JP3569529B2 - 改良形客室音声装置用圧電スピーカー - Google Patents

Description

背景
従来のスピーカは、音をよく再生できるが、大量の空間を必要とし、電力を音響パワに変換するのに非効率的な方法である。空間の要求は、膜を駆動する可動コイルが必要なために容易には減らされない。圧電スピーカが可動コイルスピーカに対する代替物としてのダイヤフラムスピーカとして提案されてきた。そのような装置が米国特許第4,368,401号においてマーチン（Martin）によって及びその後米国特許第4,439,640号においてタカヤによって記載された。両方の発明とも、円板形圧電素子をダイヤフラムに取付けることを扱っている。マーチンの装置は、支持板と圧電セラミックの間に厚い糊層（支持板の厚さの10〜50％）を用いた。タカヤは、同じことをダイヤフラムより小さいＱ係数を持ったフィルムを用いて達成している。両方の発明者とも円板形ダイヤフラムと圧電セラミック板を指定している。コンパネク（Kompamek）は、米国特許第3,423,543号において種々の形の圧電材料、例えば鉛ジルコン酸塩−鉛チタン酸塩の混合物、で作られた複数のセラミックウェーハを用いている。導電性層がウェーハの両面に貼付けられて、次に平らな板に糊付けされる。
コンパネクは、板が鋼などの導電性金属で作られのが好ましいが、表面を形成する導電層を持ったプラスチック又は紙のものであってもよいと述べている。米国特許第4,352,961号においてクマダによって論じられているもう一つのこのような装置が周波数応答をダイヤフラムに楕円のような種々の形を用いることによってさらに改良しようと試みている。彼はまたスピーカを時計の蓋及びラジオのダイヤルなどの用途に用いることができるように、ジルコニウム・チタン酸塩をドープされた透明な圧電セラミック材料でスピーカを形成することのできることを請求している。彼はまた単一層のセラミックではなく、ダイヤフラムを駆動するためにバイモルフを用いている。上述の方法のすべては圧電セラミック素子によって駆動される平らなパネルを用いているので音声の質を良くするための３次元構造を用いる試みをしていない。膜をある形式の枠に取付けてその枠に締め付けなければならない。米国特許第4,779,246号においてベイジュ（Bage）、タカヤ及びディーチュ（DieTzsch）はすべてダイヤフラムを支持枠に取付ける方法を論じている。初期の努力は、スピーカに見られる形を連想させる円錐形を駆動するために圧電セラミックを用いた。そのような装置をコンパネクの米国特許第3,423,543号及びシャフト（Schafft）の米国特許第3,548,116号及び第3,786,202号に見出すことができる。シャフトは、スピーカに用いるに適当な素子を作ることを論じている。この素子は、平形パネルスピーカより非常に複雑なものであり、低い輪郭のスピーカが必要とされる用途には不適当である。ダイヤフラムの中心を動かないように拘束するために、ベイジュの米国特許第4,079,213号は、中央支柱を持った囲いを用いている。彼は、これが節点の中央支柱の所在位置に対する軌跡を小さくするので、素子の周波数応答を改良すると主張している。この囲いは、中央支柱を支えるのに用いられ圧力逃がしに備えるための穴を持つので、音響性能を改良しない。圧電スピーカが米国特許第4,593,160号において中村によって論じられ、そこでは圧電振動子を針金によって形成された結合部材によってダイヤフラムに接続している。圧電素子を用いる薄形スピーカにおけるさらに適切な仕事が米国特許第4,969,197号においてタカヤによって論じられた。タカヤは、圧電駆動装置の運動の制限を最小にする１対のくぼみをもった２枚の対向する平面発泡プラスチック・ダイヤフラムを用いた。薄形スピーカが米国特許第5,073,946号において佐藤ほかによって論じられ、それはボイスコイルの使用含んでいた。体積消音技術が航空機の客室のための米国特許第4,562,589号においてワーナカ（Warnaka）によって論じられていた。航空機の飛行機の消音のための、構造物に取付けた加震機が米国特許第4,715,559号においてフラー（Fuller）によって論じられた。この発明は、低周波音声の消音装置のダイナミックスピーカに頼りながら、中間周波及び高周波用の平形パネルスピーカを使用することによって改良された音声再生回路を一体化することが目的である点でワーナカ及びフラーと異なっている。
発明の簡単な説明
本発明は一つの実施形態において良好な中間及び高周波（ツイータ）範囲の音声品質を作るために、自動車、トラック、航空機又はその他の客室のドア又は天井パネルに配置できるモジュールを含んでいる。追加の圧電素子又は圧電素子の曲げによって発生される電位を用いるダイナミック等化もまた本発明の追加の特徴として含まれている。本発明の一つの利点は、音の発生が客の耳に近いことである。中間範囲と高周波の音は、自動車（シートクッション、ドアパネル等）における材料によって最も容易に減衰されるので、これらの音源を聴き手に近く置くことがは認知される音の品質を改良した。単一の低周波（ウーファ）ダイナミックスピーカが高品質の音声に必要とされるすべての低音を与えるが、それは低周波は自動車（シートクッション、ドアパネル等）にある材料によって容易には減衰されないからである。この形式の音声装置は、また騒音縮小装置のダイナミックスピーカが低周波音声を与えるために用いられる消音装置にも適用できる。ここで検討された用途は、自動車に対してであるけれども、同じ方法が航空機、トラック、レジャーカー及びバスに用いることができる。
図面の説明
図１は、音声のブロック線図である。
図２は、圧線スピーカシステムを作るための表面に適用できるモジュールの図である。
図３は、客室用の一つの可能な平形パネルスピーカの設計を例示している。
図４は、客室用のもう一つの可能な平形パネルスピーカの設計を例示いている。
図５は、図３及び４に示されたパネルの設計を用いる閉体積平形パネルスピーカを示している。
図６は、２枚の圧電素子を据付けれた薄形パネルを用いる閉体積平形パネルスピーカを示している。
図７は、頑丈な枠によって支えられ、頑丈な支柱によって張力のかかった状態に保持された２枚の伸張プラスチックダイヤフラムに貼付られた圧電パッチを用いる平形パネルスピーカである。
図８は、等化へのアプローチを示す。
図９は、パネル応答の尺度として圧電素子のおいて変位によって発生される信号を用いる等化の可能な形と音声駆動装置を示している。
図10は、客室、この場合自動車、における平形パネルスピーカの設置場所を示している。
図11は、能動消音装置とパネルスピーカの一体化を示している。
図12は、航空機客室内装における圧電スピーカの取付けを示している。
発明の詳細な説明
すべてスピーカシステムは、何らかの形の増幅器を必要とする。本発明の現状は、図１のブロック線図に示された装置を用いている。音声信号１は、信号ブーストすなわち増幅を与える線形増幅器２に供給される。増幅器２の出力は、17:1の変圧器３に送られて、圧電素子４における電圧振幅を大きくする。これは、圧電素子における変位が加えられる電位に直接関係するから必要である。
図２は、作りつけ緩衝材料を持った圧電スピーカモジュールの組立体を示している。圧電素子５は、励起される表面６に直接に加えられる。緩衝材料７は、次に、この場合にパネルダイヤフラムである圧電素子に接近して置かれる。できれば、圧電素子を緩衝材料７によって取り巻くことがよい。緩衝材料を圧電素子に接近して置くことには二つの利点がある。それは、圧電を加えられる表面における共振を減少させること及びそれが外界から圧電素子を駆動するための用いられる高電圧を絶縁することである。これは、圧電素子に加えられる高電圧による電気衝撃を避けるために重要である。音声増幅器は、熱伝導性エポキシで箱８の中に埋め込められる。これは、電子部品を環境から守るだけでなく、それは、音声増幅器からの熱負荷の分布を良好にし、電気衝撃の起こる可能性を防止する。電子部品を事実上覆うカバー９が電子部品の上に置かれて、ユニットの最終シールとなる。正と負の電力端子10、11及び正と負の音声信号端子12、13は、箱の外に伸ばして示されている。緩衝材料に取付けられたカバー及び電子部品の箱の質量は、ばねにかかる基本的荷重であり、そのばねを構造の基本共振周波数の減衰を増加するように調整できる。
図３は、客室用の一つの可能な平形パネルスピーカを示している。圧電パッチ14がパネル17に貼付けられている大きな楕円形ディスクに遷移を与える小形の薄いプラスチック楕円ディスク15の形になっている結合層の中心に貼付けられている。これは、軽量発泡プラスチックパネル又は客室の内装又は内張りパネルであってもよい。これらの楕円形ディスクは、薄形パネルスピーカにおける構造共振の厳しさを小さくする助けをすると共にパネルに結合遷移を与える。パネルは、構造共振の効果をさらに弱めるために異方性材料で作られる必要がある。電気端子18が音声信号を与えるために用いられている。
図４は、客室用のもう一つの可能な平形パネルスピーカを示している。圧電パッチ19がパネル22に貼付けられている大形の楕円ディスク21の遷移を与える小さな薄形プラスチック楕円ディスク20に中心を外れて貼付けられている。これは、客室の軽量発泡プラスチックパネル又はリムもしくはライングパネルであってもよい。この楕円形ディスクは、薄形パネルスピーカにおける構造共鳴の厳しさを小さくするのを助けると共にパネルへの結合遷移を与える。圧電パッチを中心を外して置くことは構造共鳴の減少をさらに大きくする。パネルは、構造共振の効果をさらに弱めるために異方性材料で作られる必要がある。電気端子20が音声信号を与えるために用いられている。
図５は、図３及び４に示されたパネル設計を用いる閉体積閉平形パネルスピーカを示している。パネル24は、圧電素子と遷移層25の組合せを取付けられている。この体積は、４本のねじて枠に留められる薄い板26を備える箱枠で後から閉じられる。平形スピーカ30の前面図が４本のねじの場所27a、27b、28a、28b及び圧電素子と楕円形遷移層の組合せ（浮き彫りで）25を示している。パネルは、高度のコンプライアンスを与えるために各隅において固定されているだけである。パネルの４辺は、柔軟なカバー（薄いプラスチックのシート又はテープ）で密封されている。このシールは、パネルのへりの周りに巻付く圧力波の自己相殺を防止する。キャビティは、どんなキャビティ共鳴をも減衰させるファイバ・ガラス絶縁材で満たされる。
パネル24は、客室の屋根内張り又は内装の一部分であってもよく、その場合に板26は、構造体（屋根のような）であろう。この場合に、ねじと枠は、必要でなく、内装は、パネル24と板26の間の囲い又はキャビティを形成するようにへりにおいて構造物に音響的に密封されなければならない。
図６は、二つの圧電素子37、38を取付けられた薄形パネル36を用いる閉体積平形パネルスピーカを示している。この体積は、薄板39で後から閉じられて、４本のネジで枠40に結合される。平形スピーカ43の前面図が４本のねじの場所41a、41b、42a、42bと圧電素子37と38と圧電素子44と45の場所を示している。中心近くに置かれた圧電素子38は、低い方の周波数の圧力波を作る振動の奇数モードを主に励起する。固定隅に近く置かれた圧電素子37は、偶数及び奇数のモードの両方を励起して、二つの素子の組合せ効果は、より平らな周波数応答をもたらす。パネルは、高度のコンプライアンスを与えるために各隅において固定されているだけである。パネルの４辺は柔軟なカバー（薄いプラスチックシート又はテープ）で密封されている。この密封は、パネルのへりの周りに巻付く圧力波の自己相殺を防止している。キャビティはどんなキャビティ共振をも減衰させるためにファイバガラス絶縁材で満たされている。
図７は、頑丈な枠54によって支えられ、頑丈な支柱55によって張力のかかった状態に保持されている２枚の伸張プラスチック・ダイヤフラム52、53に貼付けられた圧電パッチ50、51を用いる平形パネルスピーカである。ダイヤフラムにおける張力は、圧電素子が励起されるとき音響エネルギーを増やす、とともに周波数応答を平らにするのを助けるモード密度を大きくする。２枚のダイヤフラムは、より多くの周波数成分、従ってより平らな周波数応答を発生するようにわずかに異なる寸法のものである。ゴムの絶縁体56が客室の天井57からの直接のパネル振動を絶縁するために用いられている。
図８は、等化への一つのアプローチを示している。圧電パッチ58が被振動構造体59に取付けられている。この圧電素子は、変圧器60及び１対のプッシュプル・モードにある線形電力増幅器61、62によって駆動される。小形圧電パッチ63がパネル内の強い共鳴振動を検知するためにパネルに取付けられている。この信号は、演算増幅器64によって適当なレベルに増幅され、そのレベルは、次に増幅器の入力にある入力音声信号60から差引かれる。
図９は、パネル共鳴の尺度としての圧電素子における変移によって発生される信号を用いる等化のもう一つの可能な形を持った音声駆動装置を示している。圧電パッチ66が被振動構造体67に取付けられている。圧電素子は、変圧器68と１対のプッシュプル・モードにある線形電力増幅器69、70によって駆動される。差動演算増幅器71が変圧器の２次側の信号（駆動音声信号と圧電駆動パネル共振によって発生される信号の両方）をピックアップするために用いられている。増幅器71の利得は、音声信号の入力レベルに組合せ信号のスケールを戻すための値に設定されている。追加の差動演算増幅器72が入力音声信号73を差引くために用いられて、残りの信号が圧電素子によって発生された電気信号で形成されるようにする。圧電素子によって作られたどの有意の信号も強いパネル共振の結果である。この信号は、パネルの周波数応答にあるピークを減らすために音声駆動信号から差引かれる。
図10は、客室、この場合には自動車、における平形パネルスピーカの場所を示している。四つの中間範囲パネル74、75、76、77が自動車の屋根内張りの中、すなわちそれの形の一部分として、及び各ドア78、79の中にできれば一つ置かれる。数対のツイータ80、81、82、83もまた屋根内張り内、すなわちそれの形の一部分として、置かれている。ツイータ84もまた図に示された客室枠の側面に置くことができる。この構成の利点は、音が乗客の耳に近く発生されることである。中間範囲及び高周波の音は、自動車内の材料（シートクッション、ドアパネルなど）によって最も容易に減衰されるので、これらの音源を聴く人に近く配置することが認識される音の質を改良した。単一の低周波（ウーファ）ダイナミックスピーカが高品質の音声に必要なすべての低音を与えるが、それは自動車内の材料（シートクッション、ドアパネルなど）によって容易には減衰されないからである。もう一つの実施形態においては、圧電駆動平形スピーカは、客室の内装又は内張りの選択された領域を駆動する圧電素子から成っている。
図11は、能動消音（ANR）装置を備える客室用のシステムである。ANR装置86は、マイクロホン及びスピーカのうちの少なくとも一つから成っているが、できれば、多数のマイクロホン87、88、89及び低周波ダイナミックスピーカ90、91、92から成るのがよい。音声装置93は、低周波音声のためのANR装置内のスピーカ、平形パネル中間範囲のスピーカ94、95、96、97及び平形パネルツィータ98、99、100、101を用いるであろう。この装置は、中間範囲と高周波の音源のより良い配置から生ずる改良された音声性能を消音装置に追加するという利益を与える。
図12は、航空機客室内装における圧電スピーカの設置を示している。この特定の用途においては、スピーカは、PA（客室放送）装置の一部分として用いられている。圧電素子102、103は、高周波音声を作るために内装の固い部分に置かれている。圧電素子104、105は、内装のもっと薄くて柔軟な部分に置かれて、低周波及び中間範囲周波の集合音を作り、下側、中間及び上側範囲の周波数の音を内装の振動している間に、すなわち電位が圧電素子に加えられるとき、作り得るようにしている。PA装置と結合されるとき、音声がPA装置107から伝えられるとき、クロスオーバ回路106が音声を高周波成分と低周波成分に分割するのに用いられる。
圧電材料が結晶などの天然産結晶質材料、人造結晶体及びその他の材料、フィルム及びフォームを含むプラスチック材料のような様々な形で存在する。すべてのこれらの材料は、本発明の一部分として考慮されている。さらに、圧電材料がトランスジューサを形成するのに適当に用いられる薄板状又は板状材料の例として用いられているに過ぎない。そのようなその他のトランスジューサは、磁歪トランスジューサ、電磁トランスジューサ、静電トランスジューサ、マイクロモータなどを含んでいてもよい。
前述のことは発明の原理の例示に過ぎないとして考慮される。さらに、多数の改造及び変化を当業者に容易に思い付くので、本発明を図示し説明した正確な構成及び動作に限定することを望まない、従ってすべての適当な改造態様及び等価態様を本発明の範囲に入ると分類し直してもよい。

Claims (15)

1. 加えられた電位による変位を受け上面と下面を有する圧電素子と、圧電素子によって駆動され、圧電素子の下面に結合されるパネルダイヤフラムと、パネルダイヤフラム内の構造共振を減少させ、圧電素子を囲んでそれを電気的に絶縁する緩衝手段と、入力音声信号を受けて前記信号を増幅する手段であり、圧電素子に電気的に接続されてそれに電位を加え、前記圧電素子の上面の上方に置かれ、前記緩衝手段によって支持されている電子装置と、前記緩衝手段によって支持され、電子装置と圧電素子の上面を覆う手段と、を備え、前記覆う手段、前記電子装置及び前記緩衝手段はスピー力装置モジュールの共鳴を減衰させるように整調可能であるスピーカ装置モジュール。
2. 圧電素子とパネルダイヤフラムの中間に取り付けられて位置決めされた少なくとも一つの結合層をさらに備える請求項１に記載のモジュール。
3. 前記少なくとも一つの結合層が楕円形ディスクの形になっている請求項２に記載のモジュール。
4. 第１の層が第２の層の上に置かれ、両方の層が圧電素子とパネルダイヤフラムの中間に配置された２枚の結合層をさらに備える請求項１に記載のモジュール。
5. パネルダイヤフラム内の共鳴振動を検知し、前記信号を増殖されるべき信号に変換し、前記増幅された信号を前記入力音声信号から差引くダイナミック等化手段をさらに備える請求項１に記載のスピーカ装置モジュール。
6. 前記ダイナミック等化手段がパネルダイヤフラムに取付けられ、パネルダイヤフラム内の共鳴振動を検知して前記振動を信号に変換する第２の圧電素子を備える請求項５に記載のスピーカ装置モジュール。
7. 前記ダイナミック等化手段が、第１の圧電素子によって作られパネルダイヤフラム内の共鳴振動の結果であるすべての電気信号を検出するための手段を備える請求項５に記載のスピーカ装置モジュール。
8. 前記電子手段が入力音声信号を増幅するプッシュプルモードで動作する１対の線形電力増幅器を備える請求項５に記載のモジュール。
9. 請求項１のスピーカ装置モジュールに加えてパネルダイヤフラムの上面、少なくとも一つの結合層及び圧電素子を覆う閉じた平形箱枠をさらに備える閉平形パネルスピーカモジュール。
10. パネルダイヤフラムの上面に取付けられた第２の圧電素子をさらに備える請求項９に記載のモジュール。
11. 圧電素子とパネルダイヤフラムの中間に取付けられて位置決めされた少なくとも一つの結合層をさらに備える請求項９に記載のモジュール。
12. 前記結合層が楕円形ディスクの形になっている請求項11に記載のモジュール。
13. 第１の層が第２の層の上に置かれ、両方の層が圧電素子とパネルダイヤフラムの中間に配置された２枚の結合層を構成する請求項11に記載のモジュール。
14. 上面と下面を有する支持枠と、
    前記支持枠によって支持され、振動させられると音を発生することができ、一つは前記支持枠の上面に取付けられ、他方は前記支持枠の下面に取付けられた２枚の異なる寸法のダイヤフラムと、前記２枚のダイヤフラムの間に設置されて、前記２枚のダイヤフラムを張力のかかった状態に保持する剛性支柱と、別々の圧電素子を各ダイヤフラムに取付けてダイヤフラムを駆動する二つの圧電素子とを含む請求項９に記載のモジュール。
15. 請求項９による少なくとも一つの中間周波平形スピーカと、請求項９による少なくとも一つの高周波平形スピーカと、複数のマイクロホンと低周波ダイナミックスピーカを備え、客室内の不必要な暗騒音を低減する手段とを備え、前記ダイナミックスピーカがまた所望の低周波音声再生のために用いられている客室用スピーカ装置。

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