JP6177757B2 - ダイナミックスピーカーと圧電素子とを利用した高音質スピーカー - Google Patents

Description

本発明は、スピーカーに係り、より詳細には、低域音を具現するダイナミックスピーカーと高域音を具現する圧電素子とを用いて高音質を提供することができるスピーカーに関する。

一般的に、スピーカーとは、電気信号を振動板の振動に変えて、空気に疏密波を発生させて音波をコピーする音響装置であって、電気信号を音波に変換させる原理と方法とによって、ダイナミック型、電磁型、静電型、誘電体型、磁気歪型などがある。

音楽再生用や音声用としては、比較的性能に優れたダイナミック型が広く使われる。ダイナミック型は、永久磁石の磁場内にあるボイスコイルに音声信号電流を流せば、その電流の強度によって機械的な力がボイスコイルに作用して運動を起こす原理を利用する。

しかし、このようなダイナミック型は、低域音の具現には適しているが、高域音の具現には、相対的に脆弱な短所があって、高音質の提供に限界がある。これを補完するために、２ウェイスピーカーまたは３ウェイスピーカーなどが提案されたが、構造が複雑であり、高価である短所がある。

韓国特許公開１０−２００１−００８８７２６号明細書（２００１年０９月２８日公開）

本発明が解決しようとする技術的課題は、低域音を具現するダイナミックスピーカーと高域音を具現する圧電素子とを用いて高音質を提供することができるスピーカーを提供することである。

前記技術的課題を解決するための本発明によるスピーカーは、内側に収容空間が形成されるヨークと、前記収容空間に配され、上面にプレートが備えられるマグネットと、前記ヨークと前記マグネットとの間に配されるボイスコイルと、前記プレートの上部に配され、前記ボイスコイルが固定される振動板と、金属板、及び前記金属板の一面または両面にボンディングされた圧電セラミックスからなる圧電素子がインサート射出によって一体に結合され、前記圧電素子が前記振動板の上側に配されるように、前記ヨークの上側開口部に設けられるキャップと、前記ヨークの下部外側に結合され、外部から電気信号を入力されて、前記電気信号を前記ボイスコイル及び前記圧電素子に伝達する回路基板と、を含むことを特徴とする。

前記圧電素子には、前記振動板から発生した音が通過できるように少なくとも１つの孔が形成されうる。

前記孔は、前記圧電素子の縁部に沿って１つまたは２つ以上が形成されうる。

前記圧電セラミックスは、前記金属板よりも小さな面積を有し、前記孔は、前記圧電素子を成す前記金属板の縁部に沿って１つまたは２つ以上が形成されうる。

前記キャップの側面に前記振動板から発生した音が通過できるように１つまたは２つ以上の孔が形成されうる。

前記回路基板は、外部から＋及び−信号が入力される第１及び第２端子と、前記＋及び−信号を前記ボイスコイルに印加するための導線と連結される第３及び第４端子と、前記＋及び−信号を前記圧電素子に印加するための導線と連結される第５及び第６端子と、を含みうる。

前記スピーカーは、前記＋及び−信号を前記圧電素子に印加するための導線が形成された軟性回路基板をさらに含みうる。

前記スピーカーは、前記圧電素子の上部に配されて、前記圧電素子を保護する保護カバーをさらに含みうる。

本発明によれば、低域音を具現するダイナミックスピーカーと高域音を具現する圧電素子とを用いて簡単な構造で高音質を提供することができる。

本発明の一実施形態によるスピーカーの側面図を示す。 本発明の一実施形態によるスピーカーの斜視図を示す。 本発明の一実施形態によるスピーカーの断面斜視図を示す。 本発明の一実施形態によるスピーカーの分解斜視図を示す。 本発明の一実施形態によるスピーカーの断面分解斜視図を示す。 本発明の他の一実施形態によるスピーカーの側面図を示す。 本発明の他の一実施形態によるスピーカーの断面斜視図を示す。 本発明のさらに他の一実施形態によるスピーカーの側面図を示す。 本発明のさらに他の一実施形態によるスピーカーの断面斜視図を示す。 本発明のさらに他の一実施形態によるスピーカーの側面図を示す。 回路基板５０の下面を示す図面である。 回路基板５０がヨーク１０の下部外側に結合された場合の電気的連結を示す図面である。 図１のスピーカーで回路基板５０とボイスコイル２４及び圧電素子３０との電気的連結を示す図面である。

以下、図面を参照して、本発明の望ましい実施形態を詳しく説明する。以下、説明及び添付図面で実質的に同じ構成要素は、それぞれ同じ符号に表わすことによって、重複説明を省略する。また、本発明を説明するに当って、関連した公知機能あるいは構成についての具体的な説明が、本発明の要旨を不明にする恐れがあると判断される場合、それについての詳細な説明は省略する。

図１ないし図５は、本発明の一実施形態によるスピーカーの図面である。図１は、本実施形態によるスピーカーの側面図を示し、図２は、本実施形態によるスピーカーの斜視図を示し、図３は、本実施形態によるスピーカーの断面斜視図を示し、図４は、本実施形態によるスピーカーの分解斜視図を示し、図５は、本実施形態によるスピーカーの断面分解斜視図を示す。

本実施形態によるスピーカーは、内側に収容空間が形成されるヨーク１０と、前記収容空間に配され、上面にプレート２２が備えられるマグネット２０と、ヨーク１０の下部外側に結合される回路基板５０と、マグネット２０、プレート２２及び回路基板５０をヨーク１０に結合固定するリベット２６と、を含む。ヨーク１０の底面中心部には、リベット孔が形成されており、マグネット２０、プレート２２及び回路基板５０には、ヨーク１０のリベット孔と同一軸上を有する孔が形成されている。本実施形態で、マグネット２０、プレート２２及び回路基板５０は、リベット２６を用いてヨーク１０に結合固定されると説明するが、これらは、リベット以外の他の結合手段、例えば、接着を用いて互いに結合固定してもよいということは言うまでもない。

本実施形態によるスピーカーは、ヨーク１０とマグネット２０との間に配されるボイスコイル２４と、プレート２２の上部に配され、縁部がヨーク１０に固定され、ボイスコイル２４が固定される振動板２８と、を含む。マグネット２０から出た磁場は、マグネット２０上にあるプレート２２を通じて下側のヨーク１０に移動し、再びマグネット２０に移動する閉回路を構成する。プレート２２と下側のヨーク１０との間の空間に移動する磁場は、ボイスコイル２４に電流が印加されて、ボイスコイル２４が磁性を帯びれば、ボイスコイル２４の磁力極性によってボイスコイル２４を引っ張るか、押し出す。すなわち、ボイスコイル２４の磁力極性がプレート２２と下側のヨーク１０の磁力極性と同じであれば、互いに反発してボイスコイル２４を押し出して、ボイスコイル２４を前に移動させ、プレート２２と下側のヨーク１０の磁力極性と異なれば、互いに吸引してボイスコイル２４を後に引っ張る。このように、ボイスコイル２４が動けば、ボイスコイル２４が固定されている振動板２８が前後に移動しながら、空気を振動させて音を発生させる。図示されていないが、本実施形態によるスピーカーは、電気信号（＋、−）をボイスコイル２４に印加するための導線が備えられ、導線は、スピーカーの外部に引き出される。

また、本実施形態によるスピーカーは、金属板３２、及び金属板３２の両面にそれぞれボンディングされた圧電セラミックス３１、３３からなる圧電素子３０が結合され、前記圧電素子３０が振動板２８の上側に配されるように、ヨーク１０の上側開口部に配されて、ヨーク１０と結合されるキャップ４０をさらに含む。

圧電素子３０は、圧電効果を有する圧電セラミックス３１、３３と金属板３２とに電気的交流信号が印加されれば、これに連動して、圧電セラミックス３１、３３の直径が伸張または収縮することによって、圧電素子３０が上下に屈曲運動を行うことによって、音を発生させる。本実施形態で、圧電素子３０は、金属板３２の両面にそれぞれ圧電セラミックス３１、３３がボンディングされると説明しているが、金属板３２の一面にのみ圧電セラミックスをボンディングすることもできる。すなわち、金属板３２の上面にのみ圧電セラミックス３１をボンディングしても、金属板３２の下面にのみ圧電セラミックス３３をボンディングしても良い。圧電セラミックス３１、３３は、圧電素子３０の屈曲運動のために、通常の金属板３２よりも小さな面積を有し、したがって、金属板３２は、一部が外部に露出される。圧電セラミックス３１、３３は、接着剤３４、３５によって金属板３２にボンディングされ、接着剤３４、３５としては、例えば、導電性エポキシ接着剤、シルバーペーストなどが使われる。ボイスコイル２４に印加される電気信号（＋、−）は、圧電素子３０の圧電セラミックス３１、３３と金属板３２にも共に印加される。例えば、（＋）信号は、圧電セラミックス３１、３３に印加され、（−）信号は、金属板３２に印加される。図示されていないが、本実施形態によるスピーカーには、圧電セラミックス３１、３３と金属板３２とに電気信号を印加するための電極と導線とが備えられ、この導線も、スピーカーの外部に引き出される。

回路基板５０は、外部から電気信号（＋、−）を入力されて、前記電気信号をボイスコイル２４及び圧電素子３０に伝達する。回路基板５０の具体的な構成及びボイスコイル２４及び圧電素子３０との電気的連結に関しては、図１１ないし図１３を参照して後述する。

圧電素子３０は、キャップ４０によって支持されるが、本発明の実施形態で、圧電素子３０は、インサート射出によってキャップ４０に一体に結合される。従来の圧電スピーカーで圧電素子は、接着剤（例えば、シリコン接着剤）を用いてケースまたは支持手段に固定されるが、このような場合、接着作業が難しく、支持強度が十分ではない問題があった。本発明の実施形態では、圧電素子３０をインサート射出を用いてキャップ４０に一体に結合させることによって、製造工程を単純化し、十分な支持強度が得られる。例えば、本発明の実施形態では、圧電素子３０をあらかじめ準備し、圧電素子３０とキャップ４０とをインサート射出するための金型を製作した後、インサート射出成形を通じて圧電素子３０が一体に結合されたキャップ４０を製作する。

また、本発明の実施形態で、圧電素子３０には、振動板２８から発生した音が通過できるように少なくとも１つの孔が形成される。例えば、示したように、圧電素子３０の中央に孔３６が形成され、圧電素子３０の縁部に沿って１つまたは２つ以上の孔３７が形成されうる。したがって、本実施形態で、圧電素子３０とそれを成す金属板３２及び圧電セラミックス３１、３３は、リング状を帯び、但し、金属板３２は、キャップ４０と結合された状態で孔３７が形成されるように、縁部のうち、孔３７に該当する部分が内側に掘れており、縁部のうち、孔３７に該当しない部分がキャップ４０と結合されうる。実施形態によっては、これとは異なって、金属板の縁部が滑らかな円状を帯びて、縁部の全体に亘ってキャップ４０と結合され、金属板の縁部に沿って縁部と離隔した１つまたは２つ以上の孔が形成されうる。

さらに、本発明の実施形態では、キャップ４０の側面に振動板２８から発生した音が通過できるように少なくとも１つの孔が形成されうる。例えば、図２ないし図５を参照すれば、キャップ４０の側面に振動板２８の上部に位置する孔４２が形成される。

前述した本発明の一実施形態によるスピーカーの具体的な動作を説明すれば、次の通りである。

ボイスコイル２４と圧電素子３０には、同じ電気信号が印加されるので、ボイスコイル２４と圧電素子３０とでそれぞれ電気信号に相応する音が発生する。但し、ボイスコイル２４に電気信号が印加されることによって、振動板２８で発生する音は、低音域には充実しているが、高音域には相対的に充実していない音である一方、圧電素子３０に電気信号が印加されることによって、圧電素子３０で発生する音は、低音域には相対的に充実していないが、高音域には充実した音である。したがって、本実施形態によるスピーカーでは、低音域及び高音域でいずれも忠実度の高い音が出る。

低音域の音と高音域の音は、指向性において差を見せるが、低音域の音は、指向性が弱いが、一方、高音域の音は、指向性が強い特性を表わす。すなわち、低音域の音は、音源から広く広がる傾向があるが、高音域の音は、音源から広く広がらず、同じ方向に進行する傾向がある。

したがって、振動板２８で発生する音のうち、高音域の音は、圧電素子３０によって一部遮断され、低音域の音は、広く広がる傾向があるので、圧電素子３０に形成された孔３６、３７及びキャップ４０に形成された孔４２を通じて放出される。圧電素子３０で発生する音は、そのまま（あるいは、例えば、イヤホンの場合、イヤホンゴムキャップを通じて）放出される。

ところが、音源として振動板２８と圧電素子３０との２つの音源が存在するので、振動板２８から出る音と圧電素子３０から出る音との補強干渉による歪曲が発生し、特に、高音域で問題になりうる。しかし、本発明の実施形態では、振動板２８の上側に圧電素子３０が配されて、振動板２８から出る高音域の音を圧電素子３０が遮断し、振動板２８から出る低音域の音は、圧電素子３０に形成された孔３６、３７及びキャップ４０に形成された孔４２を通じて放出させることによって、このような干渉を最小化することができる。低音域の音は、指向性が弱いので、圧電素子３０の縁部に形成された孔３７及びキャップ４０の側面に形成された孔４０を通じても、円滑にスピーカーの外部に放出される。しかし、高音域の音は、指向性が強いために、圧電素子３０によって遮断され、圧電素子３０の縁部に形成された孔３７及びキャップ４０の側面に形成された孔４０を通じてほとんど放出されない。

但し、本実施形態で、圧電素子３０の中央に形成された孔３６を通じて振動板２８から出る高音域の音が一部放出されるが、一字状イヤホンではない、人の耳の形態に合わせて音通路（例えば、イヤホンのゴムキャップ）の方向が機構的にやや反れたイヤホンの場合、このような機構的構造によって孔３６を通じて放出された音による干渉は抑制されうる。そして、後述する実施形態でのように、圧電素子３０は、中央の孔３６が形成されていない形態で、すなわち、中央が詰まった構造で具現されることもある。

図６及び図７は、本発明の他の一実施形態によるスピーカーの図面であって、図６は、スピーカーの側面図を示し、図７は、スピーカーの断面斜視図を示す。

本実施形態によるスピーカーは、図１ないし図５を通じて説明した実施形態とは異なって、圧電素子３０’は、中央の孔３６が形成されていない、すなわち、中央が詰まった構造からなる。それ以外には、図１ないし図５を通じて説明した実施形態と同一なので、重複説明は省略する。圧電素子３０’を成す金属板３２’及び圧電セラミックス３１’、３３’は、リング状の金属板３２及び圧電セラミックス３１、３３と異なって、円状を帯びる。金属板３２’がキャップ４０と結合された状態で孔３７が形成されるように、縁部のうち、孔３７に該当する部分が内側に掘れている点は、金属板３２と同様である。振動板２８から出る低音域の音は、圧電素子３０に形成された孔３７及びキャップ４０に形成された孔４２を通じて放出される。

本実施形態によれば、振動板２８で発生する音のうち、高音域の音が圧電素子３０’によってほとんど遮断されるので、イヤホンの形態（例えば、一字状イヤホンあるいはゴムキャップの方向が反れたイヤホン）と無関係に振動板２８から出る音と圧電素子３０’から出る音との補強干渉による歪曲を防止しながら、低音域及び高音域でいずれも忠実度の高い音を提供することができる。

図８及び図９は、本発明のさらに他の一実施形態によるスピーカーの図面であって、図８は、スピーカーの側面図を示し、図９は、スピーカーの断面斜視図を示す。

本実施形態によるスピーカーは、図１ないし図５を通じて説明した実施形態とは異なって、圧電素子３０’’は、中央の孔３６が形成されていないだけではなく、縁部にも孔３７が形成されず、振動板２８の上部全体が圧電素子３０’’によって詰まっている構造である。すなわち、圧電素子３０’’を成す金属板３２’’及び圧電セラミックス３１’、３２’は、リング状の金属板３２及び圧電セラミックス３１、３３と異なって、円状を帯び、金属板３２’’は、金属板３２と異なって、縁部が滑らかな円状を帯びて、縁部の全体に亘ってキャップ４０と結合される。振動板２８から出る低音域の音は、キャップ４０に形成された孔４２を通じて放出される。

本実施形態に、やはり図６及び図７の実施形態と同じく、振動板２８で発生する音のうち、高音域の音が圧電素子３０’’によってほとんど遮断されるので、イヤホンの形態（例えば、一字状イヤホンあるいはゴムキャップの方向が反れたイヤホン）と無関係に振動板２８から出る音と圧電素子３０’’から出る音との補強干渉による歪曲を防止しながら、低音域及び高音域でいずれも忠実度の高い音を提供することができる。

図１０は、本発明のさらに他の一実施形態によるスピーカーの側面図を示す。本実施形態によるスピーカーは、圧電素子３０の上部に配されて、圧電素子３０を保護する保護カバー６０をさらに含む。本実施形態は、図１のスピーカーに保護カバー６０がさらに含まれる構成であるが、図６または図８のスピーカーに保護カバー６０がさらに含まれる構成になることもできるということは言うまでもない。保護カバー６０は、例えば、メッシュグリルであり得る。圧電素子３０の音がスピーカーの前面に直ちに出る場合、音質が荒く感じられることもできるが、圧電素子３０の上部に保護カバー６０を配置することによって、圧電素子３０の荒い音質を改善して、より柔らかく、鮮明な音質を具現することができる。

図１１ないし図１３は、本発明の一実施形態による回路基板５０の具体的な構成及びボイスコイル２４及び圧電素子３０との電気的連結を示す図面である。図１１は、回路基板５０の下面を示す図面であり、図１２は、回路基板５０がヨーク１０の下部外側に結合された場合の電気的連結を示す図面であり、図１３は、図１のスピーカーで回路基板５０とボイスコイル２４及び圧電素子３０との電気的連結を示す図面である。本実施形態は、図１のスピーカーを対象にして説明されているが、図６、図８または図１０によるスピーカーにも適用可能であるということは言うまでもない。

図１１を参照すれば、回路基板５０は、第１及び第２端子５１、５２、第３及び第４端子５３、５４、第５及び第６端子５５、５６を含む。また、回路基板５０には、第１端子５１、第３端子５３、第５端子５５を電気的に連結するパターン５７と、第２端子５２、第４端子５４、第６端子５６を電気的に連結するパターン５８と、が設けられる。

第１及び第２端子５１、５２には、それぞれ外部から＋及び−信号が入力される。すなわち、図示されていないが、第１及び第２端子５１、５２は、それぞれ＋信号入力線と−信号入力線とが連結されうる。

図１１ないし図１３を参照すれば、第３及び第４端子５３、５４は、それぞれ＋及び−信号をボイスコイル２４に印加するための導線７２、７１と連結される。すなわち、外部から入る＋及び−信号は、第１及び第２端子５１、５２に入力されて、第３及び第４端子５３、５４を通じて導線７２、７１に沿ってボイスコイル２４に印加される。

第５及び第６端子５５、５６は、それぞれ＋及び−信号を圧電素子３０に印加するための導線８２、８１と連結される。すなわち、外部から入る＋及び−信号は、第１及び第２端子５１、５２に入力されて、第５及び第６端子５５、５６を通じて導線８２、８１に沿って圧電素子３０に印加される。図示されていないが、例えば、＋信号は、導線８２に沿って圧電素子３０の圧電セラミックス３１、３３に印加され、−信号は、導線８１に沿って圧電素子３０の金属板３２に印加されうる。この際、導線８２には、圧電セラミックス３１、３３との連結のための電極が形成され、導線８１には、金属板３２との連結のための電極が形成されうる。

実施形態によって、＋及び−信号を圧電素子３０に印加するための導線８２、８１は、軟性回路基板８０に形成されうる。すなわち、軟性回路基板８０に＋及び−信号を圧電素子３０に印加するためのパターン、第５及び第６端子５５、５６との連結のための電極、圧電素子３０の圧電セラミックス３１、３３及び金属板３２との連結のための電極が形成されうる。

以上、本発明について、その望ましい実施形態を中心に説明した。当業者ならば、本発明が、本発明の本質的な特性から外れない範囲内で変形された形態として具現可能であるということを理解できるであろう。したがって、開示された実施形態は、限定的な観点ではなく、説明的な観点で考慮されなければならない。本発明の範囲は、前述した説明ではなく、特許請求の範囲に示されており、それと同等な範囲内にあるあらゆる差異点は、本発明に含まれたものと解釈しなければならない。

本発明は、ダイナミックスピーカーと圧電素子とを利用した高音質スピーカー関連の技術分野に適用可能である。

Claims (7)

1. 内側に収容空間が形成されるヨークと、
   前記収容空間に配され、上面にプレートが備えられるマグネットと、
   前記ヨークと前記マグネットとの間に配されるボイスコイルと、
   前記プレートの上部に配され、前記ボイスコイルが固定される振動板と、
   金属板、及び前記金属板の一面または両面にボンディングされた圧電セラミックスからなる圧電素子がインサート射出によって一体に結合され、前記圧電素子が前記振動板の上側に配されるように、前記ヨークの上側開口部に設けられるキャップと、
   前記ヨークの下部外側に結合され、外部から電気信号を入力されて、前記電気信号を前記ボイスコイル及び前記圧電素子に伝達する回路基板と、
   を含み、
   前記キャップの側面に前記振動板から発生した音が通過できるように１つまたは２つ以上の孔が形成されたことを特徴とするスピーカー。
2. 前記圧電素子には、前記振動板から発生した音が通過できるように少なくとも１つの孔が形成されたことを特徴とする請求項１に記載のスピーカー。
3. 前記孔は、前記圧電素子の縁部に沿って１つまたは２つ以上が形成されたことを特徴とする請求項２に記載のスピーカー。
4. 前記圧電セラミックスは、前記金属板よりも小さな面積を有し、前記孔は、前記圧電素子を成す前記金属板の縁部に沿って１つまたは２つ以上が形成されたことを特徴とする請求項２に記載のスピーカー。
5. 前記回路基板は、外部から＋及び−信号が入力される第１及び第２端子と、前記＋及び−信号を前記ボイスコイルに印加するための導線と連結される第３及び第４端子と、前記＋及び−信号を前記圧電素子に印加するための導線と連結される第５及び第６端子と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のスピーカー。
6. 前記＋及び−信号を前記圧電素子に印加するための導線が形成された軟性回路基板をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載のスピーカー。
7. 前記圧電素子の上部に配されて、前記圧電素子を保護する保護カバーをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のスピーカー。

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