JPWO2020137978A1 - 振動装置 - Google Patents

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Abstract

本発明の振動装置(100)は、板状のガラス振動体(G)と、ガラス振動体(G)に取り付けられ、入力された電気信号に応じて振動を発生する複数のエキサイタEとを備える。ガラス振動体(G)に内接する四角形(Sq)の長辺の長さ(La)と短辺の長さ(Lb)とのアスペクト比La/Lbが1.2以上50以下であり、エキサイタ(E)の個数nとエキサイタ(E)間の距離の最小値Sminとの関係値α(α=Smin(n−1)/La)は0.2以上0.8以下であり、nが3以上のときは、エキサイタ(E)間の距離の標準偏差Sσを平均値Saveで除した値β(β=Sσ/Save)は0以上0.5以下である。

Description

本発明は、ガラス振動体を励振させる振動装置に関する。
スピーカーやマイクロフォン用の振動板として、コーン紙や樹脂が広く用いられている。これらの材料は、損失係数が大きく共振振動が生じにくいことから、可聴域における音の再現性能が良い。しかしながら、これらの材料では材料自体の音速値が低いため、高周波で励振した際に音波周波数に材料の振動が追従しにくく、分割振動が発生しやすい。そのため、特に高周波数領域において所望の音圧が出にくい。
一方、近年のハイレゾ(High−Resolution)音源等では、特に20kHz以上のヒトの耳では聞こえにくい高周波数領域での再生が求められている。このような高周波数領域の音波振動を忠実に再現すると、臨場感が強く感じられるなど、より感情に迫るものが得られる。そこで、コーン紙や樹脂に代えて、金属、セラミックス、ガラス等の、材料に伝播する音速が速い素材を振動板に用いることが検討されている。
例えば、スピーカー用の振動板として、1枚のガラスを用いたものや(特許文献1)、2枚のガラス板の間に厚さ0.5mmのポリブチル系のポリマー層を有する合せガラス(非特許文献1)が知られている。
日本国特開平5−227590号公報
Olivier Mal et. al.,"A Novel Glass Laminated Structure for Flat Panel Loudspeakers" AES Convention 124,7343.
一般にスピーカーやマイクロフォン用の振動板は、音響効率等の制約により、円形や円形に近い楕円形の形状のものが広く使用されている。しかし、振動板を車載用、機載用としたり、建築物に設けたりする場合には、振動板の設置スペースが限られる。特に、設置スペースが縦横の長さの大きく異なる細長形状である場合には、これまでほとんど実績がなく、音の再現性能や音響効果等も十分でなかった。
そのため、振動板の縦横の長さが大きく異なる場合には、振動板を十分な音響性能を維持しつつ、安定的に励振させることが困難であった。
そこで本発明は、縦横の長さが大きく異なる場合でも、十分な音響性能を維持しつつ、安定的に励振させることが可能な振動装置を提供することを目的とする。
本発明者は鋭意研鑽を積んだ結果、所定のガラス板構造体とすることにより上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は以下のとおりである。
(1) 板状のガラス振動体と、前記ガラス振動体に取り付けられ、入力された電気信号に応じて振動を発生する複数のエキサイタとを備える振動装置であって、
前記ガラス振動体に内接する四角形の長辺の長さLaと短辺の長さLbとのアスペクト比La/Lbは1.2以上50以下であり、
前記エキサイタの個数をn、前記エキサイタ間の距離の最小値をSmin、エキサイタの個数nとエキサイタ間の距離の最小値Sminとの関係値をα(α=Smin(n−1)/La)としたときに、
前記αは0.2以上0.8以下であり、
前記エキサイタの個数nが3以上のときは、エキサイタ間の距離の標準偏差Sσを平均値Saveで除した値β(β=Sσ/Save)は0以上0.5以下である振動装置。
(2) 前記ガラス振動体の25℃における損失係数は1×10−2以上、且つ前記ガラス振動体の板厚方向の縦波音速値は5.0×10m/s以上である(1)に記載の振動装置。
(3) 前記ガラス振動体は2枚以上のガラス板を含み、前記ガラス板のうち少なくとも一対のガラス板の間に液体を含有する流体層を含む(1)又は(2)に記載の振動装置。
(4) 前記振動装置は、前記ガラス振動体の少なくとも一方の面を覆う筐体を備え、前記筐体の内側空間に前記エキサイタが収容された(1)〜(3)のいずれかに記載の振動装置。
(5) 前記エキサイタは、一方の側が前記ガラス振動体に固定され、他方の側が前記筐体に固定されている(4)に記載の振動装置。
(6) 前記筐体は、前記筐体の内側空間と前記筐体外部とを連通する空気孔が形成されている(4)又は(5)に記載の振動装置。
(7) 前記筐体の内側空間に、吸音材が設けられた(4)〜(6)のいずれかに記載の振動装置。
(8) 200Hz〜10kHzの周波数における音圧変動値が20dB以下である、(1)〜(7)のいずれかに記載の振動装置。
(9) 前記ガラス振動体は、少なくとも一部に凹状又は凸状の曲面を有する(1)〜(8)のいずれかに記載の振動装置。
(10) 前記ガラス振動体は、前記ガラス振動体の長手方向に沿って設けられた補強部材を有する(1)〜(9)のいずれかに記載の振動装置。
本発明によれば、振動板の縦横の長さが大きく異なる場合でも、十分な音響性能を維持しつつ、安定的に励振させることが可能な振動装置を提供する。
図1は振動装置を模式的に示す図であって、(A)は側面図、(B)は正面から見た平面図である。 図2は振動装置のガラス振動体の形状を示す説明図である。 図3は振動装置の周波数と音圧との関係を示すグラフである。 図4の(A),図4の(B)は、それぞれ補強部材を有するガラス振動体を備えた振動装置を示す模式図である。 図5はガラス振動体の具体的な一例を示す断面図である。 図6はガラス振動体の他の例を示す断面図である。 図7の(A),図7の(B)は、それぞれガラス振動体の他の例を示す断面図である。 図8は縁部にシール材が設けられたガラス振動体を示す断面図である。 図9の(A)は縁部に段差部を有するガラス振動体を示す断面図であり、図9の(B)は図9の(A)におけるA部拡大図である。 図10は湾曲したガラス振動体を示す断面図である。 図11は縁部に段差部を有したガラス振動体を示す図であり、(A)は凹状に湾曲させた状態の断面図、(B)は凸状に湾曲させた状態の断面図である。 図12は筐体に振動装置を組み込んだスピーカーユニットの斜視図である。 図13は図12に示すXIII−XIII線における断面図である。 図14はスピーカーユニットが組み込まれる車両のドアの分解斜視図である。 図15はスピーカーユニットが組み込まれる車両のドアの一例を示す斜視図である。 図16はスピーカーユニットが組み込まれたドアの一部を示す正面図である。
以下、発明を実施するための形態に基づいて、本発明の詳細及びその他の特徴について説明する。なお、以下の図面において、同一又は対応する部材又は部品には、同一又は対応する符号を付すことにより、重複する説明を省略する。また、図面は、特に指定しない限り、部材又は部品間の相対比を示すことを目的としない。よって、具体的な寸法は、以下の限定的でない実施形態に照らし、適宜選択可能である。
また本明細書において数値範囲を示す「〜」とは、その前後に記載された数値を下限値及び上限値として含む意味で使用される。
<振動装置の構成>
図1は振動装置を模式的に示す図であって、(A)は側面図、(B)は正面から見た平面図である。
振動装置100は、光透過性を有する板状のガラス振動体Gと、ガラス振動体Gに取り付けられ、入力された電気信号に応じて振動を発生する複数のエキサイタ(加振器)Eと、を備える。
ガラス振動体Gは、詳細な構成については後述するが、エキサイタEが発生する振動によって励振されて音を発生する。ガラス振動体Gは、図1の(A)の矢印Va方向から見た場合に、ガラス振動体Gを挟んだ奥側が透けて見える透光性を有していてもよく、遮光性又は選択的な光透過性(バンドパスフィルタ等の光学フィルタや、表面が光拡散面にされた表面処理層)を有していてもよい。ガラス振動体Gは、一枚の基板であってもよく、複数枚の基板を含むガラス板の構成体(詳細を後述)であってもよい。ガラス振動体Gは、縦波音速値が高い材料からなることが好ましく、例えば、ガラス板、透光性セラミックス、サファイア等の単結晶等を用いることができる。
エキサイタEは、図示は省略するが、外部機器と電気的に接続されたコイル部と、磁気回路部と、コイル部又は磁気回路部と連結された加振部とを含む。外部機器からの音の電気信号がコイル部へ入力されると、コイル部と磁気回路部との相互作用により、コイル部又は磁気回路部に振動が生じる。このコイル部又は磁気回路部の振動は加振部へ伝達されて、加振部からガラス振動体Gに振動が伝達される。
ガラス振動体Gには、複数のエキサイタEが装着されている。本構成例では、3つのエキサイタEがガラス振動体Gの一方の面に、ガラス振動体Gの長手方向に関して互いに間隔をあけて装着されている。
図2は振動装置100のガラス振動体Gの形状を示す説明図である。
ガラス振動体Gは、平面視で細長の多角形状に形成される。本構成例のガラス振動体Gは、5つの角部CS1〜CS5を有する5角形状である。図2に示すガラス振動体Gに内接する四角形Sqは、角部CS1,CS2,CS4に接する細長の長方形状である。この四角形Sqは、例えば、ガラス振動体Gの最も長い辺を長辺とし、ガラス振動体Gの外縁に内接する最小の四角形と定義することができる。
ここで、ガラス振動体Gに内接する四角形Sqの長辺の長さをLa、短辺の長さをLbとしたときに、四角形Sqの縦横の寸法比率であるアスペクト比La/Lbは、1.2以上50以下である。アスペクト比の上限値としては、45以下が好ましく、40以下がより好ましい。アスペクト比の下限値としては、5.0以上が好ましく、10以上がより好ましい。
また、ガラス振動体Gに装着したエキサイタEの個数をn、エキサイタE間の距離の最小値をSmin、エキサイタEの個数nとエキサイタE間の距離Sの最小値Sminとの関係値をα(α=Smin(n−1)/La)とする。
その場合、振動装置100のαは、0.2以上0.8以下であることが好ましい。αの上限としては、0.75以下が好ましく、0.7以下がより好ましく、下限としては、0.25以上が好ましく、0.3以上がより好ましい。
図1,図2に示すガラス振動体Gでは、3つのエキサイタE1,E2,E3を備えており、これらエキサイタE1,E2,E3同士の間の距離は、S1(E1−E2間距離),S2(E2−E3間距離),S3(E3−E1間距離)となる。したがって、本構成では、エキサイタEの個数n=3、エキサイタEの距離の最小値Smin=S1となる。したがって、エキサイタEの個数nとエキサイタE間の距離の最小値Sminとの関係値αは、α=S1(3−1)/Laとなり、この関係値αが0.2≦α≦0.8を満たしている。
また、振動装置100は、エキサイタEの個数nが3以上のときに、エキサイタE間の距離の標準偏差Sσを平均値Saveで除した値β(β=Sσ/Save)が0以上0.5以下である。本構成では、エキサイタEの個数n=3であるので、エキサイタE間の距離S1,S2,S3の標準偏差Sσを平均値Saveで除した値が0以上0.5以下である。つまり、ガラス振動体Gに装着されるエキサイタEが、ガラス振動体Gの長手方向に沿って極力均等に配置されるので、細長のガラス振動体Gをバランスよく励振でき、安定した音圧を出力させることができる。
図3は振動装置100の周波数と音圧との関係を示すグラフである。
振動装置100のガラス振動体Gを振動させて得られる200Hz〜10kHzの周波数における音圧変動値wは、20dB以下であることが好ましい。音圧変動値wは、10dB以下が好ましく、5dB以下がさらに好ましい。このように、200Hz〜10kHzの周波数における音圧変動値wが上記した限界値以下であることから、ノイズが低減された良質な音がガラス振動体Gから均一な音圧で出力される。ここで、複数のエキサイタを備え、音圧レベル変動が最小となるよう、各々のエキサイタへの入力エネルギーおよび信号の位相を制御することにより、安定した音圧を出力することができる。特に本発明においては、本発明の振動装置の構成にすることにより、容易に、また安定して、音圧変動値を20dB以下に抑えることが可能となる。尚、前記入力エネルギーおよび信号の位相の制御方法は、例えば、DSP等の公知の制御装置および制御手法を用いて制御することができる。
本構成の振動装置100によれば、アスペクト比が大きい、つまり、縦横の寸法が大きく異なる細長のガラス振動体Gを、複数のエキサイタEによって励振させることで、安定して十分な音響性能を維持できる。そのため、電子機器用部材、車両等の輸送機械の内装用振動部材や車載・機載スピーカー、建築・輸送機械等に用いられる開口部材として、この振動装置100を好適に用いることができる。
振動装置100を構成するガラス振動体Gとしては、平板状であってもよいが、設置場所の形状等に合わせて様々な形状のものが用いられる。ガラス振動体Gは、例えば、板厚方向に突出する凸形状、板厚方向に凹む凹形状、ひねり形状等の三次元形状、又はこれらが適宜組み合わされた形状であってもよい。また、このような三次元形状が、滑らかな曲面状に形成されていてもよく、多数の平坦部が階段状に接続されて形成されていてもよい。さらに、上記の三次元形状の部分と平板状の部分とを共に備える形状であってもよい。
図4の(A)及び(B)は、それぞれ補強部材を有するガラス振動体Gを備えた振動装置110,120を示す模式図である。
ガラス振動体Gには補強部材Rを設けてもよい。補強部材Rは、棒状に形成され、ガラス振動体Gの長手方向に沿って設けられる。補強部材Rを設けることで、ガラス振動体Gは、特に強度が必要となる長手方向にわたって補強される。補強部材Rは、図4の(A)に示すように、エキサイタEに固定されていてもよく、また、図4の(B)に示すように、エキサイタEとは別の位置に設けてもよい。その場合、ガラス振動体Gと別体の補強部材Rをガラス振動体Gに固定してもよく、ガラス振動体Gの一部に肉厚な部位を設けて、これを補強部材Rとする等、補強部材Rをガラス振動体Gと一体に成形してもよい。
ここで、ガラス振動体Gについて、更に詳細に説明する。
<ガラス振動体G>
振動装置100を構成するガラス振動体Gは、詳細は後述するが、25℃における損失係数が1×10−2以上、且つ板厚方向の縦波音速値が5.0×10m/s以上であることが好ましい。なお、損失係数が大きいとは振動減衰能が大きいことを意味する。
損失係数とは、半値幅法により算出したものを用いる。材料の共振周波数f、振幅hであるピーク値から−3dB下がった点(すなわち、最大振幅−3[dB]における点)の周波数幅をWとしたときに、{W/f}で表される値を損失係数と定義する。
共振を抑えるには、損失係数を大きくすればよく、すなわち、振幅hに対し相対的に周波数幅Wは大きくなり、ピークがブロードとなることを意味する。
損失係数は材料等の固有の値であり、例えばガラス板単体の場合にはその組成や相対密度等によって異なる。なお、損失係数は共振法などの動的弾性率試験法により測定できる。
縦波音速値とは、振動板中で縦波が伝搬する速度をいう。縦波音速値及びヤング率は、日本工業規格(JIS−R1602−1995)に記載された超音波パルス法により測定できる。
ここで、ガラス振動体Gは、高い損失係数及び高い縦波音速値を得るための具体的な構成として、2枚以上のガラス板を含み、これらガラス板のうち少なくとも一対のガラス板の間に所定の流体層を含むことが好ましい。
(流体層)
ガラス振動体Gは、少なくとも一対のガラス板の間に液体を含有する流体層を設けることで、高い損失係数を実現できる。中でも、流体層の粘性や表面張力を好適な範囲にすることで、損失係数をより高められる。これは、一対のガラス板を、粘着層を介して設ける場合とは異なり、一対のガラス板が固着せず、各々のガラス板としての振動特性を持ち続けることに起因するものと考えられる。なお、本明細書でいう「流体」とは、液体、固体粉末と液体との混合物、固体のゲル(ゼリー状の物質)に液体を含浸させたもの等、液体を含むものを全て包含する意味とする。
流体層は25℃における粘性係数が1×10−4〜1×10Pa・sであり、且つ25℃における表面張力が15〜80mN/mであることが好ましい。粘性が低すぎると振動を伝達しにくくなり、高すぎると流体層の両側に位置する一対のガラス板同士が固着して一枚のガラス板としての振動挙動を示すようになることから、共振振動が減衰されにくくなる。また、表面張力が低すぎるとガラス板間の密着力が低下し、振動を伝達しにくくなる。表面張力が高すぎると、流体層の両側に位置する一対のガラス板同士が固着しやすくなり、一枚のガラス板としての振動挙動を示すようになることから、共振振動が減衰されにくくなる。
流体層の25℃における粘性係数は1×10−3Pa・s以上がより好ましく、1×10−2Pa・s以上がさらに好ましい。また、1×10Pa・s以下がより好ましく、1×10Pa・s以下がさらに好ましい。流体層の25℃における表面張力は20mN/m以上がより好ましく、30mN/m以上がさらに好ましい。
流体層の粘性係数は回転粘度計などにより測定できる。流体層の表面張力はリング法などにより測定できる。
流体層は、蒸気圧が高すぎると流体層が蒸発してガラス振動体としての機能を果たさなくなるおそれがある。そのため、流体層は、25℃、1atmにおける蒸気圧が1×10Pa以下が好ましく、5×10Pa以下がより好ましく、1×10Pa以下がさらに好ましい。また、蒸気圧が高い場合には、流体層が蒸発しないようにシール等を施してもよいが、このとき、シール材によりガラス振動体の振動を妨げないようにする必要がある。
流体層の厚みは薄いほど、高剛性の維持及び振動伝達の点から好ましい。具体的には、前記一対のガラス板の合計の厚みが1mm以下の場合は、前記流体層の厚みは、前記一対のガラス板の合計の厚みの1/10以下が好ましく、1/20以下がより好ましく、1/30以下がさらに好ましく、1/50以下がよりさらに好ましく、1/70以下がことさらに好ましく、1/100以下が特に好ましい。また前記一対のガラス板の合計の厚みが1mm超の場合は、前記流体層の厚みは、100μm以下が好ましく、50μm以下がより好ましく、30μm以下がさらに好ましく、20μm以下がよりさらに好ましく、15μm以下がことさらに好ましく、10μm以下が特に好ましい。流体層の厚みの下限は、製膜性及び耐久性の点から0.01μm以上が好ましい。
流体層は化学的に安定であり、流体層と流体層の両側に位置する一対のガラス板とが、反応しないことが好ましい。化学的に安定とは、例えば光照射により変質(劣化)が少ないもの、又は少なくとも−20〜70℃の温度領域で凝固、気化、分解、変色、ガラスとの化学反応等が生じないものを意味する。
流体層の成分としては、具体的には、水、オイル、有機溶剤、液状ポリマー、イオン性液体及びそれらの混合物等が挙げられる。より具体的には、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール、ストレートシリコーンオイル(ジメチルシリコーンオイル、メチルフェニルシリコーンオイル、メチルハイドロジェンシリコーンオイル)、変性シリコーンオイル、アクリル酸系ポリマー、液状ポリブタジエン、グリセリンペースト、フッ素系溶剤、フッ素系樹脂、アセトン、エタノール、キシレン、トルエン、水、鉱物油、及びそれらの混合物、等が挙げられる。中でも、プロピレングリコール、ジメチルシリコーンオイル、メチルフェニルシリコーンオイル、メチルハイドロジェンシリコーンオイル及び変性シリコーンオイルからなる群より選ばれる少なくとも1種を含むことが好ましく、プロピレングリコール又はシリコーンオイルを主成分とすることがより好ましい。
上記の他に、粉体を分散させたスラリーを流体層として使用することもできる。損失係数の向上といった観点からは、流体層は均一な流体であることが好ましいが、ガラス振動体に着色や蛍光等といった意匠性や機能性を付与する場合には、該スラリーは有効である。流体層における粉体の含有量は0〜10体積%が好ましく、0〜5体積%がより好ましい。粉体の粒径は沈降を防ぐ観点から10nm〜1μmが好ましく、0.5μm以下がより好ましい。
また、意匠性・機能性付与の観点から、流体層に蛍光材料を含ませてもよい。その場合、蛍光材料を粉体として分散させたスラリー状の流体層でも、蛍光材料を液体として混合させた均一な流体層でもよい。これにより、ガラス振動体に光の吸収及び発光といった光学的機能を付与できる。
図5はガラス振動体Gの具体的な一例を示す断面図である。
ガラス振動体Gは、上述した流体層16を両側から挟むように、少なくとも一対のガラス板11,12を設けることが好ましい。流体層16は、ガラス板11が共振した場合に、ガラス板12の共振を防止する、又は、ガラス板12の共振の揺れを減衰させる。ガラス振動体Gは、流体層16の存在により、ガラス板単独の場合と比べて損失係数を高められる。
ガラス振動体Gは、損失係数が大きいほど振動減衰が大きくなることから好ましく、ガラス振動体Gの25℃における損失係数は好ましくは1×10−2以上であり、より好ましくは2×10−2以上、さらにより好ましくは5×10−2以上である。また、ガラス振動体Gの板厚方向の縦波音速値は、音速が速いほど振動板とした際に高周波音の再現性が向上することから、好ましくは5.0×10m/s以上であり、より好ましくは5.5×10m/s以上、さらにより好ましくは6.0×10m/s以上である。上限は特に限定されないが、7.0×10m/s以下が好ましい。
ガラス振動体Gの直線透過率が高いと、透光性の部材としての適用が可能となる。そのため、日本工業規格(JISR3106−1998)に準拠して求められた可視光透過率が60%以上であることが好ましく、65%以上がより好ましく、70%以上がさらに好ましい。なお、透光性の部材としては、例えば透明スピーカー、透明マイクロフォン、建築、車両用の開口部材等の用途が挙げられる。
ガラス振動体Gの透過率を高めることを目的に、屈折率を整合させることも有用である。すなわち、ガラス振動体Gを構成するガラス板と流体層との屈折率は近いほど、界面における反射及び干渉が防止されることから好ましい。中でも流体層の屈折率と流体層に接する一対のガラス板の屈折率との差がいずれも0.2以下が好ましく、0.1以下がより好ましく、0.01以下であることがさらにより好ましい。
(ガラス板)
ガラス振動体Gを構成するガラス板の少なくとも1枚及び流体層の少なくともいずれか一方に着色することも可能である。これは、ガラス振動体Gに意匠性を持たせたい場合や、IRカット、UVカット、プライバシーガラス等の機能性を持たせたい場合に有用である。
一対のガラス板11,12のうち、一方のガラス板11と他方のガラス板12の共振周波数のピークトップの値は異なることが好ましく、共振周波数の範囲が重なっていないものがより好ましい。ただし、ガラス板11及びガラス板12の共振周波数の範囲が重複していたり、ピークトップの値が同じであったりしても、流体層16が存在することによって、一方のガラス板11が共振しても、他方のガラス板12の振動は同期しない。これにより、ある程度共振が相殺され、ガラス板単独の場合に比べて高い損失係数を得ることができる。
すなわち、ガラス板11の共振周波数(ピークトップ)をQa、共振振幅の半値幅をwa、他方のガラス板12の共振周波数(ピークトップ)をQb、共振振幅の半値幅をwbとした時に、下記[式1]の関係を満たすことが好ましい。
(wa+wb)/4<|Qa−Qb|・・・[式1]
上記[式1]における左辺の値が大きくなるほどガラス板11とガラス板12との共振周波数の差異(|Qa−Qb|)が大きくなり、高い損失係数が得られるようになることから好ましい。
そのため、下記[式2]を満たすことがより好ましく、下記[式3]を満たすことがより好ましい。
(wa+wb)/2<|Qa−Qb|・・・[式2]
(wa+wb)/1<|Qa−Qb|・・・[式3]
なお、ガラス板の共振周波数(ピークトップ)及び共振振幅の半値幅は、ガラス振動体における損失係数と同様の方法で測定できる。
ガラス板11及びガラス板12は、質量差が小さいほど好ましく、質量差がないことがより好ましい。ガラス板の質量差がある場合、軽い方のガラス板の共振は重い方のガラス板で抑制することはできるが、重い方のガラス板の共振を軽い方のガラス板で抑制することは困難である。すなわち、質量比に偏りがあると、慣性力の差異により原理的に共振振動を互いに打ち消せなくなるためである。
(ガラス板11/ガラス板12)で表されるガラス板11及びガラス板12の質量比は0.8〜1.25(8/10〜10/8)が好ましく、0.9〜1.1(9/10〜10/9)がより好ましく、1.0(10/10、質量比0)がさらに好ましい。
ガラス板11,12の厚みはいずれも薄いほど、ガラス板同士が流体層を介して密着しやすく、また、ガラス板を少ないエネルギーで振動させることができる。そのため、スピーカー等の振動板用途の場合には、ガラス板の厚みは薄いほど好ましい。具体的にはガラス板11,12の板厚がそれぞれ15mm以下が好ましく、10mm以下がより好ましく、5mm以下がさらに好ましく、3mm以下がさらにより好ましく、1.5mm以下が特に好ましく、0.8mm以下が特により好ましい。一方、薄すぎるとガラス板の表面欠陥の影響が顕著になりやすく割れが生じやすくなったり、強化処理しにくくなったりすることから、0.01mm以上が好ましく、0.05mm以上がより好ましい。
また、共振現象に起因する異音の発生を抑制した建築・車両用開口部材用途においては、ガラス板11,12の板厚はそれぞれ0.5〜15mmが好ましく、0.8〜10mmがより好ましく、1.0〜8mmがさらに好ましい。防振効果を高めた磁気記録媒体用ガラス基板用途においては、ガラス板11、ガラス板12の板厚はそれぞれ0.3〜1.2mmが好ましく、0.4〜1.0mmがより好ましく、0.5〜0.8mmがさらに好ましい。
ガラス板11及びガラス板12の少なくともいずれか一方のガラス板は、損失係数が大きい方が、ガラス振動体Gとしての振動減衰も大きくなり、振動板用途として好ましい。具体的には、ガラス板の25℃における損失係数は1×10−4以上が好ましく、3×10−4以上がより好ましく、5×10−4以上がさらに好ましい。上限は特に限定されないが、生産性や製造コストの観点から5×10−3以下であることが好ましい。また、ガラス板11及びガラス板12の両方が、上記損失係数を有することがより好ましい。なお、ガラス板の損失係数は、ガラス振動体Gにおける損失係数と同様の方法で測定できる。
ガラス板11及びガラス板12の少なくともいずれか一方のガラス板は、板厚方向の縦波音速値が高い方が高周波領域の音の再現性が向上することから、振動板用途として好ましい。具体的には、ガラス板の縦波音速値が5.0×10m/s以上が好ましく、5.5×10m/s以上がより好ましく、6.0×10m/s以上がさらに好ましい。上限は特に限定されないが、ガラス板の生産性や原料コストの観点から7.0×10m/s以下が好ましい。また、ガラス板11及びガラス板12の両方が、上記音速値を満たすことがより好ましい。なお、ガラス板の音速値は、ガラス振動体における縦波音速値と同様の方法で測定できる。
ガラス板11及びガラス板12の組成は特に限定されないが、例えば下記範囲であることが好ましい。SiO:40〜80質量%、Al:0〜35質量%、B:0〜15質量%、MgO:0〜20質量%、CaO:0〜20質量%、SrO:0〜20質量%、BaO:0〜20質量%、LiO:0〜20質量%、NaO:0〜25質量%、KO:0〜20質量%、TiO:0〜10質量%、且つZrO:0〜10質量%。ただし上記組成がガラス全体の95質量%以上を占める。
ガラス板11及びガラス板12の組成(酸化物基準のモル%で表示した組成)はより好ましくは、下記範囲である。
SiO:55〜75質量%、Al:0〜25質量%、B:0〜12質量%、MgO:0〜20質量%、CaO:0〜20質量%、SrO:0〜20質量%、BaO:0〜20質量%、LiO:0〜20質量%、NaO:0〜25質量%、KO:0〜15質量%、TiO:0〜5質量%、且つZrO:0〜5質量%。ただし上記組成がガラス全体の95質量%以上を占める。
ガラス板11,12の比重はいずれも小さいほど、少ないエネルギーでガラス板を振動させることができる。具体的にはガラス板11,12の比重がそれぞれ2.8以下が好ましく、2.6以下がより好ましく、2.5以下がさらにより好ましい。下限は特に限定されないが、2.2以上であることが好ましい。ガラス板11,12のヤング率を密度で除した値である比弾性率は、いずれも大きいほど、ガラス板の剛性を高められる。具体的にはガラス板11,12の比弾性率がそれぞれ2.5×10/s以上が好ましく、2.8×10/s以上がより好ましく、3.0×10/s以上がさらにより好ましい。上限は特に限定されないが、4.0×10/s以下であることが好ましい。
ガラス振動体Gを構成するガラス板は2枚以上であればよいが、図6に示すように、3枚以上のガラス板を用いてもよい。2枚の場合はガラス板11及びガラス板12が、3枚以上の場合は例えばガラス板11、ガラス板12及びガラス板13が、すべて異なる組成のガラス板を用いてもよく、すべて同じ組成のガラス板を用いてもよく、同じ組成のガラス板と異なる組成のガラス板とを組み合わせて用いてもよい。中でも、異なる組成からなる2種類以上のガラス板を用いることが振動減衰性の点から好ましく用いられる。ガラス板の質量や厚みについても同様に、すべて異なっても、すべて同一でも、一部が異なっていてもよい。中でも、構成するガラス板の質量が全て同一であることが振動減衰性の点から好ましく用いられる。
ガラス振動体Gを構成するガラス板の少なくとも1枚に物理強化ガラス板や化学強化ガラス板を用いることもできる。これは、ガラス板構成体からなるガラス振動体Gの破壊を防ぐのに有用である。ガラス振動体Gの強度を高めたい場合には、ガラス振動体Gの最表面に位置するガラス板を物理強化ガラス板又は化学強化ガラス板とすることが好ましく、構成するガラス板の全てが物理強化ガラス板又は強化ガラス板であることがより好ましい。
また、ガラス板として、結晶化ガラスや分相ガラスを用いることも、縦波音速値や強度を高める点から有用である。特に、ガラス板構成体からなるガラス振動体Gの強度を高めたい場合には、ガラス振動体Gの最表面に位置するガラス板を結晶化ガラス又は分相ガラスとすることが好ましい。
ガラス振動体Gは、ガラス板構成体の少なくとも一方の最表面に本発明の効果を損なわない範囲で、図7の(A)に示すコーティング層21や、図7の(B)に示すフィルム23を形成してもよい。コーティング層21の施工やフィルム23の貼付は、例えば傷付き防止等に好適である。コーティング層21やフィルム23の厚さは、表層のガラス板の板厚の1/5以下であることが好ましい。コーティング層21やフィルム23には従来公知のものを用いることができるが、コーティング層21としては、例えば撥水コーティング、親水コーティング、滑水コーティング、撥油コーティング、光反射防止コーティング、遮熱コーティング、等が利用できる。また、フィルム23としては、例えばガラス飛散防止フィルム、カラーフィルム、UVカットフィルム、IRカットフィルム、遮熱フィルム、電磁波シールドフィルム等が利用できる。
(シール材)
図8に示すように、ガラス振動体Gの外周端面の少なくとも一部を、ガラス振動体Gの振動を妨げないシール材25でシールしてもよい。シール材25としては、伸縮性の高いゴム、樹脂、ゲル等を用いることができる。
シール材25として用いる樹脂に関しては、アクリル系、シアノアクリレート系、エポキシ系、シリコーン系、ウレタン系、フェノール系等を用いることができる。硬化方法としては一液型、二液混合型、加熱硬化、紫外線硬化、可視光硬化等が挙げられる。熱可塑性樹脂(ホットメルトボンド)を用いることもできる。例として、エチレン酢酸ビニル系、ポリオレフィン系、ポリアミド系、合成ゴム系、アクリル系、ポリウレタン系が挙げられる。ゴムに関しては、例えば天然ゴム、合成天然ゴム、ブタジエンゴム、スチレン・ブタジエンゴム、ブチルゴム、ニトリルゴム、エチレン・プロピレンゴム、クロロプレンゴム、アクリルゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム(ハイパロン)、ウレタンゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、エチレン・酢酸ビニルゴム、エピクロルヒドリンゴム、多硫化ゴム(チオコール)、水素化ニトリルゴムを用いることができる。シール材25の厚さtは、薄すぎると十分な強度が確保されず、厚すぎると振動の支障となる。ゆえにシール材25の厚さは10μm以上、且つガラス構成体の合計厚みの5倍以下であることが好ましく、50μm以上、且つガラス構成体の合計厚みより薄いことがより好ましい。
図9の(A)及び(B)に示すように、ガラス振動体Gは、ガラス板11とガラス板12の各々の端面がずれて配置されることにより、断面視において階段状を呈する段差部27が構成されている。そして、この段差部27において、シール材25が少なくとも流体層16を封止するように設けられている。
シール材25は、段差部27において、ガラス板11の端面11aと、流体層16の端面16aと、ガラス板12の主面12aに密着している。このような構成により、流体層16がシール材25により封止され、流体層16の漏れが防止されるとともに、ガラス板11、流体層16、ガラス板12の接合が強化され、ガラス振動体Gの強度が増すこととなる。
また、段差部27において、ガラス板11の端面11a及び流体層16の端面16aが、ガラス板12の主面12aに対して垂直になるように構成されている。この結果、シール材25は、断面視において段差部27に沿ってL字状に延びた輪郭を有する。このような構成により、ガラス板11、流体層16、ガラス板12の接合がさらに強化され、ガラス振動体Gの強度がさらに増すこととなる。
さらに、シール材25がテーパー面25aを有している。ガラス振動体Gの縁部は、テーパー加工等がされることがあるが、このようなシール材25の形状を採用することにより、ガラス振動体Gを加工したのと同じ効果を得ることができる。
しかも、このガラス振動体Gでは、ガラス板11とガラス板12の各々の端面がずれて配置され、シール材25が段差部27に設けられている。したがって、このガラス振動体Gでは、ガラス板12側から視てシール材25がガラス板12の背面側に配置されるので、ガラス板12側から視てシール材25が見えなくされている。これにより、ガラス振動体Gの意匠性を高めることができる。
ガラス振動体Gは、平面状であってもよく、図10に示すように、例えば、設置場所に合わせて湾曲(屈曲)するような曲面状であってもよい。また、図示はしないが、平面状の部分と曲面状の部分とを共に備える形状であってもよい。つまり、ガラス振動体Gは、少なくとも一部に凹状又は凸状に曲がった湾曲部を有する三次元形状であってもよい。このように、設置場所に合わせて三次元形状とすることで、設置場所における外観を良好にでき、意匠性を高められる。
さらに、外縁の段差部27をシール材25で封止したガラス振動体Gにおいて、図11の(A)に示すように、ガラス板12側が凹むように曲面形状(三次元形状)に形成してもよい。この場合、ガラス板12の外縁がガラス板11よりも外側に延びている。また、図11の(B)に示すように、(A)を反転させた曲面形状にしてもよい。この場合も、ガラス板12の外縁がガラス板11よりも外側に延びている。
これらのガラス振動体Gの場合も、ガラス板12側から見た場合に、シール材25がガラス板12の背面側に配置されるので、ガラス板12側からは、シール材25が隠れて見えない状態にできる。これにより、設置場所における外観を良好にでき、ガラス振動体G自体の意匠性がより高められる。
<振動装置の適用例>
以上説明した振動装置100は、主面の面積を広く採れることを活かし、例えば、ガラス振動体Gが透光性を有する場合に、視認方向(図1の(A)のVa方向)の奥側に、表示用の画面を配置してディスプレイとして用いることができる。また、ガラス振動体Gの表面に発光素子を設け、表示機能を持たせることができる。さらに、ガラス振動体Gにスクリーンフィルムを貼り付け、映像を投射して表示させる機能を付加することもできる。また、窓ガラスとして使用することもできる。
以下に、本構成の振動装置100の適用例をより詳細に説明する。
振動装置100は、例えば電子機器用部材として、フルレンジスピーカー、15Hz〜200Hz帯の低音再生用スピーカー、10kHz〜100kHz帯の高音再生スピーカー、振動板の面積が0.2m以上の大型スピーカー、振動板の面積が3cm以下の小型スピーカー、平面型スピーカー、円筒型スピーカー、透明スピーカー、スピーカーとして機能するモバイル機器用カバーガラス、TVディスプレイ用カバーガラス、映像信号と音声信号とが同一の面から生じるディスプレイ、ウェアラブルディスプレイ用スピーカー、電光表示器、照明器具、等に利用できる。また、マイク用の振動板、振動センサーとして用いることもできる。
そして、振動装置100は、車両等の輸送機械の内装用振動部材として、車載・機載スピーカーとして用いることができる。例えばスピーカーとして機能するサイドミラー、サンバイザー、インパネ、ダッシュボード、天井、ドア、その他、各種の内装パネルにできる。さらに、これらをマイクロフォンやアクティブノイズコントロール用振動板として機能させることもできる。
また、振動装置100は、例えば、建築・輸送機械等に用いられる開口部材として用いることができる。その場合、振動板に、IRカット、UVカット、着色等の機能を付与することもできる。
振動装置100を開口部材の一部に適用する際には、ガラス振動体Gの片側又は両側の主面に、エキサイタEを装着した構成にできる。この構成によれば、これまで再現が難しかった高周波領域の音の再生が容易に可能となる。また、ガラス振動体Gの大きさ、形状、色調等における自由度が高く、意匠性を施すことが可能であることから、デザイン性にも優れた開口部材を得ることができる。
また、ガラス振動体Gの表面又は近傍に設置した集音用マイクロフォン又は、振動検出器で音声又は振動をサンプリングし、これと同位相あるいは逆位相の振動を振動板に発生させることにより、サンプリングした音声又は振動を増幅したり打ち消したりすることができる。
より具体的には、振動装置100は、車内スピーカー、車外スピーカー、遮音機能を有する車両用フロントガラス、サイドガラス、リアガラス又はルーフガラスに適用できる。また、音波振動により撥水性、耐着雪性、耐着氷性、防汚性を向上させた車両用窓、構造部材、化粧板として用いることもできる。具体的には、自動車用窓ガラスやミラーの他、レンズ、センサー及びそれらのカバーガラスとして用いることができる。
建築用開口部材としては、振動板及び振動検出装置として機能する窓ガラス、ドアガラス、ルーフガラス、内装材、外装材、装飾材、構造材、外壁、及び太陽電池用カバーガラスとして用いることができる。それらを音響反射(残響)板として機能させてもよい。また、音波振動により上記の撥水性、耐着雪性、防汚性を向上させることもできる。
(振動装置のスピーカーユニットへの適用例)
図12は筐体に振動装置を組み込んだスピーカーユニットの斜視図である。図13は図12に示すXIII−XIII線における断面図である。
図12及び図13に示すように、振動装置100は、スピーカーユニット200として用いることができる。スピーカーユニット200は、ガラス振動体Gを保持する凹状に形成された筐体31を備える。
筐体31は、底板部33と、底板部33の周縁から突出して設けられた周壁部35とを有する。振動装置100は、底板部33及び周壁部35で囲まれる筐体31の内側空間37に、エキサイタE側から挿入される。これにより筐体31は、内側空間37にエキサイタEを収容した状態でガラス振動体Gの外周縁を覆う。
エキサイタEは、一方の側がガラス振動体Gに固定され、他方の側が筐体31に固定されることが好ましい。エキサイタEと筐体31との間には、図13に示すように、金属や樹脂材等の支持部材39が設けられていてもよい。このように、エキサイタEが筐体31に接していることで、ガラス振動体Gの背面側に発生する音圧を、筐体31の内側空間37で低減させることができる。なお、エキサイタEは、他方の側が必ずしも筐体31に固定されていなくてもよい。
振動装置100が、筐体31に収容されることで、ガラス振動体Gの外周縁が、周壁部35の内周面に対して隙間Cをあけて配置され、ガラス振動体Gの表面は、周壁部35の縁部の端面35aと略面一に配置される。つまり、ガラス振動体Gは、エキサイタEを介して筐体31に支持され、筐体31とは非接触な状態になる。これにより、ガラス振動体Gの振動が、筐体31との干渉によって減衰することを防止できる。
筐体31の周壁部35には、筐体31の内側空間37と筐体外部とを連通する空気孔36を形成してもよい。空気孔36は、ガラス振動体Gの振動時における筐体31の内側空間37と筐体外部との差圧を低減させ、ガラス振動体Gの背面から発生する音のサイレンサーとして機能する。また、このスピーカーユニット200は、ガラス振動体Gの背面側を筐体31で覆った構造であるので、ガラス振動体Gの背面から発生した音が、ガラス振動体Gの正面側に戻ることを防止できる。また、筐体31の内側や外側にフェルトやスポンジなどの吸音材を貼り付けることで、筐体31の消音効果が高められ、ガラス振動体Gの背面側の音漏れを小さくできる。
上記構成のスピーカーユニット200は、車両のドア41等に搭載され、車内スピーカーとして利用できる。図14に示すように、車両のドア41は、構造部材である金属製のドアパネル43と、ドアパネル43の車内側に取り付ける内張りである内装材51とを有する。
内装材51の車内側にはひじ掛け55が設けられ、ひじ掛け55の上部に開口部53が形成されている。また、ドアパネル43には、その車内側の一部に装着穴45が形成されている。
スピーカーユニット200は、ガラス振動体G、エキサイタE、筐体31が一体にされた組立体にされて、ドアパネル43の装着穴45に嵌め込まれる。すると、内装材51の開口部53には、ガラス振動体Gが内装材51の表面に沿って配置される。
このように、振動装置100を備えたスピーカーユニット200を車内スピーカーにする場合、振動装置100と筐体31とが一体になった組立体をドアパネル43に組み込むだけで済み、振動装置100を簡単な作業でドア41に組み付けできる。
上記のスピーカーユニット200の配置態様は、図15に示すドア41の内装材51における、車外側に凹む凹状部分Fdにスピーカーユニット200を設けた場合であるが、室内側に突出する凸状部分Fpにスピーカーユニット200を配置してもよい。また、凹状部分Fdと凸状部分Fpの双方にスピーカーユニット200を配置してもよい。その場合、各スピーカーユニットで出力周波数のレンジを変更する等、仕様を異ならせることで高機能化できる。
スピーカーユニット200をドア41に搭載する場合、振動装置100のガラス振動体Gを、取付位置の周囲形状に応じて、凹状や凸状の三次元形状にすることで、内装材51の凹状部分Fdや凸状部分Fpの表面形状に合わせたデザイン性に優れた外観にできる。また、ガラス振動体Gは、その大きさ、形状、色調等における自由度が高く、意匠性を施すことが容易に可能であることから、デザイン性にも優れた車内スピーカーを構築できる。
図16に示すように、振動装置100を備えたスピーカーユニット200をドア41に搭載する場合、内装材51の開口部53とスピーカーユニット200との隙間をフィルム61で塞いでもよい。これにより、開口部53とスピーカーユニット200との隙間を通して車内からスピーカーユニット200内への異物や塵埃等の浸入が防止でき、ガラス振動体Gの背面側から発生した音が車内へ漏れることを抑制できる。
上記したスピーカーユニット200の筐体31は、さらに他の態様にすることができる。
例えば、筐体31に代えて、図14に示すドアパネル43に形成された凹部に振動装置100を収容してもよい。その場合、ドアパネル43にフェルトやスポンジなどの吸音材を振動装置100に対面させて配置することが好ましい。これによれば、前述した筐体を別途に用意する必要がなくなり、製造工程を簡略化でき、部品コストを低減できる。
また、エキサイタEが装着されたガラス振動体Gの一部を、ゴム材やばね材等の弾性体を介して、例えばドアパネル43等の固定側に支持させてもよい。その場合も前述した筐体が不要となり、構成を簡略化できる。
さらに、振動装置100をドア41に搭載させる場合、ガラス振動体Gの周縁部の室内側の面にエキサイタEを取り付け、このエキサイタEを、車内側から見えないように内装材51の開口部53の周縁に重ねて配置してもよい。その場合、ガラス振動体Gの周縁部分に取り付けたエキサイタEが、内装材51に隠れるため、美観を損なうことがない。
このように、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせることや、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。
本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。本出願は2018年12月27日出願の日本特許出願(特願2018−246215)に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
本発明に係る振動装置は、縦横の寸法比率が大きく異なる細長の板状のガラス振動体Gを複数のエキサイタEによって十分な音響性能を維持しつつ、安定的に励振させることができる。そのため、電子機器用部材、車両等の輸送機械の内装用振動部材や車載・機載スピーカー、建築・輸送機械等に用いられる開口部材として、好適に用いられる。
11,12 ガラス板
16 流体層
31 筐体
36 空気孔
100,110,120 振動装置
E エキサイタ
G ガラス振動体
R 補強部材

Claims (10)

  1. 板状のガラス振動体と、前記ガラス振動体に取り付けられ、入力された電気信号に応じて振動を発生する複数のエキサイタとを備える振動装置であって、
    前記ガラス振動体に内接する四角形の長辺の長さLaと短辺の長さLbとのアスペクト比La/Lbは1.2以上50以下であり、
    前記エキサイタの個数をn、前記エキサイタ間の距離の最小値をSmin、エキサイタの個数nとエキサイタ間の距離の最小値Sminとの関係値をα(α=Smin(n−1)/La)としたときに、
    前記αは0.2以上0.8以下であり、
    前記エキサイタの個数nが3以上のときは、エキサイタ間の距離の標準偏差Sσを平均値Saveで除した値β(β=Sσ/Save)は0以上0.5以下である振動装置。
  2. 前記ガラス振動体の25℃における損失係数は1×10−2以上、且つ前記ガラス振動体の板厚方向の縦波音速値は5.0×10m/s以上である請求項1に記載の振動装置。
  3. 前記ガラス振動体は、2枚以上のガラス板を含み、前記ガラス板のうち少なくとも一対のガラス板の間に液体を含有する流体層を含む請求項1又は請求項2に記載の振動装置。
  4. 前記振動装置は、前記ガラス振動体の少なくとも一方の面を覆う筐体を備え、前記筐体の内側空間に前記エキサイタが収容された請求項1〜3のいずれかに記載の振動装置。
  5. 前記エキサイタは、一方の側が前記ガラス振動体に固定され、他方の側が前記筐体に固定されている請求項4に記載の振動装置。
  6. 前記筐体は、前記筐体の内側空間と前記筐体外部とを連通する空気孔が形成されている請求項4又は5に記載の振動装置。
  7. 前記筐体の内側空間に、吸音材が設けられた請求項4〜6のいずれかに記載の振動装置。
  8. 200Hz〜10kHzの周波数における音圧変動値が20dB以下である、請求項1〜7のいずれかに記載の振動装置。
  9. 前記ガラス振動体は、少なくとも一部に凹状又は凸状の曲面を有する請求項1〜8のいずれかに記載の振動装置。
  10. 前記ガラス振動体は、前記ガラス振動体の長手方向に沿って設けられた補強部材を有する請求項1〜9のいずれかに記載の振動装置。
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