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JP6909622B2 - スピーカ及び画像表示装置 - Google Patents
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JP6909622B2 - スピーカ及び画像表示装置 - Google Patents

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Description

本発明は圧電素子などにより振動される振動板を備えるスピーカ及び画像表示装置に関する。
電気信号が入力されて振動する圧電素子と、圧電素子の伸縮により振動させられて音を発生する振動板と、を備える圧電スピーカが知られている。特許文献1には、振動板によって内部空間が前気室と後気室とに区画されたケースと、ケースの前気室と外部とを連通する放音孔と、上記ケースの後気室と外部とを連通する開放孔と、を備えた圧電スピーカが記載されている。また、特許文献2には、振動板によって閉塞される開放面を有する両面開放筒形状のケース体を備え、このケース体の筒壁部に放音孔が形成された圧電スピーカが記載されている。特許文献3には、圧電素子と、振動板と、圧電素子と振動板を連結するスペーサと、を有する振動伝達構造を複数備える圧電スピーカが記載されている。
特開2008−199266号公報 特開平6−138882号公報 国際公開第2017/029768号
圧電スピーカは、従来の電磁スピーカと比べて、薄型、小型化がし易い。このため、圧電スピーカを薄型TVやタブレットPCなどの音響・映像機器に適用する取り組みがなされている。圧電スピーカを音響・映像機器に適用するためには、圧電スピーカを、広帯域で高い音圧が出力できるようにする必要がある。
特許文献1および特許文献2に記載された圧電スピーカは、ある特定の周波数において高い音圧が出力されることを必要とする警報ブザーなどのアプリケーションへの適用を想定したものである。つまり、特許文献1および特許文献2に記載された圧電スピーカでは、振動板を覆うケースの内部空間において、ある特定の周波数を共鳴させることで、当該周波数において高い音圧が出力されるようにしている。このため、特許文献1および特許文献2に記載された圧電スピーカでは、広帯域で高い音圧を出力することはできない。
特許文献3に記載の圧電スピーカは、広帯域で高い音圧を出力することができる。しかしながら、発明者らによる鋭意研究により、特許文献3に記載の圧電スピーカでは、広帯域での音圧レベルの凹凸が発生する場合があることが分かった。ここで、広帯域での音圧レベルの凹凸とは、広帯域において、音圧レベルが平坦にならず、音圧レベルが相対的に小さくなる周波数と相対的に大きくなる周波数が生じることをいう。
本発明は、以上の背景に鑑みなされたものであり、広帯域での音圧レベルの凹凸の発生を良好に抑えることができる圧電スピーカを提供する。
本発明の一態様にかかるスピーカは、主面が矩形状である複数の振動板と、箱状で、前記振動板の主面の一方の面を覆い、前記振動板の主面の一方の面との間に空気室が形成されるように配置されたカバーと、を備え、前記カバーは、前記振動板の主面と垂直な面のいずれかに開口部が形成されているものである。上記のスピーカにおいて、複数の圧電素子をさらに備え、前記複数の振動板は、前記複数の圧電素子の伸縮によってそれぞれ振動させられていてもよい。上記のスピーカにおいて、前記複数の振動板は、主面の長辺の長さがそれぞれ異なっていてもよい。
上記のスピーカにおいて、前記複数の振動板は、主面が同一の平面にあり、かつ、主面の長辺が一列に並んで配置されていてもよい。
上記のスピーカにおいて、前記カバーにおいて、前記開口部は、前記振動板における主面の短辺に垂直な面に形成されていてもよい。
上記のスピーカにおいて、前記複数の振動板が一列に並ぶ方向における前記開口部の幅は、前記複数の振動板における長辺の長さの総和以上であってもよい。
本発明の一態様にかかる画像表示装置は、筐体の一面に画像表示部が設けられ、上記のスピーカが、前記開口部の長手方向が前記筐体における外縁に沿うように、かつ、前記開口部が前記筐体における前記画像表示部が設けられた面側に位置するように配置されているものである。
本発明によれば、広帯域での音圧レベルの凹凸の発生を良好に抑えることができる圧電スピーカを提供することができる。
本実施の形態にかかる圧電スピーカの構成を模式的に示す斜視図である。 図1のII−II線に沿う断面図である。 本実施の形態にかかる圧電スピーカの内部構成を模式的に示す分解斜視図である。 圧電素子に電気信号を与えて伸縮させたときの2つの振動板の動きの例(撓み方向が同じ場合)について説明する模式図である。 圧電素子に電気信号を与えて伸縮させたときの2つの振動板の動きの例(撓み方向が反対の場合)について説明する模式図である。 音圧周波数特性の測定結果を示すグラフである。 本実施の形態にかかる圧電スピーカを実装した画像表示装置の外観を模式的に示す斜視図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。本実施の形態にかかる圧電スピーカは、薄型TV、ノートPC(パーソナルコンピュータ)、タブレットPC、携帯電話機、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイなどの画像表示装置や、携帯音楽プレーヤー、カーオーディオなどのオーディオ装置といった、音響・映像機器に好適である。
まず、図1、図2および図3を参照して本実施の形態にかかる圧電スピーカ100の概略構成について説明する。図1は、圧電スピーカ100の構成を模式的に示す斜視図である。図2は、図1のII−II線に沿う断面図である。図3は、圧電スピーカ100の内部構成を模式的に示す分解斜視図である。なお、以下の説明では、説明の明確化のため、図1、図2および図3に示す、X軸、Y軸、Z軸を有する3次元直交座標を用いて説明を行う。
図1、図2に示すように、圧電スピーカ100は、複数の圧電ユニット(第1圧電ユニット20aおよび第2圧電ユニット20b)と、第1圧電ユニット20aおよび第2圧電ユニット20bを収容するケース10と、を備えている。第1圧電ユニット20aと第2圧電ユニット20bは、基本的な構造は同じである。第1圧電ユニット20aは、圧電素子1aと、振動板3aと、圧電素子1aと振動板3aを連結するスペーサ5と、を備えている。同様に、第2圧電ユニット20bは、圧電素子1bと、振動板3bと、圧電素子1bと振動板3bを連結するスペーサ5と、を備えている。
圧電素子1a,1bは、電気エネルギーを機械エネルギーに変換するアクチュエータである。圧電素子1a,1bは、例えば、圧電バイモルフである。圧電素子1a,1bとして、圧電バイモルフ以外のもの、例えば、圧電ユニモルフを用いることも可能である。圧電素子1a,1bは、主面が矩形状の平板である。図1、図3に示すように、圧電素子1a,1bは、厚さ方向がZ方向、主面がXY平面となっている。また、圧電素子1a,1bにおける、主面の長辺の方向(長手方向)がX方向、主面の短辺の方向(短手方向)がY方向となっている。なお、以下の説明では、主面のZ方向プラス側の面を前面、主面のZ方向マイナス側の面を背面という。
圧電素子1aと圧電素子1bとは、主面の長辺の長さが異なる。例えば、圧電素子1aのサイズ(主面の長辺×主面の短辺×厚さ)は16mm×6mm×1.1mm、圧電素子1bのサイズ(主面の長辺×主面の短辺×厚さ)は12mm×6mm×1.1mmである。
圧電素子1a,1bは、それぞれ、X方向の両端においてフレーム12に支持されている。つまり、圧電素子1a,1bは、それぞれ、X方向の両端が、例えば、両面テープ等によってフレーム12に貼り付けられている。圧電素子1a,1bは、両端以外はフリーとなっている。また、圧電素子1a,1bは、それぞれ、電気信号を供給するためのFPC(Flexible Printed Circuits)8(図3参照)と接続されている。
振動板3a,3bは、圧電素子の伸縮により振動させられて音を発生するためのものである。振動板3a,3bは、主面が矩形状のシム板である。振動板3a,3bは、主面の一方(背面)が、それぞれ、圧電素子1a,1bの前面に対向するように配置されている。すなわち、振動板3a,3bは、厚さ方向がZ方向、主面がXY平面となっている。振動板3aと振動板3bは、主面が同一平面にある。また、振動板3a,3bにおける、主面の長辺の方向(長手方向)がX方向、主面の短辺の方向(短手方向)がY方向となっている。振動板3aと振動板3bは、主面の長辺が一列に並んで配置されている。振動板3a,3bは、例えば、SUS(ステンレス鋼)などの金属によって形成されている。
第1圧電ユニット20aに用いられている振動板3aと、第2圧電ユニット20bに用いられている振動板3bとは、長手方向(X方向)の幅が異なる。例えば、振動板3aのサイズ(主面の長辺×主面の短辺×厚さ)は16mm×6mm×1.1mm、振動板3bのサイズ(主面の長辺×主面の短辺×厚さ)は12mm×6mm×1.1mmである。
振動板3a,3bのX方向の両端は、それぞれ、弾性体24を介してフレーム12に固定されている。弾性体24は、振動板3a,3bのX方向の両端をフレーム12に固定する固定材として機能する。弾性体24は、例えば、弾性を有する両面テープである。弾性体24は、矩形枠状に形成されている(図3参照)。すなわち、弾性体24は、中央部に矩形状の開口部分24aが設けられている。弾性体24は、振動板3a,3bの背面の周縁部分と対向するように配置されている。弾性体24は、振動板3a,3bの外側にはみ出さないように形成されている。
圧電素子1aと振動板3aは、スペーサ5を介して連結されている。すなわち、スペーサ5の一端が振動板3aの背面に取り付けられ、他端が圧電素子1aの前面に取り付けられる。これにより、振動板3aと圧電素子1aとがZ方向に間隔を開けて対向配置される。スペーサ5は、圧電素子1aと振動板3aとの間で振動を伝達する。同様に、圧電素子1bと振動板3bは、スペーサ5を介して連結されている。すなわち、スペーサ5の一端が振動板3bの背面に取り付けられ、他端が圧電素子1bの前面に取り付けられる。これにより、振動板3bと圧電素子1bとがZ方向に間隔を開けて対向配置される。スペーサ5は、圧電素子1bと振動板3bとの間で振動を伝達する。スペーサ5は、板状の部材である。スペーサ5は、材質として、例えば、テフロン(登録商標)などの樹脂を用いることができる。
なお、図2では、圧電素子1aと振動板3aとの連結、および、圧電素子1bと振動板3bとの連結に、それぞれ2つのスペーサ5が設けられているが、これらの連結に使用されるスペーサ5の数は特に限定されるものではない。また、スペーサ5は、圧電素子1aと振動板3aとの間、および、圧電素子1bと振動板3bとの間で振動を伝達することができるものであれば、その形状、材質は特に限定されるものでない。
図1、図2に示すように、ケース10は、下部筐体11と、フレーム12と、カバー13と、を備えている。フレーム12は、上述したように、圧電素子1a,1bの前面のX方向両端、および、振動板3a,3bの背面のX方向両端を固定するためのものである。下部筐体11は、箱形状を有しており、圧電素子1a,1bの背面を覆うようにフレーム12に取り付けられている。カバー13は、箱状で、振動板3aおよび振動板3bの主面の一方の面(前面)を覆うようにフレーム12に取り付けられている。カバー13の内側と、振動板3aの前面および振動板3bの前面と、の間には、空気室30(図2参照)が形成されている。カバー13における、振動板3aおよび振動板3bの主面と垂直な面のいずれかには、開口部13aが形成されている。図1では、開口部13aは、カバー13における、振動板3aおよび振動板3bの主面と垂直で、かつ、振動板3aおよび振動板3bにおける主面の短辺に垂直な面に形成されている。すなわち、カバー13におけるY方向のマイナス側の面に開口部13aが形成されている。
フレーム12は、例えば、厚さが1mm程度の剛体とすることが好ましい。フレーム12は、例えば、SUSによって形成されている。下部筐体11およびカバー13には、例えば、アルミニウムなどの金属材料を用いてもよく、アクリルなどの樹脂材料を用いてもよい。
次に、図2に示す第1圧電ユニット20a,第2圧電ユニット20bにおいて、圧電素子1a,1bに電気信号を与えて伸縮させたときの振動板3a,3bの動きについて説明する。
図4および図5は、圧電素子1a,1bに電気信号を与えて伸縮させたときの振動板3a,3bの動きの例について説明する模式図である。ここで、圧電素子1aおよび振動板3aのサイズは16mm×6mm×1.1mm、圧電素子1bおよび振動板3bのサイズは12mm×6mm×1.1mmとする。
図4は、音圧が3kHzのときの振動板3a,3bの動きを示す。図4に示すように、振動板3aと振動板3bとの撓み方向が同じになる。すなわち、振動板3aがZ方向のプラス側に撓んだとき、振動板3bはZ方向のプラス側に撓む。同様に、振動板3aがZ方向のマイナス側に撓んだとき、振動板3bはZ方向のマイナス側に撓む。空気室30内の空気は開口部13aから排出されるときに音圧に変換される。図4に示す場合には、振動板3aの撓み運動による空気の動きと、振動板3bの撓み運動による空気の動きと、は同期しているので、開口部13aから排出される空気の量が増えて音圧レベルは相対的に大きくなる。
図5は、音圧が6kHzのときの振動板3a,3bの動きを示す。図5に示すように、振動板3aと振動板3bとの撓み方向が反対になる。すなわち、振動板3aがZ方向のマイナス側に撓んだとき、振動板3bはZ方向のプラス側に撓む。同様に、振動板3aがZ方向のプラス側に撓んだとき、振動板3bはZ方向のマイナス側に撓む。
図5に示す場合、振動板3aの撓み方向と振動板3bの撓み方向とは相反しているので、仮に、カバー13を設けないとすると、振動板3aの撓み運動による空気の動きと、振動板3bの撓み運動による空気の動きと、が互いにキャンセルされる。このため、音圧レベルは相対的に小さくなる。
また、図5に示す場合に、仮に、カバー13を設け、かつ、振動板3aの長辺の長さと振動板3bの長辺の長さを同じにしたとする。空気室30内において、振動板3aがZ方向のプラス側に撓むことによる空気室30の体積の増加分と、振動板3bがZ方向のマイナス側に撓むことによる空気室30の体積の減少分と、が等しくなる。同様に、振動板3aがZ方向のマイナス側に撓むことによる空気室30の体積の減少分と、振動板3bがZ方向のプラス側に撓むことによる空気室30の体積の増加分と、が等しくなる。このため、空気室30内では、振動板3aの撓み運動による空気の動きと、振動板3bの撓み運動による空気の動きと、が互いにキャンセルされる。よって、空気室30内において空気の流れがほとんど発生せず、開口部13aから空気がほとんど排出されないので、音圧レベルは相対的に小さくなるとも考えられる。しかし、空気室30内において振動板3a、3b間に対する外側の領域ではこのようなキャンセルが軽減され、開口部13aにおける長辺方向両端部の少なくともいずれかより空気の排出が起こり得る。さらに、振動板3aと振動板3bにおいて完全に音圧がキャンセルされるモードは限りなく少ない為、完全にキャンセルされないモードも多い。
これに対し、本実施の形態にかかる圧電スピーカ100では、カバー13により、振動板3a,3bとの間に空気室30が形成されるようにし、かつ、振動板3aの長辺の長さと振動板3bの長辺の長さが異なるようにしている。振動板3aの長辺の長さと振動板3bの長辺の長さが異なると、図5に示す場合に、空気室30内において、振動板3aがプラス側に撓むことによる空気室30の体積の増加分と、振動板3bがマイナス側に撓むことによる空気室30の体積の減少分と、では差が生じる。同様に、空気室30内において、振動板3aがマイナス側に撓むことによる空気室30の体積の減少分と、振動板3bがプラス側に撓むことによる空気室30の体積の増加分と、では差が生じる。つまり、一方の振動板がZ方向のマイナス側に撓むことにより空気室30内に吸い込まれる空気の量と、他方の振動板がプラス側に撓むことにより空気室30内から吐き出される空気の量と、がバランスしない。このため、空気室30内において空気の流れが発生する。この空気の流れにより、開口部13aからの空気の排出が促進されるので、音圧レベルは図5に示す場合よりも相対的に高くなる。
カバー13(図1参照)において、複数の振動板が一列に並ぶ方向における開口部13a(開口部13aのX方向の幅)は、複数の振動板における長辺の長さの総和以上にするのが好ましい。すなわち、開口部13aのX方向の幅は、振動板3aの主面の長辺の長さと振動板3bの主面の長辺の長さの和以上(ここでは、16mm+12mm=28mm以上)にするのが好ましい。このようにすると、2つの振動板の撓み方向が反対になる場合に、空気室30内には空気の流れが効率的に促進されるようにすることができる。なお、本実施の形態にかかる圧電スピーカ100では、カバー13における、振動板3aおよび振動板3bの主面と垂直な面のいずれかに開口部13aを形成している。これに対し、カバー13における、振動板3aおよび振動板3bの主面と垂直な複数の面に開口部を形成した場合には、空気室30から空気を排出する方向が分散されてしまうので好ましくない。
開口部13aのZ方向の幅を狭くしすぎると開口部13aにおいて空気抵抗が大きくなるので、空気室30内に空気が吸い込まれ難くなり、空気室30内における空気の流れが促進されない。開口部13aのZ方向の幅を広くしすぎるとカバー13を設けない場合と同じになり、やはり空気室30内における空気の流れが促進されない。このため、開口部13aのZ方向の幅は0.2mm以上1mm以下にするのが好ましい。
以上より、本実施の形態にかかる圧電スピーカ100では、圧電素子と振動板を有する複数の圧電ユニット(第1圧電ユニット20a、第2圧電ユニット20b)を備え、第1圧電ユニット20aにおける振動板3aと第2圧電ユニット20bにおける振動板3bの長辺の長さを異なるものにする。さらに、これらの振動板を覆うカバー13を設けて振動板3a,3bとの間に空気室30が形成されるようにし、かつ、カバー13には、振動板3aおよび振動板3bの主面と平行な方向に開口する開口部13aを設ける。このように構成すると、2つの振動板を、それらの撓み方向が反対になる周波数で振動させている場合にも、空気室30内に空気の流れが生じて開口部13aからの空気の排出が促進されるので、音圧レベルは相対的に高くなる。これにより、広帯域での音圧レベルの凹凸の発生を良好に抑えることができる。
以下、本実施の形態における効果を比較例と対比して説明する。
図6は、音圧周波数特性の測定結果を示すグラフである。図6において、Aが実施例での音圧周波数特性を示し、Bが比較例での音圧周波数特性を示している。ここで、実施例にかかる圧電スピーカは、図1から図3を用いて構造を説明した圧電スピーカ100である。比較例にかかる圧電スピーカは、圧電スピーカ100からカバー13を取り外したものである。
また、実施例、比較例において、圧電素子1aのサイズ(主面の長辺×主面の短辺×厚さ)は16mm×6mm×1.1mm、圧電素子1bのサイズ(主面の長辺×主面の短辺×厚さ)は12mm×6mm×1.1mmである。振動板3aのサイズ(主面の長辺×主面の短辺×厚さ)は16mm×6mm×1.1mm、振動板3bのサイズ(主面の長辺×主面の短辺×厚さ)は12mm×6mm×1.1mmである。開口部13aのX方向の幅は、振動板3aの主面の長辺の長さと振動板3bの主面の長辺の長さの和(28mm)にしている。また、開口部13aのZ方向の幅は0.5mmである。
図6に示すように、周波数が3kHzから20kHzまでの範囲において、比較例では、グラフに凹凸が見られ、音圧が70dbmを下回る箇所が数箇所存在しているが、実施例では、グラフはほぼ平坦で、全ての箇所で70dBm以上である。以上より、本実施の形態にかかる圧電スピーカ100に拠れば、広帯域での音圧レベルの凹凸の発生を良好に抑えることができることを確認できた。
図7は、本実施の形態にかかる圧電スピーカ100を実装した薄型TVなどの画像表示装置110の外観を模式的に示す斜視図である。図7に示すように、画像表示装置110は、筐体112の一面に画像表示部111が設けられている。圧電スピーカ100は、開口部13aの長手方向が筐体112における外縁に沿うように、かつ、開口部13aが筐体112における画像表示部111が設けられた面側に位置するように配置されている。圧電スピーカ100の形状は(図1参照)、振動板3a、振動板3bにおける、主面の長辺の方向(長手方向)の長さが長く、主面の短辺の方向(短手方向)の長さが短い。このため、薄型TVなど、厚みの薄い画像表示装置110への実装に最適である。また、音を発する開口部13aが、筐体112における画像表示部111が設けられた面側にあるので、画像表示部111を視聴しているユーザに開口部13aから発せられた音が直接届くようにすることができる。
以上、本発明を上記実施の形態および実施例に即して説明したが、上記実施の形態および実施例の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。他例えば、上記実施の形態では圧電ユニットを2つとしたが、これに限るものではなく、3以上にしてもよい。
上記実施の形態では、複数の振動板(振動板3a、振動板3b)を、それぞれの主面が同一平面にあり主面の長辺が一列になるように並べ、かつ、これらの振動板の長辺の方向がカバー13における開口部13aの長手方向に一致するようにしている。このように構成すると、圧電スピーカを、長手方向にのみ長く、短手方向には短くすることができるので、上述した画像表示装置に実装する場合にスペース効率が良い。しかしながら、複数の振動板の配置方法は、必ずしもこれに限るものではない。
上記実施の形態では、複数の圧電ユニットにおいて、圧電素子と振動板をスペーサにより連結したがこれに限るものではない。例えば、圧電素子と振動板を、両面テープやシリコーン樹脂系、エポキシ樹脂系などの接着剤によって連結してもよい。
上記実施の形態では、スピーカは、振動板を圧電素子によって振動させる圧電スピーカであるが、これに限るものではない。本発明のスピーカは、圧電素子以外の振動発生体で振動板を振動させるタイプのものであってもよい。
1a,1b 圧電素子
3a,3b 振動板
5 スペーサ
10 ケース
11 下部筐体
12 フレーム
13 カバー
13a 開口部
20a 第1圧電ユニット
20b 第2圧電ユニット
24 弾性体
24a 開口部分
30 空気室
100 圧電スピーカ
110 画像表示装置
111 画像表示部
112 筐体

Claims (6)

  1. 主面が矩形状である複数の振動板と、
    箱状で、前記振動板の主面の一方の面を覆い、前記振動板の主面の一方の面との間に空気室が形成されるように配置されたカバーと、
    複数の圧電素子と、を備え、
    前記カバーは、前記振動板の主面と垂直な面のいずれかに開口部が形成されており、
    前記複数の振動板は、前記複数の圧電素子の伸縮によってそれぞれ振動させられ、
    前記複数の振動板は、主面の長辺の長さがそれぞれ異なる、スピーカ。
  2. 前記複数の振動板は、主面が同一の平面にある、請求項1に記載のスピーカ。
  3. 前記複数の振動板は、主面の長辺が一列に並んで配置されている、請求項1又は2に記載のスピーカ。
  4. 前記カバーにおいて、前記開口部は、前記振動板における主面の短辺に垂直な面に形成されている、請求項1〜のいずれか1項に記載のスピーカ。
  5. 前記複数の振動板が一列に並ぶ方向における前記開口部の幅は、前記複数の振動板における長辺の長さの総和以上である、請求項またはに記載のスピーカ。
  6. 筐体の一面に画像表示部が設けられ、
    請求項またはに記載のスピーカが、前記開口部の長手方向が前記筐体における外縁に沿うように、かつ、前記開口部が前記筐体における前記画像表示部が設けられた面側に位置するように配置されている、画像表示装置。
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