JP3994086B2 - スピーカ - Google Patents

Description

本発明は、移動電話、パーソナル・ディジタル・アシスタント（ＰＤＡ）、およびラップトップ・コンピュータといった携帯型電子機器のためのスピーカ・システムに関するものである。より詳細には、本発明は、低周波信号または振動信号、およびより高い音響周波数信号または可聴信号を発生させる方法およびシステムに関するものである。本発明はさらに、圧電材料に基づくアクチュエータによって駆動されるそのようなシステムに関するものである。

移動通信機器およびデータ処理機器において、可聴音、ブザー音または振動の発生は、主に電磁アクチュエータによって駆動されるシステムによって処理される。

音は通常、ボイス・コイルによって駆動される小さいスピーカによって発生されるが、これらの機器に必要なトーンまたは振動を発生する信号ユニットを提供するためのリーズナブル且つ安価で効果的な幾つかの構造が発展してきた。これらは、知覚可能な振動を生成するためのアンバランスなロータを備えた小型モータと、可聴周波数で振動してトーンまたはビープ（「バズ」）ノイズを生成する小さな圧電アセンブリと、振動板（ダイアフラム）または他の音発信要素を駆動して可聴トーンまたは振動音といった音を生成する電磁ボイス・コイルまたは磁気ソレノイドを備えたスピーカなどの他のより旧式の技術を含む。現行の移動電話の多くは、振動警報、可聴警報および音声または音楽の再生に対して別々の構成要素を使用している。

また、多くの携帯型機器は「ハンドフリー」モードすなわち使用者が手を使わずに通信できるモードを有することが望ましい。ハンドフリー・モードで携帯電話を操作するためには、スピーチ・バンドと呼ばれる３００Ｈｚから３４００Ｈｚの周波数範囲に亘って高いパワー出力が必要であることが多い。現在市販されている製品のハンドフリー・モードは主として、一般的なエレクトロ・ダイナミック・スピーカまたは可動コイル・スピーカによって実現されている。

「Ａｕｄｉｏ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｏｃｉｅｔｙ（ＡＥＳ）ｆｏｒ ｔｈｅ ＡＥＳ １０８ｔｈ Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎ（パリ、２０００年２月１９〜２２日）」の予稿第５１６０号（Ａ．Ｂｒｉｇｈｔ他）は、振動警報、可聴警報、および音声または音楽の再生を単一の構成要素を用いて行う際の問題を詳細に記述している。Ａ．Ｂｒｉｇｈｔ他は、一般的なエレクトロ・ダイナミック・スピーカまたはボイス・コイル・システムに基づくこのような機器を提案している。

振動もしくは非可聴警報または可聴周波数振動を発生させる幾つかの圧電警報機器が提案されており、したがってスピーカを構成している。このような機器の例が、米国特許第５，５１４，９２７号明細書、第５，３６８，４５６号明細書、第６，０７８，１２６号明細書、および第６，１６９，２０６号明細書に記載されている。

上記に鑑みて、本発明の目的は、電子機器、特に移動電話などの携帯型電子機器用のスピーカであって、軽量且つコンパクトであり、ハンドフリー操作に十分な音を提供し、一方、耳に近づけても聞き手に有害な音を発っしないスピーカを提供することにある。本発明の他の目的は、触知または振動警報、および可聴音を発生させるための空間効率およびエネルギー効率の良い機器および方法を提供することにある。

したがって第１の観点では、本発明は、移動電話などの携帯型電子機器用のスピーカであって、電気活性アクチュエータが取り付けられる支持体を有しており、このアクチュエータが次に機器のケースの面積広域区画（ａｒｅａ−ｅｘｔｅｎｓｉｖｅ ｓｅｃｔｉｏｎ）に結合され、このケースの面積広域区画がスピーカの音発生要素として働くスピーカを提供する。

本発明のスピーカは幾つかの利点を有する。第１に、スピーカの音発生要素（例えば振動板）を、所望の大きさのケースの一部分とすることができ、それによって音を放射する大きな面積を提供することができる。これにより低周波数で高い音圧レベル（ＳＰＬ）を発生することが可能になる。第２に、音発生要素の面積は、耳道の開口の面積よりも相当に大きく、したがって直径約１ｃｍを超え、そのためスピーカを耳に近づけたときに、聞き手の耳に対して危険になるほどにエネルギー密度が高くはならない。第３に、音発生要素音はケースの一部なので別個のスピーカ振動板を備える必要がなく、これは機器の部品数を減らす。

すべての携帯型電子機器がある種のケースを含む。ケースは一般にプラスチック成形品であり、機器の薄型で軽量且つ頑丈なカバーを形成している。本発明のスピーカでは、ケースの面積広域区画が、あたかもケースから切り出されたかのようにケースの残りの部分から分離されて、スピーカの音発生要素の役目を果たす。この要素は適当な任意の形状とすることができる。要素の形状は、例えば円形、正方形、長方形または不規則形とすることができるが、機器のケースの輪郭に従った形状にすることが好ましい。音発生要素は連続した表面を構成することができ、あるいはディスプレイ、キーパッド、カメラなどといった機器の他の要素が突出するための穴または空間を含んでいてもよい。音発生要素は平担な要素とすることができるが、その剛性を向上させるために湾曲させ、あるいはドーム状にすることが好ましい。成形済みのケースから切り出すことによって音発生要素を製造することもできるが、この要素はケースの適当な開口に合うように成形された別個の製造品であることが好ましい。後者の場合、例えば質量および剛性に関連して、要素の材料およびデザインを、音発生要素としての動作のために最適化することができる。

従来のスピーカの場合と同様に、音発生要素の縁とケースの残りの部分の縁との間のギャップ、フレキシブル・シールまたはサスペンション要素によって密封してもよい。このようなシール要素は、後方へ放たれた音が前方へ放たれた音と干渉することを防ぐように機能し、さらに埃の侵入を防ぐ。しかし、本発明の好ましい実施例ではこのようなシールが設けられていない。その代わりに、このギャップがどの箇所でも２ｍｍ未満、より好ましくは０．５ｍｍ未満と、非常に小さくなるように設計されている。ギャップをこのように小さくすると、音の干渉はごくわずかになり、埃の侵入は最小限に抑えられる。シールのないスピーカはそれ自体が新規で且つ進歩性を有している。

それゆえ、本発明の第２の観点では、マウント、アクチュエータおよび音発生要素を含むスピーカであって、音発生要素とマウントの間のギャップがどの箇所でも２ｍｍ未満であり、このギャップにシールまたはサスペンション要素を有していないスピーカが提供される。

本発明の第２の観点の好ましい一実施例では、音発生要素の縁に沿ってその周囲に垂直な（またはほぼ垂直な）リップが提供される。このリップは、音発生要素の縁から機器の内部へ向かって突出している。リップの長さは、動作中の要素の最大変位と同程度か、またはそれよりも長い。そのためリップはサウンド・バフルとして機能してかなりの音響抵抗を提供し、それによって後方へ放たれた音による干渉をさらに低減する。好ましい他の実施例では、マウントの縁の周囲に対応する隣接リップが提供されて、さらに大きな音響抵抗を提供する。

本発明の第１の観点に基づく音発生要素はケースの一部である。すなわち音発生要素は機器の外面にある。別法として、機器の内部の任意の広域要素をスピーカの音発生要素として使用することができる。例えば移動電話では、この内部広域要素が、プリント回路板、バッテリ、バッテリ・ハウジングおよびキーパッドを含む。これらのうちの任意の要素を電気活性アクチュエータに接続してスピーカとすることができる。その利点は、別個のスピーカ振動板を提供する必要がなく、その結果、空間が節約できることである。従来の移動電話のスピーカでも普通におこなわれているように、ケースに適当なポートまたは穴をあけて外部に音が聞こえるようになされている。既存の内部要素を音発信要素として使用することは、それ自体が新規で且つ進歩性を有している。

それゆえ、本発明の第３の観点では、携帯型電子機器の内部の面積広域機能を有する構成要素がスピーカの音発生要素である携帯型電子機器用スピーカが提供される。

このスピーカの音発生要素は電気活性アクチュエータに結合されている。電気活性材料とは、電界に応答して形状を変える（または反対に機械的に活動化されたときに電界を発生させる）材料である。電気活性材料には、電気的に活動化されたときに膨張または収縮する圧電材料、および電界中で収縮する電気ひずみ材料が含まれる。その例は、ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）などの圧電セラミック、ＰＶＤＦ（ポリフッ化デニリデン）などの圧電ポリマー、およびＰＭＮＴなどの電気ひずみセラミックである。基本的な電気活性効果は非常に小さく、一般的な変位は、電気的に活動化させた電気活性材料のセンチメートル・サイズのブロックで、１ミクロンに満たない。したがって、本発明のスピーカのアクチュエータは、電気活性材料の単純な１材料ではなく、少なくとも１０ミクロン動くことが可能な電気活性材料と電極材料との配列である。

電気活性アクチュエータは、圧電アクチュエータ積層体または１以上のベンダといった周知の構造とすることができる。しかしアクチュエータは、例えば国際公開ＷＯ ０１／４７０４１のパンフレット（ＰＣＴ／ＧＢ００／０４９４９）およびＷＯ ０１／４７３１８のパンフレット（ＰＣＴ／ＧＢ００／０４９５３）に記載された「Ｈｅｌｉｍｏｒｐｈ」（商標）アクチュエータとして知られているタイプのアクチュエータ、または参照によって本明細書に組み込まれる本出願人の同時係属英国特許出願第０１１４６５５．４号においてスピーカに使用するものとして記載された積層リカーブ・ベンダ（ｓｔａｃｋｅｄ−ｒｅｃｕｒｖｅ−ｂｅｎｄｅｒ）型のアクチュエータであることが好ましい。このようなアクチュエータは、２０ｍｍ程度またはそれ以下の寸法（通常は少なくとも１つの寸法が数ミリメートルしかない）のコンパクトな機器であり、１００ミクロン程度またはそれ以上の変位を提供する。他のアクチュエータを使用することもできるが、それらはヒンジ式音発信要素に関連して後に説明する。

この電気活性アクチュエータの一端は音発生要素に結合され、他端は、電気信号によって活動化されたときにアクチュエータの２つの端部が互いに対して変位するように取り付けられている。音発生要素はマウントよりも動きが自由なので、活動化されると音発生要素が優先的に動く。特に、可聴信号による活動化が音発生要素を振動させ、音が発生する。

アクチュエータは、従来のスピーカの場合と同様に、音発生要素のほぼ中央に配置することができる。従来のスピーカでは、アクチュエータは通常、ボイス・コイル電磁アクチュエータである。このようなアクチュエータは、軸からずれた運動に対して非常に敏感である。これは、電気コイルが沿って前後に動く磁石におけるギャップが、十分な磁界強度の維持のために必然的に小さいためである。しかし、本発明の電気活性アクチュエータは、軸方向に正確に動くことにそれほど拘束されない。そのためアクチュエータを中心から外して配置することができる。一般に移動電話、ラップトップ・コンピュータおよびＰＤＡといった携帯型電子機器でそうであるように、空間が限定されている機器でスピーカを使用する場合に、アクチュエータを中央ではなく都合のよい場所に配置することができることは有利である。中心から外れたアクチュエータは、音発生要素が表面波モードで動作するスピーカ（別名「分散モード」スピーカ）に対しては知られているが、音発生要素がピストン・モードで動作するスピーカでのそのようなアクチュエータの使用は、それ自体が新規で且つ進歩性を有している。

それゆえ本発明の第４の観点では、ピストン・モードで動作するスピーカであって、アクチュエータが音発生要素の中央に位置しないスピーカが提供される。

先に述べたとおり、本発明の第１の観点に基づくスピーカは単一のアクチュエータを含む。これは本発明の好ましい一実施例を構成するが、代替実施例は２以上のアクチュエータを含んでいる。アクチュエータ間で負荷を分散させることができ、したがって個々にそれほど強力である必要がなくなるので、このことは有利である。さらに、比較的大きな面積の音発生要素が２か所以上で駆動されるので、音発生要素を、より堅くない設計にし、またはより堅くない材料から作ることができ、これによって重量を削減できる。さらに、２以上のアクチュエータの使用によってバランスおよび安定性が改善される。この複数のアクチュエータは、例えば音発生要素のそれぞれの端部または端部の近傍に設けた２つのアクチュエータとすることができ、あるいは長方形の音発生要素のコーナに設けた４つのアクチュエータとすることができる。あるいは、この他のいかなる数および位置のアクチュエータとすることも適当である。ピストン動作する単一の音発信要素を複数のアクチュエータを使用して駆動することは、それ自体が新規で且つ進歩性を有している。

したがって本発明の第５の観点では、複数のアクチュエータによって単一の音発信要素を駆動するスピーカが提供される。

本発明の第５の観点によるスピーカは、先に記載した電子機器で使用するのに有利である。しかし、他の用途の他のスピーカに対しても利点がある。例えば本発明のこの観点の一実施例では、複数のアクチュエータによって駆動される大面積パネルを備えた低周波スピーカ（一般にウーファ、バス・ウーファまたはサブ・ウーファとして知られている）が提供される。このパネルが１メートル×１メートル程度の寸法を有し、アクチュエータがＨｅｌｉｍｏｒｐｈ型の電気活性アクチュエータであり、アクチュエータがパネルの後ろに並べて配置されることが好ましい。アクチュエータは、その一端がパネルの背面に結合され、他端が相対的に動かないマウントに結合される。配置するアクチュエータが多いほど、１つひとつのアクチュエータはそれほど強力なものでなくとも高いＳＰＬを得ることができる。したがって５以上のアクチュエータを使用することが好ましく、１０以上のアクチュエータを使用することもできる。

本発明の他の実施例では、音発生要素が、１以上の箇所でピボットまたはヒンジによって取り付けられており、あるいは撓曲部分（ｆｌｅｘｕｒｅ）を介して取り付けられており（以下では集合的にヒンジ取り付けと称する）、１以上の箇所で動かされる。音発信要素の運動は純粋なピストン運動ではなく、すなわち、動作時、音発信要素の表面のすべての点が同じ距離を動くわけではない。ヒンジ式配置の利点は、均衡の取れた駆動が必要ないので、音発信要素の直下の領域以外の場所にアクチュエータを配置し取り付けることができることである。さらに、ヒンジは、駆動方向の不必要な剛性または抵抗なしで、非軸方向の安定性を提供する。

ヒンジ式音発信要素の最も単純な実施例は、一端がヒンジ止めされており、他端で作動される音発信要素である。本発明の第１の観点によれば、音発信要素がケースの面積広域区画である。この実施例では、エラストマー材料のビーズや撓曲部分といった単純なヒンジが、音発信要素の一端にケースを接続している。音発信要素の他端には電気活性アクチュエータの一端が接続され、アクチュエータの他端はマウントに接続される。マウントはケースの内面であることが好ましい。動作時、アクチュエータはそれ自体が接続されたほうの音発信要素の端を動かし、一方で、ヒンジに近いほうの音発信要素の端はほとんど動かない。この動きは扇子の動きにかなり似ており、押しのけ容積が円筒の角切片である。この運動は、音発信要素に平行な軸線を中心とした回転の要素を含む。他の実施例では、音発信要素の縁の線に沿って間隔をあけて配置された２以上のヒンジであって、改良された横方向の安定性を提供するヒンジが提供される。実際、音発信要素がヒンジ式であるスピーカの概念はそれ自体が新規で且つ進歩性を有している。

したがって本発明の第６の観点では、音を発生させるための音発信要素の動きが振動板に平行な軸線を中心とした回転を含むスピーカが提供される。

本発明の第６の観点の好ましい一実施例では、振動板が、ヒンジ、ピボットまたは撓曲部分によって１または複数の箇所で支持される。

本発明の好ましい他の実施例では、ヒンジが、音発信要素と一体のヒンジとして音発信要素に組み込まれる。例えば音発信要素が所定の厚さのプラスチック・シートである場合、ヒンジの働きをする１または複数のより薄い領域を設けることができる。組立ての際、音発信要素はヒンジの一方の側に取り付けられ、それによって動作時に、ヒンジのもう一方の側の材料が音発生要素として働く。このような音発信要素は例えば射出成形によって容易に製造することができる。

本発明の第６の観点の他の好ましい実施例は、移動電話などの携帯型電子機器で使用するスピーカであって、ヒンジ式音発信要素が透明であり、この要素がスクリーンを覆い、またはスクリーンとスクリーンの周囲のケースの一部を覆っているスピーカに関するものである。この配置の利点は、低周波で高いＳＰＬを生み出す大面積の音発信要素を、スクリーンをさえぎることなく配置できることである。ヒンジ式音発信要素では、スクリーンが位置する中心ではなく音発信要素の周縁にアクチュエータがあるので、ヒンジ式音発信要素は上記のような場合に特に有利である。

本発明の第６の観点の他の好ましい実施例では、ヒンジ式音発信要素が、コンピュータ、移動電話、ラップトップ、ＰＤＡなどの電子機器の内部に設けられている。この音発信要素は広域要素であり、機器のケースのすぐ下に配置することができる。ケースは、音発信要素の領域の上に設けた音を放出するためのポートを含む。あるいはヒンジ式音発信要素を機器の内側に配置し、特定の方向に音を導くようにケースの選択された領域にポートを配置することができる。

さらに、２以上のヒンジ式音発信要素をこのような機器に配置することができる。例えばバフルによって分離された機器の両端に１つずつ、計２つの音発信要素を配置し、ケースの対応する各端部に２種類の別個の音を放射するポートを設けることができる。これによってステレオ音を生み出すことができる。さらに、ＨＲＴＦ（頭部伝達関数； Ｈｅａｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を入力信号に電子的に適用することによって、音響心理学的なサラウンド音を発生させることもできる。これは、例えばラップトップおよびＰＤＡ上で映画を見るのに特に有利である。

有利には、ヒンジ部分の近くにアクチュエータを配置することによって、またはヒンジ部分を置き換えることによって、アクチュエータの小さな変位で、音発信要素の遠位端に大きな変位を引き起こすことができる。したがって、この変位の低減とともにアクチュエータの寸法を小さくすることができ、その結果、以前の機器に比べて設計を小さくすることができる。

本発明の第６の観点のこの実施例では、円筒の縦軸線に沿って延びる１つの扇形部分（ｓｅｃｔｏｒ）が除去された円筒形状を有するようにアクチュエータを形成することが好ましい。このアクチュエータは「Ｃの字」形の断面を有し、一端が支持構造体に取り付けられ、他端が、ヒンジに最も近い音発信要素の縁に力を加える。

ヒンジ式音発生要素の以上の実施例では、アクチュエータが音発生要素の近位端または遠位端の近くに配置される。しかし、このような音発生要素が、接触点から他の部分に力（動き）を伝えるのに十分な程度の剛性を有している限り、音発生要素とアクチュエータまたはその「てこ状」の延長部分との間の接触点を、音発生要素の長さおよび幅に沿って任意に選択することができる。

本発明の第７の観点では、音発生要素、ヒンジ部分および電気活性アクチュエータからなる上記の機器がフレーム要素に取り付けられる。フレーム要素は支持体にフレキシブルに取り付けられている。支持体はこれまでと同様に、携帯型機器のケースまたは外部シェルの一部とすることができ、あるいはその内側の部分としてもよい。

本発明のこの観点によれば、フレキシブルに取り付けられたフレームとスピーカ機器とが一緒になって振動要素を形成する。その結果、２自由度を有する振動系とみなしうる系が効果的に得られる。このような系は、２つの基本共振周波数を有する２つの質量と２つのばねの系としてモデル化することができる。この実施例では、音発信要素が１つの質量体であり、アクチュエータと音響インピーダンスとが一緒になって関連するばねを形成する。音発信要素、アクチュエータおよびフレームが組み合わさった塊が、第２の振動子の質量体である。第２のばねはフレームのフレキシブルなマウント（取り付け）である。

この要素の１または複数の共振周波数は、当業者には周知のさまざまな方法で調整することができる。例えば支持体とフレームとの間のフレキシブルな接続を提供している要素の剛性を変化させると共振周波数は変化する。あるいは、フレームとフレームに取り付けられたスピーカ・システムとを合わせた質量を変化させて、共振周波数を調整することもできる。このようにしてフレキシブルに取り付けられたフレームの共振周波数を２００Ｈｚ未満、好ましくは１５０Ｈｚ未満、より好ましくは１００Ｈｚ未満に選択することによって、フレキシブルに取り付けられたフレームは、スピーカ・システムから著しい音響出力を生み出さない周波数範囲で振動するように、外部駆動によって励振させることができる。原則として、励振または駆動力は、支持体とフレームとの間に取り付けられた別のアクチュエータによって提供することができるが、好ましい一実施例では、この力が、音要素を駆動する電気活性アクチュエータによって生み出される。したがってこのシステムは、スピーカが著しい音声出力を生じる周波数範囲においてフレームがあまり動かないように設計されることが好ましい。

この実施例では、共振周波数が調整され、それによって可聴周波数（すなわち２００Ｈｚよりも高い周波数）で、システムの機械的インピーダンス、剛性または慣性が、支持体に対するフレームの動きを妨げるだけの十分な大きさになるようになされている。

本発明のこれらの特徴および他の特徴は、図面を参照して示す、非限定的な実施例の以下の詳細な説明から明白となろう。全図面を通して同種の部分は同種の符号によって表されている。

図１Ａに移動電話ハンドセット１０を示す。移動電話１０は周知の構成、すなわちケース１１、タッチ・センシティブ・キーパッド領域１２、スクリーン１３およびアンテナ１４を含んでいる。スピーカ・システムは、その下の圧電アクチュエータ１６によって駆動される音発生要素または振動板として機能するケースの面積広域区画１５を含む。

アクチュエータ１６は、先に参照した特許出願に記載されているＨｅｌｉｍｏｒｐｈ（商標）アクチュエータとして知られるタイプのアクチュエータであることが好ましい。

図１Ａの移動電話１０の線ＡＢに沿った概略断面図を図１Ｂに示す。音発生要素１５は図の上部に示されており、小さなギャップ１７を挟んでケース１１と隣接している。Ｈｅｌｉｍｏｒｐｈアクチュエータ１６は、一端が振動板１５の下面に接続され、他端が、移動電話１０のケース１１の中に取り付けられた支持体１８に接続されている。アクチュエータ１６は、可聴周波数の電気振動を供給する電気回路（図示せず）に接続されている。Ｈｅｌｉｍｏｒｐｈ機器１６の電極間に発生する電界によって、機器１６は両矢印１９の方向に膨張または収縮し、それによって振動板１５が可聴周波数で振動し、音を発生する。

移動電話２０の中の本発明のスピーカの代替実施例を図２に示す。このケースでは、音発生要素２５（斜線部）が概ね円形であり、長方形の穴を有しており、そこを通してスクリーン２３が突出している。音発生要素はケース２１と同じ平面内にあり、振動板２５の下であってスクリーン２３の両側に位置する一対の積層リカーブ・ベンダ型の圧電アクチュエータ２６によって駆動される。

図３に、振動板３５の縁およびケース３１の隣接する縁が、追加の音響抵抗の働きをするリップ３９を含んでいる本発明の一実施例の破断図を示す。振動板３５はケース３１の穴の中にあり、両者の間に小さなギャップ３７がある。前と同じように、振動板３５は、一端がマウント３８に接続されたＨｅｌｉｍｏｒｐｈアクチュエータ３６によって駆動される。垂直リップ３９は、振動板３５の外縁およびケース３１の隣接する縁の周囲に延びており、そのため動作中に振動板３５が上下に動いても、ケース３１と振動板３５との間のギャップ３７は非常に小さいままである。リップは、振動板３５の下面３５１から後方へ発せられた音が、振動板３５の上面３５２から前方へ発せられた音と干渉するのを防ぐのを助ける役目を果たす。ケース３１のリップ３９が短い（または存在しない）ときでも、振動板３５のリップ３９が幅の狭いギャップ３７を維持し、したがって高い音響抵抗を維持する。

図４では、プリント回路板（ＰＣＢ）４５がスピーカの振動板の働きをする。プリント回路板４５は移動電話４０の内部機能要素の１つであり、図４にはその断面が示されている。回路板は、ケース４１の底面に位置するマウント４８の上の２つの積層リカーブ・ベンダ型アクチュエータ４６に接続されている。アクチュエータ４６は、電気的に活動化されると膨張／収縮してＰＣＢを上下に動かし、それによって音を発生させる。ケース４１の一面４１１の音発生要素４５に隣接した領域には、音が漏れるように幾つかのポート４１３が設けてある。ケースのもう一方の側４１２にポートはなく、そのため後方へ放射された音の放出が最小限に抑えられる。

図５に、本発明のスピーカのアクチュエータ５６の可能な幾つかの配置を平面図で示す。Ｈｅｌｉｍｏｒｐｈアクチュエータ５６を示したが、他の圧電アクチュエータを使用することもできる。図５Ａでは、小さなギャップ５７によってスピーカの振動板５５がケース５１（斜線部）から分離されている。Ｈｅｌｉｍｏｒｐｈアクチュエータ５６は、振動板５５の下の中心から外れた位置に示されている。このことは、振動板５５の中心の下に他の構成要素があるときに有利である。図５Ｂには、両端に１つずつ配置された２つのＨｅｌｉｍｏｒｐｈアクチュエータ５６によって振動板５５を駆動する他の実施例が示されている。図５Ｃには、振動板５５のそれぞれのコーナに１つずつ配置された４つのＨｅｌｉｍｏｒｐｈアクチュエータ５６を含む別の実施例が示されている。図５Ｄでは、本発明のスピーカ機器が円形の振動板５５を有している。振動板５５は一端が、小さなシリコーン・ゴム塊５９によってヒンジ取り付けされており、他端のＨｅｌｉｍｏｒｐｈアクチュエータ５６によって駆動される。アクチュエータ５６はケース５１と振動板５５の下にあり、一端５６１がケース５１の内面に、他端５６２が振動板５５の下面に接続されている。

図５Ｄのヒンジ式振動板機器の動作を図６に示す。振動板６５はヒンジ６９で枢着されている。このヒンジはケース６１に取り付けられており、振動板６５の周縁の一点において振動板６５とケース６１との間のギャップ６７を埋めている。振動板６５の周縁の反対側の点では、一端６６１が振動板６５に接続され、他端６６２がケース６１に接続されたＨｅｌｉｍｏｒｐｈアクチュエータ６６によって振動板６５が駆動される。Ｈｅｌｉｍｏｒｐｈ機器６６は厚さが一般に２ｍｍ以下と非常に薄く、移動機器の内部にほとんど突出しないので、これは特にコンパクトな形態のスピーカである。

図７Ａ、図７Ｂおよび図７Ｃに、活動化後の振動板７５の動きを図式的に示す。図７Ａ、図７Ｂおよび図７Ｃには図６と同様に、ケース７１、ヒンジ７９、振動板７５、アクチュエータ７６およびカップリング７６１、７６２が示されている。図７Ａでは、アクチュエータ７６がその非活動化位置にあり、振動板７５はケース７１と同じ平面内にある。図７Ｂでは、アクチュエータ７６がその伸張した位置にあり、振動板７５は、アクチュエータ側の端が持ち上げられて、ヒンジ７９を中心にして回転する。振動板７５の非活動化位置が点線によって示されている。図７Ｃでは、アクチュエータ７６がその収縮した位置にあり、振動板７５のアクチュエータ側の端がケース７１よりも下がっている。振動板７５の非活動化位置が点線で示されている。図７Ｂおよび図７Ｃの位置では、振動板が、その非活動化位置から角度α１およびα２（分かりやすくするために誇張されている）だけ移動していることが分かる。この移動は、ヒンジ７９を貫いて振動板７５の平面に平行に延びる、図面用紙の平面に垂直な軸線を中心とした回転を構成している。

図８Ａおよび図８Ａの線Ａ−Ａ’に沿った図８Ａの断面図である図８Ｂは、移動電話８０に組み込んだ図５〜図７のスピーカを示している。振動板８５（斜線部）は透明であり、スクリーン８３の上に載っている。振動板は２点８９でヒンジによって枢着されている。振動板は、一端８６１がケース８１に固定され、他端８６２が振動板８５に固定されたＨｅｌｉｍｏｒｐｈアクチュエータ８６によって駆動される。振動板８５の面積は約４０ｍｍ×５０ｍｍである。２つのヒンジ８９はシリコーン・ゴム製であり、互いに１８ｍｍ離れている。Ｈｅｌｉｍｏｒｐｈアクチュエータ８６は、円周の約３／４の円弧に曲げられた多層ＰＺＴヘリックス（すなわち螺旋形状）である。この多層ＰＺＴは、それぞれ厚さ０．３ｍｍの２層のＰＺＴ層を有し、外面および２層間に従来の電極（図示せず）を備えたバイモルフ・ベンダ（ｂｉｍｏｒｐｈ ｂｅｎｄｅｒ）構造を有している。テープ幅は２ｍｍ、らせんの直径は５ｍｍである。らせんは直径１８ｍｍの円弧に曲げられている。したがってこのスピーカは、移動電話の内部の直径１８ｍｍ、厚さ５ｍｍの空間しか占有しない。アクチュエータ８６の質量は約２．５ｇ、振動板８５の質量は約０．３ｇである。最大活動化時、先端の変位は±２００ミクロンである。アクチュエータ８６に可聴信号を入力すると、３０ｃｍの距離で、１００Ｈｚから１０ｋＨｚ超の周波数範囲に亘って約７０ｄＢの音圧レベル（ＳＰＬ）が得られる。

先に述べたとおり、Ｈｅｌｉｍｏｒｐｈアクチュエータ８６を選択したのは、基本的な電気活性効果が非常に小さいためであり、一般的な変位は、電気的に活動化させた電気活性材料のセンチメートル・サイズのブロックで、１ミクロンに満たない。しかし、他のタイプの電気活性アクチュエータを本発明の範囲内で正常に使用できることが分かっている。

この目的のため、本発明による以下の実施例のヒンジ部分は、電気活性材料を含むように修正されている。図９Ａを参照すると、図８Ａに類似のヒンジ部分の基本斜視図が示されている。この図には、ヒンジ部分の近傍のケース９１および振動板９５の部分が示されている。この例では、ヒンジ部分９９が電気活性材料の管状要素９６を含む。管状要素９６の９０度の部分がその主軸に平行に除去されており、それによって要素９６の断面はほぼＣ字形になっている。要素９６はアクチュエータの働きをする。ケース９１は、管状要素９６の第１の縁９６１に固定され、音発生要素または振動板９５は、管状要素９６の第２の縁９６２に取り付けられている。

電気活性管状要素９６の長さは２５ｍｍ、外径は４．４ｍｍ、テープの厚さは０．４ｍｍである。通電すると管状要素は、その主軸を中心に±０．３３度の角運動を生み出すことができ、そのブロッキング・トルクは３．２ｍＮｍである。図９Ｂに示すように、これによって振動板９５の遠位移動端９５１は±０．２６ｍｍ変位する。この縁部における相当する力は約０．０７１Ｎである。これは、変位±０．２ｍｍおよびブロッキング力０．０６８Ｎを有する前記のＨｅｌｉｍｏｒｐｈ駆動スピーカ・システムに匹敵する。電気活性管状要素９６および本発明の目的に適した他の電気活性回転子の例が、参照によって本明細書に組み込まれる国際公開ＷＯ ０２／１７４０８のパンフレットに詳細に記載されている。

アクチュエータ９６の質量は０．７５ｇ、振動板９５のその質量は０．２ｇである。ただし、アクチュエータ９６はヒンジに近いので、アクチュエータ９６の慣性は１．５ｇｍｍ^２、それに対して振動板９５の慣性は１６６ｇｍｍ^２である。そのため、アクチュエータ９６の機械性能は、前記Ｈｅｌｉｍｏｒｐｈ駆動スピーカ・システムと同様だが、慣性はごくわずかである。したがって、アクチュエータ９６はそれ自体の質量を駆動するのにそれ自体の力をあまり使用しない。アクチュエータの力は振動板９５を駆動するのに使用される。図９のヒンジ駆動スピーカの基本共振周波数は約２８０Ｈｚであり、したがってこのスピーカは可聴音を生み出すことができる。

図１０Ａおよび図１０Ｂに示す代替配置では、フレーム構造体１０１が振動板または音発信要素１０５を支持する。振動板１０５は遠位端１０５１および近位端１０５２を有する。振動板１０５は近位端で、ヒンジ部分１０９によって支持構造体１０１に取り付けられている。ヒンジ部分１０９は、その軸線を中心とした振動板１０５の回転運動を可能にする。

前記実施例で使用したＣ字形アクチュエータであるアクチュエータ１０６は支持構造体１０１の裏面に取り付けられ、この構造体のスリットを通して振動板１０５の近位端まで延びている。このアクチュエータは、その力を主に振動板１０５の面の方向に発揮するようになされており、それによってヒンジ１０９の軸線を中心として振動板１０５を回転させる。振動板１０５の一部およびこれから延びている部材１０５３は、アクチュエータ１０６から振動板１０５への力の伝達を向上させる小さな追加のてこを提供する。

振動板１０５はポリカーボネート製であり、その軽量を維持しつつ剛性を強化するため波形にホットプレスされている。低重量、高剛性を示す繊維強化プラスチックなどの他の材料も、本発明とともに使用するのに同様に適していると思われる。振動板１０５は、例えば軽量材料などの２つ層の間に挟まれたハニカム補強を含む、より複雑な内部構造を有することもできる。

振動板１０５は、振動板１０５の下または背後の半空間を密封する、コンプライアント性の高い縁部分１０５４を有している。この例では、シールが、薄いポリカーボネートのリップによって形成され、したがってこのシールは振動板１０５の一体部分を形成している。

このスピーカ機器の周波数応答を図１１に示す。１００Ｈｚから２０ｋＨｚの範囲の周波数（対数目盛）について振動板１０５から１ｍの距離で測定した音圧レベルＳＬＰがデシベル（ｄＢ）で与えられている。

可聴音および振動の発生に使用することができる一実施例を図１２Ａおよび図１２Ｂを参照して示す。ケース１２１およびスピーカ・システムを有する携帯電話の部分図が示されている。スピーカ・システムは、音発生要素または振動板１２５と、先に説明したＨｅｌｉｍｏｒｐｈ型の電気活性アクチュエータ１２６とを備えている。ただし、これらの図に示した機器は以前に説明した機器とは異なり、ヒンジ部分１２９が、移動機器のケースまたはシェル１２１ではなしにフレーム構造体１２８に取り付けられている。フレーム構造体は弾性要素１２８１によってフレキシブルに取り付けられている。これらの図に示した例では弾性要素は鋼ばねである。フレーム構造体の遠位端は、これまでに説明したものと同様のヒンジ部分１２８２によってケース１２１に固定されている。

ばねおよびヒンジを含むフレーム構造全体は、１自由度を有する振動系を理想的に形成している。この系は、アクチュエータ１２６を駆動することによってその共振周波数で励振される。共振周波数は、ばね１２８１の剛性および質量によって決まる。この共振は、可聴周波数（すなわち２００Ｈｚ超）におけるシステムのインピーダンスが、ベースに対するパネルの運動を妨げるのに十分なだけ長くなるように調整される。

第１のばね１２８１は、２５μｍのばね鋼片を直径１ｍｍのワイヤ・フォーマに沿って曲げることによって形成されている。この機器の共振周波数は、（手動による変位に応答した）その自由振動をレーザ変位計（ＬＤＭ）を用いて測定することによって見つけ出される。測定された周波数は６０Ｈｚであった。ばねの力／変位特性を測定することによって、ばねの剛性が２１６Ｎｍ^−１であることが分かった。元々のばねの寸法は以下のとおりである。
長さ＝５ｍｍ
幅 ＝４ｍｍ
高さ＝３ｍｍ
角度＝約３１°

この系の共振周波数（６０Ｈｚ）およびばねの剛性が分かれば、見かけの質量を求めることができる。

系の実際の質量を以下に示す。
アクチュエータ１２６の質量 ＝０．５５２ｇ
フレーム／振動板１２５の質量＝１．５４１ｇ
総質量 ＝２．０９３ｇ
見かけの質量 ＝１．５２０ｇ
質量比 ＝０．７２６

この質量比は、アセンブリの質量中心が、アクチュエータ１２６が取り付けられた端部から、振動板１２５の長さの約１／４のところにあることを示している。

この機器の周波数範囲を調整するため、市販の移動電話から得た振動構成要素の応答を、ＬＤＭおよび加速度計を使用して測定した。この機器は、回転させると力を生み出す荷重のアンバランスなロータを有する小さな電動機からなる。応答はさまざまな電圧に対して測定し、機器のターゲット周波数範囲７５〜８０Ｈｚを得た。これはしたがって元々の機器の共振周波数よりもわずかに高い。

元のばねの寸法および特性を参照することによって、約８０Ｈｚの共振を達成するのに必要な寸法を以下のように推定した。
長さ＝６ｍｍ
幅 ＝８ｍｍ
高さ＝３ｍｍ

これらのおおよその寸法のばねを製造し、機器に組み立てた。測定された共振周波数８９Ｈｚはターゲット範囲よりもわずかに高かった。そこで、０．１ｇから０．２ｇの範囲の小さな塊１２８３を、アクチュエータ１２６の近くのフレームに加えた（図１２Ｂ参照）。

これによる共振周波数の移動によって機器の共振周波数はターゲット範囲に収まった。元々の振動体（機器）と組合せ機器とにより得られる振動の大きさを定性的に比較すると、元々の機器はより多くの振動を生じるが、組合せ機器は同じオーダーの振動の大きさに留まることが分かった。

組合せ機器の性能は、調整された周波数で共振モードを示すベース・プレートに対して機器を結合することによってさらに向上させることができる。

図１３に、一体型のヒンジを有するスピーカ振動板１３５の概略平面図（図１３Ａ）および断面図（図１３Ｂ）を示す。振動板１３５は、ヒンジの働きをする２つのより薄い領域１３９を有する。ヒンジの片側に２つの取付け点１３９１が示されており、音発生領域１３５はヒンジのもう一方の側にある。Ｈｅｌｉｍｏｒｐｈアクチュエータ１３６が、ヒンジ１３９から最も遠い端のところで音発生要素１３５を駆動する。図１３Ｂには、取付け点１３９１を貫通して位置する追加の取付けピン１３９２が示されている。取付けピン１３９２およびアクチュエータ１３６はともにケース１３１の内部に取り付けられている。ケース１３１の穴は、ケースの内部から外部への音の通り道を提供する。

図１４に、ヒンジ式振動板１４５が組み込まれたステレオ・スピーカを有する移動電話１４０を示す。図示の目的上、前面は示されていない。２つのスピーカは互いに同様のスピーカであり、移動電話１４０のそれぞれの半分に１つずつ位置している。スピーカはそれぞれ、振動板１４５およびＨｅｌｉｍｏｒｐｈアクチュエータ１４６を含む。振動板１４５はそれぞれ、ヒンジの働きをする２つのより薄い領域１４９、２つの取付け位置１４９１および音発生領域１４５を含む。アクチュエータ１４６を活動化させると、音発生要素１４５が上下に「フラップ」運動し、音を発生させる。機器のそれぞれの端１４１１、１４１２には、白矢印によって示す音の放射を可能にするポート１４１３が提供されている。機器の全長の１／２のところに、スピーカが置かれた２つの区画を音響的に分離するバフル１４７が置かれている。ステレオ音の２つのチャンネルをそれぞれ一方のアクチュエータ１４６に入力すると、機器のそれぞれの端１４１１、１４１２から１チャンネルずつ、２チャンネルの音が生み出される。図１４に示した機器は移動電話だが、これを同様に、ＰＤＡ、ラップトップ・コンピュータまたはこれらの機器のスクリーン区画とすることもできる。

複数の電気活性アクチュエータを有するバス・スピーカを図１５に示す。スピーカ１５０は、Ｈｅｌｉｍｏｒｐｈ型の２０個の電気活性アクチュエータ１５６（破線で示されている）が取り付けられたフレーム１５１（斜線部）を含む。これらのアクチュエータは、その他端（自由端）が、音発生要素の働きをする軽量パネル１５５に結合されている。スピーカの常として、後方へ放射された音を吸収するために音発生要素の背後にケース（図示せず）が提供されている。あるいは、後方へ放射された音を吸収するためにパネルの背後に音吸収器（図示せず）を取り付けることもできる。パネル１５５の高さは４４ｃｍ、幅は７７ｃｍである。それぞれのアクチュエータ１５６は、円形に曲げられたヘリカル・ベンダの形態であり、らせんの直径は５ｍｍ、円の直径は５０ｍｍである。このパネルは、ポリマー発泡体など、厚さ数ミリメートル、質量約２００ｇ以下の軽量材料の広域パネルである。同時に活動化させると、アクチュエータは、最大変位±２ｍｍでパネルをピストンのように前後に運動させる。このようなスピーカから得られるＳＰＬは、２０Ｈｚ以上の低周波数で、パネルから１ｍのところで１００ｄＢである。したがって図示するスピーカは、パワフルなバス・ウーファを形成する。このウーファは、従来の可動コイル・ウーファに比べて非常にコンパクト且つ軽量である。

さらに、その優先権が主張されている２００１年６月２１日に出願した「スピーカ（ＬＯＵＤＳＰＥＡＫＥＲ）」という名称の英国特許出願第０１１５２４４．６号には、本発明を具体化するさまざまな機器および方法が記載されている。この出願は参照によって本明細書に組み込まれる。

ケースの一部分であるスピーカ振動板を有する移動電話を示す図である。 図１Ａのスピーカの断面図である。 ケースの一部分であるスピーカ振動板の代替配置を示す図である。 振動板の周囲のリップが音バフルを形成しているスピーカを示す図である。 振動板が移動電話の内部のＰＣＢであるスピーカを示す図である。 スピーカ・アクチュエータの代替配置を示す図である。 スピーカ・アクチュエータの代替配置を示す図である。 スピーカ・アクチュエータの代替配置を示す図である。 スピーカ・アクチュエータの代替配置を示す図である。 振動板がヒンジ式であるスピーカの断面図である。 図６のスピーカの動作を示す図である。 図６のスピーカの動作を示す図である。 図６のスピーカの動作を示す図である。 スピーカがヒンジ式である移動機器を示す図である。 線Ａ−Ａ’に沿ってとった図１Ａの断面図である。 圧電材料を含むヒンジ部分を有するヒンジ式音発生要素の一例の斜視図である。 図９Ａの機器の断面図である。 本発明に基づく第２の例の斜視図である。 図１０Ａの機器の断面図である。 図１０の例のｒｍｓ周波数応答のプロットである。 本発明に基づく他の機器の斜視図である。 図１２Ａの機器の側面図である。 可動フレームに取り付けられたヒンジ式音発生要素の一例の斜視図である。 図１３Ａの機器の重要な諸要素を示す図である。 ヒンジ式振動板を有するステレオ・スピーカを備えた移動電話機の斜視図である。 ヒンジ式振動板を有するバス・スピーカの透視図である。

Claims (8)

1. 支持構造体に取り付けられた音発信要素と、
   前記音発信要素を動かして音を発生させるように配置された少なくとも１つのアクチュエータと
   を有する可聴音用のスピーカであって、
   前記アクチュエータは、除去された扇形部分を有する管形状であり、また活動化されたとき、前記除去された扇形部分によって形成されるアクチュエータの端部の間で回転運動を引き起こすようになっており、
   前記アクチュエータはそれぞれの前記端部で前記支持構造体および前記音発生要素に取り付けられており、また
   前記音発信要素の動きは回転を含むことを特徴とする可聴音用のスピーカ。
2. 前記音発信要素の縁部と前記支持構造体との間のギャップが、１以上のコンプライアント・シール部材によって埋められている請求項１に記載のスピーカ。
3. 前記アクチュエータがセラミック・アクチュエータである請求項１または請求項２に記載のスピーカ。
4. 前記アクチュエータが圧電材料からできている請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のスピーカ。
5. 前記音発信要素が透明である請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のスピーカ。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか１項によるスピーカを少なくとも１つ有している携帯型機器。
7. それぞれが請求項１から請求項５までのいずれか１項によるスピーカを２つ有し、それによってステレオ音を再生することができる携帯型機器。
8. 請求項１から請求項５までのいずれか１項によるスピーカを少なくとも２つ有し、それによってステレオ音を再生することができるテレビジョン・システム。

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