JPH11500595A - 改良形客室音声装置用圧電スピーカー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、客室用途における高品質の平形パネルスピーカを作るための圧電振動子（４）の若干の適用対象を略述している。音声増幅器（２）と変圧器（３）からなる装置が圧電スピーカ（４）を駆動するのに用いられている。電子部品は、それらがスピーカを作るための客室構造体に取付けできる小形モジュールの形ではまるように箱（８）に入れられている。本発明にはさまざまな平形パネルスピーカがあり、中には既存の構造体をスピーカに変換したもの並びに圧電素子をはめられた薄いダイヤフラム及び／又はパネルがある（図５及び６）。客室静粛化スピーカと平形パネルスピーカからなる装置も取り上げられ、その場合には中間周波音声及び高周波音声は、パネルスピーカ（７４〜７９）によって作られ、低周波音声は、ダイナミックスピーカ（８０〜８４）によって作られる。これらの本発明において取り上げた客室用装置は、自動車、航空機、トラック及びバスに適用できる。

Description

【発明の詳細な説明】 改良形客室音声装置用圧電スピーカー 背景 従来のスピーカは、音をよく再生できるが、大量の空間を必要とし、電力を音 響パワに変換するのに非効率的な方法である。空間の要求は、膜を駆動する可動 コイルが必要なために容易には減らされない。圧電スピーカが可動コイルスピー カに対する代替物としてのダイヤフラムスピーカとして提案されてきた。そのよ うな装置が米国特許第４，３６８，４０１号においてマーチン（Ｍａｒｔｉｎ） によって及びその後米国特許第４，４３９，６４０号においてタカヤによって記 載された。両方の発明とも、円板形圧電素子をダイヤフラムに取付けることを扱 っている。マーチンの装置は、支持板と圧電セラミックの間に厚い糊層（支持板 の厚さの１０〜５０％）を用いた。タカヤは、同じことをダイヤフラムより小さ いＱ係数を持ったフィルムを用いて達成している。両方の発明者とも円板形ダイ ヤフラムと圧電セラミック板を指定している。コンパネク（Ｋｏｍｐａｎｅｋ） は、米国特許第３，４２３，５４３号において種々の形の圧電材料、例えば鉛ジ ルコン酸塩−鉛チタン酸塩の混合物、で作られた複数のセラミックウェーハを用 いている。導電性層がウェーハの両面に貼付けられて、次に平らな板に糊付けさ れる。 コンパネクは、板が鋼などの導電性金属で作られるのが好ましいが、表面を形 成する導電層を持ったプラスチック又は紙のものであってもよいと述べている。 米国特許第４，３５２，９６１号においてクマダによって論じられているもう一 つのこのような装置が周波数応答をダイヤフラムに楕円のような種々の形を用い ることによってさらに改良しようと試みている。彼はまたスピーカを時計の蓋及 びラジオのダイヤルなどの用途に用いることができるように、ジルコニウム・チ タン酸塩をドープされた透明な圧電セラミック材料でスピーカを形成することの できることを請求している。彼はまた単一層のセラミックではなく、ダイヤフラ ムを駆動するためにバイモルフを用いている。上述の方法のすべては圧電セラミ ック素子によって駆動される平らなパネルを用いているので音声の質を良くする ための３次元構造を用いる試みをしていない。膜をある形式の枠に取付けてその 枠に締め付けなければならない。米国特許第４，７７９，２４６号においてベイ ジュ（Ｂａｇｅ）、タカヤ及びディーチュ（ＤｉｅＴｚｓｃｈ）はすべてダイヤ フラムを支持枠に取付ける方法を論じている。初期の努力は、スピーカに見られ る形を連想させる円錐形を駆動するために圧電セラミックを用いた。そのような 装置をコンパネクの米国特許第３，４２３，５４３号及びシャフト（Ｓｃｈａｆ ｆｔ）の米国特許第３，５４８，１１６号及び第３，７８６，２０２号に見出す ことができる。シャフトは、スピーカに用いるに適当な素子を作ることを論じて いる。この素子は、平形パネルスピーカより非常に複雑なものであり、低い輪郭 のスピーカが必要とされる用途には不適当である。ダイヤフラムの中心を動かな いように拘束するために、ベイジュの米国特許第４，０７９，２１３号は、中央 支柱を持った囲いを用いている。彼は、これが節点の中央支柱の所在位置に対す る軌跡を小さくするので、素子の周波数応答を改良すると主張している。この囲 いは、中央支柱を支えるのに用いられ圧力逃がしに備えるための穴を持つので、 音響性能を改良しない。圧電スピーカが米国特許第４，５９３，１６０号におい て中村によって論じられ、そこでは圧電振動子を針金によって形成された結合部 材によってダイヤフラムに接続している。圧電素子を用いる薄形スピーカにおけ るさらに適切な仕事が米国特許第４，９６９，１９７号においてタカヤによって 論じられた。タカヤは、圧電駆動装置の運動の制限を最小にする１対のくぼみを もった２枚の対向する平面発泡プラスチック・ダイヤフラムを用いた。薄形スピ ーカが米国特許第５，０７３，９４６号において佐藤ほかによって論じられ、そ れはボイスコイルの使用含んでいた。体積消音技術が航空機の客室のための米国 特許第４，５６２，５８９号においてワーナカ（Ｗａｒｎａｋａ）によって論じ られていた。航空機の飛行機の消音のために、構造物に取付けた加震機が米国特 許第４，７１５，５５９号においてフラー（Ｆｕｌｌｅｒ）によって論じられた 。この発明は、低周波音声の消音装置のダイナミックスピーカに頼りながら、中 間周波及び高周波用の平形パネルスピーカを使用することによって改良された音 声再生回路を一体化することが目的である点でワーナカ及びフラーと異なってい る。 発明の簡単な説明 本発明は一つの実施形態において良好な中間及び高周波（ツイータ）範囲の音 声品質を作るために、自動車、トラック、航空機又はその他の客室のドア又は天 井パネルに配置できるモジュールを含んでいる。追加の圧電素子又は圧電素子の 曲げによって発生される電位を用いるダイナミック等化もまた本発明の追加の特 徴として含まれている。本発明の一つの利点は、音の発生が客の耳に近いことで ある。中間範囲と高周波の音は、自動車（シートクッション、ドアパネル等）に おける材料によって最も容易に減衰されるので、これらの音源を聴き手に近く置 くことは認知される音の品質を改良した。単一の低周波（ウーファ）ダイナミッ クスピーカが高品質の音声に必要とされるすべての低音を与えるが、それは低周 波は自動車（シートクッション、ドアパネル等）にある材料によって容易には減 衰されないからである。この形式の音声装置は、また騒音縮小装置のダイナミッ クスピーカが低周波音声を与えるために用いられる消音装置にも適用できる。こ こで検討された用途は、自動車に対してであるけれども、同じ方法が航空機、ト ラック、レジャーカー及びバスに用いることができる。 図面の説明 図１は、音声回路のブロック線図である。 図２は、圧電スピーカシステムを作るための表面に適用できるモジュールの図 である。 図３は、客室用の一つの可能な平形パネルスピーカの設計を例示している。 図４は、客室用のもう一つの可能な平形パネルスピーカの設計を例示している 。 図５は、図３及び４に示されたパネルの設計を用いる閉体積平形パネルスピー カを示している。 図６は、２枚の圧電素子を据付けられた薄形パネルを用いる閉体積平形パネル スピーカを示している。 図７は、頑丈な枠によって支えられ、頑丈な支柱によって張力のかかった状態 に保持された２枚の伸張プラスチックダイヤフラムに貼付られた圧電パッチを用 いる平形パネルスピーカである。 図８は、等化へのアプローチを示す。 図９は、パネル応答の尺度として圧電素子において変位によって発生される信 号を用いる等化の可能な形と音声駆動装置を示している。 図１０は、客室、この場合自動車、における平形パネルスピーカの設置場所を 示している。 図１１は、能動消音装置とパネルスピーカの一体化を示している。 図１２は、航空機客室内装における圧電スピーカの取付けを示している。 発明の詳細な説明 すべてスピーカシステムは、何らかの形の増幅器を必要とする。本発明の状態 は、図１のブロック線図に示された装置を用いている。音声信号１は、信号ブー ストすなわち増幅を与える線形増幅器２に供給される。増幅器２の出力は、１７ ：１の変圧器３に送られて、圧電素子４における電圧振幅を大きくする。これは 、圧電素子における変位が加えられる電位に直接関係するから必要である。 図２は、作りつけ緩衝材料を持った圧電スピーカモジュールの組立体を示して いる。圧電素子５は、励起される表面６に直接に加えられる。緩衝材料７は、次 に、この場合にパネルダイヤフラムである圧電素子に接近して置かれる。できれ ば、圧電素子を緩衝材料７によって取り巻くことがよい。緩衝材料を圧電素子に 接近して置くことには二つの利点がある。それは、圧電を加えられる表面におけ る共振を減少させること及びそれが外界から圧電素子を駆動するために用いられ る高電圧を絶縁することである。これは、圧電素子に加えられる高電圧による電 気衝撃を避けるために重要である。音声増幅器は、熱伝導性エポキシで箱８の中 に埋め込められる。これは、電子部品を環境から守るだけでなく、それは、音声 増幅器からの熱負荷の良好な分布を与えて、可能性のある電気衝撃を防止する。 電子部品を事実上覆うカバー９がユニットの外界からの最終シールとなる電子部 品箱の上に置かれる。正と負と電力端子１０、１１及び正と負の音声信号端子１ ２、１３は、箱の外に伸ばして示されている。緩衝材料に取付けられた蓋及び電 子部品の箱の質量は、ばねにかかる基本的荷重であり、そのばねを構造の基本共 振周波数における減衰を増加するように調整できる。 図３は、客室用の一つの可能な平形パネルスピーカを示している。圧電パッチ １４がパネル１７に貼付けられている大きな楕円形ディスクに遷移を与える小形 の薄いプラスチック楕円ディスク１５の形になっている結合層の中心に貼付けら れている。これは、軽量発泡プラスチックパネル又は客室の内装又は内張りパネ ルであってもよい。これらの楕円形ディスクは、薄形パネルスピーカにおける構 造共振の厳しさを小さくする助けをすると共にパネルに結合遷移を与える。パネ ルは、構造共振の効果をさらに弱めるために異方性材料で作られる必要がある。 電気端子１８が音声信号を与えるために用いられている。 図４は、客室用のもう一つの可能な平形パネルスピーカを示している。圧電パ ッチ１９がパネル２２に貼付けられている大形の楕円ディスク２１に遷移を与え る小さな薄形プセスチック楕円ディスク２０に中心を外れて貼付けられている。 これは、客室の軽量発泡プラスチックパネル又はリムもしくはライニングパネル であってもよい。この楕円形ディスクは、薄形パネルスピーカにおける構造共鳴 の厳しさを小さくするのを助けると共にパネルへの結合遷移を与える。圧電パッ チを中心を外して置くことは構造共鳴の減少をさらに大きくする。パネルは、構 造共振の効果をさらに弱めるために異方性材料で作られる必要がある。電気端子 ２０か音声信号を与えるために用いられている。 図５は、図３及び４に示されたパネル設計を用いる閉体積平形パネルスピーカ を示している。パネル２４は、圧電素子と遷移層２５の組合せを取付けられてい る。この体積は、４本のねじて枠に留められる薄い板２６を備える箱枠で後から 閉じられる。平形スピーカ３０の前面図が４本のねじ３１、３２、３３、３４の 場所及び圧電素子と楕円形遷移層の組合せ（浮き彫りで）３５を示している。パ ネルは、高度のコンプライアンスを与えるために各隅において固定されているだ けである。パネルの４辺は、柔軟なカバー（薄いプラスチックのシート又はテー プ）で密封されている。このシールは、パネルのへりの周りに巻付く圧力波の自 己相殺を防止する。キャビティは、どんなキャビティ共鳴をも減衰させるファイ バ・ガラス絶縁材で満たされる。 パネル２４は、客室の屋根内張り又は内装の一部分であってもよく、その場合 に板２６は、構造体（屋根のような）であろう。この場合に、ねじと枠は、必要 でなく、内装は、パネル２４と板２６の間の囲い又はキャビティを形成するよう にへりにおいて構造物に音響的に密封されなければならない。 図６は、二つの圧電素子３７、３８を取付けられた薄形パネル３６を用いる閉 体積平形パネルスピーカを示している。この体積は、薄板３９で後から閉じられ て、４本のねじで枠４０に結合される。平形スピーカ４３の前面図が４本のねじ ４６、４７、４８、４９の場所と圧電素子４４と４５の場所を示している。中心 近くに置かれた圧電素子４４は、低い方の周波数の圧力波を作る振動の奇数モー ドを主に励起する。固定隅に近く置かれた圧電素子４５は、偶数及び奇数のモー ドの両方を励起して、二つの素子の組合せ効果は、より平らな周波数応答をもた らす。パネルは、高度のコンプライアンスを与えるために各隅において固定され ているだけである。パネルの４辺は柔軟なカバー（薄いプラスチックシート又は テープ）で密封されている。この密封は、パネルのへりの周りに巻付く圧力波の 自己相殺を防止している。キャビティはどんなキャビティはどんなキャビティ共 振をも減衰させるためにファイバガラス絶縁材で満たされている。 図７は、頑丈な枠５４によって支えられ、頑丈な支柱５５によって張力のかか った状態に保持されている２枚の伸張プラスチック・ダイヤフラム５２、５３に 貼付けられた圧電パッチ５０、５１を用いる平形パネルスピーカである。ダイヤ フラムにおける張力は、圧電素子が励起されるとき音響エネルギーを増やす、と ともに周波数応答を平らにするのを助けるモード密度を大きくする。 ダイヤフラムは、より多くの周波数成分、従ってより平らな周波数応答を発生 するようにわずかに異なる寸法のものである。ゴムの絶縁体５６が客室の天井５ ７からの直接のパネル振動を絶縁するために用いられている。 図８は、等化への一つのアプローチを示している。圧電パッチ５８が被振動構 造体５９に取付けられている。この圧電素子は、変圧器６０及び１対のプッシュ プル・モードにある線形電力増幅器６１、６２によって駆動される。小形圧電パ ッチ６３がパネル内の強い共鳴振動を検知するためにパネルに取付けられている 。この信号は、演算増幅器６４によって適当なレベルに増幅され、そのレベルは 、次に増幅器の入力にある入力音声信号６０から差引かれる。 図９は、パネル共鳴の尺度としての圧電素子における変移によって発生される 信号を用いる等化のもう一つの可能に形を持った音声駆動装置を示している。圧 電パッチ６６が被振動構造体６７に取付けられている。圧電素子は、変圧器６８ と１対のプッシュプル・モードにある線形電力増幅器６９、７０によって駆動さ れる。差動演算増幅器７１が変圧器の２次側の信号（駆動音声信号と圧電駆動パ ネル共振によって発生される信号の両方）をピックアップするために用いられて いる。増幅器７１の利得は、音声信号の入力レベルに組合せ信号のスケールを戻 すための値に設定されている。追加の差動演算増幅器７２が入力音声信号７３を 差引くために用いられて、残りの信号が圧電素子によって発生された電気信号で 形成されるようにする。圧電素子によって作られたどの有意の信号も強いパネル 共振の結果である。この信号は、パネルの周波数応答にあるピークを減らすため に音声駆動信号から差引かれる。 図１０は、客室、この場合には自動車、における平形パネルスピーカの場所を 示している。四つの中間範囲パネル７４、７５、７６、７７が自動車の屋根内張 りの中、すなわちそれの形の一部分として、及び各ドア７８、７９の中にできれ ば一つ置かれる。数対のツイータ８０、８１、８２、８３もまた屋根内張り内、 すなわちそれの形の一部分として、置かれている。ツイータ８４もまた図に示さ れた客室枠の側面に置くことができる。この構成の利点は、音が乗客の耳に近く 発生されることである。中間範囲及び高周波の音は、自動車（シートクッション 、ドアパネルなど）内の材料によって最も容易に減衰されるので、これらの音源 を聴く人に近く配置することが認識される音の質を改良した。単一の低周波（ウ ーファ）ダイナミックスピーカが高品質の音声に必要なすべての低音を与えるが 、それは自動車（シートクッション、ドアパネルなど）内の材料によって容易に は減衰されないからである。もう一つの実施形態においては、圧電駆動平形スピ ーカは、客室の内装又は内張りの選択された領域を駆動する圧電素子から成って いる。 図１１は、能動消音（ＡＮＲ）装置を備える客室用のシステムである。ＡＮＲ 装置８６は、少なくともそれぞれの一つから成っているが、できれば、多数のマ イクロホ８７、８８、８９及び低周波ダイナミックスピーカ９０、９１、９２か ら成るのがよい。音声装置９３は、低周波音声のためのＡＮＲ装置内のスピーカ 、平形パネル中間範囲のスピーカ９４、９５、９６、９７及び平形パネルツィー タ９８、９９、１００、１０１を用いるであろう。この装置は、中間範囲と高周 波 の音源のより良い配置から生ずる改良された音声性能を消音装置に追加するとい う利益を与える。 図１２は、航空機客室内装における圧電スピーカの設置を示している。この特 定の用途においては、スピーカは、ＰＡ（客室放送）装置の一部分として用いら れている。圧電素子１０２、１０３は、高周波音声を作るために内装の固い部分 に置かれている。圧電素子１０４、１０５は、内装のもっと薄くて柔軟な部分に 置かれて、低周波及び中間範囲周波の集合音を作り、下側、中間及び上側範囲の 周波数の音を内装の振動している間、すなわち電位が圧電素子に加えられるとき 、作り得るようにしている。ＰＡ装置と結合されるとき、音声がＰＡ装置１０７ から伝えられるとき、クロスオーバ回路１０６が音声を高周波成分と低周波成分 に分割するのに用いられる。 圧電材料が結晶などの天然産結晶質材料、人造結晶体及びその他の材料、フィ ルム及びフォームを含むプラスチック材料のような様々な形で存在する。すべて のこれらの材料は、本発明の一部分として考慮されている。さらに、圧電材料が トランスジューサを形成するのに適当に用いられる薄板状又は板状材料の例とし て用いられているに過ぎない。そのようなその他のトランスジューサは、磁歪ト ランスジューサ、電磁トラスジューサ、静電トランスジューサ、マイクロモータ などを含んでいてもよい。 前述のことは発明の原理の例示に過ぎないとして考慮される。さらに、多数の 改造及び変化を当業者に容易に思い付くので、本発明を図示し説明した正確な構 成及び動作に限定することを望まない、従ってすべての適当な改造態様及び等価 態様を本発明の範囲に入ると分類し直してもよい。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マチャセック、スチーブン エル アメリカ合衆国バージニア州22309 アレ キサンドリア ジェプソン プレス 8236

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．加えられた電位による変位を受け上面と下面を有する圧電素子と、 圧電素子によって駆動され、圧電素子の下面に結合されるパネルダイヤ フラムと、 パネルダイヤフラム内の構造共振を減少させ、圧電素子に接近して置か れている減衰手段と、 入力音声信号を受けて前記信号を増幅する手段であり、圧電素子に電気 的に接続されてそれに電位を加え、前記圧電素子の上面の上方に置かれている電 子装置と、 電子装置と圧電素子の上面を実質上覆う手段と を備えるスピーカ装置モジュール。 ２．圧電素子とパネルダイヤフラムの中間に取付けられて位置決めされた少 なくとも一つの結合層をさらに備える請求項１に記載のモジュール。 ３．前記少なくとも一つの結合層が楕円形ディスクの形になっている請求項 ２に記載のモジュール。 ４．第１の層が第２の層の上に置かれ、両方の層が圧電素子とパネルダイヤ フラムの中間に配置された２枚の結合層をさらに備える請求項１に記載のモジュ ール。 ５．加えられた電位による変位を受け上面と下面を有する圧電素子と、 圧電素子によって駆動され、下面と上面を備え、圧電素子の下面を前記 上面に取付けられたパネルダイヤフラムと、 パネルダイヤフラムの上面を実質上覆って囲う箱枠と を備える閉平形パネルスピーカ。 ６．パネルダイヤフラムの上面に取付けられた第２の圧電素子をさらに備え る請求項５に記載のモジュール。 ７．圧電素子とパネルダイヤフラムの中間に取付けられて位置決めされた少 なくとも一つの結合層をさらに備える請求項５に記載のモジュール。 ８．前記結合層が楕円形ディスクの形になっている請求項７に記載のモジュ ール。 ９．第１の層が第２の層の上に置かれ、両方の層が圧電素子とパネルダイヤ フラムの中間に配置された２枚の結合層をさらに備える請求項７に記載のモジュ ール。 １０．加えられた電位による変位を受け、上面と下面を有する第１の圧電素子 と、 第１の圧電素子によって駆動されるパネルダイヤフラムと、 入力音声信号を受けて前記信号を増幅し圧電素子に入る電圧振幅を大き くする手段であり、前記圧電素子に電気的に接続されてそれに電位を加える電子 装置と、 パネルダイヤフラム内の共鳴振動を検知し、前記信号を増幅されるべき 信号に変換し、前記増幅された信号を前記入力音声信号から差引くダイナミック 等化手段と を備えるスピーカ装置。 １１．前記ダイナミック等化手段がパネルダイヤフラムに取付けられ、パネル ダイヤフラム内の共鳴振動を検知して前記振動を信号に変換する第２の圧電素子 を備える請求項１０に記載のモジュール。 １２．前記ダイナミック等化手段が、第１の圧電素子によって作られパネルダ イヤフラム内の共鳴振動の結果であるすべての電気信号を検出するための手段を 備える請求項１０に記載のモジュール。 １３．前記電子手段が入力音声信号を増幅するプッシュプルモードで動作する １対の線形電力増幅器を備える請求項１０に記載のモジュール。 １４．圧電素子によって駆動されるパネルダイヤフラムを備える少なくとも一 つの中間周波平形スピーカと、 圧電素子によって駆動されるパネルダイヤフラムを備える少なくとも一 つの高周波平形スピーカと、 複数のマイクロホンと低周波ダイナミックスピーカを備え、客室内の不 必要な暗騒音を低減する手段を備え、 前記ダイナミックスピーカがまた所望の低周波音声再生のために用いら れている客室用スピーカ装置。 １５．上面と下面を有する支持枠と、 前記支持枠によって支持され、振動させられると音を発生することがで き、一つは前記支持枠の上面に取付けられ、他方は前記支持枠の下面に取付けら れた２枚の異なる寸法のダイヤフラムと、 別々の圧電素子を各ダイヤフラムに取付けてダイヤフラムを駆動する二 つの圧電素子とを含む平形パネルスピーカ。 １６．低周波、中間周波及び高周波範囲の成分を有する音声信号から客室内の 音を再生する方法において、 （ａ）振動させられると、下側、中間及び上側範囲の周波数の音を生ずるよ うに構成されている別個の領域を有する内装で客室の諸部分を覆う段階と、 （ｂ）内装を振動させる圧電素子を振動させられると下側、中間及び上側範 囲の音を一括して発生できる異なる領域に取付ける段階と、 （ｃ）前記音声信号に従って音を発生するために取付けられた内装を振動さ せるために圧電素子に電位を加える段階と を含む客室内で音を再生する方法。 １７．客室放送信号から音声信号を始める段階及び客室放送装置と圧電素子の 中間に置かれたクロスオーバ回路を用いて客室放送装置の音声信号を下側、中間 及び上側範囲の成分に分けることをさらに含む請求項１６に記載の方法。 １８．（ａ）中間及び上側範囲の周波数の音を再生できる圧電駆動平形スピー カを着席客の耳に近い客室の領域に配置する段階と、 （ｂ）少なくとも一つの低周波ダイナミックスピーカを客室内に配置す る段階と を含む客室内で音を再生する方法。 １９．低周波ダイナミックスピーカが一つだけ客室内に置かれ、前記一つの低 周波ダイナミックスピーカを着席客の耳から離して置いてある請求項１８に記載 の方法。 ２０．圧電駆動平形スピーカが客室の内装又は内張りの選択された領域を駆動 する圧電素子からなる請求項１８に記載の方法。