振動板の中央部にアクチュエーター１２が取り付けられた「Ｓ」型の断面を持った１つの振動板と実質的に同じである。しかしながら、振動板１４は、互いに隣接した各々の側部の縁が１つのアクチュエーター１２に結合し、かつ、アクチュエーター１２により駆動される、２つの別個の部分１４ａ、１４ｂとして形成されてもよい。

スピーカーを駆動するために振動板の「高さ」方向（または、「縦」方向）に拡張している単一の（比較的）大きなバイモルフ１２が利用されてもよいし、図４に示されているように、スピーカー１０の三次元的な出力を形成するために、各々が異なった輪郭を持った周波数応答によって駆動される、複数のアクチュエーター１２ａ、１２ｂ、１２ｃが利用されてもよい。例えば、高周波信号が１つまたは複数のアクチュエーターに独占的に供給されてもよい。振動板のこれらのアクチュエーターに結合した領域は高周波数領域のために割り当てられた音響出力及び放射パターン（または、指向性）を制御する。

圧電結晶（piezo crystal）に対して適当な電圧でスピーカー１０を駆動するために、昇圧変圧器を駆動する可聴周波増幅器が利用されてもよいし、または、システム専用の増幅器が設計されてもよい。圧電モータは、選択された圧電材料や配線方法にも依存するが、３０から１２０ボルトの範囲の最大駆動電圧を必要とする。図１８は可聴周波増幅器７２に動作可能に接続した、通常のノッチフィルター７３を利用しているスピーカー駆動回路７０を示している。可聴周波増幅器７２の出力は抵抗７６を介して、スピーカー１０を駆動する昇圧変圧器７４に直列接続されている。

抵抗７６は変圧器７４の「前」に接続されてもよいし、「後」に接続されてもよい。抵抗は可聴周波応答のロールオフ（roll off）を制御する。抵抗を増大させることにより、ロールオフが発生する周波数が低下する。能動フィルターは通常の、一次帯域除去「ノッチ」フィルターである。以下に説明される試験変換機に対して使用する場合、フィルターは２.８から３.０のＱ値及び１３のダウンｄＢを持つ。図１８に示されているように、抵抗７６は変換機の前に配置されている。代替的な、変換機の後の配置は点線で示されている。

変換機１０、１０'、１０''はコンデンサーＣと共に示されている。すなわち、Ｃは圧電アクチュエーターが実際に容量を持ち、駆動回路に対して負荷となる容量性のインピーダンスを呈することを示している。後で詳細に説明するが、変換機はまた、実質上、音響上の「キャパシタンス」を呈し、囲いと共に（または、容器内で）使用される場合音響上の「インダクタンス」を呈する。音響システムのための昇圧変圧器は周知であり、比較的安価である。しかしながら、独立したトランスを使用せずに、負荷に対して調整された出力を持つ専用の増幅器をスピーカーの入力に接続することにより、特性をより改善することもできる。

システムの圧力勾配の保全性を保つために、振動板の側部の周囲に沿って、低密度発砲独立気泡フォームラバー（low density expanded closed cell foam rubber）や同様な材料のガスケット（または、パッキン）３５、３５が挿入される（図３参照）。図１７に示されているような、代替的な実施例において、この縁の封止は、外側に接着層を備えた、非常に薄く、非常に可撓性のある、独立気泡フォームのテープ（または、片）であってもよい。テープ（または、片）は振動板の僅かに湾曲した縁に沿って拡張してもよいし、振動板の全ての４辺に貼られてもよい。

低信号レベルにおけるヒステリシスを減少させるために、圧電バイモルフにＤＣバイアスが供給されてもよい。磁気式のスピーカーにバイアスを供給することはかなり困難である。また、全ての静電式スピーカーはこの様式で設計されている。

図１−６と共に説明された方法で作製されたアクチュエーター１２、例えば、（制限ではないが）例として、高さ５ｃｍ、（「縦」軸３０に沿った）長さ１３ｃｍ、及び０.５ｃｍの高さの湾曲の振動板を備えたアクチュエーター（図５）は１ｍ、４５０Ｈｚ、１ワットで１０５ｄＢの出力を持つ。これは非常に効果的である。平均的なコイル移動式のスピーカーは１Ｗ／１ｍで８５から９５ｄＢの範囲の効率を持つ。

図７−８は本発明の代替的な形式を示している。スピーカー１０'は特定の目的のための、両端に単体の駆動装置を備え、単一の湾曲振動板を備えたスピーカーとして示されている。（図７−８の実施例において、図１−６の構成要素と同様な要素は'付きの同じ参照番号で示されている。）変換機１０'はテレビやコンピューターのモニター等の、ディスプレイ画面上に取り付けることができるように構成されている。

図７−８の実施例において、スピーカーの振動板１４'は僅かに湾曲した光学的に透明なプラスチックのシートから構成されている。プラスチックシート１４'はディスプレイ画面（図示せず）の前面に配置された薄いフレーム上に支持されている。フレームは画面上に取り外しが可能な状態で取り付けられてもよいし、既存のディスプレイ（例えば、コンピューターのモニター等）に半永久的に後付けされてもよいし、半永久的にディスプレイに組み込まれてもよい。恒久的な設置の場合、従来のモニターは画面から前方に突き出した、変換機１０'を取り付けるための、一体成型された周辺のフランジ（または、縁）を備えてもよい。

画面上の視覚的な表示はスピーカーを通して見ることができる。さらに、後で詳細に説明される２つの区分を持った振動板の構成の場合、音声は「スピーカー−画面」の左右から互いに独立して出力されてもよい。したがって、それらは実質的に１つのフレームに２つの変換機及び２つのスピーカーを備え、ステレオ式の、または多チャンネル式の音声を伝えることができる。音声は視覚上の音源から直接発せられているように感じられる。

本発明の変換機１０'は実質的に、人間の声及び、それ以上の領域（１００−２０ＫＨｚ）の周波数範囲で動作する。重低域は、一般的な音声システムで実施されているように、独立したサブウーファー（または、低域専用のスピーカー）によって加えられてもよい。変換機１０'は線形または平面性の音源として音声を発する。これはユーザーに音声を制御された様式で直接伝え、机上や付近の壁からの反射を抑えると共に、実質的にスピーカーが画面であるので、画面からの反射を排除する。反射された音響上のエネルギーはスピーカーシステムの特性を劣化させ、人間の聴覚を当惑及び混乱させる。本発明はコンピューターシステムの机上のスピーカー（ボックス）を排除し、机上の物を減らし、有効な机上の空間を増やす。また、変換機１０'は実質的に、不可視のスピーカーである。

変換機１０'の動作及び構造に関して詳述すると、振動板１４'は、ポリカーボネートやトリアセテート、またはプラスチック製の偏光フィルム（polarizing film）に接着された強化ガラスのシート等の、薄くて、硬性のある可撓性の、光学的特性を持ったプラスチックのシートであり、スピーカーとコンピューターのギラツキ防止用画面フィルターを組み合わせたものを構成してもよい。（制限ではないが）例として説明すると、振動板は３００ｍｍ×４００ｍｍ程度であってもよいし、対応するディスプレイ画面と同等のサイズであってもよい。振動板は（円として近似したときに）約１メートルの「半径」の放物線に対して垂直方向に整列するような（または、放物線に対して平行になるような）、僅かに湾曲した形状で形成されてもよい。

プラスチックシート製の振動板１４'はスピーカーフレームの「縦方向」の中心線上の、振動板の上部及び下部に沿って（ピン等で）機械的に留められてもよいし、接着剤等で接着されてもよい。（ここで使用される用語「縦方向の中心線」は必ずしも正確に中心を意味するものではなく、中心またはその付近を意味し、特定の用途においては、振動板の左右の区分を互いに異なるサイズにするために、中心からずれた線を中心線とする場合もある。）この中心部分の固定は独立して動くことが可能な、振動板１４'の２つの独立した「羽」を形成し、スピーカーの左右の区分１４ａ'を形成する。これらの振動板の区分１４ａ'の側部の縦方向に拡張する自由端は、スピーカーフレームの左右の縦方向に拡張する部材上で、縦方向に配置された（または、縦方向に拡張した）１つまたは複数の電気機械式アクチュエーター１２'に取り付けられる。

アクチュエーター１２'は横方向に動作し（または、変移し）、且つ、振動板の区分１４ａ'に接続しているので、それらは振動板の湾曲を増大及び減少させ、振動板の区分１４ａ'の（縦方向の）変移を増大及び減少させる。左側のスピーカーパネル上のアクチュエーター１２'の右方向の小さな動きは振動板の前方へのふくらみを生じ、スピーカーからの正の圧力を生じ；アクチュエーターの左方向の動きは負の圧力を生じさせる。アクチュエーターは、例えば、電磁式、圧電式、静電式等を含む、どのようなタイプの電気−機械式のものであってもよい。しかしながら、この用途においては、ディスプレイ画面を歪める磁場を発生しないという理由により、圧電式が好まれる。振動板とアクチュエーターとの接合は、好まれるものとして、接着材により、アクチュエーターの端の面に隣接する振動板の縁を、実質的に（アクチュエーターに対して）垂直に接着する方法である。

図９−９Ｂ及び１３−１７は本発明の他の好まれる実施例を示している。スクリーンスピーカー（または、画面スピーカー）１０'または１０''はFACE International Corp.から「Thunder」アクチュエーターの名称で販売されているタイプの圧電モータ１２''を使用している。（図１−８の構成要素と同様な要素は''付きの同じ参照番号で示されている。）図９に示されているように、このモータは２つの薄い金属片２８ａ''、２８ｂ''によって挟まれた圧電材料の単一の層１６''を使用し、「ベンダー（または、曲げ装置）」として作用する。大きめの層２８ｂ''は好まれるものとして、ステンレススチールの薄いシートであり、小さめの層２８ａ''はアルミニウムのシートである。

図９Ｂの側面図から判るように、ステンレススチール２８ｂ''、すなわち、アクチュエーターは僅かに凹状になっている。この構造物は２つの接着剤層２７により、僅かに湾曲した、プレストレス（pre-stress）状態で接着されている（図９Ｂ参照）。「Thunder」アクチュエーターは図１−５と共に説明されたバイモルフアクチュエーターと同程度の変移の能力を有する。

このアクチュエーターはまた、バイモルフにはない、この用途に適して特性を持っている。第１に、圧電ウェハー１６''は両面が金属（層２８ａ''、２８ｂ''）によって囲まれているので、全体的な構造が非常に頑丈であり、使用中に割れたり、微細な亀裂を生じたりする可能性が少ない。また、アクチュエーター自体の基本共振周波数が非常に高く、通常、３,０００Ｈｚ以上である。通常の圧電デバイスが共振周波数の付近で動作するのに対し、本発明のこの好まれる形式は、主に、この共振周波数よりも低い周波数で動作する。これは以下に説明されるように、優れた長所をもたらす。

モータ構造１２''において、約３,０００Ｈｚから直流（０Ｈｚ）の間には共振や調和振動が存在しない。この範囲において、デバイスは共振モードが存在しないため、「模範的」な単調な変換機（monotonic transducer）のように、完全にそれのコンプライアンス（compliance）によって制御され、動作する。機械的にみると、それは飛び込み板に類似している。コンプライアンスは「低い」、すなわち、駆動される振動板の重量に接続されたとき、それが約３,０００Ｈｚの共振を発生する程度に低い。

周波数が高周波側に進むと、約３のＱ因子で、約３,０００Ｈｚで共振を起こし、約１５ｄＢの狭くて、高いピークを呈する。この共振は十分に可聴であるので、システムが満足できるような動作をする程度に、等価（equalize）される（または、補正される）必要がある。等価（または、補正）は能動的な駆動回路によって達成されてもよいし、受動素子によって達成されてもよい。この共振周波数の他に、約３,０００Ｈｚの基本共振の、分数的または整数的な（または、分数倍または整数倍の）、スプリアス共振（または、擬似共振）が存在する可能性がある。これらの共振もまた、周波数の狭い帯域のみに影響する高いＱ値の共振として特長付けられ、この分野で周知の方法で、機械的に減衰させられてもよい。

ここで説明されている、好まれる形式の場合、これは多様な粘性のある、またはゴム状の部材をモータ構造またはモータによって駆動される振動板の縁に、正確に（または、注意深く）適用することによって達成される。ここで、共振に対する説明が主に、モータ構造に対して行われていることは注意しなければならない。全てのスピーカーは、本発明と同様に、空気を動かす振動板に関係する共振及び応答の変動を持っている。以下の説明は空気を移動させる振動板に向けられており、それらは本発明にも影響する。詳細に述べると、囲われた状態の振動板の動作を自由空気（free air）での動作、及び典型的なスピーカーの動作と比較する。

従来のスピーカーの大多数は何らかの囲いに覆われた状態で動作する。そうでない場合、後方への音響の放射は（位相がずれた状態で）前方への放射に加えられ、音響上の出力を相殺する。囲い内の音響上の放射は密封され、振動板の前方からのエネルギーだけが放射される。（低周波が囲い内の圧力により増大される、多様な低域反射システム（bass reflex system）等は例外である。）囲い内の空気は音響上のコンプライアンス（compliance）、スプリング（spring）、として作用し、スピーカーの駆動装置と直列状態の電気的キャパシター（または、コンデンサー）に類似している。

本発明とは対照的に、通常のスピーカーは、質量として制御される、それらの共振周波数より高域で主に動作する。この質量は電気回路のインダクターに類似している。システムの移動する質量によって表される音響上のインダクタンスと、囲い内の空気に対応するキャパシタンスと組み合わされた、スピーカーの音響上の、「容量性」コンプライアンスとの組み合わせは２次高域通過電子フィルターの、音響上の等価物を生成する。実際には、囲いが小さいほど、低域が弱く；囲いが小さいほど２次高域通過フィルターの「Ｑ」値が高く、システムの応答は低周波数のロールオフの前にピークを発生する。

本発明において、音響上の負荷及び電気的な負荷は両方とも容量性である。本発明は動作を制御するために、モータの低いコンプライアンスを利用する。このコンプライアンスは電気回路におけるコンデンサーの機械的な等価物である。囲い内の空気のキャパシタンスと直列状態の容量性の負荷の駆動は、電気的アナログ回路の単純な分圧器の音響的な等価である。全ての周波数の全体的な出力レベルが減少させられる。実際問題における、最終的な結果は、スピーカー１０'が囲んでいる箱の寸法に実質的に影響されないことを意味する。この単純な事実は空間、利用率、小型化、既存の製品へのスクリーンスピーカーの適合、並びに、周波数応答、及び音響システムの駆動安定性の面からみて、商業上重要である。後者の２つの点については、以下に詳細に説明される。

容量性の負荷を駆動するためには注意が必要である。しかし、その一方で、本発明の変換機／スピーカーを（負荷に駆動装置を整合させ、最適な特性を得るための、通常のスピーカーに対する一般的な特徴付けの方法であり、スピーカーの入力インピーダンスの一般的な値である）８オームまたは４オーム等の入力インピーダンスにより類別することは不可能である。

試験的な変換機（以降、試験変換機と呼ぶ）は、１２０ｃｍの半径の湾曲、及び０.２５ミリメートル（または、１０ミル）の厚さを持った、１４ｃｍ×１７ｃｍのポリカーボネート製のシートで形成された振動板１４''及び、それに動作可能に接続された単体のFACE圧電アクチュエーター１２''を使用して作製された。試験アクチュエーター１２は９×１０^-9ファラドの電気的キャパシタンスを持つ。駆動回路７０（図１８）は６ワットの出力を持った、１：１９.５の電圧比の昇圧変圧器７４を使用した。このアクチュエーター（単独での）下端のインピーダンスは、すなわち、３００Ｈｚで駆動したときのインピーダンスは約１５６オームであった。

この試験変換機は図１０に示されている自由空気での動作を示した。変換機による軸上（on-axis）の音響出力が駆動信号の周波数（Ｈｚ）の関数としてプロットされている。図１１はアクチュエーターの入力駆動信号を２.８から３.０のＱ値及び１３のダウンｄＢ（down dB）を持った、通常の一次帯域除去「ノッチ」フィルター７３を使用して、能動的に濾波した状態での、図１０と同じ変換機の周波数応答を示している。図１２は同じフィルターを使用し、さらに、約３３ｃｍ（長さ）×２５ｃｍ（幅）×２.５ｃｍ（高さ）、または、２１００ｃｍ³の寸法を持った、塗装された小さな「ＭＤＦ」（中密度ファイバーボードウッド（medium density fiberboard wood））の囲い内に取り付けられた状態での、図１０及び１１と同じ変換機の周波数応答を示している。

スピーカーの周波数スペクトルの上端、例えば、２０ＫＨｚでは、試験アクチュエーター単独でのインピーダンスは約２.５オームに低下し、多くの増幅器を不安定にしたり損傷させたりする可能性がある程度に低くなっている。本発明において、変換機の共振以下で動作させることにより、この問題は特に問題とならない。周波数応答、変更（alteration）、及び駆動安定化は一緒に達成される。

ピストン領域の上において、通常または「模範的」なスピーカーは６ｄＢ／オクターブに達する軸上音響圧力応答（on-axis audio pressure response）を呈する。（ピストン領域とは空気上に生成された音声の波長が、円形の振動板の直径として測定したときの、振動板の寸法程度である領域である。）本発明の例としての試験変換機の場合、２,０００Ｈｚ以上の応答が６ｄＢ／オクターブに達した。振動板及びそれの曲率は主な共振が可聴領域の外側にくるように選択された。６オームの抵抗７６と直列状態でスピーカーを駆動することにより、周波数応答が補正され、安全な動作インピーダンス及び、図１１及び１２に示されている軸上音響圧力応答特性（on-axis audio pressure response characteristic）が得られた。図１０に存在する約２,０００Ｈｚでの応答のピークが図１１及び１２には存在しないことは注意しなければならない。

全体的に見ると、本発明のデバイスはトランス（または、変換機）として動作し、強力で、短変移で、概略線形のアクチュエーターの動作を長変移で、低圧力の振動板の動きに変換する。これは音響変換機の新しいクラスまたはタイプを意味する。振動板の長変移において、正の圧力の変移は負の変移より小さくなるだろう。すなわち、システムは厳密な意味では、本質的に非線形である。伝達関数（または、変換関数）は湾曲の半径から計算することができる。非線形性に対する制御を犠牲にすることにより、駆動電子回路に鏡像的な伝達関数を適用することができる。

図１３−１７は振動板１４''を取り付けるためのフレーム５０を示している。フレームはスピーカーの囲いとして使用される木材や「ＭＤＦ」（中密度ファイバーボードウッド（medium density fiberboard wood））等の、適当な材料から形成することができる。フレームはスピーカーの囲いを形成する背板５０ａを備えてもよいし、代替的に（図１５の５０ａの点線で示されているように）、例えば、コンピューターのモニターやテレビの画面等の、ＣＲＴ画面を背板として用い、ＣＲＴ画面上に取り付けられてもよい。囲いは振動板の後方への音響上の放射を分離し、振動板の前方からの反射のみがユーザーに放射されるように作用する。

フレームがＣＲＴ画面上で使用される場合、画面−振動板間の間隔は通常、１９から３２ｍｍ程度の範囲にされる。振動板は概略的にみて平面であるが、それが完全に「平ら」でないことに注意しなければならない。しかしながら、ブラウン管を使用したテレビやコンピューターのモニターに対して使う「フラット」または「壁掛け」テレビのディスプレイやラップトップコンピューターのディスプレイに対して使う用語として用いれば、変換機の全体的な形状は「フラット」または「平面」である。

フレームは側部の縁の各々に、図７及び８と共に説明したアクチュエーター１２''と同様な動作をする、２つのアクチュエーター１２''を支持する。示されているように、振動板は僅かに湾曲しており、アクチュエーターの間の、横方向に対して中央の点で、支持部材５２によって支持されている。支持５２は締め付け、接着剤、または他の方法によってフレーム５０に取り付けられている。そして、振動板１４''が支持５２上の固い（または、剛性の）振動減衰層５４に、締め付けまたは接着剤により取り付けられている。

振動板１４''は好まれるものとして、アクチュエーターの上部の自由端に接着される。この取り付けは、好まれるものとして、振動板の縁に切り込まれたノッチ（または、刻み目）９０で、振動板の縁がアクチュエーターの自由端のステンレススチール片２８ｂ''の面に隣接するようになされる。音響関連の用途で一般的に使用されている、シアノアクリレート接着剤（cyanoacrylic glue）等の接着剤を使用することができるだろう。取り付けられた振動板１４''は図７及び８と共に説明されてきた様式で動作する。

図１７は非常に薄く、非常に可撓性のある、独立気泡フォーム材料から形成された粘着性のあるテープまたは片の形式のガスケット３５''を示している。テープは振動板の縁に配置され、振動板の後方から前方へ音響エネルギーが放出されるのを防ぐために、振動板とフレームに接着される。半円形状のフォームの片等の他の封止部材が振動板の縁に固定、または接着されてもよい。理論的（または、理想的）に言えば、ガスケット３５''は、それがどのような形状であるかにかかわらず、約６ＫＨｚ以上からのスプリアス共振（spurious resonance）を減衰させる。

本発明は好まれる実施例と共に説明されてきたが、多様な変更や改良が当業者には明白であるだろう。例えば、図４の実施例に示されているように、振動板が物理的に互いに分離した縦方向の複数の区分に分離され、異なった出力帯域幅専用の、または、各区分に対応する帯域専用の、異なったアクチュエーターにより駆動されてもよい。上述したように、ここで説明してきたいくつかの長所を犠牲にする可能性があるが、非圧電性のアクチュエーターを使用することもできるだろう。

振動板をアクチュエーター及び支持部材に固定するために、機械的な締め付け、クリップ（または、留め具）、及びスナップ留め保持装置等を含む、多様な機械的な取り付け機構を採用することができるだろう。さらに、本発明は固定式の留め具を備えたフレームと共に説明されてきたが、アクチュエーターの動きから間隔が開いており、アクチュエーターに「対する」点で、振動板の一部を静的に保持することができれば、支持部材はどのような構成または形状であってもよい。

例えば、支持部材、または留め具の点（または、場所）はＣＲＴディスプレイまたは液晶ディスプレイの筐体の一部であってもよい。振動板１４、１４'、１４''は長方形の形状で説明されてきたが、それらは他の形状であってもよい。しかしながら、それらは上述した機能的な特徴を備えていなければならず、それらがアクチュエーターから、それの動きの方向に間隔が開いた点で留められたときに、上述したように、アクチュエーターの動作によって駆動され、振動板自体がたわみ、音声波形を生成するように取り付けることができなければならない。ほとんどの用途において、振動板はほんの僅かだけ湾曲していればよいだろう。しかしながら、それらがより大きく湾曲していても、振動板は動作することができるだろう。上述及び他の変更及び改良は当業者に明らかであり、それらも付随する請求の範囲に含まれるだろう。

本発明で使用される強力で、短変移の圧電バイモルフアクチュエーターの縦方向の断面図である。 図１に示されている圧電バイモルフを使用した、Ｓ型振動板を駆動するために接続された、本発明に従った変換機の概略図であり、振動板が静止位置（実線）及び右に湾曲した状態（点線）を示している。 支持フレームに取り付けられた、図２に示されている変換機の斜視図である。 代替的な実施例の、図３に対応する、斜視図である。 図１に示されている圧電バイモルフアクチュエーターの静止位置及び、左右に湾曲した状態を示している斜視図である。 アクチュエーターの線形で横方向の変移の関数として、図２−４に示されている振動板の凹部及び凸部並びに、実質的に線形な、それらの組み合わせによる正味の音響上の変移を示しているグラフである。 ディスプレイ画面と組み合わせて使用することに適している、本発明に従ったフラット画面変換機のもう１つの実施例の、簡略化された概略図である。 図７に示されているフラット画面変換機の側面図である。 本発明で使用される単層圧電アクチュエーターの各層の分解斜視図である。 図９に示されている圧電アクチュエーターの上面図である。 図９及び９Ａに示されている圧電アクチュエーターの側面図である。 周波数の関数として、図９に示されているタイプのアクチュエーターを使用し、自由空気（free air）の状態で動作している、本発明に従った変換機に対する、音響上の、軸上の圧力応答のグラフである。 音響出力へのシステムの共振を平滑化するために能動電子フィルター（active electronic filter）を使用して動作させた図１０の変換機と同じ変換機の図１０に対応するグラフである。 密閉された状態で、図１０及び１１と同じ変換機を動作させたときの、図１０及び１１に対応するグラフである。 本発明に従った振動板取り付け用器具を備えたフレームの斜視図である。 本発明に従ってフラット画面スピーカーを形成するために、図１３に示されているフレームに振動板を取り付けた状態を示している、図１３に対応する図である。 振動板の中央部の支持物を示している、図１４の線１５−１５で切り取ったときの、縦方向の断面の詳細な図である。 図１４及び１５のフラット画面スピーカーの上面図である。 図１６に示されているスピーカーの１つの角の詳細な図である。 本発明に従ったスピーカーの駆動回路の簡略化された回路図である。

符号の説明

１０ 音響変換機
１２ 圧電バイモルフ（バイモルフ圧電素子）
１４ 振動板
１６，１８ 圧電ウェハー
２０−２６ 伝導性のコーティング
２０ 駆動回路
２７ 接着層
２８ 基板
２８ａ 金属片（アルミニウム）
２８ｂ 金属片（ステンレススチール）
３５ ガスケット
５０ フレーム
５０ａ 背板
５２ 支持部材
５４ 振動減衰層
７０ スピーカー用駆動回路
７２ 可聴周波増幅器
７３ ノッチフィルター
７４ 昇圧変圧器
７６ 抵抗
Ｃ コンデンサー（圧電アクチュエーターが呈する容量）
Ｄ 圧電バイモルフの動作

Claims (49)

1. 機械的な動きを音響エネルギーに変換する音響変換機であって：
   湾曲されている振動板；
   前記振動板の少なくとも１つの位置に配置された支持；及び、
   前記支持から離れた位置で前記振動板に作用するように結合したアクチュエーターを備え、
   前記振動板が前記アクチュエーターと前記支持との間の音声発散領域の大部分において湾曲しており、前記アクチュエーターが、前記アクチュエーターの動きが前記振動板の対応する動きを生成し、前記振動板の動きが前記アクチュエーターの動きに対して増幅されるように構成されている音響変換機。
2. 前記アクチュエーターが前記振動板を各々が縁部を有する２つの区分に分割するように前記振動板に結合しており、前記支持が前記振動板の前記アクチュエーターに対して遠位の前記縁部に固定された支持部を含む、請求項１に記載の音響変換機。
3. 前記振動板が凸状の区分及び凹状の区分を備える、請求項２に記載の音響変換機。
4. 前記振動板が縁部を備える２つの振動板に分割されており、前記アクチュエーターが２つの振動板区分を形成するために各々が前記振動板の前記縁部に結合された圧電アクチュエーターの組を含む、請求項１に記載の音響変換機。
5. 前記少なくとも１つのアクチュエーターが強力で、線形の短変移によって特徴付けられる、請求項１に記載の音響変換機。
6. 前記湾曲が概略放物線状である、請求項１に記載の音響変換機。
7. 前記変換機の音響上の圧力勾配を保持するために、前記振動板の周囲の少なくとも一部の封止をさらに備える、請求項１に記載の音響変換機。
8. 前記少なくとも１つのアクチュエーターが圧電アクチュエーターである、請求項１に記載の音響変換機。
9. 前記アクチュエーターが圧電バイモルフ駆動装置である、請求項１に記載の音響変換機。
10. 前記圧電駆動装置が単層の圧電アクチュエーターである、請求項１に記載の音響変換機。
11. 前記支持が映像用スクリーンディスプレイ上に配置され、前記振動板が前記スクリーンディスプレイから間隔を開けて配置される、請求項１に記載の音響変換機。
12. 前記アクチュエーターが圧電駆動装置であり、前記振動板が光学的に透明の材料から形成されている、請求項１１に記載の音響変換機。
13. 前記振動板が線に沿って固定されており、前記少なくとも１つのアクチュエーターが複数の振動板の区分を形成するために各々が前記振動板に結合した複数のアクチュエーターを含む、請求項１１に記載の音響変換機。
14. 前記アクチュエーターに接続した電子駆動回路をさらに備える、請求項１に記載の音響変換機。
15. 前記駆動回路が能動フィルター及び増幅器を備える、請求項１４に記載の音響変換機。
16. 前記駆動装置が高周波数応答を制御するために、昇圧変圧器及び前記昇圧変圧器に直列に接続した抵抗をさらに備える、請求項１４に記載の音響変換機。
17. 前記駆動回路が変換機の出力の主共振での動作を制御するために前記アクチュエーターを駆動する、請求項１４に記載の音響変換機。
18. 機械的な動きを音響エネルギーに変換する音響変換機であって：
    湾曲されている振動板；
    前記振動板の少なくとも１つの位置に配置された支持；及び、
    前記支持から離れた位置で前記振動板に作用するように結合したアクチュエーターを備え、
    前記アクチュエーターが、前記アクチュエーターの動きが前記振動板の対応する動きを生成し、前記振動板の動きが前記アクチュエーターの動きに対して増幅されるように構成されており、前記支持が映像用スクリーンディスプレイ上に配置され、前記振動板が前記スクリーンディスプレイから間隔を開けて配置される音響変換機。
19. 前記アクチュエーターが圧電駆動装置であり、前記振動板が光学的に透明の材料から形成されている、請求項１８に記載の音響変換機。
20. 前記振動板が線に沿って固定されており、前記少なくとも１つのアクチュエーターが複数の振動板の区分を形成するために各々が前記振動板に結合した複数のアクチュエーターを含む、請求項１８に記載の音響変換機。
21. 前記アクチュエーターが前記振動板を各々が縁部を有する２つの区分に分割するように前記振動板に結合しており、前記支持が前記振動板の前記アクチュエーターに対して遠位の前記縁部に固定された支持部を含む、請求項１８に記載の音響変換機。
22. 前記振動板が凸状の区分及び凹状の区分を備える、請求項２１に記載の音響変換機。
23. 前記振動板が縁部を備える２つの振動板に分割されており、前記アクチュエーターが２つの振動板区分を形成するために各々が前記振動板の前記縁部に結合された圧電アクチュエーターの組を含む、請求項１８に記載の音響変換機。
24. 前記少なくとも１つのアクチュエーターが強力で、線形の短変移によって特徴付けられる、請求項１８に記載の音響変換機。
25. 前記湾曲が概略放物線状である、請求項１８に記載の音響変換機。
26. 前記少なくとも１つのアクチュエーターが圧電アクチュエーターである、請求項１８に記載の音響変換機。
27. 前記アクチュエーターが圧電バイモルフ駆動装置である、請求項１８に記載の音響変換機。
28. 前記圧電駆動装置が単層の圧電アクチュエーターである、請求項１８に記載の音響変換機。
29. 前記アクチュエーターに接続した電子駆動回路をさらに備える、請求項１８に記載の音響変換機。
30. 前記駆動回路が能動フィルター及び増幅器を備える、請求項１８に記載の音響変換機。
31. 前記駆動装置が高周波数応答を制御するために、昇圧変圧器及び前記昇圧変圧器に直列に接続した抵抗をさらに備える、請求項３０に記載の音響変換機。
32. 前記駆動回路が変換機の出力の主共振での動作を制御するために前記アクチュエーターを駆動する、請求項３０に記載の音響変換機。
33. 機械的な動きを音響エネルギーに変換する音響変換機であって：
    振動板；
    前記振動板の少なくとも１つの位置に配置された支持；及び、
    前記支持から離れた位置で前記振動板に結合したアクチュエーターを備え、
    前記アクチュエーターが前記振動板と前記アクチュエーターの結合部分の水平方向及び垂直方向の両方の位置を制御するように構成されており、前記アクチュエーターが、前記アクチュエーターの動きが前記振動板の対応する動きを生成し、前記振動板の動きが前記アクチュエーターの動きに対して増幅されるように構成されている音響変換機。
34. 前記アクチュエーターが前記振動板を各々が縁部を有する２つの区分に分割するように前記振動板に結合しており、前記支持が前記振動板の前記アクチュエーターに対して遠位の前記縁部に固定された支持部を含む、請求項３３に記載の音響変換機。
35. 前記振動板が凸状の区分及び凹状の区分を備える、請求項３３に記載の音響変換機。
36. 前記振動板が縁部を備える２つの振動板に分割されており、前記アクチュエーターが２つの振動板区分を形成するために各々が前記振動板の前記縁部に結合された圧電アクチュエーターの組を含む、請求項３３に記載の音響変換機。
37. 前記少なくとも１つのアクチュエーターが強力で、線形の短変移によって特徴付けられる、請求項３３に記載の音響変換機。
38. 前記湾曲が概略放物線状である、請求項３３に記載の音響変換機。
39. 前記変換機の音響上の圧力勾配を保持するために、前記振動板の周囲の少なくとも一部の封止をさらに備える、請求項３３に記載の音響変換機。
40. 前記少なくとも１つのアクチュエーターが圧電アクチュエーターである、請求項３３に記載の音響変換機。
41. 前記アクチュエーターが圧電バイモルフ駆動装置である、請求項３３に記載の音響変換機。
42. 前記圧電駆動装置が単層の圧電アクチュエーターである、請求項３３に記載の音響変換機。
43. 前記支持が映像用スクリーンディスプレイ上に配置され、前記振動板が前記スクリーンディスプレイから間隔を開けて配置される、請求項３３に記載の音響変換機。
44. 前記アクチュエーターが圧電駆動装置であり、前記振動板が光学的に透明の材料から形成されている、請求項４３に記載の音響変換機。
45. 前記振動板が線に沿って固定されており、前記少なくとも１つのアクチュエーターが複数の振動板の区分を形成するために各々が前記振動板に結合した複数のアクチュエーターを含む、請求項４３に記載の音響変換機。
46. 前記アクチュエーターに接続した電子駆動回路をさらに備える、請求項３３に記載の音響変換機。
47. 前記駆動回路が能動フィルター及び増幅器を備える、請求項３３に記載の音響変換機。
48. 前記駆動装置が高周波数応答を制御するために、昇圧変圧器及び前記昇圧変圧器に直列に接続した抵抗をさらに備える、請求項４７に記載の音響変換機。
49. 前記駆動回路が変換機の出力の主共振での動作を制御するために前記アクチュエーターを駆動する、請求項４７に記載の音響変換機。

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