JP3168484U - 圧電型平面スピーカー構造 - Google Patents

Abstract

【課題】フレームの発振素子への抑制効果を低減させ、発振素子の振幅が制限されることによる音圧低下を防ぎ、平面スピーカーが音域を広げることが可能となる圧電型平面スピーカー構造を提供する。【解決手段】フレーム１０、圧電アクチュエータ２０及びフレームの透かし状の配置空間に設けられる発振素子３０を備えてなり、発振素子の対向した両側が、圧電アクチュエータに固定されている。発振素子の他方の両辺とフレームとの間は、間隔を置いて設けられている。圧電アクチュエータを構成する二重モード圧電素子２１は、高変形量によって発振素子に高音圧の音を発生させ、駆動電圧の位相により制御され、発振素子の振動を調整し、共振を低減して、平らな周波数応答を作り出す。また、発振素子とフレームとが間隔をおいて設けられた両側には、軟質連絡シート４０を配置する。【選択図】図１

Description

本考案は、圧電型平面スピーカーに関わり、特に複数の二重モード圧電素子からなる圧電アクチュエータを使用して、フレーム上に固定させて、発振素子により音を発するように駆動する。更に、二重モード圧電素子によって、電圧の極性を駆動し調整発振素子の共振現象を調整して、広帯域と高音圧の音を発させる、好適な圧電型平面スピーカー製品のオリジナル設計に関する。

物体が可聴周波の振動を発して音を発する装置は一般的に、通電すると振動が発生するアクチュエータ、及び空気を振動させ、音を出力するための発振素子の二つを含んでいる。電子製品の薄型化に伴い、スピーカーも次第に小型化しており、平面スピーカーのニーズが電子製品市場の発展によって急激に増加している。しかし、従来のスピーカーは可動コイル型が主であるが、磁気回路の磁気漏れで、可動コイル型スピーカーが小型化製品の要求を満たすことができない。それゆえ、音質のよさを確保すると同時に、薄型化して電子製品の中に内蔵させるのが、新しいスピーカー製品の技術発展のポイントとなる。

圧電型平面スピーカーは、圧電素子をアクチュエータとして、アクチュエータ上に金属板を付着させ、アクチュエータの振動モードを、ベンドモードに転換して、空気を駆動して音を発させることになる。ここで、圧電スピーカーは、二枚の板状材料を密着接合してなるものであり、現在の電子製品ニーズに対応する薄型スピーカーの薄型化にとって重要な特徴となる。圧電スピーカーは、比較的に剛性の高い金属板を発振素子として使用しており、それが低音域の音声発生に不利なので、従来の圧電スピーカーには高音化の問題点が存在している。薄型化を追求するほかに、低音域の改善、広帯域化も、後続する圧電スピーカー技術発展に重要な技術課題となる。

従来の技術に関する資料を挙げると、金属の発振素子を低剛性の高分子膜に張り合わせる既有技術として、特許文献１、２が挙げられる。また、粘弾性体を使用した特許文献３も挙げられる。さらに、低剛性の発振素子に合わせた中央支持構造の特許文献４、５に掲示したようなものがある。しかしながら、低音域の音響効果が改善されるが、総厚さが増加し、やはり高音域の音質になること、そして、発振素子材料の剛性が低減すると、音圧も低下する。金属材の間に高音吸収可能な材料を挿入して、多層構造の発振素子を構成してなる既有技術は、例えば特許文献６に示すようなものが例示できる。しかしながら、これは、低音域の部分は改善されたが、複雑な構造でコストが高いものである。そして、特許文献７、８に開示されたものは、弾性支持で、発振素子の低音域振動を増加させ、導線の発振素子への圧縮応力を改善する既有技術である。この二案の構造はやはり複雑で、製品コスト削減の不利になる。また、特許文献９に掲示したのは、楕円形アクチュエータと発振素子の構造と高分子の発振素子からなる既有技術であり、低音域の音響効果を広げる効果があるが、製造は困難である。さらに、特許文献１０〜１３には、特別な外観を有する非平面の発振素子で、発振素子の等効果面積を向上する技術が開示されている。特許文献１４、１５には、非平面の圧電複合材料を用いたアクチュエータが開示されている。これらはいずれも低音域の音響効果が改善されるが、構造が複雑で、音圧が低下するという問題点が存在している。

広帯域化を要求する条件ではスピーカーは、応答周波数範囲がわりと広く、各周波数の音圧もかなり近い状態を保って、高低音を大きく起伏させないようにしている。そこで、高分子の発振素子による低音域の改善によって、高音域の音響効果が比較的に弱まる。例えば、特許文献１６には、高分子に高剛性粒子を配合して、高音域の音響効果を改善するものが開示されている。または、特許文献１７には、多孔構造を有する金属板で、金属板の剛性を低下させることにより、高音圧を向上することが開示されている。しかし、これらは、複合材料で作られた発振素子からなる従来の圧電スピーカーに類似したもので、帯域が不足するという欠点がある。

特許文献１８、１９には、振動吸収可能なダンパー材（ｄａｍｐｅｒ）で、共振で生じる大きな振幅を抑え、発振素子の共振を低減させ、広帯域化を達成させるようにするものが開示されている。しかし、多層構造に類似した設計で、構造が複雑化する欠点がある。また、特許文献２０〜２４は、電子製品に合わせるためのキャビティを設置し、圧電アクチュエータをその中の容器壁に直接に設けるものである。しかし、キャビティのサウンドボックス効果によって帯域の不足を補うが、容器壁が厚くて、生成される振動幅が限られるため、出力音圧も低くなる。

上述した従来の技術を踏まえ、より簡単な構造で、低音域の音響効果と広帯域を有する圧電型平面スピーカーを開発することが、低コストの圧電型平面スピーカーにとってポイントとなる。

それを鑑みて、考案者は関連製品に関する製造、開発と設計に携わる長年の経験を以って、上述の目標について詳しく設計、慎重に評価したうえ、実用性のある本考案を得た。

登録実用新案第３２０７１９９号公報 登録実用新案第３１４３１９８号公報 特開２０００−２０１３９９号公報 登録実用新案第２２２８１９９号公報 登録実用新案第２０３３３００号公報 国際公開第２００７／１３６１６２号 特開２０００−２１７１９５号公報 特開２００５−２９５３３９号公報 登録実用新案第３１７５８００号公報 登録実用新案第７２０３５９１号公報 登録実用新案第２５５１８１３号公報 米国特許第６８３１９８５号明細書 特開２０００−３３３２９５号公報 登録実用新案第８０８８８９８号公報 特開２００７−１９４７８９号公報 登録実用新案第８０８４３９６号公報 特開２００１−２８５９９４号公報 米国特許出願公開第２０１０／１５８２８３号明細書 登録実用新案第２２７９０００号明細書 登録実用新案第３１３９９９９号明細書 米国特許第５８２８７６８号明細書 登録実用新案第３５８９８７３号公報 特開２００３−１０２０９４号公報

本考案は、圧電型平面スピーカー構造を提供することを目的とし、解決しようとする課題は、より理想的で実用性のある新しい圧電型平面スピーカーの開発である。

本考案の課題を解決するための技術特徴を以下に説明する。まず、複数のサイドフレーム部、該サイドフレーム部の中央に設けられる透かし状の配置空間を備えてなるフレームを有しており、これは囲い枠になるように設けられる。そして、該フレームの対向した２つのサイドフレーム部には圧電アクチュエータが設けられる。そして、各該圧電アクチュエータは、等間隔に配置される複数の二重モード圧電素子で構成されている。さらに、前記フレームの透かし状の配置空間には発振素子が設けられており、該発振素子の対向した両側が前記圧電アクチュエータの二重モード圧電素子に固定される。また、該発振素子の他方の対向した両側とフレームとの間は、間隔を置いて設けられることを特徴とする該圧電型平面スピーカーである。

複数の二重モード圧電素子で構成される圧電アクチュエータを、発振素子の両側に固定し、二重モード圧電素子の高変形量によって、発振素子に高音圧の音を発させるように構成されている。そして、圧電アクチュエータを構成する二重モード圧電素子は、駆動回路によって単独で駆動され、二重モード圧電素子の駆動電圧の位相により制御される。係る制御によって、発振素子の振動を調整、発振素子の共振を低減して、発振素子に平らな周波数応答を作り出す。

更に、前記のように、発振素子のうち圧電素子と固定されていない二辺はフレームとの間に、間隔を置いて設けられている。係る部分においては、軟質弾性材料によってフレームと連結しているため、フレームの発振素子への抑制効果を低減させ、発振素子の振幅が制限されて、音圧が低下することを防ぐことができる。この設計全体により、平面スピーカーが音域を広げることができる。

本考案に係る実施例の圧電型平面スピーカーの平面図。 本考案に係る実施例の圧電アクチュエータ構造部分の拡大図。 本考案に係る実施例の圧電アクチュエータ構造断面図。 本考案に係る実施例の圧電平面スピーカーの周波数応答曲線図。 本考案に係る実施例の変形例における圧電アクチュエータ構造断面図。 本考案の二重モード圧電素子が設けられている形態図。 本考案の二重モード圧電素子の駆動電圧の位相変化による周波数応答の変化状態曲線図。 本考案のフレームの複数の囲い枠で構成される実施例図。

図１〜図３に示すのは、本考案の圧電型平面スピーカー構造の好適な実施例である。これらの実施例は説明のみに用いられるものであり、本考案はこれらの構造に制限されないものとする。

まず、硬質材（プラスチック、金属、木材、セラミックなどでよい）で構成され、囲い枠として設けられるフレーム１０がある。これは、複数のサイドフレーム部１１、１２、該サイドフレーム部１１、１２の中央に設けられる透かし状の配置空間１３を備えてなる。本実施例のフレーム１０は、四方形の囲い枠として設けられるが、それに限らず、例えば多辺形、円形などの実施形態に設けられてもよい。

該フレーム１０の対向した２つのサイドフレーム部１１には圧電アクチュエータ２０が備わり、各圧電アクチュエータ２０は、等間隔に配置される複数の二重モード圧電素子２１で構成されている。

そして、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ＰＥＩ、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）などの高分子プラスチック材の薄手シートで構成される低剛性高分子膜の発振素子３０（振動膜）が備わっている。係る発振素子３０の厚さは２０μｍ〜２００μｍの間であることが好ましい。該発振素子３０は、該フレーム１０の透かし状の配置空間１３に設けられており、発振素子３０の対向した両側が、圧電アクチュエータ２０の二重モード圧電素子２１に結合、固定されている。該発振素子３０の他方の対向した両側とフレーム１０の上、下サイドフレーム部１２との間は、間隔を置いて設けられている（図１の印Ｗを示す箇所）。

そして、図１に示すように、該発振素子３０とフレーム１０のサイドフレーム部１２との間は、間隔を置いて設けられているが、フレーム１０との間は、局所に分布している軟質連結シート４０によって接続されている（数量制限なし）。該軟質連結シート４０は、ナイロン、シリコン、ゴム、シリコンゴムなどの材料で作られる網状体または薄手シートで構成される。該軟質連結シート４０の厚さは５０μｍ〜２００μｍの間にあることが好ましい。この軟質連結シート４０の設置により、発振素子３０の中央部をその振動を制限せず、しっかりと、フレーム１０に結合させることができる。フレーム１０の囲い枠が長いほど、該軟質連結シート４０の設置が必要となる。また、該発振素子３０の長いほうに支持部がないと、周波数応答の中周波数（〜１ｋＨｚ）付近に音圧低下の現象が生じる。このため、該軟質連結シート４０の使用により、中周波数部の音圧損失を防ぐと同時に、発振素子３０の縁が宙吊りになることによる騒音の発生を防ぎ、スピーカーの歪み率を低減させることができる。ここで、使用する軟質連結シート４０として、弾性ナイロン網を使用した場合の、圧電型平面スピーカーの周波数応答を図４に示す（図中の実線で示す曲線を参照、点線で示す曲線は、該軟質連結シートを使用しないときの状態を示す）。これによれば、高音域の変化が少なく、中音域の音圧が高まり、低音域の音圧がやや低下することになる。しかし、軟質連結シート４０の使用により、周波数応答をより平らな音圧で出力させるようになっている。また、長方形発振素子３０の使用で、発振の周波数を低下させるが、両側の圧電アクチュエータ２０の駆動により、低周波の振動を生じ、低音域の音響効果があることを特徴とする該圧電型平面スピーカー （Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ｐｌａｎｅ ｌｏｕｄｓｐｅａｋｅｒ） 構造である。

図２、図３に示すように、二重モード圧電素子の片側を平行に配列する複数の凹部（条状内凹部）２２を形成するように切断し、各凹部２２の間の凸部には、シングルアーム式二重モード圧電素子２１が対向して形成されている。このように、複数の二重モード圧電素子２１を有する圧電アクチュエータ２０が構成されることを特徴とする。すなわち、本実施例の圧電アクチュエータ２０は、ブラシのように切断されている。該二重モード圧電素子２１の厚さは、２０μｍ〜２００μｍの間である。ブラシのような該圧電アクチュエータ２０の片側は、該フレーム１０の対向した２つのサイドフレーム部１１の上に固定され（図１）、アーム式構造が形成され、他方側は発振素子３０の片側に付着している。そして、電圧の駆動により、発振素子３０を振動させて音を発せることになるが、各圧電アクチュエータ２０は、並列接続されており、同じ電圧極性を印加して発振素子３０に大きな変位量を生成させるようにしている。または、特定区域のアクチュエータの駆動電圧を極性反転するように接続して、特定周波数の発振素子３０の共振を抑え、周波数応答の広帯域化を得ることもできる。これは、異なる極性の電圧を印加することにより、発振素子３０の共振現象が抑制されて、周波数応答が平坦化されるためである。

該圧電アクチュエータ２０は、二重モードの圧電振動子で構成してもよいが、大きさにより、特定の共振周波を生じる。それにより、圧電型平面スピーカーは、発振素子３０から発生される音のほかに、圧電アクチュエータ２０から発生される音がある。

図２、図３に示すのは、該二重モード圧電素子２１の具体的な構造である。金属板２１１の両面をそれぞれ圧電素子２１２に張り合わせてなるものであり、該圧電素子２１２の電気回路は並列接続に設けられている。圧電素子２１２の表面に電極２１３が設けられ、そして該圧電素子２１２は、圧電セラミック素子または圧電複合材料の薄手シートで構成されてもよい。該圧電素子２１２の厚さは、２０μｍ〜２００μｍの間であることが好ましい。

それに、該圧電アクチュエータ２０が、セラミック素子と金属板を粘着して形成される場合、高剛性の性質で生じられる音が主に高音域になる。このため、圧電アクチュエータ２０の駆動による圧電型平面スピーカーは、高周波の音圧が比較的に大きくなる。そこで、圧電型平面スピーカーの高音域の周波数応答を改善するために、圧電複合材料で作られた二重モード圧電アクチュエータを使用できる。その構造の断面図を図５に示すが、これは、もう一つの二重モードの圧電アクチュエータ２０Ｂ構造である。該金属板２１１の両面に張り合わせた圧電素子２１２は、圧電性の高い圧電複合材料シートに取って代わる。該圧電複合材料シートは、圧電セラミック素子２１４と有機高分子材料２１５（例えば樹脂）を複合してなるものである。これは、剛性が低く、該圧電アクチュエータ２０Ｂの共振周波を低下させ、薄型平面スピーカーの高音域における音圧の過大を改善できる。更に、全体の周波数応答を一致化し、音の歪みを減少させることができる。そのうえ、図５に示すように、電極２１３を圧電複合材料シート上に直接に付着させて、圧電複合材料の高圧電性を確保できる。圧電複合材料シートの圧電素子２１２における圧電セラミック素子幅の割合は、圧電複合材料シートの圧電相の含有量になるが、該含有量が高いほど、圧電複合材料シートの圧電性が高くなる。ただし、圧電複合材料シート全体の剛性も高くなるので、スピーカーの周波数応答を調整して変化する。

図６に示すように、本考案は、上下の間隔に設けられる複数の二重モード圧電素子２１Ｃからなる圧電アクチュエータ２０Ｃ、及びサイズ１００ｘ５０ｘ０．１ｍｍ^３のＰＥＩ（すなわちＰＥとＰＩのコポリマー）で作られた発振素子を使用してもよい。その周波数応答状態の変化を、図７に示す。図中の曲線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３はそれぞれ、五つの同位相、四つの同位相に一つの逆位相、三つの同位相に二つの逆位相からなる駆動方法を用いた場合を表している。隣接した二重モード圧電素子に反転位相の駆動電圧を印加することによって、周波数応答を変化させるようにする。この場合、振動方向の異なる二重モード圧電素子が含まれているため、周波数応答の音圧は、二重モード圧電素子が同位相からなる駆動した場合は最も大きいものとなる。そして、逆位相の二重モード圧電素子は、中央部に配置されているため、低音域の音圧変化に直接に影響することとなるが、高音域の部分は駆動電圧の位相変化からの影響が少ない。五つの同位相からなる二重モード圧電素子の駆動によるスピーカーは３００Ｈｚ〜２０ｋＨｚにおいては、音圧値が高くなっている。そして、使用する構造によって、圧電型平面スピーカーが広帯域化することが分かる。

図８に示すように、該フレーム１０は、複数の囲い枠からなる複数の透かし状の配置空間１３、１３Ｂで構成されている。そして、長さの異なる発振素子３０、３０Ｂを設置するために各透かし状の配置空間の長さが異なる形に設けられてもよい。長さの異なる発振素子３０、３０Ｂにより、異なる周波数応答が得られ、更に広帯域の效果が達成される。具体的に言えば、本実施例は、長さの異なるフレーム１０ユニットを接続して細長い薄型圧電型平面スピーカーになっている。そして、変化図における左右両側の発振素子３０、３０Ｂの長さに応じて、圧電型平面スピーカー全体の周波数応答状態を変化させることができる。また、複数の透かし状の配置空間１３、１３Ｂと発振素子３０、３０Ｂで生じられる周波数応答がより平坦化し、広帯域の実用的效果が得られる。

該圧電型平面スピーカーは、オーディオ、テレビ、コンピュータなどの電子製品に用いられる。そして、フレームを該電子製品のプリセットした空間に設ける。または、該圧電型平面スピーカー中のフレーム１０は、該電子製品の構造でその囲い枠を直接に構成してもよい。

１． 該複数の二重モード圧電素子で構成される圧電アクチュエータを、発振素子の両側に固定し、二重モード圧電素子の高変形量によって、発振素子に高音圧の音を発させるように構成される。そして、二重モード圧電素子は駆動電圧の位相より制御され、発振素子の振動を調整、発振素子の共振を低減して、発振素子に平らな周波数応答を作り出し、広帯域化の效果がある。また、二重モード圧電アクチュエータの高応答出力により、発振素子に低音域の音響を発させるようにしているため、高音圧と低音域の性能を兼ね備えた優れた構造になっている。このため、共振低減用吸振材料の使用は不要、吸振材料に影響される音圧の低下を避けられ、設計全体として低音域の音響と広帯域の效果を有する圧電型平面スピーカーとなる。これは、薄型化電子製品に内蔵される高音質のスピーカーとして用いられる。

２． 該発振素子とフレームとの間に、間隔を置いて設けられる該両側は、軟質弾性材料とフレームとの連結により、フレームの発振素子への抑制効果を低減させ、発振素子の振幅が制限されて、音圧低下を防ぐことができる。軟質連結シートで、発振素子の中央部を固定するようにし、発振素子が振動しているとき、その縁に支持力が不足して生じられる揺られなどを有効に避けられ、騒音や音声の歪みが減少される。

３． 圧電アクチュエータを、アーム式構造を形成するようにフレーム上に固定する構造設計としているため、電圧駆動時の発振素子からの振動変位量を向上させることができ、出力音圧レベルが高い。

４． 長さの異なる複数の発振素子を設置するために、フレームには、複数の透かし状の配置空間が設けられている構造設計である。このため、発振素子の長さを変化させることによって、圧電型平面スピーカー全体の周波数応答を変化させて、圧電型平面スピーカーの周波数応答がより平坦化し、広帯域の実用的效果が得られる。

上述の実施例に掲示したのは、本考案を具体的に説明するための内容であり、文中で特定の専門用語で説明してきたが、それらを以って本考案の実用新案範囲を制限されない。また、当該技術分野が分かる者は、本考案のコンセプトや考えを理解したうえ、その変更や改造などを行なってそれと同等な効果を得たとしても、これらの変更や改造などは、すべて後述の実用新案請求範囲に含まれるものとする。

１０ フレーム
１１、１２ サイドフレーム部
１３、１３Ｂ 透かし状の配置空間
２０、２０Ｂ、２０Ｃ 圧電アクチュエータ
２１、２１Ｃ 二重モード圧電素子
２１１ 金属板
２１２ 圧電素子
２１３ 電極
２１４ 圧電セラミック素子
２１５ 有機高分子材料
２２ 凹部
３０、３０Ｂ 発振素子
４０ 軟質連結シート

Claims (10)

1. 複数のサイドフレーム部１１、１２、前記サイドフレーム部１１、１２の中央に設けられる透かし状の配置空間１３を備えてなるフレーム１０と、
   前記フレーム１０の対向した２つのサイドフレーム部１１に設けられ、等間隔に配置された複数の二重モード圧電素子２１で構成された圧電アクチュエータ２０と、
   前記フレーム１０の透かし状の配置空間１３に設けられる発振素子３０と、が備わり、
   前記発振素子３０の対向した両側が、前記圧電アクチュエータ２０の二重モード圧電素子２１に固定されており、
   前記発振素子３０の他方の対向した両側とフレーム１０との間は、間隔を置いて設けられていることを特徴とする圧電型平面スピーカー構造。
2. 前記発振素子３０と前記フレーム１０とが、間隔を置いて設けられた部分が、局所的に軟質連結シート４０によって接続されており、前記軟質連結シート４０は、ナイロン、シリコン、ゴム、シリコンゴムなどの材料で作られる網状体または薄手シートで構成され、前記軟質連結シート４０の厚さは５０μｍ〜２００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の圧電型平面スピーカー構造。
3. 前記発振素子３０の厚さは、２０μｍ〜２００μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電型平面スピーカー構造。
4. 前記圧電アクチュエータ２０は、前記二重モード圧電素子２１の片側を平行に配列する複数の凹部２２を形成するように切断し、各凹部２２の間には、二重モード圧電素子２１が対向して形成され、複数の二重モード圧電素子２１を有する圧電アクチュエータ２０が構成されることを特徴とする請求項１乃至３に記載の圧電型平面スピーカー構造。
5. 前記二重モード圧電素子２１の厚さは、２０μｍ〜２００μｍであることを特徴とする請求項１乃至４に記載の圧電型平面スピーカー構造。
6. 前記二重モード圧電素子２１は金属板２１１の両面にそれぞれ圧電素子２１２に張り合わせてなるものであり、該圧電素子２１２は、並列接続されていることを特徴とする請求項１乃至５に記載の圧電型平面スピーカー構造。
7. 前記圧電素子２１２は、圧電セラミック素子または圧電複合材料の薄手シートが使用されているが、前記圧電素子２１２の厚さは２０μｍ〜２００μｍの間であることを特徴とする請求項１乃至６に記載の圧電型平面スピーカー構造。
8. 前記フレーム１０は、複数の囲い枠からなる複数の透かし状の配置空間１３、１３Ｂを備えてなり、各透かし状の配置空間１３、１３Ｂは長さの異なる設置形態で、長さの異なる発振素子３０、３０Ｂの設置に供されるように設けられているが、発振素子３０、３０Ｂの長さにより、周波数応答が異なり、広帯域の效果が得られることを特徴とする請求項１乃至７に記載の圧電型平面スピーカー構造。
9. 前記圧電型平面スピーカーは、オーディオ、テレビ、コンピュータなどの電子製品に用いられ、前記フレーム１０によって、それを電子製品の設置空間に設けられるようにすることを特徴とする請求項１乃至８に記載の圧電型平面スピーカー構造。
10. 前記圧電型平面スピーカーは、オーディオ、テレビ、コンピュータなどの電子製品に用いられるが、該圧電型平面スピーカーにあるフレーム１０は、該電子製品本体に、直接に設けられることを特徴とする請求項１乃至８に記載の圧電型平面スピーカー構造。

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