JP5331033B2

JP5331033B2 - スピーカ装置

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Publication number: JP5331033B2
Application number: JP2010041834A
Authority: JP
Inventors: 岳大杉本; 一穂小野; 彰男安藤
Original assignee: Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 2010-02-26
Filing date: 2010-02-26
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2030-02-26
Also published as: JP2011182034A

Description

本発明は、電気信号を音信号に変換する電気／音響変換技術に属し、特に、自由な形状に製作可能なスピーカ装置に関する。

従来、次世代の音響システムとして期待されている多チャンネル音響システム、フレキシブルな携帯用ディスプレイの分野では、小型で軽量なスピーカの開発が求められている。この要求に応えるため、柔軟で伸縮自在な高分子素材を用いた、設計の自由度の高いスピーカの開発が進められている。例えば、ＰＶＤＦ（Polyvinylidene fluoride／ポリフッ化ビニリデン）等の圧電素材を用いたフィルムスピーカ、電場駆動型エラストマーを用いた発音体等が知られている（非特許文献１，２を参照）。

この電場駆動型エラストマーを用いた発音体は、電極間へ電圧を印加することによって生じる厚みの変化及び面積の変化を利用して発音するものである（特許文献１，２を参照）。電場駆動型エラストマーは、ゴム状の弾性を有する高分子素材であるエラストマー、電極及び駆動方式を組み合わせることにより、その形状を電気的に制御して所望の動作を得ることを目的としたデバイスである。このような電場駆動型エラストマーを用いた発音体に対し、材料、音響特性、動作等の様々な調査及び研究が進められている（特許文献３，４を参照）。

特開２００９−２７２９７８号公報特開２００９−２７８３７７号公報

T.Sugimoto,et al,"PVDF-driven flexible and transparent loudspeaker",Applied Acoustics 70 pp.1021-1028 (2009). 杉本他、「電場駆動型エラストマーの動作解析」、日本音響学会秋季研究発表会、3-4-5 (2009). 杉本他、「電場駆動型エラストマー発音体における材料定数と音響特性の関係」、日本音響学会春季研究発表会、1-4-14 (2009). 杉本他、「電場駆動型エラストマーを用いた発音体」、日本音響学会秋季研究発表会、2-8-2 (2008).

ＰＶＤＦ等の圧電素材または電場駆動型エラストマーの素材を膜状にして使用する場合には、厚み方向の伸縮よりも面方向の伸縮の方が大きいことが確認されている。すなわち、厚み方向の変化よりも面方向の変化の方が、発音に及ぼす影響が大きい。

しかし、従来のスピーカ装置では、面方向の伸縮を効果的に利用した構成になっておらず、厚み方向を利用した平面形状のままでは効率良く発音することができないという問題があった。また、これらの周波数帯域は中域（１ｋＨｚ前後）の狭い範囲に限定されることが多く、実用的な広帯域スピーカとして利用するには不十分であるという問題もあった。

さらに、従来のスピーカ装置では、高分子素材が薄くなると形状の保持が困難になるため、ある程度の厚みをもたせる必要がある。しかしながら、膜厚が増加するに伴って、駆動に要する印加電圧も大きくなるという問題があった。

そこで、本発明は前記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、高分子素材の面方向の伸縮を効果的に利用して効率の良い発音を可能にし、音圧・周波数特性を改善して安定した再生特性を実現し、さらに、印加電圧を低減可能なスピーカ装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明のスピーカ装置は、弾性を有するフィルム状の高分子素材を備え、前記高分子素材の両面に形成した電極間に、音響信号を直流バイアス電圧に重畳して印加し、前記高分子素材を変形させることにより音声を発生するスピーカ装置において、空間的に離して対向させた２枚の前記高分子素材、及び、前記高分子素材に張力を掛けるスペーサを備え、前記スペーサが、当該スペーサの長さの調整に伴って前記張力を変化させ、各高分子素材が、前記スペーサにより所定の張力を掛けた状態で前記フィルム状の面方向に変形する駆動部、及び、前記変形により振動する振動部を有し、前記２枚の高分子素材の振動部を一体的に構成し、前記２枚の高分子素材の電極に、逆相関係にある音響信号を前記直流バイアス電圧に重畳して印加することを特徴とする。

以上のように、本発明のスピーカ装置によれば、柔軟な高分子素材を用いて、プッシュプル駆動可能な構造としたから、高分子素材の面方向の伸縮を、駆動のために効率良く利用することができ、発音効率を向上させることができる。また、音圧・周波数特性を改善して安定した再生特性を実現することができる。さらに、薄い高分子素材を用いるようにしたから、印加電圧を低減することができる。したがって、良好な音響特性を有した小型軽量のスピーカ装置を、自由な形状で製作することができ、壁、天井等の任意の位置に設置することができる。

本発明の実施形態によるプッシュプル型発音体に用いる高分子素材の構成及び動作原理（ａ）、及び高分子素材を用いたユニットの構成（ｂ）を示す図である。プッシュプル型発音体の構造及び動作原理を示す断面図である。プッシュプル型発音体の外観図（ａ）及び側面図（ｂ）である。本発明の実施形態によるプッシュプル型発音体と、従来技術による円筒型発音体との間の周波数特性を比較する実験結果である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を用いて詳細に説明する。
〔高分子素材及びユニットの構成〕
図１は、本発明の実施形態によるスピーカ装置（以下、プッシュプル型発音体という。）に用いる高分子素材の構成及び動作原理（ａ）、及び高分子素材を用いたユニットの構成（ｂ）を示す図である。本発明の実施形態によるプッシュプル型発音体は、図１（ｂ）に示すユニットを２枚用いて構成される。

図１（ａ）を参照して、この高分子素材２は、例えばポリウレタンからなるエラストマーフィルムが用いられ、その両面に電極２１を塗布して成膜することにより形成される。高分子素材２の厚さは例えば約１００μｍである。電極（ＰＥＤＯＴ電極）２１は、導電性高分子の１種であるポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）により形成される。高分子素材２及び電極２１はいずれも、柔軟な特性を有する弾性体である。リード線２３には、導電性の接着剤を利用した銅テープが用いられる。

高分子素材２の安定した動作のためには、電極２１を一様な厚さで形成する必要がある。そこで、高分子素材２のサイズが小さい場合は、スピンコートを用いて電極２１を形成する。また、高分子素材２のサイズが大きい場合は、ＰＥＤＯＴ及びエタノール溶液を掛け流して電極２１を形成する。これにより、電極２１の塗布むらを解消することができる。

電極２１が形成された高分子素材２に対し、電源２２から電極２１間に直流バイアス電圧を印加すると、電極２１間に働くマクスウェル応力によって圧縮力が生じ、高分子素材２は厚み方向に押し潰される。高分子素材２は、厚み方向に圧縮し（図１（ａ）の矢印α）、平面方向に伸長する（矢印β）。そして、印加する直流デバイス電圧に、交流の電圧である音響信号を重畳すると、その音響信号に合わせて高分子素材２が変形し、発音体として駆動することができる。

図１（ｂ）に示すユニット１０は、図１（ａ）に示した高分子素材２によりプッシュプル構造のプッシュプル型発音体を形成するために用いられる。このユニット１０は、外側に設けたアクリル製円形型のフレーム４と、中央部に設けた円形型の振動板３（振動部）と、これらの間に設けた、電極２１が両面に形成された高分子素材２（駆動部）とを備えて構成される。

ユニット１０において、高分子素材２及び振動板３は、電極２１が両面に形成されたフィルム状（平面状）の高分子素材２を円形に切り出し、この円形の高分子素材２に対し、振動板３を設ける中央部の位置の電極２１をエタノール等で取り除くことにより形成する。これにより、振動板３は、高分子素材２を用いて一体的に形成されるから、振動板３として別の素材を用いる必要がなく、容易に形成することができる。

尚、振動板３として別の素材を用いる場合には、その素材を、電極２１が取り除かれた高分子素材２上（ポリウレタンのエラストマーフィルム上）に貼付して形成する。例えば、振動板３の素材として、剛性を有するＰＥＴ等のプラスチック素材を用いることができる。

フレーム４は、２枚のリング状の部材からなり、クリップ７（後述する図３（ａ）（ｂ）を参照）を用いて高分子素材２を挟み込むことにより、ユニット１０を形成する。また、フレーム４には、高分子素材２の電極２１と接触する面に、アルミニウム箔等で形成したリード部（図示せず）が設けられている。これにより、電源２２から、フレーム４のリード部及び高分子素材２のリード線２３を介して、音響信号が重畳した直流デバイス電圧を高分子素材２の電極２１へ印加することができ、高分子素材２を変形して駆動することができる。尚、図１（ｂ）に示した状態では、高分子素材２には張力を掛けていない。

〔プッシュプル型発音体の構成〕
図２は、プッシュプル型発音体の構造及び動作原理を示す断面図である。図３は、プッシュプル型発音体の外観図（ａ）及び側面図（ｂ）である。図２及び図３に示すように、プッシュプル型発音体１は、図１（ｂ）に示したユニット１０を２枚用意し、ユニット１０−１，１０−２を空間的に離して対向させ、ユニット１０−１のフレーム４とユニット１０−２のフレーム４との間に、プラスチック製柱のスペーサ５を挿入してスペーサ固定部材６で固定する。振動板３は、ユニット１０−１，１０−２において共有する構造とするために、振動板３の対向面を、接着剤または両面テープを用いて互いに貼り合わせて一体的に成形する。そして、スペーサ５の長さを調整し、高分子素材２に対し、発音体として最適な張力を掛ける。これにより、所定の周波数特性を有する発音体を製作することができる。ここで、高分子素材２に掛かる張力が変化すると、周波数特性も変化する。したがって、スペーサ５の長さを調整し、高分子素材２に掛かる張力を変化させることにより、発音体の周波数特性を変化させることができる。

このように構成されたプッシュプル型発音体１は、第１のユニット１０−１に対し、正相の音響信号を重畳した直流バイアス電圧を印加し、第２のユニット１０−２に対し、逆相の音響信号を重畳した直流バイアス電圧を印加することによって、高分子素材２及び振動板３をプッシュプル駆動することができ（図２の矢印γを参照）、振動板３が振動して発音を行うことができる。

以上のように、本発明の実施形態によるプッシュプル型発音体１によれば、プッシュプル構造により、高分子素材２の面方向の伸縮を利用して振動板３を振動させ、発音を行うようにした。これにより、膜厚方向の伸縮よりも面方向の伸縮の方が大きい高分子素材２の特性を効果的に利用することができ、平面形状のままで、効率良く発音を行うことができる。

また、本発明の実施形態によるプッシュプル型発音体１は、薄い膜厚の高分子素材２を用いたユニット１０により形成されるから、小型軽量化を実現することができる。また、高分子素材２を厚くする必要がないから、高分子素材２の駆動に要する印加電圧を低減することができる。

また、本発明の実施形態によるプッシュプル型発音体１は、２枚のユニット１０−１，１０−２により形成され、ユニット１０−１に対し正相の音響信号が重畳した直流バイアス電圧を、ユニット１０−２に対し逆相の音響信号が重畳した直流バイアス電圧をそれぞれ印加するようにした。これにより、１枚のユニット１０により形成される場合に比べ、高分子素材２及び振動板３を、より大きくかつ安定してプッシュプル駆動することができるから、面方向の伸縮を一層効果的に利用することができ、効率良く発音を行うことができる。

〔実験結果〕
図４は、本発明の実施形態によるプッシュプル型発音体１と、従来技術による円筒型発音体との間の周波数特性を比較する実験結果である。この実験結果は、５００Ｖの直流バイアス電圧を印加して２００Ｖｐｐの音響信号を重畳し、１ｍの距離で測定した周波数特性を示している。横軸が周波数［Ｈｚ］であり、縦軸が音圧レベル（ＳＰＬ）［ｄＢ］である。

本発明の実施形態によるプッシュプル型発音体１としては、直径１６ｃｍ、厚み１００μｍの２枚の高分子素材２により形成した発音体を用いた。従来技術の円筒型発音体としては、Ａ５サイズ、厚み３００μｍの高分子素材を円筒状に形成した円筒型スピーカを用いた（詳細については非特許文献４を参照）。

この実験結果によれば、本発明の実施形態によるプッシュプル型発音体１の周波数特性は、６０〜２０ｋＨｚの周波数において、音圧レベル（ＳＰＬ）が約２０ｄＢから５０ｄＢまでの間で変化しており、−２０ｄＢ幅にて、約８０Ｈｚから１５ｋＨｚの周波数帯域を再生していることがわかる。一方、従来技術による円筒型発音体の周波数特性は、約−１５ｄＢから６０ｄＢまでの間で変化していることがわかる。したがって、発音体をプッシュプル型構造にすることにより、高周波の周波数帯域及び低周波の周波数帯域共に、その周波数特性を改善することができ、音質を向上させることができる。また、安定した再生特性を得ることができ、良好な音響特性を実現することができる。さらに、本発明者らの実験によれば、直流バイアス電圧を従来技術に比べ、約１／３程度（５００Ｖ）に低減することができる結果を得ている。したがって、薄い膜厚の高分子素材２を利用することにより、高分子素材２の駆動に要する印加電圧を低減することができる。

以上、実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その技術思想を逸脱しない範囲で種々変形可能である。前記実施形態では、フィルム状の高分子素材２として、厚さ１００μｍのポリウレタンを用いたたが、本発明では、他の高分子素材を用いる場合にも有効であることは言うまでもない。また、前記実施形態では、電極２１の材料としてポリエチレンジオキシチオフェンを用いたが、本発明では、他の柔軟な電極材料を用いる場合にも有効であることは言うまでもない。

また、前記実施形態では、ユニット１０の形状（高分子素材２の形状）を円形にしたが、円形以外の形状（例えば多角形）にするようにしてもよい。これにより、実施形態のプッシュプル型発音体１は円形の形状であり両指向性を有するが、本発明では、その形状に限定されず、自由な形状で構成することができる。したがって、プッシュプル型発音体１を自由な形状で製作することができ、壁、天井等の任意の位置に設置することができる。

また、前記実施形態では、１枚の高分子素材２を用いてユニット１０を形成するようにしたが、１枚の高分子素材２の代わりに、複数枚の高分子素材２を多層化した多層化高分子素材を用いてユニット１０を形成するようにしてもよい。電極２１は、多層化した高分子素材２毎に形成されているから、１枚の高分子素材２を用いた場合と同じ電圧を印加すればよい。これにより、印加電圧を高くすることなく、高分子素材２に掛かる張力に対して耐久力を有することができる。

１プッシュプル型発音体
２高分子素材
３振動板
４フレーム
５スペーサ
６スペーサ固定部材
７クリップ
１０ユニット
２１電極
２２電源
２３リード線

Claims

弾性を有するフィルム状の高分子素材を備え、前記高分子素材の両面に形成した電極間に、音響信号を直流バイアス電圧に重畳して印加し、前記高分子素材を変形させることにより音声を発生するスピーカ装置において、
空間的に離して対向させた２枚の前記高分子素材、及び、
前記高分子素材に張力を掛けるスペーサを備え、
前記スペーサは、当該スペーサの長さの調整に伴って前記張力を変化させ、
各高分子素材は、前記スペーサにより所定の張力を掛けた状態で前記フィルム状の面方向に変形する駆動部、及び、前記変形により振動する振動部を有し、
前記２枚の高分子素材の振動部を一体的に構成し、
前記２枚の高分子素材の電極に、逆相関係にある音響信号を前記直流バイアス電圧に重畳して印加することを特徴とするスピーカ装置。
請求項１に記載のスピーカ装置において、
前記高分子素材は、交流の電圧を印加することにより変形することを特徴とするスピーカ装置。
請求項１または２に記載のスピーカ装置において、
前記高分子素材を、エラストマーとすることを特徴とするスピーカ装置。
請求項１から３までのいずれか一項に記載のスピーカ装置において、
前記電極が形成された高分子素材の代わりに、電極が形成された高分子素材を多層化した多層化高分子素材を用いることを特徴とするスピーカ装置。
請求項１から４までのいずれか一項に記載のスピーカ装置において、
前記電極を、導電性高分子の材料とすることを特徴とするスピーカ装置。
請求項１から５までのいずれか一項に記載のスピーカ装置において、
前記振動部を、前記高分子素材で一体成形したことを特徴とするスピーカ装置。