JP4611167B2 - 平面スピーカ装置 - Google Patents

Description

本発明は，平面状の振動パネルに音の電気信号により生成された振動を伝えて音を出力する平面スピーカ装置に関し，特に，少ないエネルギーでより大きな音を出力できる平面スピーカ装置に関する。

一般的に普及しているスピーカは，ホーン型やコーン型であり，いずれも音の電気信号を機械的振動に変換し，ホーンやコーンを振動させ空気にその振動を伝えることで音を出力する。これらの従来のスピーカでは，大きな音を出力するためには，大振幅の電気信号が必要であり，そのためには高い駆動能力を有するパワーアンプが必要になる。また，大きな音を出力するためには，ホーンやコーン自体のサイズも大きくする必要があり，スピーカの大型化を避けて通ることができない。

一方，ダイナミックスピーカ等の従来型のスピーカと異なり，平面状の振動板（パネル）に振動を与えるだけで大音響を出力できる平面スピーカが知られている。たとえば，以下の特許文献１〜６に示される通りである。この平面スピーカは，本発明者の一人である寺垣氏により研究開発されたものであるが，比較的小さいパワーの電気信号であっても大きな音を出力することできる。その動作原理は必ずしも明確には解明されていないが，音の電気信号から変換した機械的振動を平面状の振動板に伝えることで，振動板に波動が伝搬するものと推定され，自然界に存在する虫の音色のように指向性が低く遠くまで聞こえる音を出力することができる。例えば，秋の夜に聞こえる鈴虫の音色などは，鈴虫のもつエネルギーを考慮すれば非常に遠くまで音を伝えることができるといえるが，平面スピーカはそれと同様の大きな音を少ないエネルギーで生成することができる。
特開昭６３−２５４８９４号公報 特開昭６３−２５４８９７号公報 特開平１−２９０９７号公報 特開平１０−２４３４９１号公報 特開２０００−３６９９７号公報 特開２００２−２７５８８号公報

少ないエネルギーで大きな音を出力できる平面スピーカは，通常の屋内での利用に加えて，屋外での警報器など様々な利用が考えられ，その場合に電源の問題からエネルギー効率をより高くした平面スピーカが求められている。

そこで，本発明の目的は，少ないエネルギーでより大きな音を出力できるスピーカ装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために，本発明の第１の側面によれば，平面状の振動パネルを利用したスピーカ装置において，
音の電気信号が供給され当該電気信号を第１の方向の機械的振動に変換する駆動手段と，
全体が所定角度に湾曲された振動パネルとを有し，
前記振動パネルの少なくとも一辺において，前記機械的振動が当該一辺から前記第１の方向に沿った面方向に伝達されるように前記駆動手段が設けられていることを特徴とする。

上記発明の第１の側面において，好ましい実施の形態では，前記振動パネルは，入射光を電気エネルギーに変換する光電変換構造を有するパネルであり，当該振動パネルにより変換された電気エネルギーを供給され，前記駆動手段に供給される音の電気信号を生成する電気信号生成ユニットを有する。

上記本発明の第１の側面によれば，振動パネルを湾曲した状態に保ち，振動パネルの少なくとも一辺からその面方向に沿って機械的振動を与える駆動手段を取り付けたことで，振動パネルから生成される音のレベル（音圧）を大きくすることができる。従来提案されていた平面スピーカでは，振動パネルの面に垂直な方向に機械的振動を与えているに過ぎないので，十分な音のレベルを得ることができなかったが，第１の側面によれば，振動パネルを湾曲させ，その一辺から面方向に沿って機械的信号を与えることで，従来にない大きなレベルの音を出力することができる。

上記の好ましい側面によれば，エネルギー効率を高めることで，振動パネルそのものに光電変換構造を持たせて，電気信号生成ユニットの電源装置として利用することができる。かかる構成にすることで，屋外に設置され電源を必要としないスピーカ装置としての利用が期待できる。

以下，図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し，本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず，特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。

図１は，本実施の形態におけるスピーカ装置の構成を示す斜視図である。図１は試作器の構成図であるが，その構成は，紙，木材やポリカーボネートなどのプラスチックなどからなる振動パネル１２を所定角度に湾曲させ，その振動パネルの対抗する２辺１３Ａ，１３Ｂに三角形の振動伝達部材１４Ａ，１４Ｂを介して駆動手段１６Ａ，１６Ｂを設け，駆動手段１６Ａ，１６Ｂをそれぞれ基板１０に取り付けた支柱１８Ａ，１８Ｂに固定して取り付けている。基板１０に取り付けられた支柱１８Ａ，１８Ｂの間隔を振動パネル１２の長辺の長さよりも短くすることで，振動パネル１２は，一対の振動伝達部材により対抗する２辺１３Ａ，１３Ｂから内側に応力をかけられ，上に凸の形状に湾曲した状態に維持される。

駆動手段１６Ａ，１６Ｂは音の電気信号を機械的振動に変換し，振動パネル１２の２辺１３Ａ，１３Ｂで面方向に沿った方向の振動を与える。この駆動手段は，永久磁石とヨークからなる磁気回路のギャップ内にボイスコイルを挿入し，ボイスコイルに供給される電気信号によりボイスコイルを上下振動させる構成を有する。この駆動手段により形成される機械的振動が，三角形の振動伝達部材１４Ａ，１４Ｂを介して，振動パネルの２辺１３Ａ，１３Ｂ全体に伝達される。つまり，駆動手段から出力される波動が，振動パネル１２の２辺１３Ａ，１３Ｂからその面方向に沿って伝達される。この振動伝達部材１４は，例えば，木材や木材の粉を含有するプラスチック成形体など自然の材料から加工されたものが好ましい。そのような自然物材料を用いることで，駆動手段からの波動の伝達特性が良く変調を生じないで波動を振動パネル１２に伝えることができる。または，アルミニウムなどの金属板であってもよい。

基板１０には，電源回路２２と，その電源回路２２から供給される電源により駆動され，入力される音の電気信号Ｅを増幅し，駆動手段１６Ａ，１６Ｂのボイスコイルに増幅された電気信号を供給する増幅回路（電気信号生成ユニット）２０とが設けられている。また，後述するとおり，振動パネル１２は光電変換構造を有し，パネルへの入射光を電気エネルギーに変換し，変換された電気エネルギーを電源回路２２に与える。これにより，電源回路２２は，光電変換された電気エネルギーから増幅回路２０に適した電源電圧を生成し増幅回路に供給する。したがって，電池などの電源がなくても音を出力することができる。また，本実施の形態のスピーカ装置では，少ないエネルギーで大きな音を出力することができるので，たとえ太陽電池などの光電変換素子により生成される少ない電気エネルギーであっても，十分実用に耐えることができる。なお，電源回路２２には，振動パネルからの電気エネルギーを蓄電する蓄電池（図示せず）が接続される。これにより，太陽光のない夜間でも電気エネルギーを供給することができる。

図２は，本実施の形態におけるスピーカ装置の側面図である。この側面図により，振動パネルの湾曲した状態と，その振動パネルの２辺に対する機械的振動の伝達方向とが明らかにされる。基板１０に設けられた支柱１８Ａ，１８Ｂに駆動手段１６Ａ，１６Ｂが固定されている。この駆動手段の固定により，振動伝達部材１４Ａ，１４Ｂを介して振動パネル１２の２辺１３Ａ，１３Ｂに内向きの応力がかかり，振動パネル１２は凸状に湾曲した状態にされる。

駆動手段１６Ａ，１６Ｂ内の磁気回路のギャップに挿入されているボイスコイルに音の電気信号が与えられると，ボイスコイルによる磁界の変化が生じ，矢印方向３０Ａ，３０Ｂにボイスコイルが振動する。ボイスコイルの矢印方向の振動は，振動伝達部材１４Ａ，１４Ｂを経由して，振動パネル１２の対抗する２つの辺から面方向に沿って伝えられる。

本実施の形態では，振動パネルを湾曲させた状態に維持することと，その振動パネルの少なくとも１辺にその面方向の機械的振動を与えることとにより，大きな音の発生を可能にしている。パネルスピーカを本実施の形態のように試作すると，振動パネルを湾曲させないよりも湾曲させたほうが明らかに音が大きくなり，また，ボイスコイルによる機械的振動を振動パネルの面に対してではなく，辺に対してその面方向に並行に伝達したほうが明らかに音が大きくなることが確認されている。その理由は，未だ明確ではないが，湾曲した振動パネル１２に辺１３Ａ，１３Ｂからその面方向に対して，矢印３０Ａ，３０Ｂの機械的振動を与えると，振動パネル内に波動が伝搬し，しかも，その波動は，図２中の振動パネル１２内に記載された矢印のようにパネルの表面と裏面とで反射を繰り返しながら伝搬し，かかる反射の繰り返しが大きな音の生成につながるものと推測される。なお，波動とは媒質内の変位が規則正しく伝搬することと一般には定義されている。

したがって，振動パネルを所定角度に湾曲した状態に維持し，そのパネルの少なくとも１辺から面方向に並行な方向に振動を伝搬させることで，機械振動による波動が効率的に振動パネル内に伝搬されるものと推測される。

図３は，本実施の形態におけるスピーカ装置の駆動手段と振動パネルとの関係について説明する図である。図３（Ａ）は，従来例のスピーカ装置の振動パネル１２と駆動手段１６との関係を示す。この関係は，前述の特許文献３の例である。この場合は，駆動手段１６により生成される機械的振動は矢印３２の方向に振動する。このようにして振動パネルに機械的振動を与える構成にすると，生成される音のレベルがそれほど高くすることができないことが観察された。その理由は，機械的振動を振動パネル１２の面に垂直な方向に与えたとしても，波動が振動パネル１２のパネル内に効率的に伝達することができないからと推測される。

図３（Ｂ）は，本実施の形態のスピーカ装置における駆動手段１６と振動パネル１２との関係を示す側面図及び平面図である。この場合は，駆動手段１６による機械的振動が矢印方向３０に発生し，その方向に振動パネル１２が２辺で接触しているので，振動パネルの面方向に機械的振動が効率的に伝えられ，波動が振動パネルの面方向に効率的に生成され伝搬されるものと推測される。このような構成にすることで，図３（Ａ）よりもより大きな音を生成することができた。

図３（Ｃ）は，実験的に振動パネル１２の対抗する２頂点で駆動手段１６から内側に応力をかけながら，矢印方向の機械的振動を振動パネル１２に与えた構成を示す。この場合も，図３（Ｂ）と同様に大きな音を生成することができた。ただし，図３（Ｃ）の構成のスピーカ装置は，頂点に駆動手段１６を押しつける構造であり工業製品としてはあまり適切でない。むしろ，本実施の形態のように図３（Ｂ）のごとく，振動伝達部材１４により機械的振動を振動パネル１２の辺全体に伝える構成のほうが適切と考えられる。

図４は，本実施の形態におけるスピーカ装置の振動パネルの湾曲率と音の大きさ（音圧）との関係を概略的に示す図である。図４の下に示すとおり，振動パネル１２を湾曲させた時の水平方向と湾曲したパネルとの角度θを変化させて，その時に得られた音圧（ｄＢ）を縦軸にプロットしたものである。この場合も，駆動手段を振動パネルの２辺から面に平行な方向に振動を与えている。これによれば，湾曲した時の角度θが領域Ａにあるときに，生成される音の大きさ（音圧）が最大になる。発明者らの実験によれば，角度θが２０〜５０°程度が最も音圧が大きくなる。それより角度が大きくなると音圧は低下し，またそれより角度が小さいと同様に音圧は低下する。この最適な角度の範囲は振動パネルの材質によっても多少異なるものと予測される。したがって，採用される材質の振動パネルについて，図４のような実験を行うことにより，最適の湾曲状態を確認することができる。

図５は，本実施の形態におけるスピーカ装置の振動パネルの断面図である。前述したとおり，振動パネル１２は太陽電池としての機能を有する。すなわち，振動パネル１２は，応力をかけて湾曲した状態に維持可能なフレキシブルな太陽電池パネルで構成される。まず，フレキシブルなプラスチックフィルム基板４０の表面に，金属電極４２，ｎ型アモルファスシリコン層４４，ｉ型アモルファスシリコン層４６，ｐ型アモルファスシリコン層４８，透明電極５０，集電極５４，及び保護フィルム層５４が形成され，プラスチックフィルム基板４０の裏面側に保護フィルム層５６が形成されている。そして，表面側から光がアモルファスシリコン層４４，４６，４８のｐｉｎ接合に入射し，そこで生成された電子とホールの対が両電極４２，５０に伝搬して電気エネルギーに変わる。両電極４２，５０（５４）は，前述の電源回路２２に接続され，生成された電気エネルギーがその電源回路に供給される。

本実施の形態では，振動パネルとして，三洋電機株式会社製のアモルトンフィルム（商品名）からなる太陽電池パネルを採用した。したがって，振動パネル１２は，これ以外の構造の太陽電池パネルであってフレキシブル性があるものでもよい。

以上のとおり，本実施の形態におけるスピーカ装置は，省エネルギーで指向性の低い大きな音を出力することができる。しかも，振動パネルを太陽電池パネルで実現することで，電源を不要とし，そのような少ないエネルギーでも大きな音を生成することができるので，屋外に設置される警報用のスピーカ装置として好適である。

本実施の形態におけるスピーカ装置の構成を示す斜視図である。 本実施の形態におけるスピーカ装置の側面図である。 本実施の形態におけるスピーカ装置の駆動手段と振動パネルとの関係について説明する図である。 本実施の形態におけるスピーカ装置の振動パネルの湾曲率と音の大きさ（音圧）との関係を概略的に示す図である。 ，本実施の形態におけるスピーカ装置の振動パネルの断面図である。

符号の説明

１０：基板 １２：振動パネル
１４：振動伝搬部材 １６：駆動手段
２２：電源回路 ２４：増幅回路（電気信号生成ユニット）

Claims (2)

1. 平面状の振動パネルを利用したスピーカ装置において，
   音の電気信号が供給され当該電気信号を第１の方向の機械的振動に変換する駆動手段と，
   入射光を電気エネルギーに変換する光電変換構造を有し，全体が所定角度に湾曲された振動パネルと，
   当該振動パネルにより変換された電気エネルギーを供給され，前記駆動手段に供給する音の電気信号を生成する電気信号生成ユニットとを有し，
   前記振動パネルの少なくとも一辺において，前記機械的振動が当該一辺から前記第１の方向に沿った面方向に伝達されるように前記駆動手段が設けられ，
   ていることを特徴とするスピーカ装置。
2. 請求項１において，前記駆動手段は，前記振動パネルの対抗する２辺にそれぞれ設けられた第１及び第２の駆動手段を有することを特徴とするスピーカ装置。

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