JP4015565B2

JP4015565B2 - 超高域再生用スピーカ

Info

Publication number: JP4015565B2
Application number: JP2003016510A
Authority: JP
Inventors: 祥司田中
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-01-30
Filing date: 2003-01-24
Publication date: 2007-11-28
Anticipated expiration: 2023-01-24
Also published as: JP2003299194A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は１００ｋＨｚに及ぶ超高音の再生を行うスピーカに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＤＶＤオーディオ及びスーパオーディオＣＤのような高品位、超広帯域ソースを記録する記録媒体が市場に広がってきた。これらのソースを再生するために、約１００ｋＨｚの超高音域まで再生が可能なスピーカ（いわゆるツィータやスーパツィータ）が求められてきている。ＤＶＤオーディオ及びスーパオーディオＣＤのような記録媒体並びにそれらの再生装置の低価格化に伴い、単品コンポーネント又は小型ステレオの要素として、超高域まで再生できる安価なスピーカが求められている。
特開２０００−３３３２９５号公報に、外周部がフレームに支持された円錐型振動板と、円錐型振動板の頂部に連結されたモノモルフ型圧電セラミック振動子と、を有する従来例１のスピーカが記載されている（同公報の図５）。
上記公報に、フレームと、フレームに外周部が接着固定された円錐型振動板と、円錐型振動板の内周部と接するドーム型振動板と、ドーム型振動板の外周部に接着された圧電素子と、を有する従来例２のスピーカが記載されている（同公報の図６）。
上記公報に、圧電セラミック振動子に振動板を取り付けた構造を有する、従来例１及び２と比べて性能の改善された従来例３の高音用スピーカが開示されている（同公報の図１）。
【０００３】
図１４〜図１６を用いて従来例３の高音用スピーカを説明する。図１４は従来例３の高音用スピーカの構造を示す図である。
図１４において２１は圧電セラミック振動子、２２はフレーム、２３はドーム型振動板、２４は孔、２５は固定部材である。
圧電セラミック振動子２１は、円環状のセラミック圧電素子であり、両面に銀電極が設けられ、厚さ方向に分極されている。圧電セラミック振動子２１は、内周部において弾性体の固定部材２５を介してフレーム２２に固定されている。圧電セラミック振動子２１は、径方向に伸縮し、全周にわたって均一に振動する。厚さ３５μｍのポリエーテルイミドフィルムで形成された直径２０ｍｍのドーム型振動板２３は、圧電セラミック振動子２１の外周部に接着固定されている。ドーム型振動板２３は、圧電セラミック振動子２１の径方向の振動を上下振動に変換する。上記構造により、従来例３の高音用スピーカは、広い放射面積と、高い音圧レベルと、円錐形状の振動板等を用いた場合に比べて乱れが少ない音圧周波数特性と、を実現した。図１６に従来例３の高音用スピーカの音圧周波数特性（横軸が周波数で縦軸が音圧である。以下、同じ。）を示す。従来例３の高音用スピーカは、２０ｋＨｚ以下の周波数帯域を有する従来のソースを再生する上で、十分な性能を発揮した。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−３３３２９５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来例３の高音用スピーカにおいては、円環状の圧電セラミック振動子２１が内周部で固定され、その対極である外周部に振動板２３が取り付けられている。図１５（ａ）〜（ｃ）は、内周部を固定した円環状の圧電セラミック振動子の３つの振動モードを示す図である。図１５（ａ）〜（ｃ）の上側の図は振動している圧電セラミック振動子２１の平面図である。図１５において、（ａ）は第１次（基本周波数）モード、（ｂ）は第２次節円モード、（ｃ）は第３次節円モードを示す。ハッチングをした部分はハッチングしていない部分と逆方向に変位していることを表している（ハッチングをした部分とハッチングしていない部分との境界が振動の節である。）。
【０００６】
図１５（ａ）〜（ｃ）の下側の図は圧電セラミック振動子の変位の様子を表している（振動振幅を縦軸で表示している。圧電セラミック振動子は、実際には径方向に振動する。）。図１５に示すように、ドーム型振動板２３が接続される圧電セラミック振動子２１の外周部は、全ての振動モードにおいて腹となる。圧電セラミック振動子２１の振動は、外周部のみにおいてドーム型振動板２３に伝達される。そのため、従来例３の高音用スピーカは構造上共振を起こし易い。そのため、従来例３の構造によれば、音圧周波数特性のピークディップが非常に大きくなる。図１６に示すように、従来例３の高音用スピーカは、その音圧周波数特性において約２７ｋＨｚ近傍に大きなピークを有する。
【０００７】
円形の圧電セラミック振動子をそのまま用いた高音用スピーカは、インピーダンスが非常に高い故、フラットな音圧周波数特性が得られないばかりか、音圧レベルも低い。従来例３のスピーカは、振動板面積を大きくすることにより、大きな音圧レベルを得た。そのため、従来例３のスピーカの振動板は、直径が大きくならざるを得なかった。一般にスピーカは、振動板を大きくすると、指向特性が劣化する。
【０００８】
ＤＶＤオーディオ又はスーパオーディオＣＤから再生されたソースの上側遮断周波数は約９６ｋＨｚである。従来例３の高音用スピーカは、このような高品位、超広帯域ソースを性能的に十分に再生できなかった。図１６に示すように、従来例３の高音用スピーカは、２０ｋＨｚを超える領域で大きなピークディップを有し、約４０ｋＨｚ程度までしか十分な音圧が得られない。
【０００９】
従来例３の高音用スピーカに使用されている圧電セラミック振動子２１は、円環状の特殊な形状を有する故、コストが非常に高かった。
本発明は上記従来の問題点を解決するもので、ピークディップが小さく且つ上側遮断周波数が１００ｋＨｚを超える優れた音圧周波数特性と、高い音圧レベルと、優れた指向特性とを有する安価な超高域再生用スピーカを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明は以下の構成を有する。本発明のひとつの観点による超高域再生用スピーカは、圧電セラミックと金属基板を接合した略円盤状の圧電セラミック振動子と、前記圧電セラミック振動子に取り付けられたドーム型振動板と、前記圧電セラミック振動子の外周部を固定し且つ前記ドーム型振動板の前面に開口部を有するパネルと、を有し、前記ドーム型振動板のドーム部の直径を前記圧電セラミック振動子の実効可動直径の０．５〜０．８倍とし、且つ前記圧電セラミックの直径を前記ドーム部の直径とほぼ同一とし、前記開口部を前記ドーム部の直径とほぼ同一とし、前記圧電セラミック振動子に昇圧回路を接続し、前記昇圧回路の共振周波数を当該昇圧回路の下側遮断周波数の近傍に設定したことを特徴とする。
【００１１】
本発明は、ピークディップが小さく且つ上側遮断周波数が１００ｋＨｚを超える優れた音圧周波数特性と、効率が良く、極めて高い音圧レベルと、優れた指向特性とを有する安価な超高域再生用スピーカを実現する。「ドーム部の直径」は、ドーム型振動板のドーム部が圧電セラミック振動子に接合された面の直径を意味する（ドーム部の曲率の２倍の値ではない。）。ドーム部の直径の測定において、ドーム部の周辺の水平なつばの部分は含まれない。
【００１５】
本発明の他の観点による上記の超高域再生用スピーカは、前記ドーム型振動板の第１次高域共振周波数は前記圧電セラミック振動子の第２次高域共振周波数よりも高くしたことを特徴とする。本発明は、上側遮断周波数が更に高い超高域再生用スピーカを実現する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施をするため最良の形態を具体的に示した実施の形態について図面とともに記載する。
【００１７】
《実施の形態１》
図１〜１２を用いて、本発明の実施の形態１の超高域再生用スピーカを説明する。図１は実施の形態１の超高域再生用スピーカの構造を示す。図１において、１は圧電セラミック振動子、２は昇圧回路、３はドーム型振動板、４はフレームの前面のパネルである。
圧電セラミック振動子１は、厚さ方向に分極した円形の圧電セラミック１ａと円形の金属基板１ｂとを同軸上に接合した構造を有する。圧電セラミック１ａは直径１５ｍｍ、厚み０．２ｍｍである。圧電セラミック１ａは、非常に広範に使用されている汎用の円形で小型の圧電セラミックである。金属基板１ｂは材質が真鍮、直径２０ｍｍ、厚み０．１５ｍｍである。金属基板１ｂは圧電セラミック１ａより大きな径を有する。圧電セラミック振動子１は、金属板の片面に圧電セラミック薄板を接着したモノモルフ型圧電セラミック振動子である。
【００１８】
従来例３のスピーカにおいては、圧電セラミック振動子２１の径方向の振動が、厚さ３５μｍのポリエーテルイミドフィルムで形成されたドーム型振動板２３によって上下（圧電セラミック振動子２１の厚さ方向）の振動に変換された。
本発明のスピーカにおいては、剛性を有する金属基板１ｂと圧電セラミック１ａとの間で発生するたわみにより、圧電セラミック振動子１が厚さ方向に振動する。圧電セラミック振動子２１から柔軟なドーム型振動板２３に振動を伝達して、振動方向の変更を行う従来例３の構成と比べて、本発明の構成においては、振動の伝達時のロスが少なく、高域周波数成分の減衰も少ない。本発明の構成により、はるかに大きなレベルで、高い上側遮断周波数の音圧を得ることが出来た。
【００１９】
ドーム型振動板３は、圧電セラミック振動子１の金属基板１ｂの面に、圧電セラミック振動子１とドーム型振動板３の端面とが同軸上に取り付けられている。ドーム型振動板３は、０．０５ｍｍの厚さを有するポリエチレンテレフタレート（通称ＰＥＴ）のフィルムで形成されている。ドーム型振動板３は、直径が１３ｍｍで全高が３ｍｍのドーム部を有する。ドーム部の周辺に幅１ｍｍの水平なつばが付いている。このつばが金属基板１ｂに接着されている。
【００２０】
パネル４は図示しないフレームの前面に取り付けられている。パネル４は実用的な剛性を有するポリスチロール樹脂で形成されている。パネル４は、圧電セラミック振動子１の外周部（半径９.５ｍｍから最外周（半径１０ｍｍ）までの環状部）を接着固定している。圧電セラミック振動子１の実効可動直径は、約１９ｍｍである。実効可動直径とは、圧電セラミック振動子１が振動のできる最大外径をいう。圧電セラミック振動子１において、圧電セラミック１ａの直径は金属基板１ｂの直径より小さい。金属基板１ｂの外周部がパネル４に接着固定されている。
パネル４は、ドーム型振動板３の前面に直径１３ｍｍの開口部４ａを有する。パネル４は、開口部４ａを中心とする浅い円錐部を有する。円錐部は、開口部４ａの外周部で最も厚さが薄くなる、図１に示すように、パネル４の開口部４ａからドーム型振動板３のほとんどが露出している。これにより、本発明のスピーカは広い指向性を実現している。
【００２１】
パネル４の開口部４ａとドーム型振動板３との直径は同一である。パネル４は、圧電セラミック振動子１の外周部との上記の接着部分（圧電セラミック振動子１の外周の環状部）を除いて、ドーム型振動板３及び圧電セラミック振動子１のいずれとも接触していない。パネル４とドーム型振動板３及び圧電セラミック振動子１との間には狭い隙間が設けられている。上記の構造により、圧電セラミック振動子１の可動部分であって且つドーム型振動板３より外周の部分が発する音波は、スピーカの外の放射されなくなっている。
【００２２】
振動板３は、圧電セラミック振動子１の外周部（パネル４と圧電セラミック振動子１との接続部）に取り付けられておらず、ドーム部の直径は圧電セラミック振動子１の実効可動直径よりも短い。圧電セラミック１ａの直径が、ドーム部の直径とほぼ同一である。圧電セラミック１ａと金属基板１ｂとの間で発生するたわみ（振動）の大部分は、振動板３に伝わる。振動板３と接する圧電セラミック振動子１の部分（圧電セラミック１ａと金属基板１ｂとが接している部分とほぼ同一である。）は、圧電セラミック振動子１の固定部（外周部）と離れている故に、振動が抑制されにくい。
【００２３】
振動板３の直径は１３ｍｍと大変小さく、ドーム部のみが且つのドーム部のほぼ全体がパネル４の開口部４ａから露出している故、実施の形態のスピーカは優れた指向特性を有する。パネル４の開口部４ａは実質的にドーム部のみを外部に露出している。パネル４は、圧電セラミック振動子１の外周部（音圧周波数特性が劣る部分である。）の前面を覆っており、そこからの音を遮っている。これにより、実施の形態１のスピーカの音圧周波数特性を更に良くしている。
ドーム型振動板３のドーム部の直径（１３ｍｍ）は、周辺が固定された圧電セラミック振動子１の実効可動直径である１９ｍｍの０．６８倍である。これにより（詳細な説明は後述）、従来例のスピーカで生じていたピークディップが大きいという問題が解消され、優れた音圧周波数特性が得られる。
【００２４】
昇圧回路２は昇圧コイル２ａ、コンデンサ２ｂ、抵抗２ｃ、入力端子２ｄ（ホット側）及び２ｅ（グランド側）からなる。
抵抗２ｃ及びコンデンサ２ｂからなる直列体の一端は、入力端子２ｄ（ホット側）に接続されており、他端はオートトランス（１次側巻線と２次側巻線とが分割して巻いていない。）である昇圧コイル２ａの１次側端子に接続されている。昇圧コイル２ａのグラウンド端子は入力端子２ｅ（グランド側）及び圧電セラミック振動子１の金属基板１ｂに接続されている。昇圧コイル２ａの２次側端子は圧電セラミック１ａに接続されている。
昇圧コイル２ａは外径が１０ｍｍで長さが１０ｍｍの小型フェライトコアボビンに、線径０．１２ｍｍのエナメル銅線を巻いたものである。コンデンサ２ｂに接続された１次側のコイル巻数は約４０回であり、圧電セラミック１ａに接続された２次側のコイル巻数は約２４０回である。昇圧コイル２ａの昇圧比は１：６である。昇圧回路２は入力駆動電圧を６倍に昇圧し、昇圧した駆動電圧を圧電セラミック振動子１に印加する。本発明のスピーカにおいては、昇圧回路２を有していないスピーカと比較して、約１６ｄＢ高い音圧レベルが得られた。
【００２５】
実施の形態１のスピーカは、入力した圧電セラミックの駆動電圧を昇圧コイル２ａで高くして、従来よりも高い音圧を実現している。コンデンサ２ｂは、容量が０．６８μＦで耐圧が５０Ｖの数ｍｍ角の大きさを有する小型のフィルムコンデンサである。昇圧回路２の下側遮断周波数は約２０ｋＨｚである。昇圧コイル２ａとコンデンサ２ｂとは共振回路を構成する。共振回路の共振周波数が約２２ｋＨｚになるように、コンデンサ２ｂの容量を決定している。２２ｋＨｚ近傍の出力レベルを上げることにより、昇圧回路２の帯域を低域方向に伸ばしている。抵抗２ｃの抵抗値を変化させることにより、昇圧コイル２ａとコンデンサ２ｂからなる共振回路のＱが変わる。２０ｋＨｚ近傍のスピーカの音圧周波数特性がフラットになるように、抵抗２ｃの抵抗値を決定している。実施の形態１においては、抵抗２ｃは、インピーダンスが２．２Ωで定格容量が１Ｗの小型抵抗である。
【００２６】
図２、図３を参照しながら詳しく説明する。図２（ａ）〜（ｄ）は、外周部を固定された圧電セラミック振動子１の種々の振動モードを示す図である。図２（ａ）〜（ｄ）の上側の図は振動している圧電セラミック振動子１の平面図である。図２において、（ａ）は第１次（基本周波数）モード、（ｂ）は第２次節円モード、（ｃ）は第３次節円モード、（ｄ）は第４次節円モードを示す。ハッチングをした部分はハッチングしていない部分と逆方向に変位していることを表している（ハッチングをした部分とハッチングしていない部分との境界が振動の節である。）。図２（ａ）〜（ｄ）の下側の図は圧電セラミック振動子１の変位の様子を表している（振動振幅を縦軸で表示している。圧電セラミック振動子１は、その厚さ方向に振動する。）。
【００２７】
図２に示すように、外周部が固定された圧電セラミック振動子１では、固定部の対極の部位である中心部が振幅最大の腹となり、最も共振が強く起こる。
従来例３のスピーカにおいては、圧電セラミック振動子２１は内周部が固定された円板リングであった。このような構成においては、固定部の対極の部位である外周部が振幅最大の腹となり、最も共振が強く起こる。従来例３においては、圧電セラミック振動子２１の外周部は、全ての振動モードにおいて腹となる。従来例３においては、圧電セラミック振動子２１は、その外周部のみにおいてドーム型振動板２３と接続されている故、音圧周波数特性のピークディップが非常に大きくなる。
圧電セラミック振動子１の外周部が固定されている本実施の形態においては、ある直径の範囲（例えば圧電セラミック１ａの直径の範囲）内では振動モードが極端な共振特性をもつことがなく、周波数特性のピークディップが小さくなる。このことを実験により実証した。
【００２８】
図３を参照しながら実験結果を説明する。図３は、最外周を固定した実施の形態１の外径２０ｍｍの圧電セラミック振動子の音圧周波数特性を示すグラフである。
音響理論において、振動加速度に振動板の放射抵抗を掛けたものは音圧周波数特性になることが知られている。図３に示した音圧周波数特性は、振動加速度周波数特性を測定し、その測定結果に放射抵抗を掛けて得た。
図３において、Ａ〜Ｄは、圧電セラミック振動子の種々の部位における特性を示す。Ａ（細実線）は中心点の特性、Ｂ（点線）は直径が７ｍｍ（中心からの距離が０．３５ｍｍ）つまり外径の０．３５倍の周上部位での特性、Ｃ（太実線）は直径が１３ｍｍつまり外径の０．６５倍の周上部位での特性、Ｄ（破線）は直径が１７ｍｍつまり外径の０．８５倍の周上部位での特性である。
【００２９】
図３に示すように、Ａの特性は最もピークディップが激しく、Ｂの特性も程度は若干小さいもののＡの特性と同様にピークディップが大きい。一方Ｄの特性は、ピークディップの高さは少し低くなっているが、全体的なレベルも低くなり、且つ周波数が高くなるとレベルが減衰している。Ｃの特性が全体的に最もピークディップが少なく、高い周波数まで均一なレベルを有している。
図３では代表的な直径部位での特性を示した。実験により、直径が１０ｍｍ〜１６ｍｍの範囲（中心からの距離が５ｍｍから８ｍｍの範囲）つまり圧電セラミック振動子の実効可動直径の０．５倍〜０．８倍の範囲内では、Ｃの特性と同様に全体的にピークディップの少ない特性の得られることが分かった。この範囲の部位ではＡとＤの中間的な特性が得られる。この部位の振動を振動板３に伝達することにより、ピークディップが緩和される。
【００３０】
図４から図１１及び表１に、ドーム型振動板３のドーム外径Ｄｄを圧電セラミック振動子の実効可動直径Ｄｏの０．２倍、０．３倍、０．４倍、０．５倍、０．６倍、０．７倍、０．８倍、０．９倍にそれぞれ変化させた場合の、音圧周波数特性を示す。
図４から図１１のデータを測定した際における、圧電セラミック振動子とその実効可動直径、昇圧回路、パネルの構造、ドーム型振動板の材質、パネルの材質は、図１で説明をした内容と同じである。各々の場合のパネルの開口は、ドーム型振動板の外径と同じとしている。ドーム型振動板の曲率半径は全て９ｍｍである。
【００３１】
図４から図６に示すように、ドーム型振動板３の外径が小さい場合、すなわちドーム外径が圧電セラミック振動子１の実効可動直径の０．２倍〜０．４倍の場合は、音圧周波数特性のピークディップが大きい。圧電セラミック振動子１の中心点は最も共振レベルが高い故に、この近傍の部位ではピークディップが大きい。
全体的な音圧レベルがドーム外径が小さいほど低い。これは振動板外径が小さいほど振動板面積が小さくなるからである。
【００３２】
図７から図１０に示すように、ドーム型振動板３の外径が圧電セラミック振動子１の実効可動直径の０．５倍〜０．８倍の場合は、音圧周波数特性のピークディップが小さく、かつ全体的な音圧レベルは比較的高い。
図１１に示すように、ドーム外径が圧電セラミック振動子の実効可動直径の０．９倍の場合には、ピークディップが大きく、音圧レベルも低くなっている。ドーム外径が大きいにもかかわらず音圧レベルが低くなるのは、圧電セラミック振動子の外周固定端の近傍の部位では、振動子の振幅が減衰されるからである。
【００３３】
表１はドーム型振動板３の形状と音圧周波数特性の傾向をまとめたものである。表１において、Ｄｄはドーム型振動板３の外径（直径）、ｈはドームの高さ（但し、ドームの曲率半径は全て９ｍｍ）、Ｒはドーム型振動板３の外径の圧電セラミック振動子１の実効可動直径（１９ｍｍ）に対する比率、ｄは音圧周波数特性の２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの偏差（１／８オクターブ以下の鋭いピークディップは除く）、平均ＳＰＬ（Sound Pressure Level。平均音圧レベル）は音圧周波数特性の２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの平均音圧レベルをそれぞれ示す。
【００３４】
表１から、ドーム型振動板３の外径が圧電セラミック振動子１の実効可動直径の０．５〜０．８倍の範囲で音圧周波数特性の偏差（ピークディップの大きさ）が小さいことが分かる（±５ｄＢの範囲内）。平均ＳＰＬは、ドーム外径が圧電振動子の実効可動直径の０．５倍〜０．８倍の範囲において大きく、０．４倍以下及び０．９倍以下の範囲においてに非常に小さくなる。
上記の実験結果より、ドーム型振動板３の外径を圧電セラミック振動子１の実効可動直径の０．５〜０．８倍の範囲内に設計することにより、優れた特性の超高域再生用スピーカを実現できる。
【００３５】
【表１】

【００３６】
本実施の形態では、ドーム型振動板３のドーム部直径を圧電セラミック振動子１の実効可動直径の０．５〜０．８倍の範囲内の０．６８倍としている。周波数特性のピークディップの少ない部位の振動がドーム型振動板３に伝達される。パネル開口部４ａ以外からは不要な音が放射されないので、つまり周波数特性ピークディップの多い部位からの音はパネル４によって遮蔽されるので、優れた音圧周波数特性を得ることができる。
【００３７】
図１２に本実施の形態の超高域再生用スピーカの２．４５Ｖ（１Ｗ／６Ω）入力時の音圧周波数特性を示す。約２０ｋＨｚから１２０ｋＨｚに及ぶ超高域まで、ピークディップの少ない優れた音圧周波数特性と、約８４ｄＢ／ｍの高い出力音圧レベルが得られた。従来の技術では、２．４５Ｖ入力で７５ｄＢ／ｍ前後の出力音圧レベルしか得られていなかった。圧電セラミック振動子１は、極めて広範に使用されている小型円形の汎用モノモルフ型であるので、極めて安価である。本発明のスピーカは超高域周波数再生用スピーカである故、昇圧回路２が有する昇圧コイル２ａ、コンデンサ２ｂは非常に小さく安価である。これらの部品を有する昇圧回路２は非常に安価である。本発明により、安価な超高域再生用スピーカを実現した。
【００３８】
《実施の形態２》
図１３を用いて、本発明の実施の形態２の超高域再生用スピーカを説明する。実施の形態２の超高域再生用スピーカは、図１で示した実施の形態１の超高域再生用スピーカと同構造を有する。その詳細な説明は省略する。
実施の形態１では圧電セラミック振動子１の第１次高域共振周波数は約７ｋＨｚ、第２次高域共振周波数は約２５ｋＨｚ、第３次高域共振周波数は約５０ｋＨｚであり、ドーム型振動板３の第１次高域共振周波数は約２０ｋＨｚであった。
実施の形態２においては、ドーム型振動板３の第１次高域共振周波数を圧電セラミック振動子１の第２次高域共振周波数よりも高く設計している。ドーム型振動板３は、圧電セラミック振動子１が効率良く発生した高周波数帯域の振動（音波）を、少ない損失で放射する。実施の形態２の構成により、実施の形態１のスピーカと比較して、更に超高域まで伸びた優れた音圧周波数特性を有するスピーカを実現できた。以下これについて詳しく説明する。
【００３９】
音響振動学でよく知られているとおり、周辺部を固定された円板の第１次（基本）モードの周波数つまり第１次高域共振周波数をｆ１、第２次（第２次節円モード）高域共振周波数をｆ２、第３次（第３次節円モード）高域共振周波数をｆ３、第４次（第４次節円モード）高域共振周波数をｆ４とすると、ｆ２＝３．９×ｆ１、ｆ３＝８．７×ｆ１、ｆ４＝１４．５×ｆ１である。
ｆ２／ｆ１（＝３．９）だけはｆ３／ｆ２（＝２．２）、ｆ４／ｆ３（＝１．７）よりもずっと大きく、ｆ１とｆ２の間の周波数帯域では共振効果が減少し放射効率が低い。これらのことは図３からも明らかである。
これに対してｆ２以上の周波数帯域では高域共振周波数が密集しているので、共振効果により放射効率が高い。そこで実施の形態２においては、ドーム型振動板３の第１次高域共振周波数を圧電セラミック振動子１のｆ２以上としている。この構成によれば、ドーム型振動板３の高次分割振動による振動伝達損失が、圧電セラミック振動子１の放射効率の高い周波数帯域において発生しない。上記構成により、極めて超高域まで再生するスピーカを実現できた。
【００４０】
図３によれば、実施の形態１の圧電セラミック振動子１の各高域共振周波数の間隔（実測値）は上記ｆ１〜ｆ４の間隔（理論値）と若干異なる。これは圧電セラミック振動子１の周辺固定材料が樹脂なので、周辺固定された振動子の理論的理想状態とは少し異なるためである。
実施の形態２のスピーカにおいて、ドーム型振動板３を厚み０．０５ｍｍのポリイミド含有樹脂フィルムで形成し、ドーム部の高さを４ｍｍにして、ドーム型振動板３の第１次高域共振周波数を圧電セラミック振動子１の第２次高域共振周波数（約２５ｋＨ）よりも高い値である３０ｋＨｚに設計した。他の構成は実施の形態と同一である。実施の形態２のスピーカの音圧周波数特性を図１３に示す。
図１２と図１３を比較すると明らかなように、実施の形態１のスピーカにおいては再生帯域の上限が約１２０ｋＨｚであったが（図１２）、実施の形態２のスピーカにおいては再生帯域の上限が約１５０ｋＨｚに伸びている（図１３）。
【００４１】
上記の説明において、本発明のスピーカを従来例３のスピーカと比較した。従来例１及び２と、本発明のスピーカとを簡単に比較する。
従来例１のスピーカは、ドーム型振動板と比較して周波数特性の乱れが大きい円錐型振動板を用いている。モノモルフ型圧電セラミック振動子が円錐型振動板の頂部のみに接しており、振動板と振動子の接触面積が少ない。それ故、セラミック振動子から円錐型振動板にエネルギーが良好に伝達されにくい。大きな共振を有するセラミック振動子の中心近傍のみの振動が振動板に伝達される。上記の理由により、従来例１のスピーカは、音圧が低く、音圧周波数特性のピークディップが大きい。
従来例２のスピーカは、円錐型振動板と、円錐型振動板の内周部と接するドーム型振動板とを有する。円錐型振動板の振動とドーム型振動板の振動とが相互に干渉する故、音圧周波数特性のピークディップが大きい。圧電素子の振動が円錐型振動板に伝わりにくく、音圧が低い。
【００４２】
本発明によれば、高い音圧レベルとピークディップの少ない優れた音圧周波数特性をもち、優れた指向特性を持ちながら超高音域まで再生ができ、かつ安価な超高域再生用スピーカを実現できる。
実施の形態１及び２では圧電セラミック振動子１をモノモルフ型としたが、これをバイモルフ型としても良いことは言うまでもない。バイモルフ型は圧電セラミック薄板が金属板の両面に接合されているので、圧電セラミックが金属板の片面だけに接合されたモノモルフ型に比べて駆動力が２倍である。バイモルフ型の圧電セラミック振動子を用いることにより、特性を変化させることなく更に高出力のスピーカを実現できる。
【００４３】
圧電セラミック１ａ及び金属基板１ｂは円板形状でなくても良い。円形以外の形状の振動子を用いた場合には、振動子の振動モードが円形の場合よりも分散化され、振動レベルが低下する傾向になる。このことを考慮して、所望の特性が得られるように適宜設計することができる。
圧電セラミック振動子を円板形状にすることにより、広く流通している安価な市販汎用品を用いることができる。圧電セラミック振動子を円板形状にすることにより、最も安価なスピーカを実現できる。
【００４４】
実施の形態１及び２では圧電セラミック振動子１を円板形状とし、パネルの内周部に固定した。圧電セラミック振動子を円形ではなく多角形又は楕円等の非円形形状としても設計可能である。この場合、圧電セラミック振動子の実効可動直径はその非円形形状と同一の面積をもつ円形の直径で表すことが出来る。
実施の形態１及び２では圧電セラミック振動子１の周辺部をパネル４で固定した。ドーム型振動板の前面に開口部を有するパネルと別個の部材を用いて、圧電セラミック振動子１の周辺部を固定しても良い。
【００４５】
実施の形態１及び２では圧電セラミック振動子１（直径２０ｍｍ）の周辺部の直径１９ｍｍ〜２０ｍｍの範囲の狭い環状部分を固定した。圧電セラミック振動子１の周辺部の固定部を、もっと広い範囲にしても良い。例えば圧電セラミック振動子１（直径２０ｍｍ）の周辺部の直径１６ｍｍ〜２０ｍｍの範囲を固定した場合には、実効可動直径は１６ｍｍとなる。この構成においては、ドーム型振動板３のドーム部の直径を、１６ｍｍの０．５〜０．８倍である直径８ｍｍ〜１２．８ｍｍに設計する。
【００４６】
圧電セラミック振動子を固定する部材の剛性が低い場合、例えば固定部材が肉厚が薄い樹脂のような場合には、圧電セラミック振動子の周辺部は完全な固定状態にはならない。この場合、圧電セラミック振動子の実効可動直径は固定内周径よりも大きくなり、固定内周径と圧電セラミック振動子の外径の中間的な値となる。固定する部材の剛性が高い場合、例えば固定部材が金属又は肉厚が十分大きい樹脂の場合は、圧電セラミック振動子の実効可動直径は固定内周径とほぼ同じとみなすことができる。圧電セラミック振動子を固定部材に固定する接着剤の剛性が低い場合、例えば柔らかい接着剤を厚く塗布して圧電セラミック振動子を固定した場合などにおいては、固定部材の剛性が高くても実効可動直径は固定内周径よりも大きくなる。
【００４７】
実施の形態１及び２では昇圧コイル２ａはオートトランスであった。これに代えて、１次側巻線と２次側巻線が別々に巻かれた通常のトランスを昇圧コイルとして用いても良い。１次側巻線と２次側巻線とが別々に巻かれたトランスと、１次側巻線と２次側巻線が共用されている通称オートトランスとは、交流電気的な動作は全く同じである。
実施の形態１及び２では、抵抗２ｃが昇圧回路２のコンデンサ２ｂと直列に接続されている。抵抗２ｃは、下側遮断周波数近傍にある共振点のＱを下げ、下側遮断周波数（約２０ｋＨｚ）近傍の音圧周波数特性をフラットに調整している。所定の性能が得られる場合には、抵抗２ｃはなくても良い。
【００４８】
実施の形態１及び２ではドーム型振動板３の材質をポリエチレンテレフタレートまたはポリイミド含有樹脂フィルムとした。これに限られるものではなく、振動板の材質として任意の材料を用いることが出来る。例えば金属チタン箔、紙、各種樹脂フィルムなどを振動板として用いることが出来る。
モノモルフ型又はバイモルフ型の圧電セラミック振動子は、一般的に、厚み０．１５ｍｍ〜０．２５ｍｍの金属基板を有する。ドーム型振動板には、一般的に、厚み０．０５ｍｍ前後の樹脂フィルム又は厚み０．０２５ｍｍ程度のチタン泊などが、成型が容易であり且つ軽量である故、用いられる。このような材質を用いたドーム型振動板は圧電セラミック振動子に比べて遙かに軽量である。ドーム型振動板の材質に応じて、圧電セラミック振動子の振動特性が大きく変化することはない。
実施の形態１及び２では開口部４ａの直径をドーム型振動板３のドーム部の直径と同じにしたが、多少異なっても構わない。開口部４ａの直径をドーム部の直径以下とした場合は、ドーム部外側のつば及び接着剤のはみ出しなどが表側から見えにくくなるので、外観的に高品位なスピーカを実現できる。またパネル４の開口部前面をホーン状形状にすれば、指向性は狭くなるが、音圧レベルをさらに高めることができる。
【００４９】
実施の形態１及び２ではドーム型振動板３は圧電セラミック振動子１に対して偏心なく同軸上に配置したが、両者の多少の偏心は差し支えない。両者の偏心が大きい場合は、スピーカの音圧周波数特性ピークディップは分散化されるが、音圧レベルは低くなる傾向になる。このことを勘案して積極的に偏心をさせた設計をすることも可能である。
実施の形態１及び２ではドーム型振動板３の正面形状は円形であった。これに代えて、楕円形状又は長円形などのドーム型振動板を用いることも出来る。楕円形状又は長円形のドーム型振動板を用いると、スピーカの音圧周波数特性ピークディップは分散化されるが、音圧レベルは低くなる傾向になる。このような場合、楕円又は長円形の長径と短径の平均値（又はその面積と同一の面積を有する円の直径）を圧電セラミック振動子１の実効可動直径の０．５〜０．８倍と設計すれば良い。
【００５０】
実施の形態１及び２ではドーム型振動板３の形状は球面型ドームであった。これに代えて、円錐型又は砲弾型のドーム型振動板を使用しても良い。ドーム型振動板３は圧電セラミック振動子１に比べて遙かに軽量である故、ドーム型振動板３の形状を変えた場合、スピーカの指向特性は変化するが、圧電セラミック振動子１の振動特性（音圧周波数特性）はほとんど影響を受けない。
本発明は上記説明した例に限定されるものでないことは、言うまでもない。発明をある程度の詳細さをもって好適な形態について説明したが、この好適形態の現開示内容は構成の細部において変化してしかるべきものであり、各要素の組合せや順序の変化は請求された発明の範囲及び思想を逸脱することなく実現し得るものである。
【００５１】
【発明の効果】
本発明の超高域再生用スピーカでは、圧電セラミック振動子の周辺部を固定するとともに、ドーム型振動板のドーム外径を圧電セラミック振動子の実効可動直径の０．５〜０．８倍に構成したことにより、圧電セラミック振動子のピークディップの少ない部位の振動がドーム型振動板に伝達される。これにより優れた音圧周波数特性を実現する。実質的にドーム型振動板のみを外部に露出するパネル開口部以外からは不要な音が放射されないので、音圧周波数特性を更に良くし、且つ優れた指向性を実現する。
圧電セラミックの直径をドーム部の直径とほぼ同一にすることにより、圧電セラミックが発生する振動の大部分をドーム型振動板から放射する効率の良い超高域再生用スピーカを実現する。
セラミック振動子に昇圧回路を接続することにより、セラミック振動子の駆動電圧を高くしている。さらに前記昇圧回路の共振周波数を前記昇圧回路の下側遮断周波数の近傍に設定している。これにより、小さな直径のドーム型振動板を用いて極めて高い音圧レベルをもつスピーカが得られる。小さな直径のドーム型振動板により、広い指向性のスピーカが得られる。
【００５２】
ドーム型振動板の第１次高域共振周波数を前記圧電セラミック振動子の第２次高域共振周波数よりも高くしたことにより、圧電セラミック振動子の放射効率の高い周波数帯域でドーム型振動板の高次分割振動による振動伝達損失がなく、極めて超高域まで再生するスピーカを実現できる。この構成により、上記のスピーカよりも一層超高域まで伸びた優れた特性の超高域再生用スピーカを実現することができる。
本発明のスピーカにおいては、極めて広範に使用されている小型円形汎用モノモルフ型の圧電セラミック振動子を用いることができる。本発明のスピーカの再生周波数は超高域なので、小型で安価な部品を用いて昇圧回路を構成することが出来る。
本発明によれば、高い音圧レベルとピークディップの少ない優れた音圧周波数特性をもち、優れた指向特性を有し、超高域の周波数まで再生ができる安価な超高域再生用スピーカを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１及び２の超高域再生用スピーカの構造図である。
【図２】図２は、本発明の周辺を固定した圧電セラミック振動子の振動モードを示す図である。
【図３】図３は、外周を固定した圧電セラミック振動子の各部の音圧周波数特性を示すグラフである。
【図４】図４は、ドーム部の直径を圧電セラミック振動子の実効可動直径の０．２倍にした場合のスピーカの音圧周波数特性である。
【図５】図５は、ドーム部の直径を圧電セラミック振動子の実効可動直径の０．３倍にした場合のスピーカの音圧周波数特性である。
【図６】図６は、ドーム部の直径を圧電セラミック振動子の実効可動直径の０．４倍にした場合のスピーカの音圧周波数特性である。
【図７】図７は、ドーム部の直径を圧電セラミック振動子の実効可動直径の０．５倍にした場合のスピーカの音圧周波数特性である。
【図８】図８は、ドーム部の直径を圧電セラミック振動子の実効可動直径の０．６倍にした場合のスピーカの音圧周波数特性である。
【図９】図９は、ドーム部の直径を圧電セラミック振動子の実効可動直径の０．７倍にした場合のスピーカの音圧周波数特性である。
【図１０】図１０は、ドーム部の直径を圧電セラミック振動子の実効可動直径の０．８倍にした場合のスピーカの音圧周波数特性である。
【図１１】図１１は、ドーム部の直径を圧電セラミック振動子の実効可動直径の０．９倍にした場合のスピーカの音圧周波数特性である。
【図１２】図１２は、本発明の実施の形態１の超高域再生用スピーカの音圧周波数特性図である。
【図１３】図１３は、本発明の実施の形態２の超高域再生用スピーカの音圧周波数特性図である。
【図１４】図１４は、従来例３の高域再生用スピーカの構造図である。
【図１５】図１５は、従来例３の超高域再生用スピーカの圧電セラミック振動子の振動モードを説明する図である。
【図１６】図１６は、従来例３の超高域再生用スピーカの音圧周波数特性図である。
【符号の説明】
１圧電セラミック振動子
１ａ圧電セラミック
１ｂ金属基板
２昇圧回路
２ａ昇圧コイル
２ｂコンデンサ
２ｃ抵抗
３ドーム型振動板
４パネル
４ａ開口部

Claims

圧電セラミックと金属基板を接合した略円盤状の圧電セラミック振動子と、前記圧電セラミック振動子に取り付けられたドーム型振動板と、前記圧電セラミック振動子の外周部を固定し且つ前記ドーム型振動板の前面に開口部を有するパネルと、を有し、
前記ドーム型振動板のドーム部の直径を前記圧電セラミック振動子の実効可動直径の０．５〜０．８倍とし、且つ前記圧電セラミックの直径を前記ドーム部の直径とほぼ同一とし、前記開口部を前記ドーム部の直径とほぼ同一とし、前記圧電セラミック振動子に昇圧回路を接続し、前記昇圧回路の共振周波数を当該昇圧回路の下側遮断周波数の近傍に設定したことを特徴とする超高域再生用スピーカ。
前記ドーム型振動板の第１次高域共振周波数は前記圧電セラミック振動子の第２次高域共振周波数よりも高くしたことを特徴とする、請求項１に記載の超高域再生用スピーカ。