JP2022071360A - 音響装置 - Google Patents

Abstract

【課題】音質が向上された音響装置を提供する。【解決手段】共通の音声信号に応じて振動する複数の振動素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃと、複数の振動素子が同一の主面に接続されている振動部材２０と、を備える。複数の振動素子は、第１振動素子１０ａ及び第２振動素子１０ｂを含み、第１振動素子及び第２振動素子は、互いに異なる位相の振動を振動部材に伝達する。【選択図】図８

Description

本発明は、音響装置に関する。

特許文献１には、表示パネルと、アクチュエータとを備える表示装置が開示されている。特許文献１の表示装置は、アクチュエータを制御して表示パネルを振動させる機能を有している。

韓国公開特許第１０－２０１８－００７７５８２号公報

特許文献１に記載されている構造は音響装置にも適用可能である。しかしながら、特許文献１の構造による音響装置においては、音質が十分ではない場合がある。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであって、音質が向上された音響装置を提供することを目的とする。

本発明の一観点によれば、共通の音声信号に応じて振動する複数の振動素子と、前記複数の振動素子が同一の主面に接続されている振動部材と、を備え、前記複数の振動素子は、第１振動素子及び第２振動素子を含み、前記第１振動素子及び前記第２振動素子は、互いに異なる位相の振動を前記振動部材に伝達することを特徴とする音響装置が提供される。

本発明によれば、音質が向上された音響装置を提供することができる。

第１実施形態に係る音響装置の概略構成を示すブロック図である。 第１実施形態に係る圧電素子の配置を示す平面図である。 第１実施形態に係る圧電素子の配置を示す断面図である。 第１実施形態に係る圧電素子の配置を示す断面図である。 第１実施形態に係る圧電素子の構造をより詳細に示す断面図である。 第１実施形態に係る圧電素子に電圧が印加されたときの変形を示す模式図である。 第１実施形態に係る圧電素子に電圧が印加されたときの変形を示す模式図である。 第１実施形態に係る圧電素子への音声信号の入力方法をより詳細に示す模式図である。 第１実施形態に係る音響装置による効果を説明する模式図である。 第１実施形態に係る音響装置による効果を説明するグラフである。 第２実施形態に係る圧電素子の配置を示す平面図である。 第２実施形態に係る圧電素子の配置を示す断面図である。 第２実施形態に係る圧電素子の構造をより詳細に示す断面図である。 第２実施形態に係る圧電素子に電圧が印加されたときの変形を示す模式図である。 第２実施形態に係る圧電素子に電圧が印加されたときの変形を示す模式図である。 第２実施形態に係る圧電素子への音声信号の入力方法をより詳細に示す模式図である。 第３実施形態に係る圧電素子の構造をより詳細に示す断面図である。 第３実施形態に係る圧電素子への音声信号の入力方法をより詳細に示す模式図である。 第４実施形態に係る表示装置の概略構成を示すブロック図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。各図面を通じて共通する機能を有する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略又は簡略化することがある。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る音響装置１の概略構成図である。本実施形態の音響装置１は、単独でスピーカとして用いられるものであってもよく、他の装置に内蔵されるものであってもよい。例えば、音響装置１は、広告用看板、ポスター、案内板等のサイネージに内蔵されるものであってもよい。この場合、サイネージから案内等の音声を発することができる。また、音響装置１は、表示装置、コンピュータ、テレビジョン受像機等に内蔵されるものであってもよい。しかしながら、本実施形態の音響装置１の用途は、特に限定されるものではない。

図１に示されているように、音響装置１は、複数の圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、振動部材２０及び制御部４０を有する。音響装置１は、入力された音声信号等に基づいて音を発する装置である。

圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、入力された音声信号に基づく電圧が印加されると、逆圧電効果により変位する素子である。圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、例えば、バイモルフ（Ｂｉｍｏｒｐｈ）、ユニモルフ（Ｕｎｉｍｏｒｐｈ）等の電圧に応じて屈曲変位する素子であり得る。入力される音声信号は通常は交流電圧であるため、圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、入力された音声信号に応じて振動する振動素子として機能する。

振動部材２０は、圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃに入力された共通の音声信号に基づく音を発するように振動する部材である。圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃの各々は、弾性部材を介して機械的に振動部材２０に接続されている。振動部材２０の材料は、特定の材料に限定されない。しかしながら、振動部材２０の材料は、圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃから伝わる振動の伝達に適した材料特性を有しているガラス、樹脂、硬質紙、圧縮紙等であることが望ましい。

ホストシステム２は、音声信号を供給することにより音響装置１を制御する装置又は複数の装置を含むシステムである。しかしながら、ホストシステム２は、音響装置１の用途に応じて、画像信号（例えばＲＧＢデータ）、タイミング信号（垂直同期信号、水平同期信号、データイネーブル信号等）等の他の信号を更に供給する場合もある。ホストシステム２は、例えば、音源再生装置、構内放送装置、ラジオ放送再生システム、テレビシステム、セットトップボックス、ナビゲーションシステム、光ディスクプレーヤー、コンピュータ、ホームシアターシステム、ビデオ電話システム等であり得る。なお、音響装置１とホストシステム２は一体の装置であってもよく、別の装置であってもよい。

制御部４０は、圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃに、共通の音声信号に基づく電圧を供給する。制御部４０は複数の半導体集積回路によって構成され得る。より具体的には、制御部４０は、プリアンプ、パワーアンプ等の増幅回路を含み得る。

図２は、第１実施形態に係る圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃの配置を示す平面図である。図３及び図４は、第１実施形態に係る圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃの配置を示す断面図である。図２乃至図４を相互に参照しつつ、圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃの配置を説明する。図２における振動部材２０の矩形の外枠は、振動部材２０の外形を模式的に示している。図２に示されているように、振動部材２０は、平板状であり、主面に垂直な方向からの平面視において矩形をなしている。

図３に示されているように、振動部材２０の面音源に相当する面を音源面２０ａ、音源面２０ａに対向する面を裏面２０ｂとする。このとき、図２は、裏面２０ｂ側から振動部材２０を見た透視平面図として図示されている。図２には、音源面２０ａの水平方向をｘ軸、音源面２０ａの垂直方向をｚ軸、音源面２０ａの奥行方向をｙ軸とした座標軸が示されている。また、裏面２０ｂから音源面２０ａに向かう方向をｙ軸の正方向としている。図３は、図２のＡ－Ａ’線における断面図であり、図４は、図２のＢ－Ｂ’線における断面図である。

図２乃至図４に示されているように、振動部材２０の裏面２０ｂの外周には、平面視において矩形の枠状をなしているフレーム２２の一面が接続されている。フレーム２２の振動部材２０が接続されている側と反対の面には、バックカバー２４が接続されている。振動部材２０とバックカバー２４は、空隙を介して対向している。これにより、振動部材２０、フレーム２２及びバックカバー２４は、音響装置１の筐体をなしている。圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、この筐体内に配される。

バックカバー２４は、圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃの振動により生じた音が筐体の背面方向から外部に漏出しないように、筐体の内部空間を遮蔽する。また、バックカバー２４は、圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃに外部から物体が接触しないようにする保護の機能を有している。振動部材２０及びバックカバー２４とフレーム２２との間は、例えば、不図示の圧着樹脂材料、接着剤、接着テープ等により接続され得る。フレーム２２は、例えば、金属、樹脂等の材料で構成され得る。バックカバー２４は、例えば、金属、樹脂、ガラス、硬質紙等の材料で構成され得る。しかしながら、フレーム２２及びバックカバー２４の材料は、特定の材料に限定されない。

振動部材２０が発音機能に加えてサイネージの機能を兼ねている場合には、サイネージにおける文章、絵、記号等のコンテンツは、振動部材２０の音源面２０ａ側から視認可能に配されている。すなわち、音源面２０ａは、コンテンツ配置面としての機能をも有している。コンテンツは、音源面２０ａに直接付されていてもよく、印刷等によりコンテンツが付された紙等の媒体が音源面２０ａに貼付されていてもよい。なお、コンテンツは、振動部材の音源面２０ａ以外の場所に付されていてもよい。例えば、バックカバー２４の外側面（振動部材２０に向かい合う面とは反対側の面）の面に配されていてもよい。この場合、バックカバー２４の外側面は、コンテンツ配置面としての機能をも有し得る。また、コンテンツは、音源面２０ａとバックカバー２４の外側面の両方に付されていてもよく、この場合、音源面２０ａとバックカバー２４の外側面の両方がコンテンツ配置面であり、両側から視認可能なサイネージが実現される。

圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃの各々は、平板状をなしている。図２に示されているように、圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃは平面視において、長手方向（図中のｘ方向）及び短手方向（図中のｚ方向）を有する矩形をなしている。これにより、電圧印加時の圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃには、長手方向に沿う断面（Ａ－Ａ’線）から見て屈曲するような変形が生じる。圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃの長手方向は、振動部材２０の端部と垂直になるように配置されている。

圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃの各々は２つの弾性部材３０を介して振動部材２０の裏面２０ｂに接続されている。すなわち、圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃの各々は、振動部材２０の同一の主面に接続されている。

弾性部材３０は、弾性を有する材料により構成された部材である。弾性部材３０の材料には、典型的には、圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃ及び振動部材２０よりも小さい弾性率を有する、ゴム等の材料が用いられる。圧電素子１０ａの長手方向の両端部と、振動部材２０の一部とは、弾性部材３０により接続されている。同様に、圧電素子１０ｂ、１０ｃの各々の長手方向の両端部と、振動部材２０の一部とは、弾性部材３０により接続されている。これにより、圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃの振動が振動部材２０に伝達され、振動部材２０は、入力された音声信号に基づく音を発する。圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃの長手方向の両端は、屈曲振動の腹になる部分である。そのため、弾性部材３０が圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃの長手方向の両端の近傍に接続されていることにより、振動が効率よく振動部材２０に伝達される。

図５は、第１実施形態に係る圧電素子１０ａの構造をより詳細に示す断面図である。図５は、図３とは向きが異なっているが、図３と同様に図２におけるＡ－Ａ’線における断面図を示している。また、図５では、圧電素子１０ａの近傍のみを拡大して示しているが、他の圧電素子１０ｂ、１０ｃも同様の構造を有している。また、図５では、圧電素子１０ａへの音声信号の入力方法を説明するため、圧電素子１０ａに含まれる各電極の接続関係を回路図により模式的に示している。

図５に示されている圧電素子１０ａは、２層の圧電層が積層されたバイモルフと呼ばれる構造をなしている。圧電素子１０ａは、電極１０１、１０３、１０５及び圧電層１０２、１０４を含む。最も振動部材２０に近い側に設けられている電極１０１は、弾性部材３０に接続されている。電極１０１及び電極１０３は、圧電層１０２を厚さ方向に挟むように配されている。電極１０３及び電極１０５は、圧電層１０４厚さ方向に挟むように配されている。圧電層１０２、１０４の内部に図示されている矢印は、圧電層１０２、１０４の分極方向を示している。すなわち、圧電層１０２及び圧電層１０４の分極方向は同一である。なお、電極１０１、１０３、１０５には、ハンダ付けなどにより各電極に電圧を印加するための配線が接続され得るが、図５においては配線の図示は省略されている。

圧電素子１０ａに印加される電圧は、音声信号に基づくものであるため、生成すべき音声の周波数に応じた交流電圧と考えることができる。図５では、この交流電圧を交流電源Ｖの回路記号で示している。交流電源Ｖの一方の端子は、電極１０１、１０５に接続されており、他方の端子は、電極１０３に接続される。言い換えると、電極１０１と電極１０５には同位相の電圧が印加され、電極１０１と電極１０３には逆位相の電圧が印加され、電極１０３と電極１０５にも逆位相の電圧が印加される。これにより、圧電層１０２と圧電層１０４には逆向きの電圧が印加される。

圧電層１０２、１０４の材料は、特に限定されるものではないが、変位量を大きくすることができるため、チタン酸ジルコン酸鉛等の圧電性が良好な材料であることが望ましい。また、図５の構成では不図示であるが、圧電素子１０ａの外周は他の部材とのショートを避けるために樹脂等の絶縁体で覆われていてもよい。

図６及び図７は、第１実施形態に係る圧電素子１０ａに電圧が印加されたときの変形を示す模式図である。図５に示されているように圧電層１０２、１０４の分極方向は同じ向きであり、圧電層１０２、１０４の印加電圧は逆向きである。これにより、圧電層１０２と圧電層１０４の伸縮方向は逆になる。

図６に示されているように、圧電層１０２が横方向に収縮するように変形するタイミングでは、圧電層１０４は、横方向に伸長する方向に変形する。これにより、圧電素子１０ａの端部は、振動部材２０に近づく方向に屈曲する。このとき、振動部材２０は、圧電素子１０ａから離れる方向に向かう応力を受けて変形する。

図７に示されているように、圧電層１０２が横方向に伸張するように変形するタイミングでは、圧電層１０４は、横方向に収縮する方向に変形する。これにより、圧電素子１０ａの端部は、振動部材２０から離れる方向に屈曲する。このとき、振動部材２０は、圧電素子１０ａの側に向かう応力を受けて変形する。

音声信号に基づく交流電圧が圧電素子１０ａに印加されると、音声の周波数で図６の状態と図７の状態が交互に繰り返される。このようにして、圧電素子１０ａの振動が振動部材２０に伝達され、振動部材２０が振動する。したがって、振動部材２０からは音声信号に基づく音が発せられるため、振動部材２０はスピーカの駆動ユニットとして機能する。なお、実際の音声には、可聴帯域の様々な周波数の音が重畳しているため、実際の振動の態様は図示したものよりも複雑なものであり得る。

本実施形態においては、複数の圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃのうちの一部が他の一部と異なる位相で振動するように構成されている。その具体例として、圧電素子１０ｂ（第２振動素子）が、圧電素子１０ａ（第１振動素子）及び圧電素子１０ｃ（第３振動素子）と逆位相で振動するように音声信号が入力される構成について、図８を参照して説明する。

図８は、第１実施形態に係る圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃへの音声信号の入力方法をより詳細に示す模式図である。制御部４０は、音声信号に基づく交流電圧を信号源の端子ｔ１（第１端子）及び端子ｔ２（第２端子）から出力するものとする。端子ｔ１と端子ｔ２の出力電位は互いに逆位相である。端子ｔ１は、圧電素子１０ａの電極１０１、１０５（第１電極）、圧電素子１０ｂの電極１０３（第２電極）及び圧電素子１０ｃの電極１０１、１０５に接続されている。端子ｔ２は、圧電素子１０ａの電極１０３（第２電極）、圧電素子１０ｂの電極１０１、１０５（第１電極）及び圧電素子１０ｃの電極１０３に接続されている。

この接続関係により、圧電素子１０ａの電極間に印加される電圧と、圧電素子１０ｂの電極間に印加される電圧の位相は互いに逆位相になっている。また、圧電素子１０ａの電極間に印加される電圧と、圧電素子１０ｃの電極間に印加される電圧の位相は互いに同位相になっている。これにより、例えば、圧電素子１０ａ、１０ｃが図６のような状態に変位しているとき、圧電素子１０ｂは、図７のような状態で変位し、圧電素子１０ａ、１０ｃが図７のような状態に変位しているとき、圧電素子１０ｂは、図６のような状態で変位する。このように、圧電素子１０ａ、１０ｃと、圧電素子１０ｂは、互いに逆位相の振動を振動部材２０に伝達する。

このように圧電素子１０ａ、１０ｃと圧電素子１０ｂとを互いに逆位相で振動させることの効果について、図９及び図１０を参照しつつ説明する。図９は、第１実施形態に係る音響装置１による効果を説明する模式図である。一般的に、振動板を振動させることにより音を発するスピーカにおいては、振動板の固有振動数と周波数に応じた振動板の振動状態が音圧レベルの周波数特性に大きな影響を与える。特に、高次の固有振動モード等に起因して、振動板が細かく波打つような振動姿態の分割振動が生じると、音圧レベルの低下、周波数特性におけるピーク及びディップの発生等の音質劣化が生じ得る。

本実施形態のような矩形平板状の振動部材２０においては、縦方向と横方向の共振が２次元的に結合した固有振動モードが生じるため、厳密には２次元又は３次元のモデルによる検討を行う必要がある。しかしながら、モデルの単純化のため、ここでは１次元のモデルで説明する。図９においては、振動部材２０の長手方向（ｘ方向）の１次元のみを考慮したモデルにおける振動姿態が、１次（ｎ＝１）から５次（ｎ＝５）までの５つの固有振動モードについて図示されている。これらの固有振動モードの各々の固有周波数は、高次のものほど高い。なお、この固有振動モードは、図２から図４に示されているように、振動部材２０の端部がフレーム２２によって支持されている境界条件を前提としたものである。

図９に示されているように、固有振動モードの次数に応じて振動の節と腹の位置が変化するとともに、変位の位相の位置依存性も変化する。例えば、１次の固有振動モードでは、振動部材２０の全体にわたって位相の符号が同一であるのに対し、２次の固有振動モードでは、振動部材２０の中心を境にして位相の符号が逆になっている。

ここで、３次の固有振動モードにおいては、振動部材２０の両端付近においては位相が同符号であり、振動部材２０の中心付近においては両端付近と位相の符号が逆である。この位相の関係は、図８の説明で述べたような圧電素子１０ａ、１０ｃと圧電素子１０ｂとの振動が逆位相であるという位相の関係と一致している。また、図９に示されているように、圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃの各々の位置が３次の固有振動モードの腹の位置と対応している。したがって、本実施形態における各圧電素子の位相の関係は、他の固有振動モードと比較して３次の固有振動モードを強く励起しやすいものとなっている。一方、２次及び４次以上の固有振動モードは、位相の関係が圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃと一致していないことから、励起されにくい。

このように、本実施形態のように、複数の圧電素子の一部を逆位相で振動させることにより、比較的低い次数の固有振動モードを励起しやすくしつつ、より高次の固有振動モードが励起されにくくなるように制御される。そのため、高次の固有振動モード等に起因して振動板が細かく波打つような分割振動が生じにくくなる。したがって、本実施形態によれば、このような分割振動に起因する音質劣化が軽減され得る。

図１０は、第１実施形態に係る音響装置１による効果を説明するグラフである。図１０は、本実施形態の構成と、２つの比較例（第１比較例及び第２比較例）の音圧レベルの周波数特性を示している。図１０の縦軸は、所定の電圧を音響装置１に印加したときに、音響装置１から発せられる音圧を任意単位により示したものである。図１０の横軸は、圧電素子に印加される電圧の周波数を示したものである。ここで、周波数の単位はヘルツ（Ｈｚ）である。なお、図１０は、両対数グラフである。

第１比較例は、圧電素子１０ｂに電圧を印加しないことにより、圧電素子１０ａ、１０ｃのみを同位相で振動させ、圧電素子１０ｂを振動させないようにした例である。第２比較例は、圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃをいずれも同位相で振動させるように、３つの圧電素子に同位相の電圧を印加した例である。

まず、図１０において、第１実施形態の特性と第１比較例の特性とを比較すると、第１実施形態の方が１００Ｈｚから５００Ｈｚ付近及び６００Ｈｚから１５００Ｈｚ付近の低音域から中音域にわたる帯域において顕著に音圧が向上していることがわかる。したがって、逆位相で振動する圧電素子１０ｂを追加することにより、音圧を向上させる効果が得られていることがわかる。

また、第１実施形態の特性と第２比較例の特性とを比較すると、同じく低音域から中音域にわたる帯域において、第１実施形態の特性の方が高い音圧が得られることがわかる。したがって、圧電素子１０ｂの位相は、圧電素子１０ａ、１０ｃと同位相ではなく逆位相であることが望ましいことがわかる。以上のように、図１０のグラフによれば、第１実施形態に係る音響装置１は、圧電素子１０ａ、１０ｃと逆位相で振動する圧電素子１０ｂを設けたことにより、低音域から中音域にわたる帯域において音圧を向上させる効果が得られることがわかる。このように、本実施形態によれば、可聴帯域における音圧の周波数特性がフラットに近づき、音質が向上された音響装置１が提供される。

なお、第２比較例の低音域から中音域における音圧は、第１比較例のそれよりも低い。すなわち、圧電素子１０ａ、１０ｃに対し同位相で振動する圧電素子１０ｂを追加すると、動作する圧電素子の個数が増加したにもかかわらず音圧が低下する。このように第１比較例と第２比較例のグラフを対比することにより、位相の関係を考慮することなく単に同位相の圧電素子１０ｂを設けて圧電素子の個数を増加させるという手法では音質が向上しない場合、あるいは劣化する場合があることがわかる。そして、第１実施形態と第２比較例のグラフを対比することにより、圧電素子１０ｂと圧電素子１０ａ、１０ｃとの位相の関係を適切に設定して固有振動モードを制御することが音圧向上に寄与する重要な要素であることが理解される。本実施形態においては、これらの知見を踏まえて圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃの位相の関係を設定することで、音響装置１の音質向上が実現されている。

［第２実施形態］
本実施形態では、第１実施形態に係る音響装置１の変形例を説明する。第１実施形態と共通する要素については説明を省略又は簡略化することがある。

図１１は、第２実施形態に係る圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃの配置を示す平面図である。図１２は、第２実施形態に係る圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃの配置を示す断面図である。図１１及び図１２を相互に参照しつつ、圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃの配置を説明する。図１２は、図１１のＡ－Ａ’線における断面図である。図１１のＢ－Ｂ’線における断面図は、図４と同様であるため図示及び説明を省略する。

図１１及び図１２に示されているように、圧電素子１０ａと圧電素子１０ｃの各々は、第１実施形態と同様の構造により、圧電素子の長手方向の両端部（第１接続部）において弾性部材３０を介して振動部材２０に接続されている。これに対し、圧電素子１０ｂは、圧電素子１０ｂの中心付近（第２接続部）において、弾性部材３０を介して振動部材２０に接続されている。この点が、本実施形態と第１実施形態との相違点である。圧電素子１０ｂの中心付近も、屈曲振動の腹になる部分である。そのため、弾性部材３０が圧電素子１０ｂの中心付近に接続されていることにより、振動が効率よく振動部材２０に伝達される。

図１３は、第２実施形態に係る圧電素子１０ｂの構造をより詳細に示す断面図である。図１３は、図１２とは向きが異なっているが、図１２と同様に図１１におけるＡ－Ａ’線における断面図を示している。また、図１３では、圧電素子１０ｂの近傍のみを拡大して示している。なお、他の圧電素子１０ａ、１０ｃは、第１実施形態の図５と同様の構造を有している。また、図１３では、圧電素子１０ｂへの音声信号の入力方法を説明するため、圧電素子１０ｂに含まれる各電極の接続関係を回路図により模式的に示している。図１３において、圧電素子１０ｂと振動部材２０とを接続する弾性部材３０の配置以外の構造、電圧の印加方向等は、図５に示すものと同様であるため、説明を省略する。

図１４及び図１５は、第２実施形態に係る圧電素子１０ｂに電圧が印加されたときの変形を示す模式図である。図５に示されているように圧電層１０２、１０４の分極方向は同じ向きであり、圧電層１０２、１０４の印加電圧は逆向きである。これにより、圧電層１０２と圧電層１０４の伸縮方向は逆になる。

図１４に示されているように、圧電層１０２が横方向に収縮するように変形するタイミングでは、圧電層１０４は、横方向に伸長する方向に変形する。これにより、圧電素子１０ｂの端部は、振動部材２０に近づく方向に屈曲する。このとき、振動部材２０は、圧電素子１０ｂの側に向かう応力を受けて変形する。

図１５に示されているように、圧電層１０２が横方向に伸張するように変形するタイミングでは、圧電層１０４は、横方向に収縮する方向に変形する。これにより、圧電素子１０ｂの端部は、振動部材２０から離れる方向に屈曲する。このとき、振動部材２０は、圧電素子１０ｂから離れる方向に向かう応力を受けて変形する。

図１４の圧電素子１０ｂの両端に弾性部材３０が配されている構造と、図６の圧電素子１０ａ中心付近に弾性部材３０が配されている構造とを比較する。このとき、図６と図１４では、圧電素子１０ａ、１０ｂの変位は、端部が振動部材２０に近づく方向に屈曲している点で同一である。一方、振動部材２０に着目すると、図６の振動部材２０は圧電素子１０ａから離れる方向に向かう応力を受けて変形しているのに対し、図１４の振動部材２０は圧電素子１０ｂの側に向かう応力を受けて変形している。すなわち、図６の圧電素子１０ａと図１４の圧電素子１０ｂの変位は同位相であるのに対し、図６の振動部材２０と図１４の振動部材２０の変位は逆位相になっている。

また、図７と図１５を比較した場合も上述と同様の位相の関係となっている。すなわち、図７の圧電素子１０ａと図１５の圧電素子１０ｂの変位は同位相であるのに対し、図７の振動部材２０と図１５の振動部材２０の変位は逆位相になっている。

図１６は、第２実施形態に係る圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃへの音声信号の入力方法をより詳細に示す模式図である。制御部４０は、音声信号に基づく交流電圧を端子ｔ１及び端子ｔ２から出力するものとする。端子ｔ１は、圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃの各々の電極１０１、１０５に接続されている。端子ｔ２は、圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃの各々の電極１０３に接続されている。

この接続関係により、圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃの電極間に印加される電圧の位相はいずれも同位相になっている。このとき、上述のように、圧電素子１０ａ、１０ｃが振動部材２０に与える応力と、圧電素子１０ｂが振動部材２０に与える応力とは逆位相である。すなわち、圧電素子１０ａ、１０ｃと、圧電素子１０ｂは、互いに逆位相の振動を振動部材２０に伝達する。

このように、本実施形態においては、音響装置１の構成が第１実施形態と異なっており、印加される電圧の位相も異なっているものの、圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃが振動部材２０に与える振動の位相の関係は第１実施形態と同様である。したがって、本実施形態においても第１実施形態と同様の効果が得られる。

［第３実施形態］
本実施形態では、第１実施形態に係る音響装置１の変形例を説明する。第１実施形態と共通する要素については説明を省略又は簡略化することがある。

図１７は、第３実施形態に係る圧電素子１０ｂの構造をより詳細に示す断面図である。図１７は、図５と同様に図２におけるＡ－Ａ’線における断面図を示している。また、図１７では、圧電素子１０ｂの近傍のみを拡大して示している。なお、他の圧電素子１０ａ、１０ｃは、第１実施形態の図５と同様の構造を有している。また、図１７では、圧電素子１０ｂへの音声信号の入力方法を説明するため、圧電素子１０ｂに含まれる各電極の接続関係を回路図により模式的に示している。圧電層１０２、１０４の内部の矢印は、圧電層１０２、１０４の分極方向を示している。本実施形態では、図５に示されている圧電素子１０ａ、１０ｃにおいては、分極方向が上向き（ｙ軸の負方向）であるのに対し、図１７に示されている圧電素子１０ｂにおいては、分極方向が下向き（ｙ軸の正方向）である。すなわち、圧電素子１０ｂは、圧電素子１０ａ、１０ｃに対して分極方向が逆向きである。なお、図１７において、圧電素子１０ｂの分極方向以外に関しては、図５に示すものと同様であるため、説明を省略する。

図１８は、第３実施形態に係る圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃへの音声信号の入力方法をより詳細に示す模式図である。制御部４０は、音声信号に基づく交流電圧を端子ｔ１及び端子ｔ２から出力するものとする。端子ｔ１は、圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃの各々の電極１０１、１０５に接続されている。端子ｔ２は、圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃの各々の電極１０３に接続されている。

この接続関係により、圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃの電極間に印加される電圧の位相はいずれも同位相になっている。圧電素子に生じる変位の向きは、電圧の印加方向と分極方向によって決まる。２つの同構造の圧電素子において、電圧の印加方向が同一で、かつ圧電体の分極方向が逆である場合、電圧により生じる力の向きが逆になるため、圧電素子に生じる変位の向きも逆向きとなる。したがって、図１８の構成において、圧電素子１０ａ、１０ｃが振動部材２０に与える応力と、圧電素子１０ｂが振動部材２０に与える応力とは逆位相である。すなわち、圧電素子１０ａ、１０ｃと、圧電素子１０ｂは、互いに逆位相の振動を振動部材２０に伝達する。

このように、本実施形態においては、音響装置１の構成が第１実施形態と異なっており、印加される電圧の位相も異なっているものの、圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃが振動部材２０に与える振動の位相の関係は第１実施形態と同様である。したがって、本実施形態においても第１実施形態と同様の効果が得られる。

［第４実施形態］
本実施形態では、第１乃至第３実施形態に係る音響装置１が表示装置であり、振動部材２０が表示装置の表示パネルの機能を兼ねている場合の具体的な構成例を説明する。第１乃至第３実施形態と共通する要素については説明を省略又は簡略化することがある。

図１９は、第４実施形態に係る表示装置３の概略構成図である。本実施形態の表示装置３の用途は、例えば、電子ポスター、デジタル掲示板、電子広告板、コンピュータのスクリーン、テレビジョン受像機等であり得る。ホストシステム２、圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、制御部４０の構造は第１乃至第３実施形態のいずれかと同様であるため説明を省略する。

図１９に示されているように、表示装置３は、圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、制御部４０、パネル制御部６０、データ駆動回路７０、ゲート駆動回路８０及び表示パネル９０を有する。表示装置３は、入力されたＲＧＢデータ等に基づいて表示パネル９０に画像を表示し、入力された音声信号等に基づいて音声を発する装置である。

パネル制御部６０は、ホストシステム２から入力された画像データ及びタイミング信号に基づいてデータ駆動回路７０及びゲート駆動回路８０を制御する。データ駆動回路７０は、複数の画素Ｐの列ごとに配された駆動線７１を介して複数の画素Ｐにデータ電圧等を供給する。ゲート駆動回路８０は、複数の画素Ｐの行ごとに配された駆動線８１を介して複数の画素Ｐに制御信号を供給する。なお、駆動線７１及び駆動線８１の各々は、複数の配線により構成されていてもよい。

表示パネル９０は、複数の行及び複数の列をなすように配された複数の画素Ｐを含む。表示装置３は、例えば、画素Ｐの発光素子として有機発光ダイオード（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔ－Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ；ＯＬＥＤ）が配された表示パネル９０を用いたＯＬＥＤディスプレイであり得る。あるいは、表示装置３は、液晶材料、偏光板等を備える液晶パネルを表示パネル９０として用いた液晶ディスプレイ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ；ＬＣＤ）であってもよい。これらの構造によれば、表示パネル９０を薄くすることができるため、表示装置３の薄型化に好適である。表示装置３がカラー画像を表示可能である場合には、画素Ｐは、カラー画像を構成する複数の色（例えばＲＧＢ）のいずれかを表示する副画素であり得る。

制御部４０、パネル制御部６０、データ駆動回路７０及びゲート駆動回路８０の各々は、１又は複数の半導体集積回路によって構成され得る。また、制御部４０、パネル制御部６０、データ駆動回路７０及びゲート駆動回路８０のうちの一部又は全部は、１つの半導体集積回路として一体に構成されていてもよい。

本実施形態の表示装置３は、ホストシステム２から画像信号（例えばＲＧＢデータ）、音声信号及びタイミング信号（垂直同期信号、水平同期信号、データイネーブル信号等）が供給されることにより、画像を表示し、かつ音を発する。表示パネル９０は、画像の表示を行う画像表示面と、画像表示面と対向する裏面を有する。表示パネル９０の裏面には、弾性部材３０を介して圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃが接続されている。これにより表示パネル９０は、画像表示の機能と、第１乃至第３実施形態における振動部材２０の機能とを有する。そのため、本実施形態では、表示パネル９０から表示された画像から音が発せられるような音響効果を有する表示装置３を提供することができる。

［その他の実施形態］
上述の実施形態は、本発明を適用しうるいくつかの態様を例示したものに過ぎず、本発明の技術的範囲は、上述の実施形態によって限定的に解釈されてならない。また、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜修正や変形を行って様々な態様で実施可能である。例えば、いずれかの実施形態の一部の構成を、他の実施形態に追加した実施形態、あるいは他の実施形態の一部の構成と置換した実施形態も本発明を適用し得る実施形態であると理解されるべきである。以下、上述の実施形態に適用されうる変形例を列挙する。

上述の実施形態において、圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃの構造例として、２層の圧電層１０２、１０４が積層されているバイモルフを例示したが、これに限られるものではない。例えば、圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、１層の圧電層と圧電層を挟む２層の電極を含むユニモルフであってもよい。この場合、バイモルフと比べて素子構造が単純化される利点がある。また、圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、３層以上の複数層の圧電層と、各圧電層を挟む４層以上の電極を含むマルチモルフであってもよい。この場合、ユニモルフ及びバイモルフと比べて、同じ印加電圧に対する変位が大きくなり、音圧が向上する。

また、圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃの構造は、ユニモルフ、バイモルフ又はマルチモルフを複数個積層したものであってもよい。この構造では、複数個の素子で生じる変位が重畳されるため、音圧が向上する。

上述の実施形態において、圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃの平面形状は、屈曲変位をさせやすくする観点から縦横の比率が異なる矩形である例を示しているが、これに限られるものではない。例えば、圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃの平面形状は、円形、正多角形等の対称性を有する形状であってもよい。この場合、振動の分布が２次元的に均一になりやすくなり、振動部材２０での共振を生じにくくする効果が得られる。また、圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃの平面形状は、辺の長さが均一でない多角形であってもよく、曲線を含む図形であってもよい。

また、上述の実施形態では、３個の圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃが設けられている例を示しているが、互いに異なる位相の振動を前記振動部材に伝達することが可能であればその個数は適宜変更可能である。例えば、圧電素子１０ａ、１０ｂの２個のみであってもよく、４個以上であってもよい。４個以上である場合には、対応する次数の固有振動モードを効果的に励振するため、圧電素子１０ａと同様の構成を有する圧電素子と、圧電素子１０ｂと同様の構成を有する圧電素子とが交互に設けられていることが望ましい。

また、上述の実施形態では、圧電素子１０ａ、１０ｃと圧電素子１０ｂとの間の変位は逆位相であるが、位相差が厳密に逆位相（すなわち、位相差が１８０°）であることは必須ではない。圧電素子１０ａ、１０ｃと圧電素子１０ｂの位相差が１８０°から多少ずれていてもよく、その場合であっても音質向上の効果が得られる。

また、上述の実施形態では、振動部材２０を振動させる振動素子の例として、圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃを挙げているが、音声振動に応じた振動を振動部材２０に伝達可能なものであれば振動素子の駆動方式は圧電型に限定されない。例えば、圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃに代えて、ダイナミック型、静電型等の他の方式の振動素子を用いてもよい。しかしながら、圧電素子は、他の方式の振動素子と比べて薄くすることが可能であるため、サイネージ、表示装置等の薄型化が求められる用途においてより好適である。

１ 音響装置
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ 圧電素子
２０ 振動部材
３０ 弾性部材
４０ 制御部

Claims (17)

1. 共通の音声信号に応じて振動する複数の振動素子と、
   前記複数の振動素子が同一の主面に接続されている振動部材と、
   を備え、
   前記複数の振動素子は、第１振動素子及び第２振動素子を含み、
   前記第１振動素子及び前記第２振動素子は、互いに異なる位相の振動を前記振動部材に伝達する
   ことを特徴とする音響装置。
2. 前記第１振動素子及び前記第２振動素子は、互いに逆位相の振動を前記振動部材に伝達する
   ことを特徴とする請求項１に記載の音響装置。
3. 前記第１振動素子及び前記第２振動素子には、前記音声信号が互いに異なる位相で入力される
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の音響装置。
4. 前記第１振動素子及び前記第２振動素子には、前記音声信号が互いに逆位相で入力される
   ことを特徴とする請求項３に記載の音響装置。
5. 前記第１振動素子及び前記第２振動素子の各々は、第１電極及び第２電極を有し、
   前記音声信号を出力する信号源は、互いに逆位相の信号を出力する第１端子及び第２端子を有し、
   前記第１端子が、前記第１振動素子の前記第１電極及び前記第２振動素子の前記第２電極と接続されており、
   前記第２端子が、前記第１振動素子の前記第２電極及び前記第２振動素子の前記第１電極と接続されている
   ことを特徴とする請求項４に記載の音響装置。
6. 前記第１振動素子上において前記第１振動素子と前記振動部材が接続される第１接続部の位置と前記第２振動素子上において前記第２振動素子と前記振動部材が接続される第２接続部の位置とが互いに異なっている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の音響装置。
7. 前記複数の振動素子は、矩形の平板であり、
   前記第１接続部は前記平板の中心を含み、前記第２接続部は、前記平板の前記中心から前記平板の長手方向に離れた位置を含む
   ことを特徴とする請求項６に記載の音響装置。
8. 前記複数の振動素子の各々は、圧電素子である
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の音響装置。
9. 前記複数の振動素子の各々は、圧電素子であり、
   前記第１振動素子が有する圧電体の分極方向と、前記第２振動素子が有する圧電体の分極方向とが互いに異なる、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の音響装置。
10. 前記第１振動素子及び前記第２振動素子には、前記音声信号が互いに同位相で入力される
    ことを特徴とする請求項６、７又は９に記載の音響装置。
11. 前記複数の振動素子は、第３振動素子を更に含み、
    前記第１振動素子及び前記第３振動素子は、互いに同位相の振動を前記振動部材に伝達する
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の音響装置。
12. 前記第２振動素子は、前記主面に対する平面視において、前記第１振動素子と前記第３振動素子の間に配されている
    ことを特徴とする請求項１１に記載の音響装置。
13. 前記振動部材は矩形の平板状であり、
    前記第１振動素子、前記第２振動素子及び前記第３振動素子は、前記振動部材の長手方向に並んで配されている
    ことを特徴とする請求項１２に記載の音響装置。
14. 前記振動部材は、表示装置の表示パネルであり、
    前記振動部材は、画像が表示される画像表示面と、前記画像表示面に対向する前記主面とを有し、
    前記第１振動素子及び第２振動素子の振動は、前記表示パネルの前記主面に伝達される
    ことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の音響装置。
15. 前記表示パネルは、有機発光ダイオード（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔ－Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ；ＯＬＥＤ）を含む
    ことを特徴とする請求項１４に記載の音響装置。
16. 前記表示パネルは、液晶パネルを含む
    ことを特徴とする請求項１４に記載の音響装置。
17. 前記振動部材は、サイネージであり、
    前記振動部材は、前記サイネージのコンテンツが視認可能に配されるコンテンツ配置面と、前記コンテンツ配置面に対向する前記主面とを有し、
    前記第１振動素子及び第２振動素子の振動は、前記サイネージの前記主面に伝達される
    ことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の音響装置。

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