JP2019057787A - 圧電型平板スピーカ - Google Patents

Abstract

【課題】 ５ｋＨｚ〜２０ｋＨｚの高音領域における音圧を高くすることができ、音圧のフラット性を上げることができる圧電型平板スピーカを提供する。【解決手段】圧電型平板スピーカは、周囲が支持された平板ディスプレイ等の平板１０１と、平板１０１に対して振動伝達可能に設置された複数の圧電アクチュエータ１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄと、複数の圧電アクチュエータを電気的に駆動して圧電振動を発生させる駆動回路とを備えている。圧電アクチュエータ１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄは、いずれも平板１０１の裏面に、５ｋＨｚ〜２０ｋＨｚにおける音圧の低下を抑制するように共振周波数を分散させる性質を有するバッファ材を介して粘着剤で固着されている。【選択図】 図１

Description

本発明は、平板を複数の圧電アクチュエータにより振動させることにより音響再生を行う圧電型平板スピーカ及びその形成方法に関するものである。

従来、ディスプレイの縁部に複数の圧電振動素子を配置して表示プレートを振動させることにより音響を生じさせる圧電型平板スピーカが提案されている。従来の平板スピーカでは、高音における音圧の低下を抑制することに限界があった。

特開２０１５−２１９５２８号公報には、振動部材（圧電アクチュエータ）と表示パネルとの間に振動を調整する振動調節板を配置した表示装置が開示されている。

また実公平６−２３１１６号公報には、圧電発音体エレメント（圧電アクチュエータ）の両面に発泡ウレタンなどの弾性板を粘着性接着剤を用いて貼り合わせた圧電型スピーカが開示されている。

特開２０１５−２１９５２８号公報 実公平６−２３１１６号公報

特許文献１及び２に記載の従来技術のように、平板または表示パネルと圧電アクチュエータとの間に振動調整板や弾性板を配置して、圧電型圧電スピーカの特性を調整する技術が知られている。しかしながら従来の公知技術では、華やかさや明るさを感じさせる５ｋＨｚ〜２０ｋＨｚの高音領域における音圧の低下を十分に抑制することができなかった。また５ｋＨｚ〜２０ｋＨｚの高音領域における音圧のフラット性も上げることができなかった。

本発明の目的は、従来よりも華やかさや明るさを感じさせる５ｋＨｚ〜２０ｋＨｚの高音における音圧の低下を抑制することと音圧のフラット性を上げることができる圧電型平板スピーカを提供することにある。

本発明は、以下の手段により上記課題を達成する。本発明の圧電型平板スピーカは、周囲が支持された平板ディスプレイ等の平板と、平板に対して振動伝達可能に設置された複数の圧電アクチュエータと、複数の圧電アクチュエータを電気的に駆動して圧電振動を発生させる駆動回路とを備えている。本発明の圧電型平板スピーカでは、圧電アクチュエータが５ｋＨｚ〜２０ｋＨｚの高音領域における音圧の低下を抑制するように共振周波数を分散し、フラット性を上さげる性質を有するバッファ材を介して平板に対して振動伝達可能に接合されている。５ｋＨｚ〜２０ｋＨｚの高音領域の音は、聞く者に華やかさや明るさを感じさせる周波数帯域の音である。本発明によれば、５ｋＨｚ〜２０ｋＨｚにおける音圧の低下を抑制するように共振周波数を分散させる性質を有するバッファ材を用いたことにより、聞く者に華やかさや明るさを感じさせる音域の音圧の低下を抑制でき、音圧のフラット性を上げることができる。

バッファ材は、厚みが０．２〜０．８mmでヤング率が２７〜３０ＧＰａの板状材料であり、圧電アクチュエータとバッファ材との間及びバッファ材と平板との間に、厚みが５〜２０μｍで引張りせん断接着強さが２０ＭＰａの弾性接着剤層が形成されているのが好ましい。この数値範囲であれば、圧電アクチュエータが撓み振動するときに効率よく伸び縮みする位置に圧電アクチュエータを配置することができる。

バッファ材が、ガラスエポキシ基板の場合、接着剤層がアクリル系接着剤によって形成されているのが好ましい。アクリル系接着剤は、密着力が強く、ガラスエポキシ基板による音圧調整に影響を与えることがないという利点がある。

バッファ材は、伸び縮みの駆動力を効率良く伝えるためには、圧電アクチュエータと同じ形状寸法または圧電アクチュエータの形状寸法よりも大きい形状寸法を有しているのが好ましい。

バッファ材の輪郭形状は、バッファ材の輪郭形状が長辺と短辺を有する小判形状であるのが好ましい。これはバッファ材の輪郭形状は、圧電アクチュエータの振動モードの凸部、凹部の形状、寸法に近い方が、効率が良いためである。

バッファ材を用いる本発明の圧電型平板スピーカでは、平板に励振される複数の撓み振動の腹の位置が一致する腹重畳位置を複数選択し、選択した複数の腹重畳位置に複数の圧電アクチュエータを設置し、複数の圧電アクチュエータを電気的に駆動して圧電振動を励振し、圧電振動を平板に伝達することにより平板に振動を励振する。

本発明の圧電型平板スピーカは、本発明では、平板が励振されたときに平板に発生する複数の撓み振動の腹の位置が一致する複数の腹重畳位置から選択された複数の選択腹重畳位置に対して振動伝達可能に複数の圧電アクチュエータがそれぞれ設置されている。

選択した複数の腹重畳位置（選択腹重畳位置）は、平板の対称位置であるのが好ましい。

選択した複数の腹重畳位置（選択腹重畳位置）は、平板の横方向対称位置および平板の縦方向対称位置であるのが好ましい。

複数の圧電アクチュエータは外形が円形、楕円形、小判形、矩形であり、撓み振動を励振する。

圧電型平板スピーカの背面図である。 （Ａ）は圧電振動板の図であり、（Ｂ）は振動状態を示す図である。 平板に励振される複数の撓み振動モードの各共振周波数の振動を重畳して示した図である。 平板に設定した選択腹重畳位置を示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、バッファ材付き圧電アクチュエータの振動モードを示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、バッファ材を用いて圧電アクチュエータを平板に接合した場合と、バッファ材を用いずに圧電アクチュエータを平板に接合した場合の振動状態を示す図である。 バッファ材を用いた場合と用いない場合の出力音響特性を示す図である。 （Ａ）乃至（Ｄ）は、バッファ材を用いた場合と用いない場合の圧電アクチュエータのアドミッタンスの変化を示す図である。

以下、本発明の圧電型平板スピーカ及びその形成方法の実施の形態について、詳細に説明する。

図１は本発明の１実施例の再生帯域３００Ｈｚ〜２０ｋＨｚの圧電型平板スピーカの平面図である。１０１は液晶や有機ＥＬなどのディスプレイ、ポスターなどの周囲が支持された平板であり、この平板は縦８１０ｍｍ×横１４５０ｍｍ×厚さ０．７ｍｍのガラス板である。１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄは圧電アクチュエータであり、図２に示すように、直径８０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの金属円板に同心円状に直径７５ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの圧電セラミックを接着した輪郭が小判形状の圧電振動板からなる圧電アクチュエータを用いている。圧電アクチュエータ１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄはいずれも平板１０１の裏面に後述するバッファ材を介して粘着剤で固着されている。

平板１０１は、２点以上の箇所で固定する必要がある。具体的には、図１に示した点線Ｌ２上に位置する平板１０１の上端と下端の２点、または図１に示した点線Ｌ１の上に位置する平板１０１の左端と右端の２点、またはその両方で固定すればよい。これらの固定箇所は、振動の「基準点」となる。そして平板１０１の外周については、振動を妨げないような構造で支持をすれば、音圧を上げることができる。

また本実施の形態では、平板１０１が振動することにより、前面だけで無く平板１０１の裏面からも音が出る。裏面からの音が気になる場合には、平板１０１の裏側にケース部を作製し、平板１０１の振幅を制限しない程度のクリアランスを持たせて、吸音材を中に敷き、平板１０１の４辺をケースに固定すればよい。なおケース側に通気口が無い場合、裏面からの音圧は小さくなるが、クリアランスを持った空気室の空気がバネになり、前面からの低域側の音圧が下がる。ケース側に通気口を設けることで、クリアランス内の空気の出入りを許し、前面からの音圧を確保しつつ、吸音材で裏面からの音圧を下げるようにしてもよい。

図２（Ａ）に代表として示す小判形の圧電振動板からなる圧電アクチュエータ１０２は、図２（Ｂ）に示すように、中心からその長手方向に個別の振動をする振動モードで振動をする。そして図３（Ａ）及び（Ｂ）に示す概略断面図に示すように、圧電アクチュエータ１０２の裏面にはバッファ材１０３が接着剤または粘着剤を用いて貼り付けられている。図３（Ａ）の状態は圧電アクチュエータ中の２つの振動が互いに離れる方向の振動をしている場合（伸びの状態）であり、図（Ｂ）の状態は圧電アクチュエータ中の２つの振動が互いに近付く方向の振動をしている場合（縮みの状態）である。図４（Ａ）は、バッファ材１０３を介して圧電アクチュエータ１０２を平板１０１に接合した場合において、圧電アクチュエータ１０２に伸びを生じさせたときの概略断面図であり、図４（Ｂ）はバッファ材を介さずに圧電アクチュエータ１０２を平板１０１に直接接合したにおいて、圧電アクチュエータ１０２に伸びを生じさせたときの概略断面図である。図４（Ａ）及び（Ｂ）を比較すると判るように、バッファ材１０３を介すると、圧電アクチュエータ１０２の伸びが抑制される。

具体的に、本実施の形態の圧電型平板スピーカでは、圧電アクチュエータ１０２が５ｋＨｚ〜２０ｋＨｚの高音領域における音圧の低下を抑制するように共振周波数を分散させる性質を有するバッファ材１０３を介して平板１０１に対して振動伝達可能に接合されている。５ｋＨｚ〜２０ｋＨｚの高音領域の音は、聞く者に華やかさや明るさを感じさせる周波数帯域の音である。本実施の形態によれば、５ｋＨｚ〜２０ｋＨｚにおける音圧の低下を抑制するように共振周波数を分散させ、音圧のフラット性を向上させる性質を有するバッファ材１０３を用いたことにより、聞く者に華やかさや明るさを感じさせる音域の音圧の低下を抑制でき、音圧のフラット性を上げることができる。

なお圧電アクチュエータ１０２の厚みが０．２mm〜０．３mmの場合、バッファ材１０３としては、厚みが０．２〜０．８mmでヤング率が２７〜３０ＧＰａの板状材料を用いるのが好ましい。そして圧電アクチュエータ１０２とバッファ材１０３との間及びバッファ材１０３と平板１０１との間に、厚みが５〜２０μｍで引張りせん断接着強さが２０（ＭＰａ）のアクリル系接着剤層が形成されている。

本実施の形態では、バッファ材１０３として、ガラスエポキシ基板を用いている。そして図示しない接着剤層としては、アクリル系接着剤を用いている。

本実施の形態では、バッファ材１０３は、圧電アクチュエータ１０２と同じ形状寸法を有している。しかしバッファ材１０３は、圧電アクチュエータの形状寸法よりも大きい形状寸法を有していてもよいのは勿論である。

図５（Ａ）は、平板１０１に励振される複数の撓み振動モードの各共振周波数の振動を重畳して示したものである。図５（Ａ）において、複数の色の薄いところは振動振幅が大きい各撓み振動の共振モード（ｍ，ｎ）の振動の腹の位置がほぼ同じ位置（腹重畳位置）であることを示している。ここで、ｍは横方向の振動モードの次数、ｎは縦方向の振動モードの次数である。例えば、図１の十字に記載された横の点線Ｌ１及びＬ２上に圧電アクチュエータ１０２ａ，１０２ｂが設置されている場所（選択腹重畳位置）では、横共振モードの（ｍ９，ｎ７）、（ｍ９，ｎ９）、・・・などの複数の振動モードの振動の腹位置がほぼ一致している。従って、圧電アクチュエータ１０２ａ，１０２ｂの共振周波数を図３（Ｂ）に示す平板１０１の振動の腹の位置［共振モード（ｍ９，ｎ９）の周波数３００Ｈｚの位置：選択腹重畳位置Ｐ１］にほぼ一致させて配置した圧電アクチュエータ１０２ａ，１０２ｂを駆動すれば、平板１０１に振動モード（ｍ９，ｎ７）、（ｍ９，ｎ９）、・・・を効率よく励振することができる。

図１の十字に記載された縦の点線Ｌ２上に圧電アクチュエータ１０２ｃ，１０２ｄが設置されている場所は、横共振モードの（ｍ９，ｎ９）、（ｍ１１，ｎ１１）、・・・などの振動モードの振動の腹位置がほぼ一致している位置（選択腹重畳位置Ｐ２）である。本実施例では、圧電アクチュエータ１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄは、同じ圧電アクチュエータを使用するために、選択腹重畳位置Ｐ２に配置する圧電アクチュエータ１０２ｃ，１０２ｄの共振周波数も３００Ｈｚに設定している。本実施の形態の平板スピーカは、図示していないが、複数の圧電アクチュエータを電気的に駆動して圧電振動を発生させる駆動回路を備えている。そして、圧電アクチュエータ１０２ｃ，１０２ｄを駆動すれば、平板１０１に振動モード（ｍ９，ｎ９）、（ｍ１１，ｎ１１）、・・・を効率よく励振することができる。

図６の波形Ａは、選択腹重畳位置Ｐ１にバッファ材１０３を介して圧電アクチュエータ１０２ａ，１０２ｂおよび選択腹重畳位置Ｐ２に配置した圧電アクチュエータ１０２ｃ，１０２ｄを同時に一定電圧で周波数範囲１００Ｈｚ〜２０ｋＨｚの正弦波電圧で駆動した時の出力音響特性を示したものである。図６の波形Ｂは、バッファ材を介さずに圧電アクチュエータ１０２ａ，１０２ｂおよび選択腹重畳位置Ｐ２に配置した圧電アクチュエータ１０２ｃ，１０２ｄを同時に一定電圧で周波数範囲１００Ｈｚ〜２０ｋＨｚの正弦波電圧で駆動した時の出力音響特性を示したものである。図４から、バッファ材１０３を用いると、バッファ材１０３を用いない場合と比べて、高音域である５ｋＨｚ〜２０ｋＨｚまで音圧を大きく低下させることなく再生できていることがわかる。

その理由は、バッファ材１０３を用いたことにより圧電アクチュエータ１０２のアドミッタンスが変化することにある。図７（Ａ）は、圧電アクチュエータ１０２のみのアドミッタンスを示している。この場合、２０ｋＨｚまで正弦波電圧で駆動した時のアドミッタンスは直線的に変化する。同じ条件では、圧電アクチュエータ１０２にバッファ材１０３を貼り付けた場合のアドミッタンスは図７（Ｂ）に示すように低域側でアドミッタンスに大きな変化が現れる。図７（Ｃ）は、バッファ材１０３として０．６mm厚のガラスエポキシ基板を用いてガラスからなる平板１０１に圧電アクチュエータ１０２を貼り付けた時の圧電アクチュエータ１０２のアドミッタンスを示しており、図７（Ｄ）はバッファ材１０３を用いずに、ガラスからなる平板１０１に直接圧電アクチュエータ１０２を貼り付けた時の圧電アクチュエータ１０２のアドミッタンスを示している。図７（Ｃ）と図７（Ｄ）を比較すると判るように、バッファ材１０３を用いると、高音領域全体にアドミッタンスの変化が継続して現れる。この現象が、高音域である５ｋＨｚ〜２０ｋＨｚまで音圧を大きく低下させることなく再生できている原因であると推察される。

本実施例では、横方向対称位置である選択腹重畳位置Ｐ１に配置した圧電アクチュエータ１０２ａ，１０２ｂの共振周波数と縦方向対称位置である選択腹重畳位置Ｐ２に配置した圧電アクチュエータ１０２ｃ，１０２ｄの共振周波数を同じに設定したが、圧選択腹重畳位置Ｐ２に配置した電アクチュエータ１０２ｃ，１０２ｄの共振周波数を、振動モード（ｍ９，ｎ９）の共振周波数にほぼ一致させればより効率よく駆動することができる。また、選択腹重畳位置Ｐ１及びＰ２に配置した圧電アクチュエータ１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄの共振周波数をそれぞれ別の周波数とすることも可能である。

上記実施の形態の圧電型平板スピーカでは、一旦振動をはじめた平板１０１は圧電アクチュエータ１０２の駆動を止めたとしても、しばらく振動を続けるため、残響音として残る。そのため圧電アクチュエータ１０２の駆動を止めた後は、平板１０１の振動を急峻に減衰させる必要がある。そのためには、平板１０１に対して、粘着性制振材、ゲル等を貼付ければよい。このような対策を採ると、対策を採らない場合と比べて、残響時間を１／１０程度に抑えることができる。

本発明によれば、５ｋＨｚ〜２０ｋＨｚにおける音圧の低下を抑制するように共振周波数を分散させる性質を有するバッファ材を用いたことにより、聞く者に華やかさや明るさを感じさせる音域の音圧の低下を抑制でき、音圧のフラット性を上げることができる。

１０１ 平板
１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄ 圧電アクチュエータ
Ｐ１，Ｐ２ 選択腹重畳位置

Claims (9)

1. 周囲が支持された平板ディスプレイ等の平板と、
   前記平板に対して振動伝達可能に設置された複数の圧電アクチュエータと、
   前記複数の圧電アクチュエータを電気的に駆動して圧電振動を発生させる駆動回路とを備え、
   前記圧電アクチュエータが５ｋＨｚ〜２０ｋＨｚの高音領域における共振周波数を分散させる性質を有するバッファ材を介して前記平板に対して振動伝達可能に接合されていることを特徴とする圧電型平板スピーカ。
2. 前記バッファ材は、厚みが０．２〜０．８mmでヤング率が２７〜３０ＧＰａの板状材料であり、
   前記圧電アクチュエータと前記バッファ材との間及び前記バッファ材と前記平板との間に、厚みが５〜２０μｍで引張りせん断接着強さが２０（ＭＰａ）のアクリル系接着剤層が形成されている請求項１に記載の圧電型平板スピーカ。
3. 前記バッファ材が、ガラスエポキシ基板であり、
   前記接着剤層がアクリル系接着剤によって形成されている請求項２に記載の圧電型平板スピーカ。
4. 前記バッファ材は、前記圧電アクチュエータと同じ形状寸法または前記圧電アクチュエータの形状寸法よりも大きい形状寸法を有している請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧電型平板スピーカ。
5. 前記バッファ材の輪郭形状は小判形状であり、前記バッファ材の輪郭形状が長辺と短辺を有する小判形状である請求項４に記載の圧電型平板スピーカ。
6. 前記平板が励振されたときに前記平板に発生する複数の撓み振動の腹の位置が一致する複数の腹重畳位置から選択された複数の選択腹重畳位置に対して振動伝達可能に前記複数の圧電アクチュエータがそれぞれ設置されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の圧電型平板スピーカ。
7. 前記複数の選択腹重畳位置は、前記平板の対称位置であることを特徴とする請求項６に記載の圧電型平板スピーカ。
8. 前記複数の選択腹重畳位置は、前記平板の横方向対称位置および前記平板の縦方向対称位置であることを特徴とする請求項６に記載の圧電型平板スピーカ。
9. 前記複数の圧電アクチュエータは外形が円形、楕円形、小判形、矩形であり、撓み振動を励振することを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の圧電型平板スピーカ。