(57)【要約】【課題】低磁界、軽量、低歪で大出力可能なスピーカの提供。【解決手段】薄板状の電流／機械振動変換素子と、該変換素子に駆動電流を供給するための一対の導電線と、該変換素子の周縁部に固定された共鳴体と、該変換素子の中央部近傍に一端が固定されて該変換素子から実質的に垂直に延長された固定軸とを具備し、固定軸の他端を他の構造物に固定して使用するスピーカ。【選択図】        図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄板状の電流／機械振動変換素子と、該変換素子に駆動電流を供給するための一対の導電線と、該変換素子の周縁部に固定された共鳴体と、該変換素子の中央部近傍に一端が固定されて該変換素子から実質的に垂直に延長された固定軸とを具備し、固定軸の他端を他の構造物に固定して使用するスピーカ。
【請求項２】
薄板状の電流／機械振動変換素子と、該変換素子に駆動電流を供給するための一対の導電線と、該変換素子の周縁部に固定された共鳴体と、変換素子と共鳴体の質量の合計よりも質量の大きな基礎部材と、一端が該変換素子の中央部近傍に固定されて該変換素子から実質的に垂直に延長され他端が該基礎部材に固定された固定軸とを具備するスピーカ。
【請求項３】
前記基礎部材は、前記変換素子と、共鳴体とを実質的に収容する筐体であることを特徴とする請求項２に記載のスピーカ。
【請求項４】
薄板状の電流／機械振動変換素子と、該変換素子に駆動電流を供給するための一対の導電線と、該変換素子の周縁部に固定された共鳴体と、該変換素子の中央部近傍に固定された付加質量体とを具備するスピーカ。
【請求項５】
上記付加質量体は該変換素子に対して着脱可能に取り付けられていることを特徴とする請求項４に記載のスピーカ。
【請求項６】
前記変換素子は、圧電素子を含むものであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のスピーカ。
【請求項７】
前記変換素子は、中央部に圧電素子を固定した金属薄板であることを特徴とする請求項６に記載のスピーカ。
【請求項８】
前記圧電素子は、ＡＤＰ、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、Ｂａ２ＮａＮｂ３Ｏ１５、ＺｎＯ、ＣｄＳ、Ｂｉ１２ＧｅＯ２０のいずれかである単結晶圧電素子、ＢａＴｉＯ３系、ＰＺＧ−５、ＰＺＧ−Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３、ＰＺＧ−Ｉｎ（Ｌｉ３／５Ｗ２／５）Ｏ３、ＰＺＧ−Ｐｂ（Ｓｎ１／２Ｓｂ１／２）Ｏ３、（Ｐｂ，Ｎｄ）（Ｔｉ，Ｍｎ，Ｔｎ）Ｏ３、ＰＶＦ２、ＰｂＴｉＯ３系のいずれかであるセラミックス圧電素子、ＰＶＦ２またはゴム／ＰＺＴである高分子圧電素子、および、Ｚｎ／Ｏ、ＡｌＮ／Ａｌ２Ｏ３薄膜から選択されたものであることを特徴とする請求項６または７のいずれかに記載の表示窓。
【請求項９】
前記共鳴体は、軽量の発泡プラスチック材料からなることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載のスピーカ。
【請求項１０】
前記発泡プラスチック材料は、発泡ポリウレタン、発泡ポリオレフィン、発泡性ポリスチレン、発泡ポリエチレン／ポリスチレン共重合体、発泡ポリエチレンテレフタレート、発泡ポリ塩化ビニル、発泡アクリル、発泡フェノールから選択されたものであることを特徴とする請求項９に記載のスピーカ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスピーカに関し、特に、電流／変形または機械振動変換素子によって、共鳴体を駆動して発音を行うスピーカに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１は、従来技術に属する代表的なスピーカの構造を示すものである。例示したスピーカ１０は、フランジ部１１から基部１２にかけて直径が小さくなる円錐フレーム１３と、円錐フレーム１３の基部１２に固定された界磁部１４と、略円錐状で外縁部１５が円錐フレームのフランジ部１１近傍に固定され、中央部１６はフレーム１３の基部１２近傍に軸方向に自由に動けるように支持された振動板１７と、振動板１７に固定されたボイスコイル１８とから構成される。電気信号が図示しない金糸線を介して与えられると、ボイスコイルを流れる電流と磁界部が創出する磁界との作用によってボイスコイル軸方向の駆動力を受け、振動板１７とともに軸方向に振動することによって音声を発生させる。
【０００３】
図２は、同じく従来技術に属する、圧電素子を使用したスピーカの構造を示すものである。例示したスピーカ２０は、図１に示したスピーカ１０と類似の形状をしているが、ボイスコイルと界磁部が無く、代りに圧電素子からなる駆動部２１が振動板２７の中央部に取り付けられている。圧電素子の駆動部２１は、周辺部を環状部材２２で固定された円盤状の薄膜であり、図示しない金糸線で印加される駆動電流に呼応して面外に変形する。この面外変形で振動板２７を振動させることによって音声を発生させる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図１に示すスピーカの構造は既に非常に多くの設計が提案され、音質も非常に優れたものが存在する。しかし、磁界によってボイスコイルを駆動する構造から、本質的に磁界を発生させ、スピーカを弱電機器に組み込んだような場合には周囲の機器に磁界による影響を与えるという問題がある。また、界磁部の周囲を金属板等で覆うことで防磁することも可能ではあるが、界磁部やボイスコイルのために重量が大きくなるスピーカの重量が一層増大するという問題を有する。
【０００５】
図２に示す圧電素子駆動型のスピーカは、磁界を発生させず、軽量なので前記のスピーカが有する問題の多くを解決する可能性を有しているが、薄膜状の圧電素子の中央部のみで振動板を駆動する構造なので、大きな機械的付加が加わると圧電素子は高次の変形モードが発生して音が歪む傾向がある。つまり、ボイスコイルで駆動する形式に比較して、低歪の大出力を発生させることができない。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、従来技術が有する上記のような問題を解決することを目的としており、より具体的には、磁界を発生させず、軽量で、しかも、ひずみの小さい大音量の発生が可能なスピーカを提供することを目標とする。
【０００７】
この目標を達成するために本発明では、薄板状の電流／機械振動変換素子と、該変換素子に駆動電流を供給するための一対の導電線と、該変換素子の周縁部に固定された共鳴体と、該変換素子の中央部近傍に一端が固定されて該変換素子から実質的に垂直に延長された固定軸とを具備し、固定軸の他端を他の構造物に固定して使用するスピーカ（第１の構成）を提案する。
【０００８】
典型的な場合には、前記の振動変換素子は円盤状の圧電素子であり、共鳴体は軽量で自重の割に剛性が高い発泡プラスチックである。中央部を固定軸で固定された圧電素子は、駆動電流によって変形して発泡プラスチックからなる共鳴体を振動させて音声を発生させる。従来の振動板が変形によって音声を発生させるのに対して、本発明の構成では、共鳴体が理想的には剛体運動するので、音波へのエネルギー変換効率が高く、同時に低歪である。
【０００９】
本発明は又、上記の目的を達成するために、薄板状の電流／機械振動変換素子と、該変換素子に駆動電流を供給するための一対の導電線と、該変換素子の周縁部に固定された共鳴体と、変換素子と共鳴体の質量の合計よりも質量の大きな基礎部材と、一端が該変換素子の中央部近傍に固定されて該変換素子から実質的に垂直に延長され他端が該基礎部材に固定された固定軸とを具備するスピーカ（第２の構成）を提案する。
【００１０】
第２の構成を有するスピーカは、前述の第１の構成を有するスピーカと類似の構成であるが、固定軸の他端が他の構造物に固定される代りに質量の大きな基礎部材に固定されている点が異なる。圧電素子や共鳴体が極めて軽量であるのに対して、この基礎部材の重量が大きいので、音声を発生させるときには、ほぼ固定端と同様に作用する。したがって、第１の構成について述べた作用と効果は、第２の構成に関してもそのまま当てはまる。基礎部材は、圧電素子や共鳴体を収容するエンクロージャを兼ねることもできるので、第２の構成の場合にはさらに可搬性が増すことになる。
【００１１】
本発明はさらに、上記の目的を達成するために、薄板状の電流／機械振動変換素子と、該変換素子に駆動電流を供給するための一対の導電線と、該変換素子の周縁部に固定された共鳴体と、該変換素子の中央部近傍に固定された付加質量体とを具備するスピーカ（第３の構成）を提供する。
【００１２】
上記第２の構成で基礎部材に相当するものが、第３の構成では、典型的には、圧電素子に取り付けられた付加質量体であるので、一層小型化を図ることができる。付加質量体の質量が、圧電素子や共鳴体の質量に比較して大きければ、十分に共鳴体を振動させることができるので、第１、第２の構成に関して述べた作用と効果は第３の構成に対してもそのままあてはまる。さらに、第３の構成では、圧電素子と付加質量体は小型になるので、典型的には発泡プラスチックからなる共鳴体の内部に収容してしまうことができる。つまり、スピーカとしては発泡スチロールの箱状のものになり、極めて簡便に使用することができるようになる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の構成を効果を、発明の好適な実施例を参照しながら以下により詳細に述べる。
図３は、本発明の第１の実施例を示すものである。金属の薄板に圧電素子を貼付した構造からなる円盤状の振動板３０、つまり、電流／機械振動変換素子は、その中央部が固定軸３１の一端に固定されており、固定軸３１の他端は図示しない構造物に固定されている。振動板３０の周囲は、円盤状の共鳴体３２の中央に固定され、共鳴体３２の厚さは、外周部に向かって薄くなっている。
【００１４】
図示しない、駆動アンプから、同電線を通じて駆動電流が圧電素子を有する振動板３０に印加されると、振動板は電流波形に従って面外に変形する。振動板３０は、中央部が固定軸３１によって固定されているために、変形は共鳴体３２を振動させて、これが音声を発生させる。電気信号を機械的振動に変換するこのメカニズムは、振動板の周囲によって共鳴体３２を振動させる点と、軽量で比較適合性の高い材料からなる共鳴体３２は、振動板３０のみによって支持されているために、全体として剛体運動する点が異なる。このために、本発明に基づく上記構成のスピーカは変換効率が高く、同時にひずみが小さい。
【００１５】
圧電素子としては、例えば、ＡＤＰ、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、Ｂａ２ＮａＮｂ３Ｏ１５、ＺｎＯ、ＣｄＳ、Ｂｉ１２ＧｅＯ２０のいずれかである単結晶圧電素子、ＢａＴｉＯ３系、ＰＺＧ−５、ＰＺＧ−Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３、ＰＺＧ−Ｉｎ（Ｌｉ３／５Ｗ２／５）Ｏ３、ＰＺＧ−Ｐｂ（Ｓｎ１／２Ｓｂ１／２）Ｏ３、（Ｐｂ，Ｎｄ）（Ｔｉ，Ｍｎ，Ｔｎ）Ｏ３、ＰＶＦ２、ＰｂＴｉＯ３系のいずれかであるセラミックス圧電素子、ＰＶＦ２またはゴム／ＰＺＴである高分子圧電素子、および、Ｚｎ／Ｏ、ＡｌＮ／Ａｌ２Ｏ３薄膜を使用することができる。
【００１６】
また、共鳴体３２を構成する材料としては、軽量で剛性が高く、振動減衰が大きすぎないものが好ましい。共鳴体は、他の構造体に力を伝達するものではないので、侍従に対して剛性が高いことで十分であり、合成の絶対値が高いことは必ずしも必要ではない。内部減衰が大きいと変換効率が低下し、内部減衰が小さいと固有振動が強調されて音が歪む傾向があるので、忠実な音声を再生するためには内部減衰の最適値がある。共鳴体の材料として、具体的には、発泡プラスチック、特に、発泡プラスチック材料は、発泡ポリウレタン、発泡ポリオレフィン、発泡性ポリスチレン、発泡ポリエチレン／ポリスチレン共重合体、発泡ポリエチレンテレフタレート、発泡ポリ塩化ビニル、発泡アクリル、発泡フェノールが好適に使用できる。
【００１７】
図４は、本発明の第２の実施例を示す概念図である。当該実施例では、スピーカは、振動板３０および共鳴体３２に比較して格段に質量が大きな筐体４０を有しており、固定軸３１が筐体４０と振動板３０の中央部を連結している。筐体４０は、共鳴体３２の前面が解放されているが、その他の面をすべて覆っており、エンクロージャとして機能している。筐体４０の前面は、共鳴体３２の前面以外は前面板４１によってふさがれ、共鳴体３２の周囲と前面板４１の開口の縁部は空隙でも良いし、極めて合成の低い、つまり、共鳴体の特に軸方向の運動を拘束しない材料によってつながれていても良い。
【００１８】
上述の構成の場合、振動板３０は質量の大きな筐体４０から、ほぼ剛体によって拘束されるのと同様な拘束力を受ける。したがって、図３に示した実施例と同様に共鳴体が剛体的に振動する。筐体４０の作用は、基本的に振動板３０の中央部を固定することなので、必ずしもエンクロージャである必要は無く、単なる重りであっても支障はない。
【００１９】
図５は、本発明の第３の実施例を示す概念図である。圧電素子を有する振動板３０は、周囲が発泡プラスチックからなる共鳴体５０に対して固定されて、全体が共鳴体５０に収容されている。共鳴体５０は全体として箱型で、自立することができる。この実施例では、振動板３０の中央部には、付加質量体５１が取り付けられている。付加質量体５１の質量は、少なくとも振動板３０と共鳴体５０の質量の合計よりも大きい。共鳴体５０の前面で、振動板にあたる位置には開口が設けられている。本発明は、振動板３０そのものが空気を振動させるのではなく、振動板によって共鳴体５０を駆動して音声を発生させるものなので、当該開口は、本発明にとっては必須ではない。
【００２０】
振動板３０に駆動電流が印加されて振動板が変形振動すると、付加質量体５１の反力を受けて共鳴体５０が振動する。スピーカ全体が、たとえば、机上に搭載されることになるので、エンクロージャを兼ねる共鳴体５０の振動は、机面との摩擦によってある程度抵抗を受けるが、実際にはその抵抗が音質に与える影響は軽微である。
【００２１】
上記の構成の場合には、全体としてスピーカの重量を非常に小さくすることが可能である。したがって、例えば、ヘッドホン用のスピーカとして使用していた一組のスピーカを、ヘッドバンドから取り外して机上に置いて卓上スピーカとして使用するようなことも可能になる。机上に搭載した場合は、ヘッドホンとして使用した場合と比べて、距離の関係から低音が弱くなったように聞こえるので、この効果を相殺するために、前記付加質量体を着脱可能にしておき、ヘッドホンとして使用するときはこれをはずし、机上で使用する際は付加質量を取り付けるようにすることもできる。これは、例えば、振動板の両側からマグネットを接着させることによって容易に実現可能である。
【００２２】
ここで、振動板の形状は、円形、矩形、特に縦横比が黄金比である矩形等種々の形状が考えられるが、振動時に振動板を伝播する波が境界で反射して定在波を形成する形状でないことが望ましい。その観点からは、星型のような切れ込みを有する形状も好適である。
【００２３】
上述の説明は、共鳴体を駆動する振動板として圧電素子を私用することを念頭に説明したが、基本的な原理は、ボイスコイルを使用したスピーカに対しても適用することができる。この場合は、磁界の発生と重量が増加する点はやむを得ないが、振動変換素子が、固定端、基礎部材あるいは付加質量部材からの反力を受けて軽量で比較適合性の高い共鳴体を剛体運動させる点は上記の実施例と同様である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術に属するスピーカの構造を示す概念図。
【図２】従来技術に属する圧電素子を利用したスピーカの構造を示す概念図。
【図３】本発明の第１の実施例を示す概念図。
【図４】本発明の第２の実施例を示す概念図。
【図５】本発明の第３の実施例を示す概念図。
【符号の説明】
１０・・・スピーカ
１１・・・フランジ部
１２・・・基部
１３・・・円錐フレーム１３
１４・・・界磁部
１５・・・外縁部
１７・・・振動板１７
１８・・・ボイスコイル１８
３０・・・振動板
３１・・・固定軸
３２・・・共鳴体
４０・・・筐体
５０・・・共鳴体
５１・・・付加質量体
【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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