(57)【要約】      （修正有）【課題】圧電素子を有するラウドスピーカを提供する。【解決手段】支持構造体（基板３２０）と、２つの側面支持構造体３１０と、少なくとも２つの把持部３０５を介して支持構造体に固着された圧電層状カンチレバーアクチュエータ（バイモルフ２００）と、圧電アクチュエータ上に吊るされた、少なくとも２つの把持部の間の圧電アクチュエータと、その中心線３２１で接触する、端部を側面支持構造体に固定される膜３１８と、を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ラウドスピーカであって、
支持構造体と、
少なくとも２つの把持部を介して前記支持構造体に固着された圧電層状カンチレバーアクチュエータと、
前記圧電アクチュエータ上に吊るされた膜であって、前記少なくとも２つの把持部の間の前記圧電アクチュエータと接触する、膜と、を備える、ラウドスピーカ。
【請求項２】
前記圧電アクチュエータは、圧電バイモルフアクチュエータである、請求項１に記載のラウドスピーカ。
【請求項３】
前記少なくとも２つの把持部の各々は、前記圧電アクチュエータの異なる端部に取り付けられる、請求項１に記載のラウドスピーカ。
【請求項４】
前記少なくとも２つの把持部は、ゴム材料を含む、請求項１に記載のラウドスピーカ。
【請求項５】
前記少なくとも２つの把持部は、前記支持構造体の第１の表面に固着され、ポスト構造体は、前記第１の表面とは反対側の前記支持構造体の第２の表面に固着される、請求項１に記載のラウドスピーカ。
【請求項６】
前記少なくとも２つの把持部の各々は、２つの層を含み、前記圧電アクチュエータは、前記少なくとも２つの把持部の各々の前記２つの層の間に締着される、請求項１に記載のラウドスピーカ。
【請求項７】
前記膜は、前記圧電アクチュエータの中心と接触する、請求項１に記載のラウドスピーカ。
【請求項８】
圧電アクチュエータのアレイをさらに備える、請求項１に記載のラウドスピーカ。
【請求項９】
前記圧電アクチュエータのアレイは、前記ラウドスピーカの長手方向軸に沿って線状に配置される、請求項８に記載のラウドスピーカ。
【請求項１０】
前記圧電アクチュエータのアレイ内の各圧電アクチュエータは、互いに等しく離間される、請求項８に記載のラウドスピーカ。
【請求項１１】
前記膜の各端部は、前記支持構造体に固定される、請求項１に記載のラウドスピーカ。
【請求項１２】
前記膜は、前記圧電アクチュエータによって駆動される、請求項１に記載のラウドスピーカ。
【請求項１３】
ラウドスピーカであって、
支持構造体と、
前記ラウドスピーカの長手方向軸に沿って線状に配置された圧電層状カンチレバーアクチュエータのアレイであって、前記圧電アクチュエータのアレイの各圧電アクチュエータが、少なくとも２つの把持部を介して前記支持構造体に固着される、圧電層状カンチレバーアクチュエータのアレイと、
前記圧電アクチュエータのアレイ上に吊るされた膜であって、前記少なくとも２つの把持部の間の前記圧電アクチュエータの各々と接触する、膜と、を備える、ラウドスピーカ。
【請求項１４】
前記圧電アクチュエータの各々は、前記長手方向軸上で中央揃えされ、前記膜は、前記長手方向軸上の位置で前記圧電アクチュエータの各々と接触する、請求項１３に記載のラウドスピーカ。
【請求項１５】
前記膜は、前記圧電アクチュエータの前面の中心で前記圧電アクチュエータの各々と接触し、前記圧電アクチュエータの前記前面の各々の他の領域で前記圧電アクチュエータから離間される、請求項１４に記載のラウドスピーカ。
【請求項１６】
前記少なくとも２つの把持部の各把持部は、前記圧電アクチュエータのアレイ内の各圧電アクチュエータの異なる端部に連結される、請求項１４に記載のラウドスピーカ。
【請求項１７】
ラウドスピーカ内で音を発生させる方法であって、
膜の凹んだ領域で、前記膜を１つ以上の圧電アクチュエータで駆動することを含む、方法。
【請求項１８】
前記１つ以上の圧電アクチュエータは、前記ラウドスピーカの長手方向軸に沿って配置された圧電アクチュエータのアレイを備え、前記膜を駆動することは、前記膜の前記凹んだ領域で、前記膜を前記アレイ内の前記圧電アクチュエータの各々で駆動することを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
音源からの音声信号を電力変換器に連結された周波数分割ネットワークを介して前記１つ以上の圧電アクチュエータに指向することをさらに含み、前記周波数分割ネットワークは、前記音声信号を第１の周波数帯域および第２の周波数帯域に分ける、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１の周波数帯域内の前記音声信号の一部を前記１つ以上の圧電アクチュエータの第１のサブセットに指向することと、前記第２の周波数帯域内の前記音声信号の一部を前記１つ以上の圧電アクチュエータの第２のサブセットに指向することと、をさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、音声音を発生させるために圧電材料および素子を利用する効率的な音声トランスデューサに関する。
【背景技術】
【０００２】
トランスデューサにおいて、１つの形態のエネルギーが異なる形態のエネルギーに変換される。いくつかのラウドスピーカは、電気インパルスを近接した聴取者への可聴音として認識され得る音響振動に変換する電気音響トランスデューサを利用することができる。従来の電気音響トランスデューサ、またはスピーカドライバは、磁気発音構成要素を円錐の小端部に取り付けて円錐の大端部を開けた状態にした円錐のダイヤフラムおよびフレームを含む。このような電気音響トランスデューサは、かさばり、費用がかかり、それにより関連ラウドスピーカの大きさ、重量、および費用を増加させ得る。圧電トランスデューサを利用するラウドスピーカは、典型的に、圧電アクチュエータによって示される主に容量性負荷および比較的小さい振動を提供する圧電アクチュエータのため、他の種類のトランスデューサ（例えば、磁気成分を含む電気音響トランスデューサ）と比較して周波数応答の減少およびひずみの増加提供する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
１つ以上の圧電アクチュエータによって駆動されるラウドスピーカの実施形態が開示される。本開示の実施形態では、ラウドスピーカは、支持構造体と、少なくとも２つの把持部を介してこの支持構造体に固着された圧電層状カンチレバーアクチュエータとを備える。支持構造体は、圧電アクチュエータ上に吊るされた膜も備え、この膜は、少なくとも２つの把持部の間の圧電アクチュエータと接触する。
【０００４】
追加または代替の実施形態では、ラウドスピーカは、支持構造体と、ラウドスピーカの長手方向軸に沿って線状に配置された圧電層状カンチレバーアクチュエータのアレイであって、この圧電アクチュエータの各々が、少なくとも２つの把持部を介して支持構造体に固着される、圧電層状カンチレバーアクチュエータのアレイとを備え得る。ラウドスピーカは、圧電アクチュエータのアレイ上に吊るされた膜も備え得、この膜は、少なくとも２つの把持部の間の圧電アクチュエータの各々と接触する。
【０００５】
音を発生させる方法は、開示されるラウドスピーカのうちの１つ以上によって実施され得る。例えば、この方法は、膜の凹んだ領域で、膜を１つ以上の圧電アクチュエータで駆動することを含み得る。圧電駆動されるラウドスピーカは、ラウドスピーカからかさばり、費用のかかる磁石を取り除き、磁石駆動されるラウドスピーカに対する電力効率を増加させることができる。膜の凹んだ領域で膜を駆動することは、圧電アクチュエータの振動が膜に沿って均等に分布されることを可能にする。以下に記載されるように膜を圧電アクチュエータで駆動することによって、上述の重量および費用節約特徴は、ラウドスピーカにおける帯域幅または他の音質パラメータを犠牲にすることなく実現され得る。
例えば、本願発明は以下の項目を提供する。
（項目１）
ラウドスピーカであって、
支持構造体と、
少なくとも２つの把持部を介して上記支持構造体に固着された圧電層状カンチレバーアクチュエータと、
上記圧電アクチュエータ上に吊るされた膜であって、上記少なくとも２つの把持部の間の上記圧電アクチュエータと接触する、膜と、を備える、ラウドスピーカ。
（項目２）
上記圧電アクチュエータは、圧電バイモルフアクチュエータである、上記項目に記載のラウドスピーカ。
（項目３）
上記少なくとも２つの把持部の各々は、上記圧電アクチュエータの異なる端部に取り付けられる、上記項目のいずれか一項に記載のラウドスピーカ。
（項目４）
上記少なくとも２つの把持部は、ゴム材料を含む、上記項目のいずれか一項に記載のラウドスピーカ。
（項目５）
上記少なくとも２つの把持部は、上記支持構造体の第１の表面に固着され、ポスト構造体は、上記第１の表面とは反対側の上記支持構造体の第２の表面に固着される、上記項目のいずれか一項に記載のラウドスピーカ。
（項目６）
上記少なくとも２つの把持部の各々は、２つの層を含み、上記圧電アクチュエータは、上記少なくとも２つの把持部の各々の上記２つの層の間に締着される、上記項目のいずれか一項に記載のラウドスピーカ。
（項目７）
上記膜は、上記圧電アクチュエータの中心と接触する、上記項目のいずれか一項に記載のラウドスピーカ。
（項目８）
圧電アクチュエータのアレイをさらに備える、上記項目のいずれか一項に記載のラウドスピーカ。
（項目９）
上記圧電アクチュエータのアレイは、上記ラウドスピーカの長手方向軸に沿って線状に配置される、上記項目のいずれか一項に記載のラウドスピーカ。
（項目１０）
上記圧電アクチュエータのアレイ内の各圧電アクチュエータは、互いに等しく離間される、上記項目のいずれか一項に記載のラウドスピーカ。
（項目１１）
上記膜の各端部は、上記支持構造体に固定される、上記項目のいずれか一項に記載のラウドスピーカ。
（項目１２）
上記膜は、上記圧電アクチュエータによって駆動される、上記項目のいずれか一項に記載のラウドスピーカ。
（項目１３）
ラウドスピーカであって、
支持構造体と、
上記ラウドスピーカの長手方向軸に沿って線状に配置された圧電層状カンチレバーアクチュエータのアレイであって、上記圧電アクチュエータのアレイの各圧電アクチュエータが、少なくとも２つの把持部を介して上記支持構造体に固着される、圧電層状カンチレバーアクチュエータのアレイと、
上記圧電アクチュエータのアレイ上に吊るされた膜であって、上記少なくとも２つの把持部の間の上記圧電アクチュエータの各々と接触する、膜と、を備える、ラウドスピーカ。
（項目１４）
上記圧電アクチュエータの各々は、上記長手方向軸上で中央揃えされ、上記膜は、上記長手方向軸上の位置で上記圧電アクチュエータの各々と接触する、上記項目に記載のラウドスピーカ。
（項目１５）
上記膜は、上記圧電アクチュエータの前面の中心で上記圧電アクチュエータの各々と接触し、上記圧電アクチュエータの上記前面の各々の他の領域で上記圧電アクチュエータから離間される、上記項目のいずれか一項に記載のラウドスピーカ。
（項目１６）
上記少なくとも２つの把持部の各把持部は、上記圧電アクチュエータのアレイ内の各圧電アクチュエータの異なる端部に連結される、上記項目のいずれか一項に記載のラウドスピーカ。
（項目１７）
ラウドスピーカ内で音を発生させる方法であって、
膜の凹んだ領域で、上記膜を１つ以上の圧電アクチュエータで駆動することを含む、方法。
（項目１８）
上記１つ以上の圧電アクチュエータは、上記ラウドスピーカの長手方向軸に沿って配置された圧電アクチュエータのアレイを備え、上記膜を駆動することは、上記膜の上記凹んだ領域で、上記膜を上記アレイ内の上記圧電アクチュエータの各々で駆動することを含む、上記項目に記載の方法。
（項目１９）
音源からの音声信号を電力変換器に連結された周波数分割ネットワークを介して上記１つ以上の圧電アクチュエータに指向することをさらに含み、上記周波数分割ネットワークは、上記音声信号を第１の周波数帯域および第２の周波数帯域に分ける、上記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目２０）
上記第１の周波数帯域内の上記音声信号の一部を上記１つ以上の圧電アクチュエータの第１のサブセットに指向することと、上記第２の周波数帯域内の上記音声信号の一部を上記１つ以上の圧電アクチュエータの第２のサブセットに指向することと、をさらに含む、上記項目のいずれか一項に記載の方法。
（摘要）
１つ以上の圧電アクチュエータによって駆動されるラウドスピーカの実施形態が開示される。本開示の実施形態において、ラウドスピーカは、支持構造体と、少なくとも２つの把持部を介してこの支持構造体に固着された圧電層状カンチレバーアクチュエータとを備える。支持構造体は、圧電アクチュエータ上に吊るされた膜も備え、この膜は、少なくとも２つの把持部の間の圧電アクチュエータと接触する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
本開示は、添付の図面を参照して、非限定的な実施形態の以下の説明を読むことにより、より良く理解され得る。
【０００７】
【図１】本開示の１つ以上の実施形態に従う、圧電スピーカシステムを示す。
【図２】本開示の１つ以上の実施形態に従う、圧電バイモルフアクチュエータを示す。
【図３】本開示の１つ以上の実施形態に従う、ラウドスピーカの圧電素子を示す。
【図４】本開示の１つ以上の実施形態に従う、一重および二重締着された圧電アクチュエータの周波数応答を示す。
【図５】本開示の１つ以上の実施形態に従う、一重および二重締着された圧電アクチュエータのインパルス応答を示す。
【図６】本開示の１つ以上の実施形態に従う、第１の圧電アレイの電子概略図を示す。
【図７】本開示の１つ以上の実施形態に従う、図６のアレイの入力インピーダンスを示す。
【図８】本開示の１つ以上の実施形態に従う、図６のアレイの電力要件を示す。
【図９】本開示の１つ以上の実施形態に従う、図６のアレイの音圧レベルを示す。
【図１０】本開示の１つ以上の実施形態に従う、圧電ラウドスピーカの正面図を示す。
【図１１】本開示の１つ以上の実施形態に従う、図１０のラウドスピーカの背面図を示す。
【図１２】本開示の１つ以上の実施形態に従う、図１０のラウドスピーカの底面図を示す。
【図１３】本開示の１つ以上の実施形態に従う、図１０のラウドスピーカの上面図を示す。
【図１４】本開示の１つ以上の実施形態に従う、第２の圧電アレイの電子概略図を示す。
【図１５】本開示の１つ以上の実施形態に従う、図１４の構成要素の詳細なバージョンを示す。
【図１６】本開示の１つ以上の実施形態に従う、ラウドスピーカ内で音を発生させるための方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
多くのラウドスピーカは、音波を発生させるために磁場内に吊るされたボイスコイルを利用し、音を伝搬するために円錐ダイヤフラムも使用し得るダイナミックラウドスピーカとしても知られている。磁石を利用する代わりに、圧電スピーカは、音波を発生させるために移動する圧電材料によって電流を動作させることによって音を発生させる。圧電スピーカは、材料上の電気入力が材料にある種の機械力または応力を偏向させるか、またはそれを示させるという点で圧電効果を示す材料を利用することによって形成され得る。この効果はまた、反転することができ、この場合材料に加えられた機械力が電荷を発展させる材料をもたらす。
【０００９】
圧電スピーカとして本明細書に記載される圧電ドライバを組み込むスピーカは、ダイナミックラウドスピーカに勝るいくつかの利点を提供することができる。最初に、ダイナミックラウドスピーカに使用される磁石はしばしば、適切な音を発生させるために大きいが、圧電スピーカは、磁石を必要とせず、したがってより小さい構成要素を有し得る。同様に、圧電スピーカは、奥行きのない外形の筐体内に収容され、この形状は、特定の設計要件に従って空間に適合するように順応され得る。家庭用娯楽システムのために壁に平らな圧電スピーカを取り付ける一例に関わり得る。さらに、圧電スピーカは、他の種類のドライバを利用するスピーカより電力効率が良い場合がある。この説明全体にわたって、圧電ドライバ、トランスデューサ、およびアクチュエータという用語は、同意語として使用される。
【００１０】
圧電スピーカシステム１００の一例が図１に示される。この設定では、左の圧電スピーカ１０６および右の圧電スピーカ１０７は、部屋または他の空間に音を提供するように配置および接続される。このシステムでは、スピーカ１０６および１０７は、コンピュータがスピーカに信号を提供するための音源として機能するように、外部デスクトップコンピュータ１０５に接続され得る。スピーカ１０６および１０７は、形状および形態が実質的に同一であり、したがって各スピーカの特徴は、同じであり、同様に標識される。圧電スピーカは、２つの一般的な部分を含むことができ、第１の一般的な部分が圧電システムに構造および支持を提供するタワー１０２である。第２の一般的な部分は、タワー１０２に隣接し、それに取り付け得る基部１０３であり得る。基部は、圧電スピーカに基盤を提供し、スピーカに必要とされる追加の構成要素を収容することができる。さらに、多数の音声信号ポートが基部１０３に組み込まれてもよく、この場合配線１１２がスピーカ１０６および１０７をコンピュータ１０５に接続することができる。配線１１２はまた、コンピュータ１０５からスピーカ１０６および１０７に電力を供給することができ、あるいは、別の実施形態では、電力は、異なる配線（図示せず）を介して別個の電源から供給されてもよい。
【００１１】
破線ボックスによって示されるように、タワー１０２内に１つ以上の圧電素子１１１が収容される。各素子１１１は、音を発生させることを必要とされる任意の周囲の構造および材料とともに圧電アクチュエータ１０９を含む。周囲の構造は、図３により詳細に記載されるように、適所にアクチュエータを保持するための把持部および／または接着剤、配線、ならびに圧力波を発生させるためのダイヤフラムまたは他の部品を含んでもよい。図１に示される例では、５つの圧電素子１１１は、スピーカ１０６および１０７の各々に存在し、この場合素子は、垂直に配置される。
【００１２】
図１におけるアクチュエータ１０９等の圧電トランスデューサ（アクチュエータ）は、様々な形態および大きさでもたらされ得る。１つの様々なトランスデューサは、圧電バイモルフである。圧電バイモルフは、実質的に平面的であり、形状が矩形であり、それによりバイモルフが２つの方向にのみ偏向するように物理的に制約されることを可能にする。例示的な圧電バイモルフが図２に示される。標識されるように、正面図、背面図、および側面図を含むバイモルフ２００の３つの図が図２に示される。バイモルフ２００は、図１におけるアクチュエータ１０９として使用されてもよい。図２における側面図を見ると、セラミック材料であり得る中央材料２１６は、圧電材料２１５の２つの外層の間に挟まれる。圧電材料は、圧電セラミックまたは圧電効果を示す他の好適な薄い可撓性材料であってもよい。圧電材料２１５の２つの層は、バイモルフ２００を、圧電材料の単層が使用されるユニモルフと区別する。電気信号がリード線２１０に通されると、バイモルフ２００は、矢印２５０によって指定されるような方向にその長さに沿って前後に曲げる。いくつかの圧電スピーカ上では、バイモルフは、一端上の支持構造体に取り付けられ、それにより他端の自由な移動を可能にする。この構成は、以下、一重締着されたバイモルフと称される。
【００１３】
バイモルフアクチュエータの一端を堅く固定することとは対照的に、音質は、両端にバイモルフを固定し、かつバイモルフが２つの固定された端部の間で移動することを可能にすることによって改善され得る。圧電スピーカの単一素子３００の第１の実施形態が図３に示され、この場合素子は、両端に固定される。標識されるように、正面図および底面図を含む、素子３００の２つの図が示される。この説明全体にわたって、圧電素子３００は、記載される任意のスピーカシステムの基礎を形成する。複数の素子３００は、コヒーレント音を発生させるように配線され得る素子アレイを形成するように組み合わせされ、配置され得る。見られるように、バイモルフ２００は、把持部３０５によって両端で締着される（例えば、各把持部がバイモルフ２００の異なる対向する端部に取り付けられる）。図３に図解されるバイモルフ２００は、図２のバイモルフ２００に相当するが、バイモルフ２００が本開示で参照される任意の好適な圧電アクチュエータが利用され得ることを理解されたい。把持部３０５は、バイモルフとその把持部との間に実質的にゼロ変位があるように、バイモルフ２００に堅く締着され得る。把持部３０５は、ゴム等の強力だが可撓性材料からなり得る。さらに、把持部は、圧縮力および摩擦を使用して、適所にバイモルフを保持し得るか、または接着剤の形態が把持部およびバイモルフに適用され得る。各把持部３０５は、２つの層の間のバイモルフの端部を締着することに留意されたい。このように、把持部３０５は、バイモルフの前面および後面（例えば、前面の反対の面）と接触して、バイモルフの端部を囲む。バイモルフ２００が両端上に固定されるこの締着型は、二重締着されたバイモルフと以下に称される。把持部の１つの層は、基板３２０等の支持構造体に直接接触し、それに隣接し、これは、把持部３０５が取り付けられ得るほぼ平らな表面を提供することができる。側面支持構造体３１０は、バイモルフ、把持部、および基板をさらに支持するように基板３２０の反対端表面上に位置決めされる。構造体３１０は、さらに後に図示および記載されるように、細長いポストの形状を含んでもよい。バイモルフ２００と構造体３１０との間の空間とともに、構造体３１０と把持部３０５との間に空間が存在する。このように、バイモルフ２００は、基板３２０（例えば、支持構造体）を支持するように固着された層状圧電カンチレバーである。
【００１４】
薄い可撓性の膜３１８は、膜３１８がバイモルフの中心で線３２１に沿ってバイモルフ２００に接触する「Ｍ」の形状でバイモルフ２００上に形成され、その上に吊るされる。線３２１では、膜は、ある形態の接着剤および／または他の締結もしくは溶融材料／過程を介してバイモルフと接触し得る。図解されるように、膜３１８の端部は、支持構造体３１０に固定される。加えてまたはあるいは、膜３１８の端部は、基板３２０等の他の支持構造体に固定され得ることを理解されたい。膜３１８は、耐振動プラスチック材料からなる薄いフィルム様の膜であってもよい。電流は、膜３１８を振動させ得るバイモルフ２００を通過し、それにより音波を発生させる。後の図に示されるように、素子３００は、バイモルフアクチュエータのアレイを形成するように繰り返され、一例では、すべてが単一の連続膜に接続され得る。膜３１８は、バイモルフ２００（例えば、圧電アクチュエータ）および把持部３０５上にキャノピーを形成するためにバイモルフ２００上に吊るされてもよく、この場合把持部とバイモルフとの間に存在する空間がある（線３２１以外の位置で、膜とアクチュエータとの間に直接接触がある）。例えば、膜３１８は、把持部３０５の間のバイモルフの中心でバイモルフ２００と接触してもよい。このように、膜３１８は、バイモルフの前面上の中心点および／または領域でバイモルフとのみ接触することができ、バイモルフの他の点、領域、および／または表面で（例えば、バイモルフの中心から離間された領域で）バイモルフと接触しないかもしれない。膜３１８は、外部側面３５５から分離される素子３００内に空気または他の材料３５４のポケットを形成するために構造体３１０に連続的に取り付けられてもよい。
【００１５】
一重締着されたバイモルフとは対照的に可撓性の把持部を有する両端上に締着された圧電バイモルフアクチュエータの音響特性を定量化するために、一連の試験が実施され、この結果が以下に詳細に説明される。以下の試験全体にわたって、一重締着されたバイモルフは、金属または硬質プラスチック等の硬質の剛性材料で片側に締着されるが、二重締着されたバイモルフは、より軟質材料（ゴム等）で両端上に保持される。
【００１６】
図４に示される周波数応答試験では、小さいマイクロホンは、膜３１８が取り付けられていない圧電バイモルフの正面に設置され得る。したがって、グラフ４００は、図３に関して記載される一重締着されたバイモルフおよび二重締着されたバイモルフの周波数応答を示す。曲線４０５は、硬質材料で一端上に締着されたバイモルフの周波数応答を表すが、曲線４０６は、より軟質材料で両端上に締着されたバイモルフの周波数応答を表す。一端上に締着されたバイモルフの場合、マイクロホンは、自由端に近接して保持され得るが、マイクロホンは、線３２１等に沿ってバイモルフの中心に近接して保持され得る。曲線４０６は、曲線４０５より一定かつより平坦であり、曲線４０５より改善された音響性能を示すことに留意されたい。曲線４０５では、音響エネルギーは、点４２２、４２３、および４２４等のいくつかの鋭い共振ピークの周囲に集中される。鋭い共振ピークは、一端上に締着されるバイモルフを高い音質が必要であるスピーカ用途に不適当にし得る。一方、曲線４０６は、曲線４０５に示されるものと同じくらい極端な共振ピークを示さない。
【００１７】
一重締着されたバイモルフおよび二重締着されたバイモルフの両方がインパルス応答試験に供される第２の試験が図５に見られ得る。両バイモルフによって示されるインパルス応答は、ある期間中のエネルギーの減衰効果および結果として得られた集中を図解する。一重締着されたバイモルフの考えられるインパルス応答が、グラフ５０１として図５に見られ得る。二重締着されたバイモルフは、グラフ５０２によって示されるインパルス応答を有し得る。一重固定されたバイモルフのグラフ５０１の鋭い振動運動は、二重締着されたバイモルフのグラフ４０２より長期間継続することに留意されたい。グラフ５０１では、インパルス応答は、減衰する前に振幅が再び上昇する位置を含むが、グラフ５０２のインパルス応答は、最大値を有し、その後、継続的に減衰する。
【００１８】
前述のように、圧電スピーカユニットは、多数の圧電素子のアレイを含むことができ、各素子は、素子３００として構成され得る。一例では、５つの素子は、単一膜３１８が取り付けられるように垂直に（長手方向に）配置されてもよい。複数の素子によって、配線方式は、入力信号を各素子に指向することを必要としてもよく、それによりレジスタは、それに応じて音声信号を各素子に対する異なる周波数帯域に分割するために使用され得る。この設定では、レジスタは、クロスオーバーユニットの一部を形成することができる。図６〜９に図解および試験される圧電スピーカユニットに対して素子の５素子アレイ（各々がアクチュエータを含む）が想定され得る。
【００１９】
図６は、５つの圧電バイモルフ２００がスピーカユニット６００を形成するために５つのレジスタおよび外部増幅器６２０からの入力信号と並列に配置される例示的な配線概略図を図解する。見られるように、並列回路の各分岐では、バイモルフ２００（例えば、トランスデューサ）は、対応するレジスタと直列に配置される。Ｒ０、Ｒ１、およびＲ２と標識されるレジスタは、バランスの取れた音を発生させるために図６に表示されるような対称形状で配置され得る。一例として、レジスタは、以下の抵抗（オームで測定される）を示し得る：Ｒ０＝１０オーム、Ｒ１＝Ｒ２＝４００オーム。中央レジスタと外側レジスタとの間の抵抗の差は、素子のすべてが単一膜３１８に取り付けられたように素子が配置された場合、膜３１８の縁部に向かって段階的な高周波数ロールオフを引き起こすことができる。高周波数ロールオフは、発生した音および全体的な音響出力応答の垂直な指向性を改善することができる。
【００２０】
図６に関して記載されるような５素子アレイを利用すると、図７は、スピーカユニット内の５素子圧電バイモルフアレイによって示され得る入力インピーダンス（増幅器負荷）を示す。グラフ７００は、インピーダンス（オームで測定される）に対する周波数（Ｈｚで測定される）の関係を示す。５素子アレイは、１０ＶＲＭＳの定電圧によって駆動されてもよく、これは、アレイから３ｍの距離で約８０ｄＢの音圧レベル（ＳＰＬ）をもたらすことができる。この設定の場合、動的電力要件は、図８に示され、グラフ８００は、周波数出力が増加するにつれて、要求される電力も増加することを図解する。例えば、基準値、点８１０は、５００Ｈｚおよび１０ｍＷに相当するが、点８２０は、１０ｋＨｚ（点８２２）および１００ｍＷ（点８２１）に相当する。
【００２１】
圧電バイモルフの同じ５素子アレイを使用して、５素子アレイの考えられる周波数応答およびひずみは、グラフ９００として図９に示され、この場合周波数が水平軸に沿って位置し、ＳＰＬが垂直軸に沿って位置する。基本的な周波数応答９１１、２次高調波ひずみ９１２、および３次高調波ひずみ９１３を含む、３つのグラフが示される。基本的な周波数応答９１１は、平坦で行儀が良く、さらに無限インパルス応答（ＩＩＲ）フィルタ等の低次フィルタによって均等化され得ることに留意されたい。さらに、２次高調波ひずみ曲線９１２および３次高調波ひずみ曲線９１３は、１％未満、または約−４０ｄＢ、１ｋＨｚを超えてもよく、これは、従来の電気力学ツイーターと同等の図である。
【００２２】
前述の圧電バイモルフアクチュエータの５素子アレイは、細長い構造体内に配置され、圧電ラウドスピーカユニットを形成するために基部および／または他の構成要素に取り付けられてもよい。このアレイは、ラウドスピーカの長手方向（垂直）軸に沿って線状に配置されてもよい。圧電ラウドスピーカ１０００の一実施形態は、図１０〜１３における異なる角度から表示される。図１０〜１３は、一定の比率の縮尺で描かれるが、異なる相対寸法が図示されない実施形態に使用され得ることに留意されたい。
【００２３】
図１０は、正面視点からのスピーカ１０００を示す。見られるように、スピーカ１０００は、各バイモルフ２００のより長い軸が実質的に水平方向（図の基準軸に示されるような）に位置するように、垂直配向で配置された図３からの５つの素子３００を含む。各バイモルフ２００は、互いに等しく離間され、および／または別の方法でスピーカ１０００の長手方向軸１０９０に沿って線状に配置され得る。図１０では、素子３００は、図３に示されるような正面視点から見られる。各素子３００は、より良好な見解のために破線ボックスで囲んで図解される。この実施形態における把持部３０５は、５つのバイモルフ２００の両側を締着する２つの把持部を備えることに留意されたい。例えば、各把持部は、バイモルフ２００が２つの層の間に挟まれるように２つの層を含んでもよい。さらに、素子３００（図３に記載される構成要素を備える）が取り付けられる（例えば、基板１０８５を介して）表面を提供する支持構造体３１０が可視的である。前述の５素子アレイは、その音響応答は図７〜９に提示されているが、長さ１０９５によって画定され得る。長さ１０９６によって表される基部１０７５は、スピーカ１０００の残りの安定性を確保するためにより大きいスタンドを提供する。
【００２４】
図１１は、圧電ラウドスピーカ１０００の後面図を示す。この角度から、支持構造体３１０は、より明確に可視的であり、構造体３１０は、基部１０７５に取り付けられ、かつそこから離れて延在する２つのほぼ線形梁を含む。基部１０７５は、増幅器または受信器等の外部電源から電気音声信号を提供する電気配線１１４５に取り付けられる。ポスト構造体３１０とバイモルフ２００および把持部３０５の集合素子との間に挟まれる、透明な硬質基板１０８５が提供される。さらに、別の基板１１８５は、スピーカユニットにさらなる支持を提供するように構造体３１０の裏面に取り付けられ得る。
【００２５】
図１２は、圧電ラウドスピーカ１０００の底面図を示す。このスピーカの実施形態では、基部１０７５には、スピーカ１０００のより低い周波数の音声音を出力するように構成されるウーファ１２５０が装備される。この実施形態では、中高域の周波数は、入力電気信号を分割することができるクロスオーバーを介してバイモルフ２００に移される。この例では、ウーファは、約６５０Ｈｚでクロスオーバーされ得る。ウーファ１２５０がバイモルフ２００とそれらの関連した構成要素との総合重量よりも重い場合、ウーファ１２５０を基部１０７５内に設置することで、スピーカ１０００にアンカーを提供し、振動がそれを通って伝達されるとスピーカの安定性および剛性を増加させる。基部１０７５には、テーブルまたは床等の外表面と接触するためにいくつかの足部１２４３も提供されてもよい。足部１２４３は、振動が外表面に容易に伝達されないように制振材料から構築されてもよい。
【００２６】
図１３は、圧電ラウドスピーカ１０００の上面図を示す。この角度から、破線ボックスによって描かれるように図３の素子３００に相当する、単一素子３００が可視的である。膜３１８は、「Ｍ」形状に湾曲され、線３２１に沿ってバイモルフ２００と接触する。バイモルフ２００を把持する把持部３０５も見られ得る。この実施形態では、バイモルフ２００の各端部は、各把持部を形成する２片のゴムの間に挟まれ、これらのゴム片は、他の４つのバイモルフを把持するように基部１０７５（図示せず）に向かって延在される。さらに、基板１０８５は、ポスト構造体３１０とともに見られ得る。
【００２７】
図１２に関して前述されるように、クロスオーバーは、異なる周波数をバイモルフアクチュエータおよびウーファの５素子アレイに指向するために提供されてもよい。このように、長さ１０９５によって表されるような５素子アレイは、中高域の可聴周波数を発生させ得るが、基部１０７５および長さ１０９６内に含まれるウーファ１２５０は、より低い周波数を作り出す。このことから、ラウドスピーカ１０００は、磁気発音素子および円錐ダイヤフラムを利用するダイナミックラウドスピーカとして機能することができる。５素子アレイは、磁気発音素子を利用する中音域スピーカおよび／またはツイーターに周波数および音量が類似の音を発生させることができる。
【００２８】
様々な電気素子による配線方式として図解される圧電ラウドスピーカの第２の実施形態が図１４に示される。中高周波数を５つのバイモルフアクチュエータ２００に指向するラウドスピーカ１０００とは対照的に、スピーカ１４００は、１つが高周波数回路１４９５内のすべての高周波数音を処理するが、他の４つが低周波数回路１４９０内の低周波数音を処理するような５つのアクチュエータを分割する。外部音源１４８１からの入力音声信号は、クロスオーバー１４８３の周波数分割ネットワークによって２つの帯域に分けられる。一方の帯域が低周波数信号を含み得る一方で、他方の帯域は、高周波数信号を含み得、この場合低周波数と高周波数との分割は、所定の周波数に応じて相対的である。一例として、１つの帯域（低帯域）が２００Ｈｚ〜２ｋＨｚの範囲の周波数を含み得る一方で、第２の帯域（高帯域）は、２ｋＨｚ〜２０ｋＨｚの範囲の周波数を含み得る。この場合、２ｋＨｚは、所定の周波数または分割周波数である。バッテリ１４８２は、効率の低い電力ブースト変換器１４８４を介してスピーカ１４００に電力を供給し、この場合変換器は、２つの異なる周波数経路とともに使用するために、１つの経路に＋２００Ｖを、別の経路に＋１００Ｖを供給することができる。バッテリ１４８２は、７Ｖバッテリまたはスピーカシステム要件による他の種類であってもよい。変換器１４８４は、Ｄ級または他の適切な電力増幅器であってもよい。次に、＋２００Ｖおよび＋１００Ｖ経路は、増幅器１４８８および１４８９それぞれに動力を供給するために使用されてもよい。増幅器１４８８は、低周波数回路１４９０のための信号を供給するが、増幅器１４８９は、高周波数回路９５のための信号を供給する。
【００２９】
別個の増幅器１４８８および１４８９を使用することによって、図６の直列レジスタ等のレジスタの必要性が取り除かれ、それにより純粋に無効負荷を作り出す。レジスタを有しない結果として、レジスタによる電力損失が取り除かれ、それにより電源（バッテリ１４８２等）が供給しなければならない平均電流を減少させることができる。このように、無効エネルギーは、直流電流を全く引き込むことなく圧電素子３００と電源との間で振動することができる。その結果として、スピーカ１４００の平均電力消費量は、ブースト変換器１４８４、クロスオーバー１４８３、および圧電素子３００からの損失等のすべての残りの損失の組み合わされた結果であってもよい。図１４に示される回路から、スピーカ１４００は、スピーカ１４００の電力変換器および周波数分割器を利用しない他のスピーカに対して電力効率が良くてもよい。
【００３０】
図１５は、図１４の増幅器１４８８（または１４８９）の例示的な詳細な概略図を示す。この例では、増幅器１４８８は、直接駆動Ｄ級増幅器であってもよい。音源１４８１は、レジスタ１５９２を通って音声信号を供給し、この場合信号は次に、異なる素子を通って並列に通される。並列回路の１つの線では、パッシブフィードバックネットワークを形成すると、別のレジスタ１５９３が第３のレジスタ１５９５と並列であるコンデンサと直列に提供される。コンパレータ１５９６、電源スイッチ１５９７、およびインダクタ１５９８（例えば、１００ｕＨインダクタ）が並列回路の第２の線で直列に提供される。図１４のバイモルフアクチュエータ２００のいずれかであり得る圧電素子１５９９は、切り替え型信号からアナログ音声信号を再構築するために必要とされ得るＬＣ低域ネットワークの容量部分を提供する。インダクタ１５９８、レジスタ１５９３、およびコンデンサ１５９４の値は、コンパレータ１５９６および電源スイッチ１５９７の待ち時間とともに、レジスタ１５９２として図１５に提示される変調器の搬送波（空き）周波数、およびレジスタ１５９５として図１５に提示される音声ゲインを決定することができる。この例示的なシステム設定の場合、構成要素のうちのいくつかの値は、レジスタ１５９３＝２０００オーム、レジスタ１５９５＝２００ｋオーム、レジスタ１５９３＝１０ｋオーム、コンデンサ１５９４＝１５０ｐＦであってもよい。他の値は、スピーカ要件および特定の回路に応じて使用されてもよい。
【００３１】
図１６は、音を発生させるための方法１６００のフローチャートである。例えば、方法１６００は、開示されるラウドスピーカおよび／または関連した回路のうちの１つ以上によって実施されてもよい。方法１６００は、１６０２で示されるように、音源から１つ以上の圧電アクチュエータに音声信号を指向することを含み得る。１６０４で示されるように、この指向は、図１４および１５により詳細に記載されるように、電力増幅器に連結された周波数分割ネットワークを介して実施され得る。方法１６００は、１６０６で示されるように、この信号を第１および第２の周波数帯域に分けることを含み得る。信号を分けると、方法１６００は、１６０８で示されるように、第１の周波数帯域内の音声信号の一部（例えば、第１の周波数帯域によって定義される周波数の範囲内である信号のすべて）を圧電アクチュエータの第１のサブセットに指向することと、第２の周波数帯域内の信号の一部（例えば、第２の周波数帯域によって定義される周波数の範囲内である信号のすべて）をアクチュエータの第２のサブセットに指向することとを含み得る。１６１０では、方法１６００は、１６１２で示されるように、例えば、膜の凹んだ領域で、膜（例えば、図３の膜３１８）を１つ以上の圧電アクチュエータで駆動することを含む。
【００３２】
圧電駆動されるラウドスピーカは、かさばり、費用がかかる磁石をラウドスピーカから取り除き、磁石駆動されるラウドスピーカに対する電力効率を増加させることができる。上述のように、膜の凹んだ領域での膜の駆動およびアクチュエータの各端部での圧電アクチュエータの把持は、圧電アクチュエータの振動が膜に沿って均等に分布されることを可能にする。上述のように膜を圧電アクチュエータで駆動することによって、上述の重量および費用節約特徴は、ラウドスピーカにおける帯域幅または他の音質パラメータを犠牲にすることなく実現され得る。
【００３３】
実施形態の説明は、図解および説明の目的で提示されている。実施形態への好適な修正および変形は、上記説明に照らして実施されてもよく、または本方法を実践することによって得られてもよい。例えば、特に言及されない限り、記載される方法のうちの１つ以上は、好適なデバイスおよび／またはデバイスの組み合わせによって実施されてもよい。記載される方法および関連動作はまた、本明細書に記載される順序に加えて様々な順序で、並行して、かつ／または同時に実施されてもよい。記載されるシステムは、本質的に例示となるものであり、追加の要素を含み、かつ／または要素を省略してもよい。本開示の主題は、様々なシステムおよび構成のすべての新規の明白ではない組み合わせおよび部分的組み合わせ、ならびに開示される他の特徴、機能、および／または特性を含む。
【００３４】
本明細書に使用されるとき、単数で列挙され、かつ用語「１つの（ａ）」または「１つの（ａｎ）」から始まる要素またはステップは、このような除外が規定されない限り、複数の前記要素またはステップを除外しないものと理解されたい。さらに、本開示の「一実施形態（ｏｎｅ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」または「一例（ｏｎｅ  ｅｘａｍｐｌｅ）」への言及は、列挙された特徴も組み込む追加の実施形態の存在を除外すると解釈されるようには意図されていない。用語「第１の（ｆｉｒｓｔ）」、「第２の（ｓｅｃｏｎｄ）」、および「第３の（ｔｈｉｒｄ）」などは、単に標識として使用され、数値要件または特定の位置順序をそれらの目的に課すようには意図されていない。以下の特許請求の範囲は、新規の明白ではないものと見なされる上記の開示から主題を具体的に指摘する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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