JP5888294B2 - 圧電スピーカーの製造方法 - Google Patents

Description

平面スピーカーの振動板を曲げることにより、ストレスを加え音響特性を向上させる方法が提案されている。

例として、平面スピーカーの振動板の両端をスプリングやゴムを介して加圧して、振動板を曲げ、その中央にマグネット方式の振動子を取り付けて、良好な音質、周波数特性を発揮するスピーカーが提案されている。（特許文献１）

また、ストレスを加え、曲げ応力が加えられた状態の振動板に、マグネット方式の振動子により、板面に平行に振動を加えることにより、従来のダイナミックスピーカーから出る音の波形である縦波と異なる横波を発生させ、干渉が少なく、減衰率が小さいスピーカーが提案されている。（特許文献２）

特開２００４−１２０５１７ 特開２００７−１９６２３ 特開２０１０−１７１９２７

２０１３年３月「発明の極意」武藤佳恭 近代科学社

曲げ剛性が小さい、プラスチックや木材などの振動板では、横波を発生させるのに必要とする曲げ応力値を得るためには、振動板を大きく曲げなければならず、薄型のスピーカーを製作することが困難となる。

一方、曲げ剛性の高い振動板の両端をスプリングやゴムなどで加圧する方法では大きな加圧力が必要となり、構造が複雑となり、重量も大きくなることは避けられない。また、スプリングやゴムによる加圧で、曲げ応力値を均一にして、音響品質が均一な製品を製造することは容易ではない。

さらに、曲げ剛性の高いサンドイッチ構造のハニカム振動板を用い、振動板の左右側面から加圧する方法は、ハニカムコア材に座屈による破壊を発生させたり、あるいは表層部材に破断を発生させ易く、均一な曲げ応力を維持することならびに振動板の品質や長期の耐久性が得られない。

本発明の目的は、軽量で曲げ剛性の高い、ハニカム振動板の上下両面から均一な圧力を加えて曲げて、振動板内部に適切な均一な曲げ応力を発生させ、効果的な横波を発生する圧電スピーカーを、容易に量産製造が出来る方法を提供する。

本発明はこのような目的を達成させるために、請求項１に記載のように、ハニカム構造体とその両主面に表層部材を接合したサンドイッチ構造を持つ振動板の外周部に、防振ゴムを装着し、防振ゴムの上下面を２つの案内部品で押さえることにより、振動板全体に設定された曲げ量を加え、その結果、振動板に均一な曲げ応力が加わった圧電スピーカー構造体を提供するものである。

軽量で、剛性の高いハニカム振動板に曲げ応力を加えた振動板をもつ圧電スピーカーからは、縦波だけでなく横波の音波成分が発生すると考えられる。この音波は、従来のダイナミックスピーカーや平面スピーカーから発する縦波の音と比べると、波形が異なり、音が壁などの障害物に当たっても反射がなく、壁への衝突を繰り返しても残響音が発生しない。また従来のダイナミックスピーカーから発する縦波の音と比較して、音の減衰が小さく、音を遠くまで到達させる特徴を有する。

この横波は振動板の曲げ量を増やし、曲げ応力を大きくするに従って、横波の強さならびに縦波に対する発生割合いは大きくなる。本発明のスピーカー構造体では、スピーカーの振動板に加える必要な曲げ量すなわち曲げ応力値を、スピーカーの組み立て工程で、調整の必要なく、自動的に得ることが出来る。

このハニカム振動板の長さ方向（２６０ｍｍ）に４点曲げ試験により破壊曲げ荷重試験を行なった。その結果、破壊曲げ荷重は１０．５ｋｇｆでそのときの中央部のタワミは９ｍｍとなった。また荷重３．５ｋｇｆ（破壊曲げ荷重の３３％）でのタワミは３ｍｍとなった。

一方、実験で製作した中規模の建築構造物や鉄道車両を想定したスピーカーでは、タワミが３ｍｍで十分な横波効果が発揮出来た。また、通常の室内ではタワミは１ｍｍ（破壊曲げ荷重の１１％）で横波効果が得られた。破壊曲げ荷重の５０％以上では、より大きな横波効果が得られると考えるが、長期使用の際、ハニカム振動板の座屈や表面材の破壊などの発生の可能性があるので、曲げ荷重は破壊曲げ荷重の５０％以下にすることが望ましい。これらの結果により横波を発生させるための曲げ荷重は、破壊曲げ荷重の１０％〜５０％、すなわち、曲げ応力は最大曲げ応力の１０％〜５０％が適切と判断した。

スピーカー筺体の両面に大きな開口部を設けて、スピーカー前後からほぼ同じ音圧の明瞭な音声を、遠方まで到達させる両面スピーカーを製作することが可能となった。

さらに、曲げ応力が加わった振動板を製造する方法として、案内部材で機械的に曲げを発生させる方法以外に、振動板に用いるハニカム構造体の両主面の表層部材に、それぞれ熱収縮率の異なる材料を用い、熱加圧工程で固着させた後、冷却時に材料の収縮率の差により、曲げ応力を発生させた振動板を製造することも可能となった。一例として、片側の表層部材にガラスエポキシプリプレグ（実質の熱膨張率は４０ｐｐｍ）、反対側の表層部材にアルミ箔（熱膨張率２３ｐｐｍ）を用いたハニカム構造体で、１７０度の熱加工工程後、常温に冷却されると、ハニカム構造体にソリ（２６０ｍｍで１〜２ｍｍ）ならびに曲げ応力が発生した。

セラミック圧電振動子はマグネット方式振動子と異なり、駆動には電圧信号入力が必要であるが、高インピーダンスのため、駆動電流が小さく、ダイナミックイナミックスピーカーと比較して、消費電力が極めて少ないという特徴を有する。そのため配線による電圧降下が少なく、１つのアンプから多数個の圧電スピーカーと接続することが可能となり、しかも接続に必要な電線は、ダイナミックスピーカーの結線に使用する電線よりも、大幅に細くすることが可能となる。

セラミック圧電振動子はマグネット方式の振動子と異なり、スピーカーの駆動の際に磁力を発生ない。また駆動電流も少ないため、配線部からの磁気発生も微小となる。そのため非磁性スピーカーとして、磁気を嫌うＭＲＩ医療測定室などで使用することも可能となる。

スピーカー主要材料として、アルミニウムやアラミドペーパーで出来たハニカム、ガラスフェノール樹脂表層部材、セラミック圧電振動子、難燃性樹脂筐体などを選択することによりで、難燃性スピーカーを製造することが可能であり、難燃性が必要な鉄道車両などで使用可能となる。、

さらに本発明の圧電スピーカーは表層部材がアルミ箔またはガラスクエポキシ樹脂、ガラスフェノール樹脂で形成され、圧電振動子による振動板の振幅が小さいため、従来のスピーカーにおいてコーン紙の振動による空気の脈流や音の通過により、表面クロスに付着する汚れがなく、埃を嫌う医薬品製造工業や食品工場、病院手術室、クリーンルームなどで用いることが出来る。

本発明の圧電スピーカーは、ハニカム振動板の薄型、軽量化が可能であり、小型の圧電振動子、Ｄ級アンプを利用することに加えて、圧電振動子はその特性から消費電力が極めて少ないため、電池容量も小さく出来る。そのため持ち運びが容易で、小型、軽量かつ明瞭な音声を遠距離まで到達できるポータブルスピーカーを製作することが出来る。

以下、本発明について図面を参照しながら本考案の実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の建築構造物や鉄道車両用スピーカー構造の一例を示すものである。
ハニカム振動板（１）の外周部に溝付きの防振ゴム（５）を装着し、その防振ゴムを介して上下面から曲面形状を持った上部案内部品（２）および下部案内部品（３）により、振動板を押さえて固定する。この案内部品（２）はスピーカー筺体の蓋と、また案内部品（３）はスピーカー筺体と一体に形成されており、スピーカー蓋をスピーカー筺体にボルトで締結することにより、振動板に案内部品の曲面形状により設定された曲げ量が、自動的に付加され、必要な曲げ応力値が得られる。この振動板の中央に１ヶまたは中央を対象に２ヶ、または４ヶの複数個のセラミック圧電素子（４）をアクリル樹脂樹ネジとナット（６）で取り付けた構造となる。振動板の外周に装着する防振ゴムはゲル状シリコン材がもっとも望ましいが、ゴム硬度が５０°以下の軟らかい合成ゴムも使用できる。

ハニカム振動板（１）のサイズは１８０ｍｍ×２６０ｍｍ×厚み４ｍｍのガラスエポキシ樹脂表層部材を貼り付けたアラミドハニカムパネルを採用し、振動板を曲げるための案内部品（２）および（３）の曲面形状は、２６０ｍｍの長さの振動板の中央で３ｍｍのタワミが発生するよう設定した。

図２は振動板の方向を逆にした構造である。音圧の分布は図１の構造とほぼ同じであるが、図１の方が若干、音の拡がりが狭く、指向性が発生する。

図３は２枚のハニカム振動板（１）の中心部を、圧電振動子を取り付けるアクリル樹脂製ネジとナット（６）で、引き寄せて固定した構造である。この構造はスピーカー筺体の両面に大きな開口部を設けることが出来、同じ音圧の音声をスピーカー両面から効率的に発するスピーカーを製作することが可能となる。図４はこの両面スピーカーを車両構造を想定した構造体の中央部に取り付け、スピーカーの両面から発する音の音圧減衰を測定した結果を示す。音圧減衰率は小さく、人の音声が、全長１５ｍの構造体内部で、反射や残響がなく、明瞭に伝わることが確認出来た。

図８および図９は、それぞれ周波数が１０００Ｈｚと３１５０Ｈｚのサイン波の単音でのダイナミックスピーカーと横波スピーカーの距離減衰の比較を示す。スピーカーは図３の両面タイプを用い、圧電振動子は駆動力の大きな５０−Ｔタイプを３ヶ取り付けた。

図５ならびに図６は室内の天井スピーカーに用いるスピーカー構造を示す。図５はスピーカー筺体部から、ネジで圧電素子を介してハニカム振動板を引き寄せ、曲げ応力を加えた構造である。図６はハニカム振動板の表層部材としてガラスエポキシプリプレグとアルミ箔を用い、熱加圧工程で固着させた後、冷却時にそれぞれの材料の熱収縮率の差により、ソリならびに曲げ応力を発生させたハニカム振動板を用いたスピーカーである。

図７は図５のスピーカーを室内に取り付け、音声の指向性を測定した結果を示す。この結果、本発明のスピーカーの音は、横波に特有の無指向性を示し、室内全体に広く伝わることが確認できた。

人の聴覚に対して、音声内容が明瞭で聞き取り易いかどうかの判断を行なうため、音の強さ、音の震え、明瞭さ、音の変化などの指標を設定して、従来スピーカーと比較した表を表１に示す。この表から横波スピーカーの音声が、人の聴覚に対して聞き取りやすいことを示す。

表２は従来のダイナミックスピーカーと横波スピーカーの特性比較をしたものを示したものである。

図１０は本発明のスピーカーを多数個設置する場合の電気配線図を示す。
本スピーカーはセラミック圧電振動子を電圧により駆動させるため、圧電素子のハイ・インピーダンス特性により、消費電流は、従来のダイナミックスピーカーと比較し、数ミリから数十アンペアの微小電流しか流れない。そのため多数個のスピーカーを並列接続しても電圧効果が少なく、１ヶのアンプから多数のスピーカーを、音圧一定で、少ない消費電力で駆動できることが確認出来た。

本発明のスピーカーではハニカム構造体をアラミドペーパーとし、表層部材をアルミニウム箔やフェノール樹脂シートを使用し、スピーカー筐体をフェノール系難燃性樹脂を用いることにより、難燃性のスピーカーを容易に製作することが出来る。

図５に示した天井スピーカーは表層部材がアルミ箔やガラスクロスエポキシ樹脂で形成され、振動板の振幅が小さいため、スピーカーの表面クロスやスピーカー自体に、コーン紙の振動による空気の脈流や音の通過によるスピーカーが汚れるという課題を発生しない特徴を持つ。

本発明に用いるハニカム振動板のハニカムコア構造体には、フェノール樹脂を含浸した紙製ハニカム、アルミニウム製ハニカム、アラミド製ハニカム等などを用いることが出来が、特に軽量かつ剛性に優れるものとして、アルミニウム製ハニカムまたはアラミド製ハニカムが好ましい。

また、ハニカム振動板の厚みは４ｍｍ〜８ｍｍ以下であることが好ましい。厚みが４ｍｍ未満であると強度や剛性を確保することが難しく、また、８ｍｍを超えると振動板を曲げることが困難となるとともに、重量が大きくなるため、駆動力が大きなセラミック圧電振動子を選択する必要がある。

本発明に使用する圧電振動子（４）は金属振動板の両面にピエゾセラミック（ＰＺＴ）を貼り付け、効率良く振動を発生させるバイモルフ構造のセラミック圧電振動子である。スピーカー振動板に中央に１ヶ、２〜４ヶを中央に対象的に取り付ける。振動子の結線は並列に接続する。また複数の圧電振動子を同軸上に重ねたり、あるいは数層から数十層の積層構造の圧電素子を用いることにより、振幅が大きく、駆動力が増加し、大音響を発生させる圧電スピーカーが製作が可能となる。

振動板を案内部材で曲げた構造の圧電スピーカー 振動板を図１と反対側に曲げた構造の圧電スピーカー 両面から均一な音を発生させる構造の圧電スピーカー 車両構造の中に設置した圧電スピーカーの音圧減衰 軽量構造の天井用圧電スピーカー 熱収縮率の異なる表層部材で構成された圧電スピーカー 天井スピーカーの無指向特性 １０００Ｈｚの単音でのスピーカー音圧距離減衰比較 ３１５０Ｈｚの単音でのスピーカー音圧距離減衰比較 多数個の圧電スピーカーの設置図

表１

本発明スピーカーと従来スピーカーの聴覚比較

表２

本発明スピーカーと従来スピーカーの特性比較

１ ハニカム振動板
２ 振動板を押さえる上部案内部品
３ 振動板を押さえる下部案内部品
４ セラミック圧電振動子
５ 防振ゴム
６ 樹脂製ネジとナット
７ 天井構造材
８ 両面スピーカー筺体

Claims (5)

1. ハニカムコア構造体とその両主面に表層部材を接合したサンドイッチ構造を持つ平面の振動板の全外周部に、防振ゴムを装着し、その防振ゴムの上下全面を、スピーカー筺体に設けられた曲面形状を持った上部案内部品と下部案内部品で押さえることにより曲げ応力が加わった振動板に、セラミック圧電振動子を取り付けた圧電スピーカーの製造方法。
2. ハニカムコア構造体とその両主面に表層部材を接合したサンドイッチ構造を持つ２枚のハニカム振動板の全外周部を、一定の間隔の溝を持った防振ゴムで固定してスピーカー筐体に装着し、２枚のハニカム振動板の中央部を、ネジとナットで引き寄せて曲げ応力が加わった振動板に、セラミック圧電振動子を取り付けた圧電スピーカーの製造方法。
3. ハニカム振動板が取り付けられた圧電スピーカー筺体の両面に開放部を設け、スピーカー筺体の両面から音を発する構造をもった、上記請求項１または２の圧電スピーカーの製造方法。
4. ハニカムコア構造体の両主面の表層部材にそれぞれ熱収縮率の異なる材料を用い、熱加圧工程で固着させた後、冷却時に表層部材の熱収縮率の差により、曲げ応力が加わったハニカム振動板の全外周部に、防振ゴムを装着し、セラミック圧電素子を取り付けた圧電スピーカーの製造方法。
5. ハニカム構造体が概ね円形であることを特徴とする上記請求項１〜４いずれか１項からなる圧電スピーカーの製造方法。

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