JP3794872B2

JP3794872B2 - 圧電型スピーカ

Info

Publication number: JP3794872B2
Application number: JP20212899A
Authority: JP
Inventors: 次郎中園; 茂渡辺
Original assignee: Tohoku Pioneer Corp; Pioneer Corp
Current assignee: Tohoku Pioneer Corp; Pioneer Corp
Priority date: 1999-06-11
Filing date: 1999-06-11
Publication date: 2006-07-12
Anticipated expiration: 2019-06-11
Also published as: JP2000354297A; BR0002579A; CN1277531A; CN1135903C

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電型スピーカに関し、特に超高域再生に用いられる圧電型スピーカに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、スピーカ装置の高域再生に用いられるスピーカ（ツイータ）としてダイナミック型スピーカや圧電型スピーカが知られている。
【０００３】
ダイナミック型スピーカは、例えばコーン形状を有する振動板に固定された駆動コイルを磁気回路の磁気空隙内に配し、磁気空隙内の直流磁界によって得られるコイルの電磁駆動力を機械振動として振動板に伝えることにより、振動板がこの機械振動を音響変換して放音することができる。
【０００４】
ダイナミック型スピーカは構造が簡単であり、容易に作製でき、高域再生用のスピーカとして用いれば、２０ｋＨｚまでの可聴周波数帯域をほぼ再生することができるため、可聴周波数帯域におけるオーディオ信号を良好に再生する必要がある音楽再生用のＨｉ−Ｆｉスピーカ装置を始めとして、車載用スピーカ装置や携帯用音響再生装置のスピーカ装置に広く用いられている。
【０００５】
また図５は従来の圧電型スピーカの一例を示す主要部概略断面構造図である。図５において、圧電型スピーカＰ０は、厚さの薄い樹脂等からなるコーン振動板１００のコーンつけねが円盤状の圧電素子１０１の略中央に固着され、さらにコーン振動板１００の周縁が金属や硬質樹脂等からなる片側が閉じた円筒形状のフレーム１０２の開口側の端面に固着されることにより、圧電素子１０１がコーン振動板１００自体が有する弾性によって弾性支持されている。圧電素子１０１はロッシェル塩やチタン酸バリウムなどの圧電物質による圧電効果を利用した容量性のインピーダンスからなる圧電振動子であり、ここでは円盤状のバイモルフ型の構造を有する。
【０００６】
従って、この圧電素子１０１の入力端に接続される外部入力端子にオーディオ信号に応じた電圧Ｅを印加することにより、円盤状の圧電素子１０１の周縁を振動固定端とする圧電物質全体が半径方向に伸び縮みすることにより円盤の中心軸方向に沿って振動するので、コーン振動板１００に支持された圧電素子１０１のこの振動を駆動源としてコーン振動板１００が駆動されることにより当該コーン振動板から音響放射が行われる。
【０００７】
このように圧電型スピーカＰ０はダイナミック型スピーカと同様に構造が簡単であり、容易に作製でき、高域再生用のスピーカとして用いられる。
なお圧電型スピーカＰ０は、圧電素子１０１がコーン振動板１００と共に振動するので、周縁が固定されたコーン振動板１００の質量に圧電素子１０１の質量を加えたものが振動系の質量となる。
【０００８】
また、スピーカ装置にオーディオ信号を供給するためのオーディオソース側においては、使用者が音楽再生を楽しむためにはオーディオソースに記録された記録信号は２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚの可聴周波数帯域が再生可能な信号であることが望ましく、これに対応して上記可聴周波数帯域内の再生音圧周波数特性をフラットにすることのできる音楽再生用のＣＤ（コンパクトディスク）がオーディオソースとして実用に供されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、現実には、生の演奏音楽には可聴周波数帯域を超える超高域成分が含まれる場合が多いことから、近年、オーディオソースやスピーカ装置を用いた再生装置によってより原音に忠実に音楽再生するためには可聴周波数帯域を超える超高域成分も含めて音楽再生する必要があるとの見方がなされつつある。
【００１０】
上記に対応してオーディオソース側では、可聴周波数帯域を遥かに超えた１００ｋＨｚ近くの超高域成分まで再生可能な音楽再生用の光ディスクが検討されている。そのため、上記光ディスクの記録信号を良好に再生する上で、スピーカ装置側においてもツイータは超高域まで再生できることが望ましい。
【００１１】
上述したダイナミック型スピーカを用いて高い周波数帯域（高音域）まで再生するには、高域限界周波数（ｆＨ）を高くして質量制御領域を超高域まで拡大する必要がある。高域限界周波数は以下に示す式、
ｆＨ＝（１／２π）×（（１／ｍ１＋１／ｍ２）Ｓｈ）１／２
によって表される。
【００１２】
ここで、ｍ１は振動板の質量であり、ｍ２はコイルの質量である。また、Ｓｈはいわゆる振動板のコーンつけね付近のスチフネスであり、以下に示す式、
Ｓｈ＝πＥｈｃｏｓ^２θ／ｓｉｎθ
によって表される。
【００１３】
ここで、Ｅはヤング率であり、ｈはコーンつけねの厚さであり、θはコーンつけねの半頂角である。
【００１４】
この式からわかるように、高域限界周波数は、振動板やコイルの質量が小さいほど高くなるので、振動板の口径を小さくすると共に、コーンのつけね付近のスチフネスをできるだけ大きく、また、コイルの質量をできるだけ小さくするほうがダイナミック型スピーカの高音域における再生周波数帯域を拡大する場合に有利となる。
【００１５】
しかし、従来のダイナミック型スピーカでは、Ｓｈ、ｍ１、ｍ２、はいずれもその値に限りがあり、高域限界周波数を超高域まで高くして再生周波数帯域の高域限界側を１００ｋＨｚ近くまで拡大することが極めて困難であった。
【００１６】
また、ダイナミック型スピーカは、高域限界周波数以上では、振動板が分割振動しながら音響放射する分割振動領域となり、この領域では、振動板は円周方向に分割振動することによりコーンつけね付近の領域のみがコイルと共に振動するので、振動系の質量に含まれる振動板の質量がその分軽くなり高域感度が上がり、再生周波数帯域の高域が少し伸びることとなるが、その場合においても振動系の質量には音響放射に直接寄与することのないコイルの全質量が依然として含まれるのでその分感度が上がらず、その結果、高い音圧レベルを得るには限界があった。
【００１７】
また、上述したダイナミック型スピーカは、周波数が高くなるにつれてコイルのインダクタンスが上昇するので超高域では十分な音圧レベルが得られない。
【００１８】
このように、ダイナミック型スピーカでは、可聴周波数帯域を超える超高域ではコイルのインダクタンスが上昇するため入力側からみたインピーダンスが増加し大きな駆動力が得られないことと、振動板やコイル等による振動系の軽量化（特にコイルの軽量化）に限界があることから高域限界周波数を超高域まで伸ばすことができないといった問題がある。
【００１９】
また、ダイナミック型スピーカの特殊な例として金属箔からなる振動板を直流磁界内に配して直接電流を流して電磁駆動させる全面駆動型のリボンツイータがある。これは振動板が即ちコイルをなしているので、振動系を軽量にすることができ、また、超高域におけるインダクタンスの上昇も抑えることができるので再生周波数帯域を超高域まで伸ばすことが可能であるが、振動板を配するための広い磁気空隙を有する磁気回路が必要となる。その結果、振動板を駆動させるために必要な駆動力を得るための磁束密度を空隙内に確保するためには振動板に比して巨大な磁石が必要となり、その結果、ツイータとしては極めて高価なものとなってしまう。
【００２０】
また、上述した圧電型スピーカはダイナミック型スピーカと異なり振動系にコイルを用いていないので、超高域においてインダクタンスの上昇はなく、また、振動系にコイルを用いていない分コーンつけねの半頂角θを小さくすることが容易な為、その点では超高域再生する上では有利であるが、スピーカ動作時には、圧電素子が振動中のコーン振動板に常に弾性支持された状態にあるので、高域限界周波数はダイナミック型スピーカと同様にコーン振動板の質量と圧電素子の質量全体によって規制されてしまう。そのため、高域限界周波数を超高域まで高くして再生周波数帯域の高域限界側を１００ｋＨｚ近くまで拡大することが極めて困難であった。
【００２１】
本発明は、上述の問題点に鑑みなされたものであり、簡単な構造で可聴周波数帯域を遥かに超えた超高域まで良好に再生することのできるスピーカ装置を提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前述した目的を達成するために、以下の特徴を有するものである。一つには、振動板に連結固定された圧電素子を駆動する圧電型スピーカにおいて、前記振動板の周縁が連結される開口側端部を有するフレームの底面に、前記圧電素子と共に共振回路を構成する空芯コイルが固定され、前記圧電素子の周縁が前記空芯コイルの円筒上部に固定されていることを特徴とする。
【００２３】
また、一つには、前述した特徴を有する圧電型スピーカにおいて、前記振動板はコーン振動板であって、該振動板の中央部に形成されたコーンのつけねの先端部分の半頂角を極小とし、該先端部分が前記圧電素子の一方面の略中央部分に固着されていることを特徴とする。
【００２４】
また、一つには、前述した特徴を有する圧電型スピーカにおいて、前記振動板の周縁は、粘着性を有する弾性部材を介して前記フレームの開口端部に固定されていることを特徴とする。
【００２５】
また、一つには、前述した特徴を有する圧電型スピーカにおいて、前記圧電素子は、円盤状のバイモルフ型圧電素子からなることを特徴とする。
【００２６】
また、一つには、前述した特徴を有する圧電型スピーカにおいて、前記空芯コイルは、１次側コイルと２次側コイルが同軸円筒状に巻かれてトランス結合された一対のコイルであり、１次側コイルの両端に外部入力端子が接続され、２次側コイルの両端に前記圧電素子が接続されることを特徴とする。
【００２７】
このような特徴を有する本発明によると、圧電素子と振動板をフレームより個々に固定支持するとともに、振動板の中央部に連結固定された圧電素子を駆動することにより圧電素子を振動させてその振動を振動板に伝えて振動板を振動させて振動板から音響放射するようにしたので、振動系の質量は、ほぼ圧電素子の質量分だけ軽くなり、殆ど振動板の質量に等しくなって、音圧レベルが上がると共に、高域限界周波数が１００ｋＨｚ付近の超高域まで伸び、再生周波数帯域の高域限界側が１００ｋＨｚ近くまで拡大する。
【００２８】
また、圧電素子は、圧電素子の周縁が空芯コイルの円筒上部に固定されることでフレームに固定支持されるように構成したので、圧電素子の電極を空芯コイルに短いリード線によって接続することができ、リード線の配線による抵抗損失が少なくて済む。
【００２９】
また、振動板はコーン振動板であって、該振動板の中央部に形成されたコーンのつけねの先端部分の半頂角を極小とし、該先端部分が前記圧電素子の一方面の略中央部分に固着されているので、前述の特徴と併せて、超高域再生する上で有利になる。
更には、振動板の周縁は、粘着性を有する弾性部材を介してフレームの開口端部に固定されているので、コーン振動板が可聴周波数帯域を超える超高域において振動板内を中央部から周縁に向かって伝播する振動の周縁における反射を弾性部材が制振することができ、超高域における再生音圧周波数特性に極端なピークディップを生じること無く良好に再生することができると共に、フレーム中心軸方向に適度な粘性を有して移動自在に支持されるため、圧電素子が駆動されて振動する場合の圧電素子の振幅を抑圧することなくコーン振動板の振幅として伝えることができ、圧電型スピーカとしては、圧電素子を駆動する場合の振幅ロスが生じないので感度が上がり、高い音圧レベルを得ることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の好適な実施の形態について図をもとに以下に説明する。
【００３１】
図１は、本発明の第１の実施形態における圧電型スピーカＰ１の概略構造図である。なお、図１において、圧電型スピーカＰ１の各構成中、先の図５で示した構成部分と同等の部分については同一の符号を付してあり、ここでは、その詳細な説明は重複するので省略する。
【００３２】
圧電型スピーカＰ１は、圧電素子１０１と、コーン振動板１と、空芯コイル２と、弾性部材３と、フレーム１０２を備えて構成される。
【００３３】
コーン振動板１は、樹脂により形成された厚さの薄いコーン形状の振動板であり、その周縁がフレーム１０２の開口側の端面に弾性部材３を介してフレーム１０２に連結支持される。
【００３４】
また、コーン振動板１の中央部に形成されたコーンのつけねの先端部分は、圧電素子１０１の一方面の略中央部分に固着されている。これにより圧電素子１０１がコーン振動板１の中央部のコーンのつけねの先端部分に連結固定される。コーン振動板１は、その中心軸Ｘが圧電素子１０１の一方面に対し垂直となるようにコーンのつけねの先端部分が該圧電素子１０１に連結している。
【００３５】
また、コーン振動板１は、コーンつけねの半頂角θが極めて小さいため、上記先端部分と圧電素子１０１とは互いに微小な面積で連結固定される。また、コーン振動板１の周縁とフレーム１０２の開口側の端面とを連結する弾性部材３は、適度な弾性と制振性を有するゲル状の樹脂からなる粘着剤（ダンプ剤）からなる。
【００３６】
圧電素子１０１は、その周縁が略円筒の固定形状からなる空芯コイル２の円筒上部に固定されている。又空芯コイル２の円筒下部はフレーム１０２の底面に固定されている。
【００３７】
以上により、フレーム１０２は、空芯コイル２を介して圧電素子１０１の周縁を固定支持することにより圧電素子１０１全体を支持するとともに、コーン振動板１の周縁を弾性部材３を介して連結支持することによりコーン振動板１全体を支持している。
【００３８】
図２は、圧電素子１０１と空芯コイル２の接続回路図を示している。
図２に示すように、空芯コイル２は、１次側のコイルと２次側のコイルが概ね１対２の巻数比で同軸円筒状に巻かれてトランス結合された一対の空芯コイルであり、１次側のコイル両端が外部入力端子に接続され、２次側のコイルの両端に圧電素子１０１が接続される。空芯コイル２は２次側のコイルと圧電素子１０１が例えば２０ｋＨｚの共振周波数を有する共振回路を構成する。
【００３９】
また、空芯コイル２は、ステップアップトランスでもあり、２次側の高インピーダンスを１次側のコイルによって４〜８オーム程度の圧電型スピーカＰ１の公称入力インピーダンスに整合させている。なお、上述したように、圧電素子１０１は、圧電素子１０１の周縁が空芯コイル２の円筒上部に固定されることでフレーム１０２に固定支持されるように構成したので、圧電素子１０１の電極を空芯コイル２の２次側のコイルに短いリード線によって接続することができるので、リード線の配線による抵抗損失が少なくて済む。
【００４０】
次に、圧電型スピーカＰ１の動作について説明する。
先ず、圧電型スピーカＰ１の外部端子にオーディオ信号に応じた入力電圧Ｅを印加すると、空芯コイル２の１次側に入力電圧Ｅが加えられ、その結果、コイル巻き数比に応じた電圧が空芯コイル２の２次側に発生し、これにより圧電素子１０１が駆動される。
【００４１】
圧電素子１０１は、周縁の振動固定端が空芯コイル２によって固定されたまま駆動電圧に応じて圧電物質全体が半径方向に伸び縮みすることにより円盤の中心軸方向に沿って振動する。その結果、圧電素子１０１の一方面の略中央部分に固着されたコーンつけねの先端部分がこの振動により駆動されてコーン振動板１が振動し、コーン振動板１から音響放射される。
【００４２】
この場合に、圧電素子１０１はその周縁が空芯コイル２を介してフレーム１０２に固定支持されているのでコーン振動板１が振動中には、圧電素子１０１の殆どの質量が空芯コイル２を介してフレーム１０２に固定支持されることとなるので、振動系の質量は、殆どコーン振動板１の質量に等しくなる。そのため、高域限界周波数（ｆＨ）を従来よりもはるかに高くすることができる。また、振動系の質量が殆ど圧電素子１０１の質量分だけ軽量となることにより音圧レベルも増す。これにより、再生周波数帯域の高域限界側を１００ｋＨｚ近くまで拡大することができる。
【００４３】
また、コーン振動板１はその周縁が粘着性を有する弾性部材３を介してフレーム１０２に固定されているので、コーン振動板１が可聴周波数帯域を超える超高域において振動板内を中央部から周縁に向かって伝播する振動の周縁における反射を弾性部材３が制振することができる。その結果、超高域における再生音圧周波数特性に極端なピークディップを生じること無く良好に再生することができる。
【００４４】
又、コーン振動板１は、その周縁が粘着性を有する弾性部材３を介してフレーム１０２に固定されているので、フレーム１０２中心軸Ｘ方向に適度な粘性を有して移動自在に支持されるため、圧電素子１０１が駆動されて振動する場合の圧電素子１０１の振幅を抑圧することなくコーン振動板１の振幅として伝えることができる。その結果、圧電型スピーカＰ１は、圧電素子１０１を駆動する場合の振幅ロスを生じないので感度が上がるので、高い音圧レベルを得ることができる。
【００４５】
図３は、圧電型スピーカＰ１の超高域における中心軸Ｘ状における再生音圧周波数特性を従来の圧電型スピーカＰ０のそれとの比較のもとに示した図である。図中、横軸は対数軸による周波数（ｋＨｚ）を示し、縦軸は音圧レベル（ｄＢ）を示している。図中の実線が圧電型スピーカＰ１の特性を示し、点線が圧電型スピーカＰ０の特性を示している。
【００４６】
同図からわかるように、圧電型スピーカＰ１は圧電型スピーカＰ０に比べ同一入力における音圧レベルが高く、高域限界周波数（ｆＨ）も１００ｋＨｚ近くまで伸びていることがわかる。その結果、再生周波数帯域の高域限界側が１００ｋＨｚ近くまで拡大する。
【００４７】
尚、上述した実施形態では、圧電素子１０１は、その周縁がフレーム１０２の底面に固定された空芯コイル２の円筒上部に固定されることにより、圧電素子１０１全体が空芯コイル２を介してフレーム１０２に固定支持されるようにしたが、本発明は、これにかぎらず、例えば、圧電素子１０１の周縁に引き出された一方の電極に空芯コイル２を連結固定されることにより、圧電素子１０１全体が空芯コイル２を介してフレーム１０２に固定支持されるようにしても良い。
【００４８】
図４は、本発明における圧電型スピーカの圧電素子１０１を空芯コイル２の一方の空芯コイル（２次側のコイル）連結固定した一例を示した図であり、この例では、圧電素子１０１の断面中央に配された一方の電極（負電極）が他方の２つの正電極及び圧電物質のよりも大きな直径を有して引き出されて形成されており、負電極の周縁が空芯コイル２に固定されている。これにより、圧電素子１０１全体が空芯コイル２を介してフレーム１０２に固定支持される。
【００４９】
又、本発明では、圧電素子１０１は必ずしも空芯コイル２を介してフレーム１０２に固定支持される必要は無く、フレーム１０２が圧電素子１０１の周縁を直接固定支持するようにしても良い。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、圧電素子と振動板をフレームより個々に固定支持するとともに、振動板の中央部に連結固定された圧電素子を駆動することにより圧電素子を振動させてその振動を振動板に伝えて振動板を振動させて振動板から音響放射するようにしたので、振動系の質量は、ほぼ圧電素子の質量分だけ軽くなり、殆ど振動板の質量に等しくなるので、従って、音圧レベルが上がると共に、高域限界周波数が１００ｋＨｚ付近の超高域まで伸びるので、再生周波数帯域の高域限界側が１００ｋＨｚ近くまで拡大する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における圧電型スピーカＰ１の概略構造図である。
【図２】圧電素子１０１と空芯コイル２の接続回路図である。
【図３】圧電型スピーカＰ１の超高域における中心軸Ｘ状における再生音圧周波数特性を従来の圧電型スピーカＰ０のそれとの比較のもとに示した図である。
【図４】本発明における圧電型スピーカの圧電素子を空芯コイルの一方の空芯コイル（２次側のコイル）に連結固定した一例を示した図である。
【図５】従来の圧電型スピーカの一例を示す主要部概略断面構造図である。
【符号の説明】
１・・・・・コーン振動板
２・・・・・空芯コイル
３・・・・・弾性部材
１０１・・・・・圧電素子
１０２・・・・・フレーム

Claims

振動板に連結固定された圧電素子を駆動する圧電型スピーカにおいて、
前記振動板の周縁が連結される開口側端部を有するフレームの底面に、前記圧電素子と共に共振回路を構成する空芯コイルが固定され、前記圧電素子の周縁が前記空芯コイルの円筒上部に固定されていることを特徴とする圧電型スピーカ。
前記振動板はコーン振動板であって、該振動板の中央部に形成されたコーンのつけねの先端部分の半頂角を極小とし、該先端部分が前記圧電素子の一方面の略中央部分に固着されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電型スピーカ。
前記振動板の周縁は、粘着性を有する弾性部材を介して前記フレームの開口端部に固定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電型スピーカ。
前記圧電素子は、円盤状のバイモルフ型圧電素子からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の圧電型スピーカ。
前記空芯コイルは、１次側コイルと２次側コイルが同軸円筒状に巻かれてトランス結合された一対のコイルであり、１次側コイルの両端に外部入力端子が接続され、２次側コイルの両端に前記圧電素子が接続されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の圧電型スピーカ。