JPH0993696A - 電気音響変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧電スピーカの効率を改善し、また再生周波
数帯域を広げる。 【解決手段】 フレーム３８の中心軸上に支持棒４４を
立設固定し、その上に大径の圧電振動子２６を中央支持
で支持する。圧電振動子２６の上面に支持棒５２を支持
棒４４と同軸上に立設固定し、その上に小径の圧電振動
子２８を中央支持で支持する。圧電振動子２６の周縁部
とフレーム壁部４２との間の空間はエッジ４６で塞ぐ。
両圧電振動子２６，２８の間の空間はダンパ５４で塞
ぐ。圧電振動子２６にはその表裏面に貫通する透孔５８
を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、圧電振動子を用
いた電気音響変換器に関し、電気音響変換効率を向上し
かつ再生周波数帯域を拡大したものである。

【０００２】

【従来の技術】圧電振動子を用いた従来の電気音響変換
器を図２に示す。この電気音響変換器１０は、円形の圧
電振動子１２を具えている。圧電振動子１２は、Ｃｕ−
Ｚｎ，４２％Ｎｉ−Ｆｅ，Ａｌ等の金属あるいはプラス
チック等で構成された振動板１４の片面（または両面）
の中央部に、ＰＺＴ等の圧電セラミックス等で構成され
た圧電体１６を接着剤等で貼り合わせて構成されてい
る。圧電振動子１２は、円筒形のケース１８内に収容さ
れて、ケース１８の内周面に周辺支持によって固定され
ている。圧電振動子１２とケース底面１８ａとの間には
共鳴ボックス２０が形成され、ケース底面１８ａの中央
部には透孔２２が形成されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】圧電振動子の場合、高
次の共振が可聴帯域内に存在するので、周波数特性はい
くつもピークを持ったものとなる。このため、圧電スピ
ーカとして使用するにはピークを目立たなくすることが
重要であり、従来においては圧電振動子に大型の制振材
を取り付けて、ピークをできるだけ抑え込むことにより
これを実現していた。このため、従来の圧電スピーカは
電気音響変換効率が低い（約１％以下）ものとなってい
た。また、特に低音域（２００Ｈｚ以下）の音圧レベル
が低く、再生周波数帯域が狭かった。

【０００４】この発明は、前記従来の技術における問題
点を解決して、電気音響変換効率が高く、また再生周波
数帯域が広く、低音域の音圧レベルの増大も容易な電気
音響変換器を提供しようとするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明は、ベース部材
上に剛性を有する支持棒を立設固定し、この支持棒の軸
方向の異なる位置に、面の大きさが互いに異なりこれに
より共振周波数が互いに異なる複数の圧電振動子を音の
放射方向に向かって大型のものから順に並べて、当該各
圧電振動子の面の中央部を当該支持棒にそれぞれ直角に
固定することにより、当該各圧電振動子を前記支持棒に
同軸上に固定支持するようにしている。これによれば、
共振周波数が互いに異なる複数の圧電振動子を同軸上に
支持点を持つように配置したので、相互に共振点を補間
し合い、周波数‐音圧レベル特性を全体で平均化する作
用が得られる。また、面の大きさが異なる複数の圧電振
動子を音の放射方向に向かって小型となる順に並べたの
で、同軸上に配置したにもかかわらず、いずれの圧電振
動子も少なくとも一部の面が音の放射方向に露出し、各
圧電振動子から放射される音を効率よく外部に放射する
ことができる。したがって、従来のように共振のピーク
を大きく抑制する必要がなくなるので、効率が向上する
とともに、低域の音圧レベルが上がり再生周波数帯域を
拡大することができる。

【０００６】また、この発明によれば、前記複数の圧電
振動子のうち相互に隣接する２個の圧電振動子の間の空
間は、相対的に小型の方の圧電振動子の周縁部と相対的
に大型の方の圧電振動子の前面との間に可撓性を有し音
響抵抗が比較的大きな材料で構成された第１の閉塞部材
を連結して包囲した状態に塞ぎ、最も大型の圧電振動子
の背面側の空間は、その周縁部と前記ベース部材との間
に可撓性を有し音響抵抗が比較的大きな材料で構成され
た第２の閉塞部材を連結して包囲した状態に塞ぐように
している。これにより各圧電振動子の背面の逆位相の音
が前面に回り込んで前面から放射される音を打ち消すの
が防止される。この場合、第１の閉塞部材で包囲された
空間に面する相対的に大型の方の圧電振動子の一部にそ
の表裏面に貫通する透孔を開設することにより、相対的
に小型の方の圧電振動子の逆位相音圧をこの透孔を通し
て前記相対的に大型の方の圧電振動子の背面側の空間に
放出することができる。また、第１の閉塞部材を制振材
料で構成することにより、当該第１の閉塞部材で相互に
連結される２個の圧電振動子の余分な共振を当該第１の
閉塞部材で最適な状態に調整することができる。

【０００７】

【発明の実施の形態】この発明の実施の形態を図１に示
す。（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図で
ある。この電気音響変換器（圧電スピーカ）２４は、径
の異なる２個の円形の圧電振動子２６，２８を具えてい
る。圧電振動子２６は大径（例えば直径１００mm）のも
ので、口径や振動子の質量、剛性等を調整して、比較的
低音域を再生するように設定されている。圧電振動子２
６は、Ｃｕ−Ｚｎ，４２％Ｎｉ−Ｆｅ，Ａｌ等の金属あ
るいはプラスチック等で構成された振動板３０の片面
（または両面）の中央にＰＺＴ等の圧電セラミックス等
で構成された圧電体３２を接着剤等で貼り合わせて構成
されている。圧電振動子２８は小径（例えば直径７０m
m）のもので、比較的高音域を再生する。圧電振動子２
８もＣｕ−Ｚｎ，４２％Ｎｉ−Ｆｅ，Ａｌ等の金属ある
いはプラスチック等で構成された振動板３４の片面（ま
たは両面）の中央にＰＺＴ等の圧電セラミックス等で構
成された圧電体３６を接着剤等で貼り合わせて構成され
ている。

【０００８】電気音響変換器２４は、ベース部材として
フレーム３８を有している。フレーム３８は金属あるい
はプラスチック製で円形の緩いすりばち状に形成されて
いる。フレーム３８の中央部には、円柱状の台座４０が
形成されている。フレーム３８の周縁部には切り立った
壁部４２が一体で形成されている。台座４０上には、フ
レーム３８の中心軸Ｏに沿って、硬質プラスチック製等
の丸棒で構成された支持棒４４が接着剤で立設固定され
ている。

【０００９】壁部４２の頂部には、リング状に形成され
たエッジ４６の外周縁部が接着剤で取り付けられてい
る。エッジ４６は、可撓性を有し音響抵抗が比較的大き
な材料として、発泡ウレタン、ゴム等の材料で構成さ
れ、この材料を、リングの中心軸を通る平面で切断した
断面形状が円弧状あるいは波状等の湾曲形状に成形して
構成されている。エッジ４６で囲まれた中央開口部には
圧電振動子２６が配置され、エッジ４６の内周縁部と圧
電振動子２６の外周縁部とを接着剤で接合することによ
り、エッジ４６と圧電振動子２６は接合されている。こ
の状態でエッジ４６は第２の閉塞部材を構成し、上述し
たベース部材としてのフレーム３８と協働して、圧電振
動子２６の背面側の空間４８を外部空間５０に対し塞い
だ状態（完全に密閉した状態に限らず、エッジ４６を構
成する材料中の気泡を通して多少の空気の出入りがある
状態や、フレーム３８にその表裏面に貫通する透孔を形
成して、この透孔を通して空気の出入りがある状態を含
む（電気音響変換器２４を単体で用いる場合はフレーム
３８に透孔を形成せず背後空間４８と外部空間５０とを
分離した方がよいが、スピーカボックスに取り付けて使
用する場合はフレーム３８に透孔を形成して、フレーム
３８に支持機能のみ持たせるようにしてもよい。）。）
に保持している。支持棒４４の頂部には、圧電振動子２
６の背面中央部が接着剤で固定されている。

【００１０】圧電振動子２６の上面の中央部には、支持
棒４４と同軸上に支持棒５２が接着剤で固定されてい
る。支持棒５２の頂部には、圧電振動子２８の背面中央
部が接着剤で固定されている。圧電振動子２６の上面に
は、圧電体３６よりも外側の振動板３４の部分に、支持
棒５２の位置を中心軸とする円筒状のダンパ５４が接着
剤で固定されている。ダンパ５４は可撓性を有し音響抵
抗が比較的大きな制振材料として、スポンジ（発泡ウレ
タン等）等で構成されている。ダンパ５４の頂部付近の
内周面には、圧電振動子２８の周縁部が接着剤で固定さ
れている。この状態でダンパ５４は第１の閉塞部材を構
成し、圧電振動子２８の背面側の空間５６を外部空間５
０に対し塞いだ状態（完全に密封した状態に限らず、ダ
ンパ５４を構成する材料中の気泡を通して多少の空気の
出入りがある状態を含む。）に保持している。圧電振動
子２６の振動板３０の部分であって、ダンパ５４によっ
て囲まれた空間５６に面する部分には、その表裏面に貫
通する複数の透孔５８が、中心軸Ｏの周りに等間隔で形
成されている。この透孔５８は、圧電振動子２８の逆位
相音圧を圧電振動子２６の背面側の空間４８に放出する
働きをする。

【００１１】以上の構成によれば、２個の圧電振動子２
６，２８は、支持棒４４，５２によって、同軸上に中央
支持で支持される。この状態で各圧電振動子２６，２８
から出ているリード線（各振動子の一部に穴をあけ背面
側へ引き出すと共に、振動子貫通部分は接着材で充填固
定される）を共通の音源に同一極性で接続して、両圧電
振動子２６，２８を並列駆動すると、各圧電振動子２
６，２８はその中央部が振動の節部となり、周縁部が上
下方向に撓んで振動し、音を前方（矢印Ｂ方向）に放射
する。各圧電振動子２６，２８の駆動形式は、同一アン
プによる並列駆動でも良いし、帯域別アンプによる駆動
でも良い。大径の圧電振動子２６は比較的低音域を再生
し、小径の圧電振動子２８は比較的高音域を再生する。
この場合、圧電振動子２６，２８は同軸上に重なって配
置されているが、音の放射方向Ｂに向かって大径の圧電
振動子２６から小径の圧電振動子２８へと順に配置され
ているので、いずれの圧電振動子２６，２８も少なくと
も一部の面が音の放射方向に露出し、各圧電振動子２
６，２８から放射される音を効率よく外部に放出するこ
とができる。大径の圧電振動子２６上の小径の圧電振動
子２８は、ダンパ５４が完全なる振動吸収体ではないの
で結果的に大径の圧電振動子２６からの低域振動を受け
て少なからず振動するので、全体としてみれば大径の圧
電振動子２６の担う低音域の音も充分な効率で放射でき
るのである。

【００１２】両圧電振動子２６が駆動されているとき、
エッジ４６は、圧電振動子２６の周縁部の上下方向の振
動を許容しつつ、圧電振動子２６の背面側の空間４８を
外部空間５０に対して塞いで、圧電振動子２６の背面側
の逆位相音圧が前面側に回り込むのを阻止する。また、
ダンパ５４は、圧電振動子２８の周縁部の上下方向の振
動を許容しつつ、圧電振動子２８の背面側の空間５６を
外部空間５０に対して塞いで、圧電振動子２８の背面側
の逆位相音圧が前面側に回り込むのを阻止する。圧電振
動子２８の背面側の逆位相音圧は、圧電振動子２６に形
成された透孔５８を通して圧電振動子２６の背面側の空
間４８に放出される。また、ダンパ５４は、両圧電振動
子２６，２８に作用して、共振点のピークを適度に抑え
て、極端な不要振動を抑制して聴感上の音質を改善する
働きをする。すなわち、このダンパ５４は、共振点のピ
ークを完全に抑制するためのものではなく、音質との関
係で適切なダンプを行なうためのものである。

【００１３】２個の圧電振動子２６，２８は径が異なる
ため共振周波数が互いに異なっている。圧電振動子２
６，２８の直径をそれぞれ１００mm、７０mmとし、振動
板３０，３４を４２％Ｎｉ−Ｆｅで構成し、圧電体３
２，３６をＰＺＴで構成した時の各圧電振動子２６，２
８の周波数‐インピーダンス特性を図３に示す。これに
よれば、共振周波数が互いに異なっているため、相互に
共振点を補間し合い、共振点の間隔が短くなる。このた
め、両圧電振動子２６，２８を共通の音源で同時駆動す
ることにより、共振点ピークを目立たなくすることがで
きる。したがって、ダンパ５４による共振点ピークの抑
制量は少な目ですみ、電気音響変換効率を数％〜十数％
に改善することができる。

【００１４】上記の設計の下での図１の電気音響変換器
２４の周波数‐電気音響変換効率特性を図４に太線で示
す。縦軸の効率を見ると従来のダイナミックスピーカは
全帯域で０．１３％以下であるのに対し、図１の電気音
響変換器２４は平均して０．２％以上６．０％以下とな
っているのが判る。図４中細線は直径１００mmのダイナ
ミックスピーカの効率を示したものである。また、同電
気音響変換器２４の音圧‐周波数特性を図５に太線で示
す。図５中細線は従来の圧電スピーカの音圧‐周波数特
性を示したものである。尚、図４、図５とも、ＪＩＳ標
準箱を使用して、無響室で１Ｖ入力、１ｍ点で測定した
結果を示す。図５によれば、この発明による電気音響変
換器２４は、従来の圧電スピーカに比べて全体的に音圧
レベルが高く、かつ再生周波数帯域が広く、特に低域側
に伸びて、従来の圧電スピーカでは不可能であった２０
０Ｈｚ以下も再生可能になっている。低域側での音圧レ
ベルの向上は、振動子の帯域毎の専用化に伴い実現可能
となった、低域振動子の大口径化と最低共振周波数を低
下させたことによるものである。

【００１５】尚、前記実施の形態では支持棒４４，５２
を別々に構成したが、１本の連続した棒で形成して、圧
電振動子２６の中心部に表裏面に貫通する透孔を形成し
て、そこに支持棒を差し込んで、支持棒の途中の位置に
圧電振動子２６を接着剤等で固定し、支持棒の頂部に圧
電振動子２８を接着剤等で固定することもできる。ま
た、前記実施の形態では、２個の圧電振動子を配置する
場合について説明したが、３個以上の圧電振動子を配置
することもできる。その場合も、音の放射方向に向か
い、大径のものから小径のものへと順に並べて配置す
る。また、各圧電振動子相互間にダンパ（第１の閉塞部
材、制振材料）を配置する。また、最も前方に配置され
る圧電振動子以外には透孔を形成して、各圧電振動子の
逆位相音圧をこの透孔を通して透孔の背後側の空間に放
出する。

【００１６】また、前記実施例では圧電振動子を円形に
構成したが、これに限らず、楕円形、四角形等に構成す
ることもできる。その場合も、音の放射方向に向かい大
径（大型）のものから小径（小型）のものへと順に並べ
て配置する。また、各圧電振動子を相似形状とするのが
望ましい。

【００１７】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、効率がよく、再生周波数帯域が広い圧電スピーカを
構成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態を示す平面図およびそ
のＡ−Ａ断面図である。

【図２】 圧電振動子を用いた従来の電気音響変換器を
示す平面図およびそのＡ−Ａ断面図である。

【図３】 図１の圧電振動子２６，２８の周波数‐イン
ピーダンス特性図である。

【図４】 図１の電気音響変換器２４の周波数‐電気音
響変換効率特性図である。

【図５】 図１の電気音響変換器２４の周波数‐音圧特
性図である。

【符号の説明】

２４ 電気音響変換器 ２６ 圧電振動子（大型） ２８ 圧電振動子（小型） ３８ フレーム（ベース部材） ４４，５２ 支持棒 ４６ エッジ（第２の閉塞部材） ４８ 空間（最も大型の圧電振動子の背面側の空間、相
対的に大型の方の圧電振動子の背面側の空間） ５４ ダンパ（第１の閉塞部材） ５６ 空間（２個の圧電振動子の間の空間） ５８ 透孔

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ベース部材上に剛性を有する支持棒を立設
   固定し、 この支持棒の軸方向の異なる位置に、面の大きさが互い
   に異なりこれにより共振周波数が互いに異なる複数の圧
   電振動子を音の放射方向に向かって大型のものから順に
   並べて、当該各圧電振動子の面の中央部を当該支持棒に
   それぞれ直角に固定することにより、当該各圧電振動子
   を前記支持棒に同軸上に固定支持し、 前記複数の圧電振動子のうち相互に隣接する２個の圧電
   振動子の間の空間は、相対的に小型の方の圧電振動子の
   周縁部と相対的に大型の方の圧電振動子の前面との間に
   可撓性を有し音響抵抗が比較的大きな材料で構成された
   第１の閉塞部材を連結して包囲した状態に塞ぎ、 最も大型の圧電振動子の背面側の空間は、その周縁部と
   前記ベース部材との間に可撓性を有し音響抵抗が比較的
   大きな材料で構成された第２の閉塞部材を連結して包囲
   した状態に塞いでなる電気音響変換器。
2. 【請求項２】前記第１の閉塞部材で包囲された空間に面
   する相対的に大型の方の圧電振動子の一部にその表裏面
   に貫通する透孔を開設することにより、相対的に小型の
   方の圧電振動子の逆位相音圧をこの透孔を通して前記相
   対的に大型の方の圧電振動子の背面側の空間に放出して
   なる請求項１記載の電気音響変換器。
3. 【請求項３】前記第１の閉塞部材が制振材料で構成さ
   れ、当該第１の閉塞部材で相互に連結される２個の圧電
   振動子の余分な共振を当該第１の閉塞部材で調整してな
   る請求項１または２記載の電気音響変換器。