JP6495866B2 - スピーカーユニット - Google Patents
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Description
そのため、このように周波数帯域ごとに指向性の異なる、指向性を有するスピーカでは、スピーカの軸上(真正面)と軸上を外れたところでは、周波数のバランスが変わり音色が変化して、音質が低下してしまうという問題があった。
また、コーンスピーカの場合には、低域を再生するためにはエンクロージャにはある程度の容積が要求されるが、スピーカユニットを多数個使うと、その分、磁気回路に場所を取られるため、エンクロージャの実質的な容積が不足して低域の再生が困難になってしまう。一方、エンクロージャの容積を確保するため、エンクロージャを大きくすると、振動板間の距離がさらに離れてしまうため、周波数特性の乱れがさらに大きくなってしまう。
このように、従来のコーンスピーカを用いた場合には、振動板間の距離差によって、音波の到達タイミングがずれるため、聴取位置によって周波数バランスが変わって、音色が変化してしまう。
このような薄型のスピーカを2枚背中合わせに配置することで、2つの振動板の間の距離を小さくでき、それぞれから出た音が聴取者に到達するタイミングにズレがほとんど生じず、無指向性放射パターンを持つスピーカの設計が容易になると記載されている。
すなわち、本発明は、以下の構成の電気音響変換器を提供する。
(2) 常温で粘弾性を有する高分子材料からなる粘弾性マトリックス中に圧電体粒子を分散してなる高分子複合圧電体、および、高分子複合圧電体の両面に積層された2つの薄膜電極を有する電気音響変換フィルムと、電気音響変換フィルムを湾曲させて湾曲部を形成するように、電気音響変換フィルムの一方の主面に密着して配置される弾性支持体とを有し、弾性支持体の対向する2つの面に、電気音響変換フィルムが密着して配置されて、2つの湾曲部が形成されており、2つの湾曲部間の距離dと、電気音響変換フィルムの主面に垂直な方向から見た際の、湾曲部の最大長さLとが、d≦0.3×Lの関係を満たす電気音響変換器。
(3) 弾性支持体の対向する2つの面にそれぞれ配置される、2つの電気音響変換フィルムを有する(2)に記載の電気音響変換器。
(4) 弾性支持体の対向する2つの面を覆うように配置される1つの電気音響変換フィルムを有する(2)に記載の電気音響変換器。
(5) 電気音響変換ユニットは、電気音響変換フィルムおよび弾性支持体を保持する筐体を有し、2つの電気音響変換ユニットは、筐体の背面同士が密着して配置される(1)に記載の電気音響変換器。
(6) 電気音響変換フィルムの主面に垂直な方向から見た際の、湾曲部の面積が電気音響変換器の面積の90%以上である(1)〜(5)のいずれかに記載の電気音響変換器。
(7) 弾性支持体が粘弾性を有する粘弾性支持体である(1)〜(6)のいずれかに記載の電気音響変換器。
(8) 電気音響変換フィルムの湾曲部が、中心から周辺部に向かって緩やかに曲率が変化している(1)〜(7)のいずれかに記載の電気音響変換器。
(9) 電気音響変換フィルムの主面に垂直な方向から見た際の、電気音響変換フィルムの湾曲部の形状が、正多角形または円形状である(1)〜(8)のいずれかに記載の電気音響変換器。
(10) 高分子材料が、シアノエチル基を有するものである(1)〜(9)のいずれかに記載の電気音響変換器。
(11) 高分子材料が、シアノエチル化ポリビニルアルコールである(1)〜(10)のいずれかに記載の電気音響変換器。
以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施態様に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施態様に限定されるものではない。
なお、本明細書において、「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
図1Aおよび図1Bに示すように、電気音響変換器100は、2つの電気音響変換ユニット40を有し、2つの電気音響変換ユニット40が、電気音響変換フィルム10側とは反対側の面である背面を互いに対面して配置されたものである。
また、図示例の電気音響変換器100を構成する電気音響変換ユニット40は、電気音響変換フィルム側の面の形状が正四角形状(正方形状)である。
図2Aは、電気音響変換ユニット40を概念的に示す正面図であり、図2Bは、図2AのB−B線断面図である。
電気音響変換ユニット40は、電気音響変換フィルム(以下、「変換フィルム」ともいう)10を振動板として用いるものである。
ここで、本発明の電気音響変換ユニット40に用いられる変換フィルム10は、常温で粘弾性を有する高分子材料からなる粘弾性マトリックス中に圧電体粒子を分散してなる高分子複合圧電体、および、高分子複合圧電体の両面に積層された2つの薄膜電極を有する変換フィルムである。
変換フィルム10については後に詳述する。
図示例において、粘弾性支持体46は、ケース42の底面とほぼ同等の底面形状を有する四角柱状である。また、粘弾性支持体46の高さは、ケース42の深さよりも大きい。
粘弾性支持体46の比重には、特に限定はなく、粘弾性支持体の種類に応じて、適宜、選択すればよい。一例として、粘弾性支持体としてフェルトを用いた場合には、比重は、50〜500kg/m3が好ましく、100〜300kg/m3がより好ましい。また、粘弾性支持体としてグラスウールを用いた場合には、比重は、10〜100kg/m3が好ましい。
なお、ケース42への押圧部材48の固定方法には、特に限定はなく、ビスやボルトナットを用いる方法、固定用の治具を用いる方法等、公知の方法が、各種、利用可能である。
そのため、電気音響変換ユニット40では、粘弾性支持体46の周辺部に近くなるほど、粘弾性支持体46が変換フィルム10によって下方に押圧されて厚さが薄くなった状態で、保持される。すなわち、変換フィルム10の主面の少なくとも一部が湾曲した状態で保持される。これにより、変換フィルム10の少なくとも一部に湾曲部が形成される。電気音響変換ユニット40において、この湾曲部が振動面となる。なお、以下の説明では、湾曲部を振動面ともいう。
この際、変換フィルム10の面方向において、粘弾性支持体46の全面を押圧して、全面的に厚さが薄くなるようにするのが好ましい。すなわち、変換フィルム10の全面が粘弾性支持体46により押圧されて支持されるのが好ましい。
また、このように形成された湾曲部は、中心から周辺部に向かって緩やかに曲率が変化しているのが好ましい。これにより、共振周波数を分散させ、より広帯域化できる。
なお、電気音響変換ユニット40の変換フィルム10側の面に対する、湾曲部の大きさには特に限定はないが、80%以上であるのが好ましく、90%〜98%であるのがより好ましい。圧電性を有する変換フィルムを用いる電気音響変換ユニットは、一般的に振動板が円形状を有するコーンスピーカに比べて、ユニット全体の大きさに対する振動板の相対的な大きさを大きくし易い。そのため、背面を対面させて配置される2つの電気音響変換ユニットの湾曲部同士を、近接配置することができ、放射インピーダンスが大幅に上昇し、特に周波数が低い帯域(低域)において、音圧増幅効果が期待できる。
また、上記観点から、押圧部材48の縁部の幅は、20mm以下が好ましく、1mm〜10mmが好ましい。
電気音響変換ユニット40に組み込んだ変換フィルム10の高低差、図示例では、押圧部材48の底面に対して最も近い所と最も遠い所との距離にも、特に限定はないが、薄型の平面スピーカが得られる、変換フィルム10の十分な上下運動が可能になる等の点で、1〜50mm、特に5〜20mm程度とするのが好ましい。
加えて、粘弾性支持体46の厚さにも、特に限定は無いが、押圧される前の厚さが、1〜100mm、特に10〜50mmであるのが好ましい。
例えば、粘弾性支持体46に代えて、弾性を有する弾性支持体を有する構成としてもよい。
弾性支持体としては、天然ゴムや各種合成ゴムが例示される。
図1Aおよび図1Bに示す電気音響変換器100は、上述の電気音響変換ユニット(以下、「変換ユニット」ともいう)40を2つ有し、2つの変換ユニット40が、ケース42の背面(変換フィルム10側とは反対側の面)同士を対面して配置された構成を有する。
すなわち、2つの変換ユニット40は、互いの音の放射方向が180°異なる方向を向くように配置される。
また、2つの変換ユニット40は、ケース42の背面同士を密着して配置される。
変換ユニット40同士の固定方法には、特に限定はなく、ビスやボルトナットを用いる方法、固定用の治具を用いる方法等、公知の方法が、各種、利用可能である。
この点を図3Aおよび図3Bを用いて説明する。
例えば、図3Aに示すように、変換フィルムの主面に垂直な方向から見た際の、湾曲部の形状が矩形状である場合には、湾曲部の対角線の長さを湾曲部の最大長さをLとし、図3Bに示すように、2つの変換ユニット40の湾曲部間の距離の平均値を湾曲部間の距離dとする。本発明の電気音響変換器は、この湾曲部の最大長さLと、湾曲部間の距離dとが、d≦0.3×Lの関係を満たす、すなわち、湾曲部の大きさに応じて、2つの湾曲部間の距離dを小さくする。
このHVT方式のスピーカは、駆動源(マグネットやボイスコイル)を振動板の側面に配置し、リンク機構を介して振動板を増幅させる構成を有するもので、この構成により、駆動源と振動板の双方において、振幅方向に十分なクリアランスを確保でき薄型化できると記載されている。
また、HVT方式のスピーカは、低域に比べて、中域および高域の音圧レベルが低いという問題があった。また、駆動源と振動板との間にリンク機構を介して振動板を駆動するため、部品点数が非常に多くなり、生産性が低く、製造コストが高くなるという問題があった。
さらに、本発明の電気音響変換器においては、各変換ユニット毎に独立したエンクロージャを有しているため、複数配置したからといってエンクロージャの容積が不足することなく、低域の再生が困難になることもない。
また、本発明の電気音響変換器においては、変換フィルムに電気信号を入力することで、変換フィルムを振動させることができるため、駆動源やリンク機構等が不要であり、部品点数を少なくできる。
なお、湾曲部の形状は、対称性の高い形状であることが好ましく、正多角形または円形状であることが好ましい。
図4Aに示すように、湾曲部の形状が、四角形以上の多角形の場合には、対角線のうち、最長の対角線を湾曲部の最大長さLとする。
図4Bに示すように、湾曲部の形状が三角形の場合には、垂線のうち、最長の垂線を湾曲部の最大長さLとする。
図4Cに示すように、湾曲部の形状が楕円形の場合には、長径を湾曲部の最大長さLとする。
図4Dに示すように、湾曲部の形状が円形の場合には、直径を湾曲部の最大長さLとする。
なお、2つの湾曲部の最大長さLが互いに異なる場合には、2つの湾曲部の最大長さLの平均値と、湾曲部間の距離dとが、d≦0.3×Lの関係を満たせばよい。
なお、2つの湾曲部の大きさ(変換フィルムの主面に垂直な方向から見た際の大きさ)が異なる場合には、変換フィルムの主面に垂直な方向から見た際に、2つの湾曲部が重複している領域で、2つの湾曲部間の距離を計測し、その平均値を湾曲部間の距離dとすればよい。
例えば、一方の変換ユニット40(変換フィルム10)にRチャンネルの信号を入力し、他方の変換ユニット40(変換フィルム10)にLチャンネルの信号を入力することで、ステレオ再生を行うことができる。
あるいは、一方の変換ユニット40に再生したい音の信号を入力し、他方の変換ユニット40には、周囲の音(環境音)と逆位相の信号を入力して環境音を軽減する、いわゆる、ノイズキャンセラーとして用いることもできる。
本発明の電気音響変換器の第2の態様は、常温で粘弾性を有する高分子材料からなる粘弾性マトリックス中に圧電体粒子を分散してなる高分子複合圧電体、および、高分子複合圧電体の両面に積層された2つの薄膜電極を有する電気音響変換フィルムと、電気音響変換フィルムを湾曲させて湾曲部を形成するように、電気音響変換フィルムの一方の主面に密着して配置される弾性支持体とを有し、弾性支持体の対向する2つの面に、電気音響変換フィルムが密着して配置されて、2つの湾曲部が形成されており、2つの湾曲部間の距離dと、電気音響変換フィルムの主面に垂直な方向から見た際の、湾曲部の最大長さLとが、d≦0.3×Lの関係を満たす電気音響変換器である。
図5Aに示す電気音響変換器110は、2つの変換フィルム10と、粘弾性支持体46と、枠体112と、押圧部材114とを有して構成される。
なお、図5Aに示す電気音響変換器110は、図1Aに示す電気音響変換器100において、2つの変換ユニットのケース42および粘弾性支持体46をそれぞれ一体化したものということができる。したがって、電気音響変換器100と同じ部位には同じ符号を付し、以下の説明では異なる部位を主に行う。
なお、枠体112の厚さは、粘弾性支持体46の厚さよりも薄く、粘弾性支持体46は、枠体112の両方の開口面側でそれぞれ突出するように配置される。
これにより、一方の変換フィルム10は、粘弾性支持体46の一面に押圧して固定されて湾曲部を形成し、また、他方の変換フィルム10は、粘弾性支持体46の先の面とは反対側の面に押圧して固定されて湾曲部を形成する。
これにより、互いに反対方向を向いた2つの湾曲部間の距離を短くできるため、より好適な無指向性が得られる。また、部品点数を少なくでき好適である。
すなわち、図6Bに示すように、粘弾性支持体46の対向する2面を覆う大きさの1つの変換フィルム10を用いて、粘弾性支持体46の対向する2面を覆い、粘弾性支持体46の両面で湾曲部を形成する構成としてもよい。
このように、1つの変換フィルム10を用いる場合には、変換フィルム10は、湾曲部に対応する領域ごとに分割して薄膜電極が形成されているのが好ましい。
図7は、変換フィルム10の一例を概念的に示す断面図である。
図7に示すように、変換フィルム10は、圧電性を有するシート状物である圧電体層12と、圧電体層12の一方の面に積層される下部薄膜電極14と、下部薄膜電極14上に積層される下部保護層18と、圧電体層12の他方の面に積層される上部薄膜電極16と、上部薄膜電極16上に積層される上部保護層20とを有する。
また、後述するが、圧電体層12は、好ましくは、分極処理されている。
(i) 可撓性
例えば、携帯用として新聞や雑誌のように書類感覚で緩く撓めた状態で把持する場合、絶えず外部から、数Hz以下の比較的ゆっくりとした、大きな曲げ変形を受けることになる。この時、高分子複合圧電体が硬いと、その分大きな曲げ応力が発生し、高分子マトリックスと圧電体粒子との界面で亀裂が発生し、やがて破壊に繋がる恐れがある。従って、高分子複合圧電体には適度な柔らかさが求められる。また、歪みエネルギーを熱として外部へ拡散できれば応力を緩和することができる。従って、高分子複合圧電体の損失正接が適度に大きいことが求められる。
(ii) 音質
スピーカは、20Hz〜20kHzのオーディオ帯域の周波数で圧電体粒子を振動させ、その振動エネルギーによって振動板(高分子複合圧電体)全体が一体となって振動することで音が再生される。従って、振動エネルギーの伝達効率を高めるために高分子複合圧電体には適度な硬さが求められる。また、スピーカの周波数特性が平滑であれば、曲率の変化に伴い最低共振周波数f0が変化した際の音質の変化量も小さくなる。従って、高分子複合圧電体の損失正接は適度に大きいことが求められる。
高分子複合圧電体(圧電体層12)において、ガラス転移点が常温にある高分子材料、言い換えると、常温で粘弾性を有する高分子材料をマトリックスに用いることで、20Hz〜20kHzの振動に対しては硬く、数Hz以下の遅い振動に対しては柔らかく振舞う高分子複合圧電体が実現する。特に、この振舞いが好適に発現する等の点で、周波数1Hzでのガラス転移温度が常温、すなわち、0〜50℃にある高分子材料を、高分子複合圧電体のマトリックスに用いるのが好ましい。
これにより、高分子複合圧電体が外力によってゆっくりと曲げられた際に、最大曲げモーメント部における高分子マトリックス/圧電体粒子界面の応力集中が緩和され、高い可撓性が期待できる。
これにより、高分子複合圧電体が外力によってゆっくりと曲げられた際に発生する曲げモーメントが低減できると同時に、20Hz〜20kHzの音響振動に対しては硬く振る舞うことができる。
しかしながら、その反面、良好な耐湿性の確保等を考慮すると、高分子材料は、比誘電率が25℃において10以下であるのも、好適である。
なお、これらの高分子材料は、1種のみを用いてもよく、複数種を併用(混合)して用いてもよい。
すなわち、粘弾性マトリックス24には、誘電特性や機械特性の調整等を目的として、シアノエチル化PVA等の粘弾性材料に加え、必要に応じて、その他の誘電性高分子材料を添加しても良い。
中でも、シアノエチル基を有する高分子材料は、好適に利用される。
また、圧電体層12の粘弾性マトリックス24において、シアノエチル化PVA等の常温で粘弾性を有する材料に加えて添加される誘電性ポリマーは、1種に限定はされず、複数種を添加してもよい。
更に、粘着性を向上する目的で、ロジンエステル、ロジン、テルペン、テルペンフェノール、石油樹脂、等の粘着付与剤を添加しても良い。
これにより、粘弾性マトリックス24における粘弾性緩和機構を損なうことなく、添加する高分子材料の特性を発現できるため、高誘電率化、耐熱性の向上、圧電体粒子26や電極層との密着性向上等の点で好ましい結果を得ることができる。
圧電体粒子26を構成するセラミックス粒子としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸ジルコン酸ランタン酸鉛(PLZT)、チタン酸バリウム(BaTiO3)、酸化亜鉛(ZnO)、および、チタン酸バリウムとビスマスフェライト(BiFe3)との固溶体(BFBT)等が例示される。
圧電体粒子26の粒径を上記範囲とすることにより、高い圧電特性とフレキシビリティとを両立できる等の点で好ましい結果を得ることができる。
すなわち、圧電体層12中の圧電体粒子26は、好ましくは均一に分散されていれば、粘弾性マトリックス24中に不規則に分散されていてもよい。
ここで、本発明者の検討によれば、圧電体層12中における圧電体粒子26の体積分率は、30〜70%が好ましく、特に、50%以上とするのが好ましく、従って、50〜70%とするのが、より好ましい。
粘弾性マトリックス24と圧電体粒子26との量比を上記範囲とすることにより、高い圧電特性とフレキシビリティとを両立できる等の点で好ましい結果を得ることができる。
ここで、本発明者の検討によれば、圧電体層12の厚さは、10〜300μmが好ましく、20〜200μmがより好ましく、特に、30〜100μmが好ましい。
圧電体層12の厚さを、上記範囲とすることにより、剛性の確保と適度な柔軟性との両立等の点で好ましい結果を得ることができる。
なお、圧電体層12は、分極処理(ポーリング)されているのが好ましいのは、前述のとおりである。分極処理に関しては、後に詳述する。
なお、変換フィルム10は、これらの層に加えて、例えば、上部薄膜電極16、および、下部薄膜電極14からの電極の引出しを行う電極引出し部や、圧電体層12が露出する領域を覆って、ショート等を防止する絶縁層等を有していてもよい。
このように、上部薄膜電極16および下部薄膜電極14で挾持された領域は、印加された電圧に応じて駆動される。
ここで、上部保護層20および下部保護層18の剛性が高過ぎると、圧電体層12の伸縮を拘束するばかりか、可撓性も損なわれるため、機械的強度やシート状物としての良好なハンドリング性が要求される場合を除けば、上部保護層20および下部保護層18は、薄いほど有利である。
例えば、圧電体層12の厚さが50μmで上部保護層20および下部保護層18がPETからなる場合、上部保護層20および下部保護層18の厚さは、100μm以下が好ましく、50μm以下がより好ましく、中でも25μm以下とするのが好ましい。
上部電極16および下部電極14は、変換フィルム10(圧電体層12)に電界を印加するために設けられる。
上部電極16および下部電極14の厚さには、特に、限定は無い。また、上部電極16および下部電極14の厚さは、基本的に同じであるが、異なってもよい。
例えば、上部保護層20および下部保護層18がPET(ヤング率:約6.2GPa)で、上部電極16および下部電極14が銅(ヤング率:約130GPa)からなる組み合わせの場合、上部保護層20および下部保護層18の厚さが25μmだとすると、上部電極16および下部電極14の厚さは、1.2μm以下が好ましく、0.3μm以下がより好ましく、中でも0.1μm以下とするのが好ましい。
このような変換フィルム10は、動的粘弾性測定による周波数1Hzでの損失正接(Tanδ)が0.1以上となる極大値が常温に存在するのが好ましい。
これにより、変換フィルム10が外部から数Hz以下の比較的ゆっくりとした、大きな曲げ変形を受けたとしても、歪みエネルギーを効果的に熱として外部へ拡散できるため、高分子マトリックスと圧電体粒子との界面で亀裂が発生するのを防ぐことができる。
これにより、常温で変換フィルム10が貯蔵弾性率(E’)に大きな周波数分散を有することができる。すなわち、20Hz〜20kHzの振動に対しては硬く、数Hz以下の振動に対しては柔らかく振る舞うことができる。
これにより、変換フィルム10が可撓性および音響特性を損なわない範囲で、適度な剛性と機械的強度を備えることができる。
これにより、変換フィルム10を用いたスピーカの周波数特性が平滑になり、スピーカの曲率の変化に伴い最低共振周波数f0が変化した際の音質の変化量も小さくできる。
下部保護層18が非常に薄く、ハンドリング性が悪い時などは、必要に応じて、セパレータ(仮支持体)付きの下部保護層18を用いても良い。尚、セパレータとしては、厚さ25〜100μmのPET等を用いることができる。なお、セパレータは、薄膜電極および保護層の熱圧着後、側面絶縁層や、第2の保護層等を形成する直前に、取り除けばよい。
前述のシート状物11aを準備し、かつ、塗料を調製したら、この塗料をシート状物にキャスティング(塗布)して、有機溶媒を蒸発して乾燥する。これにより、図8Bに示すように、下部保護層18の上に下部電極14を有し、下部電極14の上に圧電体層12を形成してなる積層体11bを作製する。
あるいは、粘弾性材料がシアノエチル化PVAのように加熱溶融可能な物であれば、粘弾性材料を加熱溶融して、これに圧電体粒子26を添加/分散してなる溶融物を作製し、押し出し成形等によって、図8Aに示すシート状物11aの上にシート状に押し出し、冷却することにより、図8Bに示すような、下部保護層18の上に下部電極14を有し、下部電極14の上に圧電体層12を形成してなる積層体11bを作製してもよい。
粘弾性マトリックス24に、これらの高分子圧電材料を添加する際には、上記塗料に添加する高分子圧電材料を溶解すればよい。あるいは、上記加熱溶融した粘弾性材料に、添加する高分子圧電材料を添加して加熱溶融すればよい。
下部保護層18の上に下部電極14を有し、下部電極14の上に圧電体層12を形成してなる積層体11bを作製したら、好ましくは、圧電体層12の分極処理(ポーリング)を行う。
さらに、積層体11bを加熱保持する加熱手段、例えば、ホットプレートを用意する。
また、コロナポーリング処理では、コロナ電極30を移動する方法にも、限定はされない。すなわち、コロナ電極30を固定し、積層体11bを移動させる移動機構を設け、この積層体11bを移動させて分極処理をしてもよい。この積層体11bの移動も、公知のシート状物の移動手段を用いればよい。
さらに、コロナ電極30の数は、1本に限定はされず、複数本のコロナ電極30を用いて、コロナポーリング処理を行ってもよい。
また、分極処理は、コロナポーリング処理に限定はされず、分極処理を行う対象に、直接、直流電界を印加する、通常の電界ポーリングも利用可能である。但し、この通常の電界ポーリングを行う場合には、分極処理の前に、上部電極16を形成する必要が有る。
なお、この分極処理の前に、圧電体層12の表面を加熱ローラ等を用いて平滑化する、カレンダー処理を施してもよい。このカレンダー処理を施すことで、後述する熱圧着工程がスムーズに行える。
次いで、図8Eに示すように、上部電極16を圧電体層12に向けて、シート状物11cを、圧電体層12の分極処理を終了した積層体11bに積層する。
さらに、この積層体11bとシート状物11cとの積層体を、上部保護層20と下部保護層18とを挟持するようにして、加熱プレス装置や加熱ローラ対等で熱圧着して、変換フィルム10を作製する。
具体的には、図17に示すスピーカシステム300は、電気音響変換フィルム10を有する電気音響変換ユニット40を2つ、背面同士を対面して配置してなる電気音響変換器100と、電気音響変換器100を支える棒状の支柱302と、支柱302を保持する台座304とを有し、台座300には、ウーファーが内蔵されている。
波長の長い低域は、回折しやすく無指向性に近いため、本発明の電気音響変換器とウーファーとを組み合わせることで、低域から高域まで幅広い帯域で無指向性を実現したスピーカシステムとすることができる。
具体的には、図18に示すマイクスピーカ310は、台座304と台座304に支持される棒状の支柱302と、支柱302の上端部に配置されるスピーカとして用いられる電気音響変換器100aと、電気音響変換器100aの上端部に配置される棒状の支柱306と、支柱306の上端部に配置されるマイクロフォンとして用いられる電気音響変換器100bとを有する。
このように、無指向性のスピーカである電気音響変換器100aと、無指向性のマイクロフォンである電気音響変換器100bとを有する構成のマイクスピーカ310は、例えば、部屋内に設置して、部屋のどこにいても、無指向性マイクロフォンに話しかけることにより、音声認識により、スピーカの操作を行ったり、あるいは、有線または無線のネットワークで接続された各種電化製品を操作することが可能になる。
前述の図8A〜図8Eに示す方法によって、図7に示す変換フィルム10を作製した。
まず、下記の組成比で、シアノエチル化PVA(CR−V 信越化学工業社製)をジメチルホルムアミド(DMF)に溶解した。その後、この溶液に、PZT粒子を下記の組成比で添加して、プロペラミキサー(回転数2000rpm)で分散させて、圧電体層12を形成するための塗料を調製した。
・PZT粒子・・・・・・・・・・・300質量部
・シアノエチル化PVA・・・・・・・30質量部
・DMF・・・・・・・・・・・・・・70質量部
なお、PZT粒子は、市販のPZT原料粉を1000〜1200℃で焼結した後、これを平均粒径5μmになるように解砕および分級処理したものを用いた。
なお、プロセス中、良好なハンドリングを得るために、PETフィルムには厚さ50μmのセパレータ(仮支持体 PET)付きのものを用い、薄膜電極および保護層の熱圧着後に、各保護層のセパレータを取り除いた。
次いで、シート状物11aの上に塗料を塗布した物を、120℃のホットプレート上で加熱乾燥することでDMFを蒸発させた。これにより、PET製の下部保護層18の上に銅製の下部電極14を有し、その上に、厚さが40μmの圧電体層12(圧電層)を形成してなる積層体11bを作製した。
次いで、積層体11bとシート状物11cとの積層体を、ラミネータ装置を用いて120℃で熱圧着することで、圧電体層12と上部電極16および下部電極14とを接着して変換フィルム10を作製した。
ここで、変換ユニット40の湾曲部の大きさは、170mm×170mmとした。
ケース42は、一面が開放した箱型の容器で、外寸180mm×180mm、開放面の大きさ170mm×170mm、深さ4mm、高さ6mmのアルミ製の矩形容器を用いた。
また、ケース42内には、粘弾性支持体46を配置した。粘弾性支持体46は、組立前の高さ25mm、密度32kg/m3のグラスウールとした。
また、押圧部材48は、開口部aの大きさ170mm×170mmのアルミ製の板状部材を用いた。
変換フィルム10を粘弾性支持体46およびケース42の開口部を覆うように配置して押圧部材48により周辺部を固定し、粘弾性支持体46により変換フィルム10に適度な張力と曲率を付与した。また、ケース42の開放面からの湾曲部の高さを3Dスキャナーで測定したところ、その平均値は、約3mmであった。
湾曲部間の距離dは、18mmであった。また、湾曲部の最大長さLは、240mmである。したがって、d≦0.3×Lの関係を満たす(比d/Lは0.075)。
図5Aに示す電気音響変換器110のように、粘弾性支持体46の対向する2面に変換フィルム10を配置した構成とした以外は、実施例1と同様にして、電気音響変換器110を作製した。
枠体112の貫通孔の開口部の大きさは170mm×170mmとし、厚さは、8mmとした。
湾曲部間の距離dは、14mmであった。また、湾曲部の最大長さLは、240mmである。したがって、d≦0.3×Lの関係を満たす(比d/Lは0.058)。
図10に示すように、1つの変換ユニット40を有する構成とした。
図11に示すように、2つの変換ユニット40と、変換ユニット40と略同じ大きさ(外寸178mm×178mm)の4つの蓋部材202を用いて、立方体を形成し電気音響変換器とした。その際、2つの変換ユニット40の背面同士が対面するように配置した。
湾曲部間の距離dは、196mmであった。また、湾曲部の最大長さLは、240mmである。したがって、d≦0.3×Lの関係を満たさない(比d/Lは0.82)。
4つの蓋部材202のうち、対面する2つの蓋部材202を有さない以外は、比較例2と同様にして電気音響変換器を作製した。すなわち、2つの変換ユニット40および2つの蓋部材202に囲まれた空間は外部と連通する構成とした。
<指向性>
作製した電気音響変換器の指向性を、図9A、図9Bに示すように、電気音響変換器を回転させて、マイクPの配置位置(角度)を変更して、音圧レベル−周波数特性を測定した。
具体的には、図9Aに示すように、基準となる1つの変換ユニットが、鉛直方向に平行になるように電気音響変換器を空中に吊るして設置し、基準の変換ユニットの変換フィルムの正面の位置を0°とし、鉛直方向を軸としてスピーカユニットを15°刻みで回転して、各位置で音圧レベル−周波数特性を測定した。
以下、鉛直方向を軸として測定した指向性を「水平方向の指向性」という。
なお、計測用マイクロフォンは、1つの変換ユニットの中心の正面50cmの位置に配置した。また、電気音響変換器は、空中に吊るした状態で測定を行った。
以下、水平方向を軸として測定した指向性を「垂直方向の指向性」という。
実施例2の水平方向の指向性の測定結果を図13Aに示し、垂直方向の指向性の測定結果を図13Bに示す。
比較例1の水平方向の指向性の測定結果を図14Aに示し、比較例2の水平方向の指向性の測定結果を図14Bに示し、比較例3の水平方向の指向性の測定結果を図14Cに示す。
なお、図12A〜図14Cにおいて、100Hzの場合を網線で示し、500Hzの場合を破線で示し、1kHzの場合を実線で示し、2kHzの場合を点線で示し、5kHzの場合を二点鎖線で示し、10kHzの場合を一点鎖線で示す。
また、図14Bに示す比較例2、および、図14Cに示す比較例3の結果から、2つの変換ユニットの背面を対面させて配置した場合でも、湾曲部の最大長さLと湾曲部間の距離dとがd≦0.3×Lの関係を満たさない、すなわち、湾曲部間の距離が長い場合には、測定位置(角度)によって音圧レベルが変化し、波状の波形を示していることがわかる。このため、聴取位置で低域、中域および高域の音圧レベルのバランスが変わって、音色が変わってしまうため、無指向性スピーカの実現は難しい。
そのため、どの方向でも均一な音圧レベルが得られ、また、低域、中域および高域の音圧レベルのバランスも変わらないので、水平方向および垂直方向において、理想的な無指向性が得られることが分かる。
ところで、非特許文献1に開示されるように、図15Aに示すような、1つのスピーカユニット502をエンクロージャ504に取り付けた電気音響変換器500、および、図15Bに示すような、2つのスピーカユニット502を互いに湾曲部が反対方向を向くようにエンクロージャに取り付けた電気音響変換器510(背面対向配置)について、ある1つのスピーカを正面(0°)として、上記と同様に、マイクPの配置位置を変更して、音圧レベルを測定した結果は、図16Aおよび図16Bに示すとおりである。
なお、図16Aおよび図16Bにおいて、100Hzの場合を網線で示し、500Hzの場合を破線で示し、1kHzの場合を実線で示し、2kHzの場合を点線で示し、5kHzの場合を二点鎖線で示し、10kHzの場合を一点鎖線で示す。
これは、スピーカユニット(振動板)同士の間隔が大きいため、各スピーカユニットから出た音の位相がずれるためである。
以上の結果より、本発明の効果は、明らかである。
11a、11c シート状物
11b 積層体
12 圧電体層
14 下部薄膜電極
16 上部薄膜電極
18 下部保護層
20 上部保護層
24 粘弾性マトリックス
26 圧電体粒子
30 コロナ電極
32 直流電源
40 電気音響変換ユニット
42 ケース
46 粘弾性支持体
48、114 押圧部材
48a 開口部
100、100a、100b、110、120、200、500、510 電気音響変換器
112 枠体
202 蓋部材
300 スピーカシステム
302、306 支柱
304 台座
310 マイクスピーカ
502 コーン型スピーカユニット
504 エンクロージャ
Claims (7)
- 常温で粘弾性を有する高分子材料からなる粘弾性マトリックス中に圧電体粒子を分散してなる高分子複合圧電体、および、前記高分子複合圧電体の両面に積層された2つの薄膜電極を有する電気音響変換フィルムと、
前記電気音響変換フィルムを湾曲させて湾曲部を形成するように、前記電気音響変換フィルムの一方の主面に密着して配置される弾性支持体とを有し、
前記弾性支持体の対向する2つの面を覆うように1つの前記電気音響変換フィルムが密着して配置されて、2つの湾曲部が形成されており、
前記電気音響変換フィルムは、1つの前記高分子複合圧電体と、前記高分子複合圧電体の両面それぞれに積層される2つの薄膜電極を有するものであり、
2つの前記湾曲部間の距離dと、前記電気音響変換フィルムの主面に垂直な方向から見た際の、前記湾曲部の最大長さLとが、d≦0.3×Lの関係を満たすことを特徴とするスピーカーユニット。 - 前記電気音響変換フィルムの主面に垂直な方向から見た際の、前記湾曲部の面積が電気音響変換器の面積の90%以上である請求項1に記載のスピーカーユニット。
- 前記弾性支持体が粘弾性を有する粘弾性支持体である請求項1または2に記載のスピーカーユニット。
- 前記電気音響変換フィルムの前記湾曲部が、中心から周辺部に向かって緩やかに曲率が変化している請求項1〜3のいずれか1項に記載のスピーカーユニット。
- 前記電気音響変換フィルムの主面に垂直な方向から見た際の、前記電気音響変換フィルムの前記湾曲部の形状が、正多角形または円形状である請求項1〜4のいずれか1項に記載のスピーカーユニット。
- 前記高分子材料が、シアノエチル基を有するものである請求項1〜5のいずれか1項に記載のスピーカーユニット。
- 前記高分子材料が、シアノエチル化ポリビニルアルコールである請求項1〜6のいずれか1項に記載のスピーカーユニット。
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