JP6578554B2 - 振動スピーカ - Google Patents

Description

本発明は、振動スピーカに関し、さらに詳細には、低音域から高音域まで広い周波数特性が得られるようにした振動スピーカに関する。

室内等でＢＧＭ的に音楽を聴きたい要求は高まっているが、そのために天井や壁に孔を開けてスピーカを取り付けたり、別物のスピーカボックスを設置して部屋のインテリアを変えたりすることには抵抗がある場合が多い。また、風呂場やキッチンで音楽を聴けるようにする要求も高まっているが、天井板や壁板に孔を開けたり、別物のスピーカボックスを設置したりすると、汚れが付着して汚くなり、また、場合によっては防水が必要になる。そのような場合に使用したいのが振動スピーカである。

通常のスピーカが、スピーカ内に内蔵されている振動板で直接空気を振動させて音を出しているのに対し、振動スピーカは、それ自体では空気を大きく振動させる機能がないため大きな音は出ない。しかし、この振動スピーカの振動板を天井板や壁板等に密着設置することにより、その密着された天井板や壁板が空気を振動させて、通常のスピーカのような音を出すことができる。
例えば、壁板に振動スピーカを取り付けた壁スピーカやエレベータが開示されている（特許文献１、２参照）。

ここで、振動スピーカの一般的な構造について説明する。図３は従来の振動スピーカの構造を示す概略断面図である。
振動スピーカ１００は、その一部に磁気ギャップ１２ａが形成された磁気回路体１２と、磁気ギャップ１２ａ内に配置される筒状のボイスコイル１３と、このボイスコイル１３の上端が固定された円形の振動板１４（樹脂製振動板あるいは金属製振動板）と、振動板１４の周縁を磁気回路体１２（後述するトッププレート２０部分）に固定するフレーム１５とを備える。

磁気回路体１２は、磁性体からなるボトムプレート１８と、マグネット１９と、磁性体からなるトッププレート２０とにより構成される。

ボトムプレート１８は、内壁となる円筒部１８ａと、円筒部１８ａの下部（内壁下部）から外側方向に延設されて下壁となるフランジ状の円板部１８ｂとからなり、円筒部１８ａ（および円板部１８ｂ）の中心軸に沿って筒孔１８ｃが設けられている。なお、円筒部１８ａは、通常のスピーカにおいては、いわゆる「センターポール」と称される部分に相当する。通常のスピーカでは、センターポールの中心に貫通孔を設けていないものも多いが、ボイスコイル１３の径の半分程度の孔径の貫通孔を設けても磁気回路設計上は支障を来さないので、従来から種々の目的（例えばボイスコイル部の背圧調整や入力信号線の配線用の空間等）でこの位置に貫通孔が形成されている。

マグネット１９は、円筒部（内壁）１８ａの外周面１８ｄよりも大径の内周面１９ａを有し、外壁となる環状体をなす。また、マグネット１９は円筒部１８ａと同軸状になるようにして、円板部１８ｂの外周側（下壁の外周側）に磁着してある。
トッププレート２０は、円筒部（内壁）１８ａの外周面１８ｄよりも大径かつマグネット１９の内周面１９ａより小径の内周面２０ａを有し、上壁となる環状体をなす。トッププレート２０は、円筒部１８ａと同軸状になるようにしてマグネット１９の上部（外壁上部）に磁着されるようにしてある。

ボトムプレート（内壁、下壁）１８、マグネット（外壁）１９、トッププレート（上壁）２０がこのように配置されることにより、トッププレート２０の内周面２０ａと円筒部１８ａの外周面１８ｄとの間に磁気ギャップ１２ａを有する略ドーナツ状の磁気回路体１２が形成される。そして、筒状のボイスコイル１３が磁気ギャップ１２ａ内に配置してある。

振動スピーカ１００では、振動板１４とボイスコイル１３の上端とは、接着剤で固定されている。したがって、信号線（図示略）を介して入力された入力電圧信号によってボイスコイル１３が駆動されると、ボイスコイル１３の振動が、振動板１４に伝達されてこれを駆動する。
そして、振動板１４に密接させてある被駆動壁（天井板、壁板等）が振動し、これがスピーカとなってボイスコイル１３に加えられた入力電圧信号が音波に変換増幅されて音となって聴こえるのである。

実公昭５２−２１０５０号公報 特開２００９−１９６７９４号公報

ところで、上記の振動スピーカ１００においては、約３ｋＨｚ以下の中低域の駆動力と許容入力確保のため、大きなボイスコイル１３で重い振動板１４を駆動する必要があった。これらの重い振動系では、高い周波数の駆動力が熱になって消費されてしまうため振動板１４を動かすことができず、高音域の再生が不十分になるという問題があった。その一方で、振動スピーカであっても通常のスピーカと同等の広帯域の再生音を出せるようにすることが望まれていた。

そこで、本発明は、振動スピーカを用いた場合でも、取り付けられた天井板や壁板を介して通常のスピーカと同程度、もしくはそれ以上の広帯域な音の再生ができる振動スピーカを提供することを課題とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の振動スピーカは、磁石を含む磁性体で構成された磁気回路体と、ボイスコイルと、振動板とを備え、前記磁気回路体は、筒孔を有する内壁、前記内壁の下部と接続する下壁、前記下壁の外周側と接続する外壁、前記外壁の上部と接続する上壁により、略ドーナツ状の磁気回路で、かつ、一部に磁気ギャップが形成された磁気回路を形成し、前記ボイスコイルは、前記磁気ギャップに配置されるとともに、その上端が前記振動板に固定され、前記振動板の周縁はフレームを介して前記磁気回路体に支持される振動スピーカであって、前記磁気回路体の前記内壁の筒孔に積層圧電振動体を備えた高音アクチュエータが配設され、前記高音アクチュエータの上端が前記振動板に固定され、下端が前記振動板に支持された保持部材に固定され、前記振動板と前記保持部材との間で前記高音アクチュエータが圧接されるように保持され、入力電圧信号が前記ボイスコイルと前記積層圧電振動体とを駆動するように構成されている。

本発明によれば、振動板にボイスコイルが固定されるとともに、積層圧電振動体からなる高音アクチュエータが磁気回路体の内壁の筒孔内（すなわち振動板の中心付近）に配置され、振動板と保持部材との間に隙間が生じないようにして、振動が伝達されるように圧接状態で振動板に固定されて保持される。

この「積層圧電振動体」は、圧電セラミックを積層させたものであり、印加された電圧に比例して振動（伸縮）する性質を有し、振動幅（伸縮幅）は積層圧電セラミックの長さにより定まる。ボイスコイルは強く押さえると振動しなくなるのに対し、この積層圧電セラミックは積層圧電セラミックの固体自体が伸び縮みして動くため、たとえ押さえていても動き出す。この性質は（重い振動板でも振動させることができ）、高音用のアクチュエータに適している。

積層圧電振動体を用いた高音アクチュエータを振動板に圧接状態で取り付けると、高音アクチュエータ（積層圧電振動体）の伸縮（振動）をそのまま振動板に伝達することができる。
したがって、ボイスコイルへ入力電圧信号を送るとともに、高音アクチュエータにも入力電圧信号を送り、その駆動力をボイスコイルの駆動力に足し合わせることにより、低音域から高音域まで広帯域の範囲で、振動板の駆動力を持たせることができるようになる。

本発明によれば、天井や壁板に取り付けるだけで、通常のスピーカ並みの広帯域の周波数特性での再生が可能な振動スピーカを実現することができる。

上記発明において、前記高音アクチュエータは、前記積層圧電振動体の下端に、少なくとも金属錘または弾性体のいずれかを含む振動遮断部材が取り付けられ、当該振動遮断部材を介して前記保持部材に固定されるようにしてもよい。
高音アクチュエータを構成する積層圧電振動体の伸縮（振動）は、上端から振動板に伝わる。その際、下端では、不要な逆方向の伸縮（振動）が使用する積層圧電振動体の重量より重い金属錘または弾性体（ゴムクッション等）のいずれかを含む振動遮断部材に伝わる。金属錘を取り付けた場合は、振動は使用する積層圧電振動体の重量より重い金属錘の重量で動きを押さえられて減衰するとともに、確実に積層圧電振動体の一方が振動板に圧着されることを助ける効果がある。また弾性体の場合は、不要な逆方向の振動が吸収されて減衰すると共に、確実に積層圧電振動体の一方が振動板に圧着されることを助ける効果がある。いずれか一方、あるいは両方を取り付けることにより不要な逆方向の振動を大きく減衰させることができる。

上記発明において、前記保持部材は、底面および当該底面から左右一対の側面が延設されたコの字型をなし、前記底面は前記左右一対の側面を介して振動板に固定され、前記底面により前記高音アクチュエータが圧接されるようにしてもよい。
保持部材をコの字型とすることで、高音アクチュエータの下端を安定して圧接状態で支持することができ、また、下端からの不要な逆方向の伸縮（振動）は、保持部材の側面を介して振動板に伝達されることになるので、側面を通過する間に減衰し、振動板にほとんど伝達されなくなる。

上記発明において、前記振動板は、内側に円板状の金属製振動板が設けられ、外側に環状の樹脂製振動板が設けられ、前記ボイスコイルおよび前記高音アクチュエータが前記金属製振動板に固定され、前記樹脂製振動板が前記フレームを介して前記磁気回路体に支持され、前記金属製振動板と前記樹脂製振動板とは振動が伝達されるように周縁で接触するようにしてもよい。
樹脂製振動板（例えばＡＢＳ樹脂製またはＰＯＭ樹脂製）は、金属製振動板（例えばアルミニウム製または鉄製）よりもダンパーバネ効果があるので、ボイスコイルおよび高音アクチュエータで発生して伝達された振動が、フレームから逃げていくことによる振動の伝達効率低下のデメリットを効果的に防ぐことができるが、その一方で、振動板に密接させた被駆動壁（天井板、壁板等）に振動を伝える伝達効率も減衰させることになる。そこで、振動板を、環状の樹脂製振動板（外側）と円板状の金属製振動板（内側）とからなるようにして、ボイスコイルや高音アクチュエータを内側の金属製振動板に固定し、振動板を支持するフレームは環状の樹脂製振動板に固定されるようにすることで、ボイスコイルや高音アクチュエータから被駆動壁への振動の伝達効率を高めることができる。

上記発明において、前記ボイスコイルを駆動する入力電圧信号が、同時に前記積層圧電振動体を駆動するようにしてもよい。
一般に、積層圧電振動体はインピーダンスが高く、その応答周波数は約３ｋＨｚ以上であるため、１つのアンプからの信号で、高音アクチュエータとボイスコイルとを並列に駆動することができる。

本発明の一実施形態である振動スピーカの構造を示す概略断面図。 図１の振動スピーカと従来の振動スピーカとの周波数特性を示す比較図。 従来の振動スピーカの構造を示す概略断面図。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更できることはいうまでもない。

図１は、本発明の一実施形態である振動スピーカ１０の構造を示す概略断面図である。なお、図３を用いて説明した従来の振動スピーカ１００と同一の構成部分については、同じ符号を付すことにより説明の一部を省略する。

振動スピーカ１０は、図３で説明した従来例の振動スピーカ１００のうち、磁気回路体１２、ボイスコイル１３、フレーム１５については同じものを用いている。
また、図３の振動板１４には全体が樹脂製あるいは金属製のものが用いられており、これと同じものをそのまま用いてもよいが、本実施形態では、内側に円板状の金属製振動板１４ａを設けるとともに、その外側に環状の樹脂製振動板１４ｂを設け、金属製振動板１４ａと樹脂製振動板１４ｂとの境界では振動が伝達されるように、境界となる周縁部分が接触するようにしてある。

そして、ボイスコイル１３、および、後述する高音アクチュエータ３０が、金属製振動板１４ａの部分に固定され、樹脂製振動板１４ｂの部分にはフレーム１５が接続され、フレーム１５が磁気回路体１２（トッププレート２０）に支持されるようにしてある。天井板や壁板等の被駆動壁は、金属製振動板１４ａの部分に接触するようにして、ボイスコイル１３および高音アクチュエータ３０からの振動を金属製振動板１４ａから効率よく被駆動壁に伝達するとともに、フレーム１５を介した振動の逃げを樹脂製振動板１４ｂで抑制するようにしてある。

円筒部１８ａ（磁気回路体１２の内壁）の筒孔１８ｃには高音アクチュエータ３０が配設してある。高音アクチュエータ３０は積層圧電振動体３１を備えている。積層圧電振動体３１は、圧電セラミックを積層したものであり、インピーダンスが高く、応答周波数が通常５００Ｈｚから２０ｋＨｚ以上のものが用いられているが、それより周波数応答が広くてもよく、また、逆に狭くてもよい。

本実施形態では、積層圧電振動体３１と、金属錘３２と、ゴムクッション３３とが縦方向に並べて配置され、コの字型の保持部材３４を用いて、金属製振動板１４ａに圧接状態で固定してある。すなわち積層圧電振動体３１の上端側は、直接、金属製振動板１４ａの下面に当接してあり、積層圧電振動体３１の下端側は金属錘３２の上面に当接してある。金属錘３２の下面はゴムクッション３３の上面に当接してあり、ゴムクッション３３の下面は保持部材３４の底面（支持面）３４ａに当接してある。保持部材３４の左右一対の側面３４ｂ、３４ｂは、その縦方向の長さを、積層圧電振動体３１、金属錘３２、ゴムクッション３３の縦方向の長さを合計した長さよりほんのわずか短くしてあり、保持部材３４を締結部材（ネジ）３５で金属製振動板１４ａに固定すると、隙間を生じることなく圧接されるようにしてある。

なお、金属錘３２、ゴムクッション３３は、積層圧電振動体３１の下端側から伝達される振動を遮断する振動遮断部材として機能させるために取り付けたものであり、これらを取り付けなくても実用上は問題ないが、下端での逆方向の伸縮の影響によって、振動の伝達効率が多少低下することになる。振動遮断部材（金属錘３２、ゴムクッション３３）を設けない場合は、保持部材３４の底面３４ａに積層圧電振動体３１の下端側が直接当接することになる。この場合も積層圧電振動体３１の上端および下端で隙間が生じないように、側面３４ｂの長さが適切なコの字型保持部材３４を用いて圧接状態にしてある。

ボイスコイル１３、および、高音アクチュエータ３０の積層圧電振動体３１には、入力電圧信号が印加されるが、インピーダンスが高く、応答周波数が通常は３ｋＨｚ付近以上から、２０ｋＨｚ以上までのものが用いられているので、１つのアンプからの入力信号を並列に接続して駆動することができる。ただ、実際には、積層圧電振動体３１の応答周波数帯域はもっと低い数百Ｈｚから、２０ｋＨｚ以上までの任意の周波数帯域としてもよい。なお、部品の増加が問題なければ、高音専用と中低音専用の２つのアンプを用いて別々に駆動するようにしてもよい。

次に、本発明を実施した振動スピーカの周波数特性について説明する。
図２は、図１で示した振動スピーカ１０の周波数特性（実線）を示す図である。なお、比較例として、図３に示した従来の振動スピーカ１００の周波数特性（破線）も示してある。
比較例（破線）では３ｋＨｚ付近から高音域で音圧が低下しているのに対し、本発明（実線）では２０ｋＨｚ付近まで音圧が低下せず、周波数特性が大きく改善されている。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は必ずしも上記の実施形態のみに限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で変形実施することが可能である。

例えば、上記実施形態では、積層圧電振動体３１の上端は、金属製振動板１４ａの下面に直接当接するようにしているが、重量の軽い材質と形状の金属ロッドを介して金属製振動板１４ａに振動を伝達するようにしてもよい。
また、振動板１４ａ、１４ｂにコルゲーションを設けてもよい。
また、振動板１４ａ、１４ｂにスリット等を設けて共振周波数を下げるようにしてもよい。

本発明は、広い周波数特性を有する振動スピーカに利用することができる。

１０ 振動スピーカ
１２ 磁気回路体
１２ａ 磁気ギャップ
１３ ボイスコイル
１４ 振動板
１４ａ 金属製振動板
１４ｂ 樹脂製振動板
１５ フレーム
１８ ボトムプレート
１８ａ 円筒部（内壁）
１８ｂ 円板部（下壁）
１８ｃ 筒孔（貫通孔）
１８ｄ 円筒部の外周面
１９ マグネット（外壁）
１９ａ マグネットの内周面
２０ トッププレート（上壁）
２０ａ トッププレートの内周面
３０ 高音アクチュエータ
３１ 積層圧電振動体
３２ 金属錘
３３ ゴムクッション（弾性体）
３４ 保持部材
３４ａ 底面
３４ｂ 側面
３５ 締結部材（ネジ）

Claims (5)

1. 磁石を含む磁性体で構成された磁気回路体と、ボイスコイルと、振動板とを備え、
   前記磁気回路体は、筒孔を有する内壁、前記内壁の下部と接続する下壁、前記下壁の外周側と接続する外壁、前記外壁の上部と接続する上壁により、略ドーナツ状の磁気回路で、かつ、一部に磁気ギャップが形成された磁気回路を形成し、
   前記ボイスコイルは、前記磁気ギャップに配置されるとともに、その上端が前記振動板に固定され、
   前記振動板の周縁はフレームを介して前記磁気回路体に支持される振動スピーカであって、
   前記磁気回路体の前記内壁の筒孔に積層圧電振動体を備えた高音アクチュエータが配設され、
   前記高音アクチュエータの上端が前記振動板に固定され、下端が前記振動板に支持された保持部材に固定され、前記振動板と前記保持部材との間で前記高音アクチュエータが圧接されるように保持され、
   入力電圧信号が前記ボイスコイルと前記積層圧電振動体とを駆動することを特徴とする振動スピーカ。
2. 前記高音アクチュエータは、前記積層圧電振動体の下端に、少なくとも金属錘または弾性体のいずれかを含む振動遮断部材が取り付けられ、当該振動遮断部材を介して前記保持部材に固定される請求項１に記載の振動スピーカ。
3. 前記保持部材は、底面および当該底面から左右一対の側面が延設されたコの字型をなし、前記底面は前記左右一対の側面を介して振動板に固定され、前記底面により前記高音アクチュエータが圧接される請求項１または請求項２に記載の振動スピーカ。
4. 前記振動板は、内側に円板状の金属製振動板が設けられ、外側に環状の樹脂製振動板が設けられ、前記ボイスコイルおよび前記高音アクチュエータが前記金属製振動板に固定され、前記樹脂製振動板が前記フレームを介して前記磁気回路体に支持され、
   前記金属製振動板と前記樹脂製振動板とは振動が伝達されるように周縁で接触するようにしてある請求項１〜請求項３のいずれかに記載の振動スピーカ。
5. 前記ボイスコイルを駆動する入力電圧信号が、同時に前記積層圧電振動体を駆動することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の振動スピーカ。

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