JP7639181B2 - スピーカシステム及びその応用方法 - Google Patents

Description

本願は、２０２１年９月７日に中国専利局に提出された、出願番号が２０２１１１０４２０００．４で受理された中国特許出願の優先権を主張し，この出願の全ての内容は、引用により本願に組み込まれる。

本願は、スピーカ製造の技術分野、例えば、スピーカシステム及びその応用方法に関する。

テレビ業界では、ブラウン管方式を用いた表示機器の台頭から、プラズマ方式や液晶方式などを用いた薄型表示機器である薄型テレビへと変遷している。近年、有機発光半導体などを用いた、自発光方式の表示機能を有する超薄型テレビが、市場で広く認められて、ほとんどのブラウン管式のテレビメーカが生産を停止している。冷陰極管の発光装置から発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ－Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ、ＬＥＤ）の発光装置への変遷は、液晶テレビの薄型化を実現した。理想的な形式は、冷陰極管などの重量を持つ機器が削除された後の軽量化の付加価値と組み合わせた壁掛け式テレビ製品であり、そのうち、特に、自発光型表示装置である有機発光ダイオード（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔ－Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ、ＯＬＥＤ）は、厚さが０．５ｍｍ～０．７ｍｍであり、さらに、外部にＬＥＤなどの発光装置が必要とされないため、従来の液晶表示装置よりも更に薄い超薄型テレビを実現する可能性がある。また、ＬＥＤを取り付けるスペースが不要なため、窄額縁型テレビの製品化も実現した。しかしながら、ＯＬＥＤは、上記１ｍｍ以下の圧倒的な薄型のメリットを有しているものの、現在は窄額縁しか実用化されておらず、壁掛け構造を有する薄型テレビの実用化はまだ困難である。

テレビの基本的な機能は、画像の表示及び音声の出力であり、画像の表示は、ＯＬＥＤが窄額縁構造を有するという付加価値により実現される。音声の出力は主に、テレビ筐体の背面に電磁式スピーカを取り付けるという方法により実現されるが、電磁式スピーカの凹凸形状は、その厚さが厚すぎてしまう。現在、薄型電磁式スピーカの限界直径は２０ｍｍ程度で、テレビに必要な再現周波数を実現するために実際に用いられる電磁式スピーカの最小直径は約２５ｍｍ程度であり、このサイズの図２２に示されるようなスピーカをテレビの背面に取り付けると、ＯＬＥＤにより得られた１ｍｍ以下の厚さのメリットは相殺され、テレビのケースは厚くなる。また、テレビの背面に突起部が生じてしまい、壁掛け式スピーカは、デザイン性の面からも実現しにくい。スピーカをテレビの側面に取り付ければ、テレビの背面が平らになり、壁掛けの実用化は可能であるが、窄額縁のデザイン性が崩されてしまう。

ここでは、ライブ感を最大付加価値とした映画館の映像再生原理を簡単に紹介する。映画館におけるメッシュ状のスクリーンの背面には、視聴者へ音声を出すように、視聴者に向けたスピーカが設けられており、このメッシュ状物を通じた音声が視聴者に直接伝えられるため、視聴者は、登場人物の声がスクリーンから発せられていると感じたり、映像から直接効果音が聞こえていると感じることができ、ライブ感を強く感じられる。しかし、上記のテレビのように、背面にスピーカが配置されている場合、視聴者へ直接音声を発することができないため、映像と音声との空間的な偏差が生じ、ライブ感が欠いた映像表示となってしまう。

関連技術におけるフラットパネルスピーカは、励振素子が薄パネルを振動させることにより音声を発生させ、薄板状部材に駆動源、例えば電磁ソレノイド、圧電セラミックスなどの励振素子が貼り付けられて励振されたパネルが音声を発生させる機能を有する。ディスプレイから直接音声を発することができるため、臨場感のある映像再生が可能になる。

しかしながら、関連技術におけるフラットパネルスピーカ装置は、使用過程における現在のＯＬＥＤなどの超薄型表示機器への振動影響を考慮していない。被励振物から得られた音声の大きさＰは、幅の大きさＸによって決まり、且つ、通常はＰ∝Ｘの関係を築くことができる。また、Ｘは、励振物が有する力Ｆと被励振物の剛性Ｋとの関係に基づいて、フックの法則Ｘ＝Ｆ／Ｋを成立させる。ＬＥＤが必要な液晶パネルの場合、背面の導光板を含めると、液晶パネル及び導光板を備える表示パネルの全体的な厚さは３ｍｍ～４ｍｍである。ＯＬＥＤ液晶パネルの厚さは、上記のように、０．５ｍｍ～０．７ｍｍである。この表示装置の全体的な表示パネルの剛性はＫであり、そのヤング率をＥとし、断面二次モーメントをＩとし、表示パネルの幅をａとし、長さをＬとし、厚さをｈとするとき、Ｉ＝ａｈ^３／３であるため、Ｋ＝４８ＥＩ／Ｌ^３＝１６Ｅａｈ^３／Ｌ^３が得られ、同じ長さの構造において、表示パネルの厚さの剛性Ｋは、表示パネルの厚さの３乗によって決まることが分かる。仮にＯＬＥＤの厚さが０．７ｍｍであり、液晶パネルの厚さが３ｍｍであれば、
が得られ、ＯＬＥＤ及びＬＥＤ液晶パネルの剛性は、大きく異なっていると表明される。ＯＬＥＤ及びＬＥＤ液晶パネルの等価曲げに必要な力の間には、
倍の差が生じる。

関連技術では、ＯＬＥＤの背面に振動アクチュエータが貼り付けられた構造が提出された。ＯＬＥＤは、表示機能を有する被励振物であり、励振素子により小さな力で比較的大きな振動を発生させて映像及び画像を表示することができる。そのため、励振素子の励振により大きな音声が得られる場合、ＯＬＥＤに振動が加わらなければならないが、表示機器が振動すると、視聴者が見ている映像又は画像に画面ぶれが発生するという問題がある。

本願は、ＯＬＥＤ自発光式表示装置の振動により発音する圧電スピーカと、表示装置と分離して設けられる電磁式駆動スピーカとを兼備し、映像と音声との空間的な偏差を減少し、さらに、ライブ感を有する映像表示を提供することができる、特にテレビに適用されるスピーカシステム及びその応用方法を提出している。

本願の実施例は、圧電スピーカと電磁式スピーカとを備えるスピーカシステムを提出し、そのうち、圧電スピーカと電磁式スピーカとの交差周波数は５００Ｈｚ以上であり、前記圧電スピーカは表示装置の背面に設けられており、前記電磁式スピーカは表示装置の底部に設けられている。

本願は、前記スピーカシステムをテレビに応用するスピーカシステムの応用方法をさらに提出し、前記テレビの厚さ範囲が０．５ｍｍ～２．０ｍｍであり、且つ前記テレビが出力するオーディオ信号が５００Ｈｚ未満であると決定されたことに応じて、電磁式スピーカを採用して音声を放送し、前記テレビの厚さ範囲が０．５ｍｍ～２．０ｍｍであり、前記テレビが出力するオーディオ信号が３０００Ｈｚより大きいと決定されたことに応じて、圧電スピーカを採用して音声を放送する。

本願の一実施例におけるＯＬＥＤスクリーンに対する異なるサイズの圧電セラミックス素子の貼り付け位置の模式図である。 関連技術におけるディスプレイの励振された後の１０ＫＨｚ周波数における調波振動のシミュレーション解析の模式図である。 本願の一実施例に係る異なるテレビのスクリーンサイズにおける、振動が発生したときの共振周波数である。 本願の一実施例に係るＯＬＥＤをディスプレイとして採用したテレビの発声の模式図である。 本願の一実施例に係る視聴者がテレビを見ているときの人とテレビとの位置の模式図である。 本願の一実施例に係る年齢層が１０代である視聴者を選出して異なるテレビのサイズの画像ぶれを感知させた周波数データである。 本願の一実施例に係る年齢層が１０代である視聴者を選出して異なるテレビのサイズの画像ぶれを感知させた周波数のグラフである。 本願の一実施例に係る年齢層が２０代である視聴者を選出して異なるテレビのサイズの画像ぶれを感知させた周波数のグラフである。 本願の一実施例に係る年齢層が４０代である視聴者を選出して異なるテレビのサイズの画像ぶれを感知させた周波数のグラフである。 本願の一実施例に係る年齢層が６０代である視聴者を選出して異なるテレビのサイズの画像ぶれを感知させた周波数のグラフである。 本願の一実施例に係る異なるテレビのサイズの画像ぶれに対して視聴者が感知可能な周波数のグラフである。 本願の一実施例に係る低周波スピーカがテレビの下部に視聴者に面して設けられる模式図である。 本願の一実施例に係るフラットパネル式スピーカ及び電磁式スピーカを採用してなるデジタルオーディオ処理及び駆動回路の模式図である。 本願の一実施例に係る１９インチのテレビが放送している異なる番組に対する異なる年齢層の視聴者の臨場感の周波数データである。 本願の一実施例に係る５０インチのテレビが放送している異なる番組に対する異なる年齢層の視聴者の臨場感の周波数データである。 本願の一実施例に係る８０インチのテレビが放送している異なる番組に対する異なる年齢層の視聴者の臨場感の周波数データである。 本願の一実施例に係る圧電スピーカ振動子の構造模式図である。 本願の一実施例に係る圧電素子がＯＬＥＤの背面側に貼り付けられる模式図である。 本願の一実施例に係る圧電スピーカ振動子のリード電極の模式図である。 本願の一実施例に係る異なる信号状態におけるＯＬＥＤ表示パネルの形態の模式図である。 本願の一実施例に係るＯＬＥＤ表示パネルの周波数応答グラフである。 本願の一実施例に係る低音反射型スピーカシステムの構造模式図である。 本願の一実施例に係る低音反射型スピーカシステムの周波数応答グラフである。 本願の一実施例に係る圧電スピーカ及び電磁スピーカシステムを同時に駆動した周波数応答グラフである。 本願の他の実施例に係る圧電素子が追加された後のＯＬＥＤ表示パネルの貼り付け方式の模式図である。 本願の一実施例に係る複数の圧電素子の構造におけるＯＬＥＤ表示パネルの周波数応答グラフである。 本願の一実施例に係る圧電スピーカがローパスフィルタリングを採用した後の周波数応答グラフである。 本願の一実施例に係る圧電スピーカ及び電磁スピーカシステムを駆動した周波数応答グラフである。 本願の他の実施例に係る圧電スピーカ振動子の構造模式図である。 本願の一実施例に係る異なる電圧における分極された後の圧電素子の歪みの模式図である。 本願の一実施例に係る分極された後の圧電素子に交流電圧が加わるときの変位歪みの模式図である。 本願の一実施例に係る振動素子が支持部材を中心に上下に湾曲変形する模式図である。 本願の一実施例に係る振動素子が支持部材を中心に上下に湾曲振動する模式図である。 本願の他の実施例に係るフラットパネル圧電スピーカ振動子の構造模式図である。 本願の他の実施例に係るフラットパネル圧電スピーカ振動子の構造模式図である。 本願の他の実施例に係るフラットパネル圧電スピーカ振動子の構造模式図である。

第１の圧電素子１、第１の外部電極２、第３の外部電極３、高圧電界方向４、第２の外部電極５、半田６、第１のリード７、第２のリード８、透明ガラス基板９、有机ＥＬパネル１０、第２の圧電素子１１、反射性スピーカシステム１２、開口腔１３、サブウーファ１４、筐体１５、分極方向１６、金属薄板１７、支持部材１８。

以下、図面及び実施例を参照しながら、本願についてさらに説明する。

関連技術において、液晶ディスプレイなどの表示装置に励振用のアクチュエータを貼り付けて音声を生成するができる。図１は、本願の一実施例におけるＯＬＥＤスクリーンに対する異なるサイズの圧電セラミックス素子の貼り付け位置の模式図である。図２は、関連技術におけるディスプレイの励振された後の１０ＫＨｚ周波数における調波振動のシミュレーション解析の模式図であり、励振されたディスプレイは、図２に示されるように、１０ｋ周波数の分割振動を有し、前記分割振動は、空气を振動させ、音声として人の耳に伝えられる。振動体に振動変位が発生して音声の出力が発生したときの音声強度Ｉは、
という数式で表され、数式において、ρ、ｃは気体の温度及び気圧によって少し異なるが、ここでは、ρ及びｃを定数として考察を行うことができる。

このような場合、音声の強度Ｉは、
という数式で表され、すなわち、音声強度Ｉは振動体の周波数及び変位量によって決まり、且つ、高周波では、大きな変位を必要とせずに所望の音声の強度を得られることを意味する。しかしながら、テレビの実際の使用における広い周波数範囲、特に低周波範囲において音声の一定の強度を保持するには、高周波範囲よりも大きな変位量が必要である。

本願に記載のディスプレイは、テレビ画像を展示する装置とされているため、ディスプレイ自身に大きな振動が発生すると、見られている画像にも大きな揺れが発生し、画像にぶれ現象（以下、画面ぶれ現象と称する）が現れ、これにより、テレビの基本的な機能が損なわれてしまう。そのため、テレビのディスプレイの振動により音声を発生させる場合、ディスプレイの振動のみにより、低周波から高周波までの全帯域の音声の再生を行うことは現実的ではない。

したがって、本願は、ディスプレイの振動が音声を発生させる圧電スピーカと、上記低周波振動における画像ぶれを防ぐために、低周波帯域を再現するように効果的に駆動する電磁式スピーカとを同時に使用し、両者は、テレビ用の圧電スピーカが実用化されるキーとなる要素である。

一般的には、家庭で用いられているテレビのスクリーンサイズは、１９インチから８０インチ程度である。ＯＬＥＤにより映像を出力する場合、振動の共振周波数は、テレビのスクリーンサイズによって異なる。図３は、本願の一実施例に係る異なるテレビのスクリーンサイズにおける振動が発生したときの共振周波数である。１９インチから８０インチの異なるサイズの共振周波数を算出することにより得られた結果である。図３において、ｔはテレビのスクリーンの厚さを表し、ｘはテレビのスクリーンの長さを表し、ｙはテレビのスクリーンの幅を表す。ここで、ＯＬＥＤの外周の解析モデルを作成し、且つ、厚さを０．３ｍｍから１ｍｍにする。図３からわかるように、共振周波数はスクリーンのサイズ及び厚さによって決まる。

また、０．３ｍｍ～１ｍｍのスクリーンの厚さの範囲では、多くのテレビの１次共振周波数はいずれも１００Ｈｚ以下であるが、一般的には、テレビ用のスピーカの再現帯域は１００Ｈｚ～１２ｋＨｚであるため、音声を再生するように、ＯＬＥＤを励振して、その共振周波数を増加させる必要がある。

ここで、人の視覚において画面ぶれを感じさせるパネルの振動周波数を把握する必要がある。そこで、以下の実験が行われる。

（１）１０～６０歳の視聴者を年齢により６つの部分に区分し、１０名の視聴者をランダムに抽出する。

（２）ＯＬＥＤ液晶スクリーンがディスプレイとされるテレビを視聴者に見させる。

（３）この際に用いられるテレビの表示装置が採用したＯＬＥＤ液晶スクリーンの厚さは０．６ｍｍであり、画像信号に一般的な映画テレビジョン技術者協会（Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｍｏｔｉｏｎ Ｐｉｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ、ＳＭＰＴＥ）のカラーバー信号を入力する。

（４）上記（３）の表示装置の背面に図４のような直径５０ｍｍ、厚さ３０ｍｍの加振器を貼り付け、振動を加え、表示装置から音声を出す。この際、信号発生コントローラが発生した励振信号は、１０ｋＨｚから徐々に１００Ｈｚに下げられる正弦波スイープ信号を用いたものである。そのうち、図４は、本願の一実施例に係るＯＬＥＤを表示スクリーンとして採用したテレビの発声の模式図である。

（５）図５に示されるように、視聴者とテレビとの距離はＬであり、Ｌを０．５ｍ、１．０ｍ、２．０ｍ、５．０ｍとし、視聴者は、異なる位置で上記ステップ（３）のＳＭＰＴＥカラーバーを見るとともに、上記ステップ（４）により出力された音声を聴取する。そのうち、図５は、本願の一実施例に係る視聴者がテレビを見ているときの人とテレビとの位置の模式図である。

（６）上記ステップ（５）の見る期間において、表示機器の振動により図像がぶれ始まるときの周波数を記録する。そのうち、図６は、本願の一実施例に係る年齢層が１０代である視聴者を選出して異なるテレビのサイズの画像ぶれを感知させた周波数データである。

（７）上記ステップ（１）乃至（６）の実験は、画像サイズ１９インチ、３２インチ、５０インチ、６５インチ、８０インチで行われ、さらに、年齢層１０代（Ｔｈｅ ｔｅｅｎａｇｅ）、２０代、４０代、６０代に基づいて分類される。

上記一連の実験により、異なる年齢層が異なるサイズのテレビの画像ぶれを感知する周波数を把握することができる。

図６は、１０代の視聴者に対してこの実験が行われたときの詳細結果を示すデータである。図７は、本願の一実施例に係る年齢層が１０代である視聴者を選出して異なるテレビのサイズの画像ぶれを感知させた周波数のグラフである。全てのデータにおいて、１０名の視聴者の平均値を採集した。図６からわかるように、視聴者の実感として、テレビのサイズを大きくすると、画面ぶれの周波数が高くなると考える傾向にある。また、人とテレビとの距離を長くさせると、画面ぶれを感知させる周波数が低くなり、そのテータをグラフに纏めたのが図７である。８０インチの大型テレビであっても、約４００Ｈｚ以上の振動は、人に画面ぶれを感じさせることがない。

図８～図１０は、２０代、４０代、６０代について纏めた結果である。図８は、本願の一実施例に係る年齢層が２０代である視聴者を選出して異なるテレビのサイズの画像ぶれを感知させた周波数のグラフである。図９は、本願の一実施例に係る年齢層が４０代である視聴者を選出して異なるテレビのサイズの画像ぶれを感知させた周波数のグラフである。図１０は、本願の一実施例に係る年齢層が６０代である視聴者を選出して異なるテレビのサイズの画像ぶれを感知させた周波数のグラフである。図７～図１０からわかるように、異なるテレビのサイズの画像ぶれに対する視聴者の感知は基本的に年齢と関係なく、いずれも同じ傾向を示している。また、年齢の増加に連れて、画面がぼやけていると感じる頻度も低くなる。１０代の人は、画風に対する感知度が最も高い。これらの図８～図１０の全てのデータを重ね合わせると、図１１に示されるようになる。図１１は、本願の一実施例に係る異なるテレビのサイズの画像ぶれに対して視聴者が感知可能な周波数のグラフである。ハッチングで囲まれた枠部分は、パネルの振動により画像ぶれが感じられた周波数領域である。これらの結果から、５００Ｈｚ以上の周波数でＯＬＥＤを駆動することにより、ほとんどの視聴者は、画面ぶれがない状態において映像を見ることができる。

しかしながら、５００Ｈｚ以上の周波数のみを音声信号として再現しても十分な情報とは言えない。ギター、ドラムなどに基づく低周波の周波数は、楽曲の再生に不可欠なものであり、３００～５００Ｈｚの周波数は、人の声を判断することに必要な再生帯域である。したがって、５００Ｈｚ以下の周波数を補うために、表示装置と分離した電磁式駆動が同時に駆動するスピーカシステムを構成する必要がある。

上記条件に基づいて圧電スピーカだけで音声を再現すると、５００Ｈｚ以下の周波数を再現することができないため、低音の音圧が足りない。そのため、本願は、主に、低周波で音声を再生する電磁スピーカに対して考察を行う必要がある。原則的には、電磁式スピーカは、映像表示機器とは完全に異なる位置に設けられているため、発声による映像ぶれを懸念する必要がない。また、電磁スピーカは、圧電スピーカに比べてより幅広い再現帯域を有し、そのため、テレビの音声全体の再現をカバーすることもでき、視聴者は、テレビ画面の高さの３倍の距離からテレビを見る。この距離は、テレビ視聴において理想的な位置と考えられる上記ステップ（２）の距離内にあり、テレビ画面の中心部分の高さにマイクを設けて騒音を採集する。しかしながら、上記のように、映画館で得られる臨場感は、表示映像の画面から音声が出ることにより得られるものなので、テレビで臨場感を有する音声を得るために、圧電スピーカを使用して音声再生を行わなければならない。

特に、映画館と同様な、映像画像から直接音声を出して視聴者に感じさせる臨場感というものであり、これは、圧電スピーカの数量を増加させることによりステレオのサラウンド効果を生じさせる又は位相操作を行う信号を出力することにより模擬サラウンド効果を得るシステムなどと異なる。検証のため、以下の実験を行った。

ステップ１において、上記図４の加振器をＯＬＥＤ表示スクリーンの背部に貼り付けて、振動を加え、表示機器のＯＬＥＤが音声を出して画面を放送することにより、テレビの視聴機能を実現し（すなわち、本願に記載のスピーカシステムにおける圧電スピーカを設ける）、ここでは、１９インチ、５０インチ、８０インチのテレビが用いられている。

ステップ２において、視聴者は、テレビ画面からの高さの３倍の位置からテレビを見る。経験上、この距離は、テレビを見る上で理想的な位置である。

ステップ３において、図１２の、この距離がテレビ視聴において理想的な位置と考えられる上記２）の距離及びテレビ画面の中心部分の高さにマイクを設ける。そのうち、図１２は、本願の一実施例に係る低周波スピーカがテレビの下部に視聴者に面して設けられる模式図である。

ステップ４において、図１２における低周波スピーカ（すなわち、本願に記載のスピーカシステムにおける電磁式スピーカを設ける）は、テレビの下部に視聴者に面して設けられる。

ステップ５において、上記ステップ１における圧電スピーカ及びステップ４における電磁式スピーカに、それぞれピンクノイズを入れ、この際、上記ステップ３におけるマイクでノイズを測定し、各スピーカの入力信号の大きさを調整して、圧電スピーカ（フラットパネルスピーカ）及び電磁スピーカのノイズレベルを等しくする。

ステップ６において、図１３のようなデジタルオーディオ処理及び駆動回路を構成し、ハイパスフィルタを圧電スピーカ（Ｐｉｅｚｏ Ｄｒｉｖｅｒ）に接続し、そのカットオフ周波数を５００Ｈｚとし、これにより、ＯＬＥＤの画像ぶれが発生しない。そのうち、図１３は、本願の一実施例に係るフラットパネル式スピーカ及び電磁式スピーカを採用してなるデジタルオーディオ処理及び駆動回路の模式図である。

ステップ７において、同様に、ローパスフィルタを図１３の電磁スピーカ（ＳＵＢ ＷＯＯＷＥＲ）（すなわち、低音スピーカ）に接続し、そのカットオフ周波数は３ｋＨｚ以下で変化することができる。

ステップ８において、ビデオ信号を図１３に示される音声駆動回路を有するＯＬＥＤに入力し、音声信号を図１３に示される駆動システムにより、圧電スピーカ（図１３では、圧電セラミックスアクチュエータとして表される）及び電磁スピーカ（図１３では、低音スピーカとして表される）に同時に入力し、これにより、ＯＬＥＤの映像と同期して圧電スピーカ及び電磁式スピーカから音声を発生させることができる。

ステップ９において、２０代、４０代、５０代の視聴者から１０名の視聴者をランダムに抽出し、これらの視聴者は、上記ＯＬＥＤ表示スクリーン及び駆動システムを通じて映像及び音声を見る。ここで、図１４～１６に示されるように、サンプル映像において、それぞれ、映画（ＳＴＡＲ ＷＡＲＳのファイトシーン）、ミュージシャンのコンサート、スポーツ中継（サッカーワールドカップ）を見せた。そのうち、図１４は、本願の一実施例に係る１９インチのテレビが放送している異なる番組に対する異なる年齢層の視聴者の臨場感の周波数データである。図１５は、本願の一実施例に係る５０インチのテレビが放送している異なる番組に対する異なる年齢層の視聴者の臨場感の周波数データである。図１６は、本願の一実施例に係る８０インチのテレビが放送している異なる番組に対する異なる年齢層の視聴者の臨場感の周波数データである。

上記ステップ９の場合において、電磁式スピーカ（低音スピーカ）に接続されたローパスフィルタのカットオフ周波数は、１０ｋＨｚから徐々に１００Ｈｚに下げられ、基本的には、カットオフ周波数が高いほど、電磁式スピーカが出した音声が主導的な地位を占めていく。したがって、カットオフ周波数を低くすることにより、圧電スピーカの音声の影響が主導的な地位を占めるようになる。視聴者がカットオフ周波数の変化に伴って臨場感を感じた周波数が得られる。

上記感知結果により、圧電スピーカ及び電磁式スピーカのカットオフ周波数と視聴者への臨場感との依存度を把握することができる。

これらの実験の結果を、図１４～１６に纏めると、試聴の傾向のタイプに依存して異なるが、年齢に関わらず、２０００Ｈｚ～３０００Ｈｚ以下であれば臨場感を感じることができる。

したがって、自発光式表示装置に貼り付けられた変位素子が振動により表示装置を振動させて音声を出す圧電スピーカ、及び同時に駆動する、表示装置と分離した電磁式駆動スピーカシステムでは、上記圧電スピーカと電磁スピーカとの交差周波数が５００Ｈｚ以上且つ３０００Ｈｚ以下であることが、画面ぶれを防ぎ、且つ、臨場感を得ることができる周波数条件である。

図１７～図２４を参照し、上記カットオフ周波数の最適化条件に基づいてＯＬＥＤを用いた圧電スピーカの実施例を説明する。以下の説明において、ＯＬＥＤ圧電スピーカが音声を発生させる方向を、ＯＬＥＤ圧電スピーカの正面側とし、その反対面を背面側として説明する。圧電スピーカは、圧電スピーカ振動子を備え、圧電スピーカ振動子は圧電素子を備える。

図１７（ａ）は、圧電スピーカ振動子の構造外観図であり、図１７（ｂ）は、圧電スピーカ振動子の構造が外部電極に接続される模式図であり、図１７（ｃ）は、圧電スピーカ振動子の高圧電界が加えられた構造模式図である。図１８は、本願の一実施例に係る圧電素子がＯＬＥＤの背面側に貼り付けられる模式図である。ここで、採用した圧電素子には、チタン酸ジルコン酸鉛の圧電材料が用いられる。圧粉体にされた後、１０～２０枚の３０μｍのシートが積層されてから、圧着されて焼成される。焼結温度は１０５０℃である。第１の外部電極２及び第２の外部電極５はそれぞれ、焼成された第１の圧電素子１の上下表面に印刷して焼成される。第１の外部電極２の一側の部分には、第１の外部電極２に電気的に接続されていない第３の外部電極３が同時に形成され、第３の外部電極３が、図１７（ｂ）に示されるような第１の圧電素子１の側面の電極により、第１の圧電素子１の背面の第２の外部電極５に接続される。第１の外部電極２、第３の外部電極３、第２の外部電極５の焼結温度はいずれも６００℃である。そして、図１７（ｃ）に示されるように、上下表面の第１の外部電極２、第２の外部電極５、及び第３の外部電極３の間に高圧電界が加わることにより、第１の圧電素子１が分極され、高圧電界方向４は、第１の外部電極２から第２の外部電極５に指向している。分極された後の第１の圧電素子１は、第１の圧電素子１の上部に位置する第１の外部電極２と、第１の圧電素子１の下部に位置する第２の外部電極５とに電圧が加わることにより、第１の圧電素子１が縦方向に延びる。本実施例においては、焼成後、９０ｍｍ×３０ｍｍ×０．５ｍｍの矩形の圧電スピーカ振動子が生成される。

図１９に示されるように、図１７（ａ）における圧電スピーカ振動子がＯＬＥＤ表示スクリーンの背面に貼り付けられる。本願に用いられるＯＬＥＤ表示スクリーンの構成は、図１８に示されるような透明ガラス基板９に、ガラス基板側から、透明電極層、有機発光層、反射層が積層された有機エレクトロルミネッセンス（Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ、ＥＬ）パネル１０が貼り付けられるというものである。ここでは、４２０ｍｍ×２４０ｍｍ×０．７ｍｍのＯＬＥＤが用いられている。図１８～図２０を参照して説明し、このＯＬＥＤの背面中心部にエポキシ接着剤により第１の圧電素子１が貼り付けられる。図１９は、本願の一実施例に係る圧電スピーカ振動子のリード電極の模式図である。図２０は、本願の一実施例に係る異なる信号状態におけるＯＬＥＤ表示パネルの形態である。この時、図１９に示されるように、第１の圧電素子１の第１の外部電極２には、半田６により第１のリード７が設けられ、さらに、第３の外部電極３には、同様に半田６により第２のリード８が設けられる。第１のリード７と第２のリード８との間に電圧が加わると、第１の圧電素子１が伸張していくが、エポキシ接着剤により固定された面がＯＬＥＤに拘束されることから、伸びることができず、そのため、図２０に示されるように、そのうち、図２０（ａ）は、外部信号入力がないときのＯＬＥＤ表示パネルの形態であり、図２０（ｂ）は、外部信号入力があるときのＯＬＥＤ表示パネルの形態であり、外部信号が入力されると、ＯＬＥＤが湾曲変形することが分かる。例えば、第１のリード７及び第２のリード８の間に交流電圧が加わることにより、ＯＬＥＤは、上下に湾曲振動し、空气を振動させて音声を発生させる。

このＯＬＥＤをホルダに固定し、図１３に示されるデジタルオーディオ処理及び駆動回路を採用する。図２１は、本願の一実施例に係るＯＬＥＤ表示パネルの周波数応答グラフであり、そのうち、図２１におけるＡ曲線が、このような場合においてハイパスフィルタ（Ｈｉｇｈ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ、ＨＰＦ）をショートさせて１ｍの距離で測定された音圧特性である。有效な音声周波数は、およそ３００Ｈｚぐらいから６ｋＨｚ付近である。しかし、Ａ曲線の周波数特性では、高周波の音圧が足りず、聴覚において比較的低い音声が発生する。図２０の湾曲振動の共振周波数は第１の圧電素子１のサイズに由来し、圧電素子のサイズが大きいほど、共振周波数が低くなる。したがって、図１に示されるように、異なるサイズの第２の圧電素子１１が貼り付けられている。この時、第２の圧電素子１１のサイズは４５ｍｍ×１５ｍｍ×０．５ｍｍである。上記方法によりこのＯＬＥＤを駆動するときの音圧特性は、図２１におけるＢ曲線に示されるようになる。低周波における特性は、図２１におけるＡ曲線と同じであるが、５ｋＨｚ～１０ｋＨｚの音圧が大きくなる。聴覚からいうと、高周波の音声もはっきりと伸びてくることができる。しかし、４００Ｈｚで有效な音声を出しているため、ＯＬＥＤの画像ぶれを確認することができる。そこで、図１３に示されるデジタルオーディオ処理及び駆動回路におけるハイパスフィルタを用いて、第１の圧電素子１、第２の圧電素子１１に加わった信号の周波数を一次６ｄＢ／Ｏｃｔでカットすると、画面ぶれがなくなる。

上記のように、ＯＬＥＤだけで音声を発生させれば、低周波の音声が聞こえなくなるので、電磁式低音を用いて低周波の補正が行われる。ここで、図２２に示されるような低音反射型スピーカシステム１２が用いられている。図２２は、本願の一実施例に係る低音反射型スピーカシステムの構造模式図である。反射性スピーカシステム１２は、開口腔１３と、サブウーファ１４と、筐体１５とを備える。これらのうちの低音スピーカは、インピーダンス８Ω、口径１６０ｍｍのムービングコイル型のものである。図２３は、本願の一実施例に係る低音反射型スピーカシステムの周波数応答グラフである。図２３におけるＡ曲線には、その周波数特性（１ｍで測定された）が示されている。図１３に示される駆動回路において、図２１におけるＡ曲線の周波数特性での１ｋＨｚ付近の音圧とほぼ等しくなるように、Ａｕｄｉｏ ＡｍｐによりＳＵＢ ＷＯＯＷＥＲ側への入力がゲイン制御されている。再生帯域は一般的に、２０Ｈｚ～１０ｋＨｚの特性を有する。前記した臨場感を得るために、図２３におけるＢ曲線に示されるように、図１３に示される駆動回路におけるローパスフィルタでは、１ｋＨｚからの－６ｄＢ／Ｏｃｔの減衰設定が行われている。

図２４は、本願の一実施例に係る圧電スピーカ及び電磁スピーカシステムを同時に駆動した周波数応答グラフであり、図１３に示される駆動回路においてこれらの圧電スピーカ及び電磁スピーカシステム１２を同時に駆動して測定した結果である。２０Ｈｚから１０ｋＨｚの平坦性からは、この圧電スピーカシステムに音声を含む映像信号が加えられて視聴確認が行われており、画面がぶれず、臨場感が充満した視聴を行うことができることが得られる。

図２５～図２８に示される実施例は、前記実施例における第１の圧電素子１、第２の圧電素子１１を用い、１７７０ｍｍ×９９６ｍｍ×０．７ｍｍのＯＬＥＤを表示パネルとして採用する。前記実施例に比べて、ＯＬＥＤのサイズが大きくなるため、図２５に示されるように、第１の圧電素子１及び第２の圧電素子１１は、数量が増加して貼り付けが行われている。図２５は、本願の他の実施例２に係る圧電素子が加えられた後のＯＬＥＤ表示パネルの貼り付け方式の模式図であり、ＯＬＥＤ表示パネルの長辺方向、短辺方向のそれぞれの３等分の位置に合計で４つの素子が貼り付けられている。図２６は、本願の一実施例に係る複数の圧電素子の構造におけるＯＬＥＤ表示パネルの周波数応答グラフである。前記実施例に比べて、ＯＬＥＤ表示パネルの面積が大きくなり、空气の排除容積が増加するため、全体的な音圧が上昇する。また、再生帯域も３００Ｈｚ付近に下げられる。このＯＬＥＤ表示パネルに音楽信号を有する映像信号が入力され、放送後に画面ぶれを確認する。したがって、前記実施例と同様に、図１３に示される駆動回路におけるハイパスフィルタ（ＨＰＦ）を用いて、第１の圧電素子１、第２の圧電素子１１に加わった信号の周波数を６ｄＢ／Ｏｃｔでカットすると、画像ぶれの発生がなくなる。

前記実施例と同様に、ＯＬＥＤ表示パネルだけで音声を発生させれば、低周波の音声が聞こえなくなるので、低周波の補正に電磁式スピーカが用いられ、例えば、電磁式サブウーファが用いられる。ここでも、図２２に示されるような低音反射型スピーカシステム１２が用いられる。図２７は、本願の一実施例に係る圧電スピーカがローパスフィルタリングを採用した後の周波数応答グラフである。図２７における曲線Ａには、その周波数特性（１ｍの距離で測定された）が示されている。親族の実施例と同様に、Ａｕｄｉｏ Ａｍｐは、ＳＵＢ ＷＯＯＷＥＲ側への出力を、図２６の周波数特性での１ｋＨｚ付近の音圧とほぼ等しくなるように制御している。再生帯域は一般的に、２０Ｈｚ～１０ｋＨｚの特性を有する。前記した臨場感を得るために、図２７における曲線Ｂに示されるように、図１３に示される駆動回路におけるローパスフィルタでは、１ｋＨｚからの－６ｄＢ／Ｏｃｔの減衰設定が行われている。

図２８は、本願の一実施例に係る圧電スピーカ及び電磁スピーカシステムを駆動した周波数応答グラフである。すなわち、図２８は、図１３の回路においてこれらの圧電スピーカ及び電磁スピーカシステム１２を同時に駆動して測定した結果である。２０Ｈｚから１０ｋＨｚの平坦性からは、大型ＯＬＥＤを用いる場合も、ぶれなしに臨場感のある映像鑑賞を行うことができることがすでに発見されている。

第１の圧電素子１のような、簡単な伸縮変位を発生させる圧電素子を説明したが、図２９～図３３を参照して他の圧電素子の例も説明する。図２９は、本願の他の実施例に係る圧電スピーカ振動子の構造模式図である。図２９（ａ）は、他の圧電スピーカ振動子の構造外観図であり、図２９（ｂ）は、他の圧電スピーカ振動子の構造が外部電極に接続される模式図であり、図２９（ｃ）は、他の圧電スピーカ振動子の高圧電界が加えられた構造模式図である。図２９（ｂ）に示されるように、第１の圧電素子１（例えば、圧電セラミックス板であってよい）の上下両面には、導通しない第１の外部電極２がそれぞれ設けられている。図２９（ｃ）に示されるように、回路が接続されて上下表面の第１の外部電極２に高圧が加わると、高圧電界方向４は、第１の圧電素子１の上表面の第１の外部電極２から下表面の第１の外部電極２に指向するように示される。図３０は、本願の一実施例に係る異なる電圧における分極された後の圧電素子の歪みの模式図である。図３０（ａ）は、分極された後の圧電素子の非通電時の構造模式図であり、図３０（ｂ）は、分極された後の圧電素子の通電時の歪みの模式図である。図３０（ａ）に示されるように、偏波方向１６を参照して、２つの第１の圧電素子１が、導電性を有する接着剤を採用して、それぞれ金属薄板１７の上下の２つの表面に貼り付けられ、回路が形成される。回路の通電時、図３０（ｂ）に示されるように、金属薄板１７の上表面の第１の圧電素子１が収縮し、金属薄板１７の下表面の第１の圧電素子１が伸張する。このような作用により、２つの第１の圧電素子１は、金属薄板１７に境界面が形成され、且つ、それぞれ湾曲形状に変形する。この作用は、電圧が加わる方向を逆にすることにより、逆の形状に変形するようになる。図３１は、本願の一実施例に係る分極された後の圧電素子に交流電圧が加わるときの変位歪みの模式図である。図３１からもわかるように、金属薄板１７の上表面及び下表面の第１の圧電素子は、異なる方向に繰り返して伸縮するために、湾曲振動が発生している。金属薄板１７及びその上下表面に挟んだ第１の圧電素子１は共に、１つの振動素子を構成している。図３２は、本願の一実施例に係る振動素子が支持部材を中心に上下に湾曲変形する模式図である。図３２に示されるように、支持部材１８は、この振動素子の２つの端部に固定されている。これにより、振動素子は、支持部材１８を中心に上下に湾曲振動する。図３２（ａ）は、支持部材を中心とした振動素子の非通電時の構造示意図であり、図３２（ｂ）は、支持部材を中心とした振動素子の通電時の歪みの模式図である。図３３は、本願の一実施例に係る支持部材を中心とした振動素子に交流電圧が加わるときの変位歪みの模式図である。図３３に示されるように、振動素子の支持部材１８がＯＬＥＤ表示パネルの背面に接続されて駆動信号が入力されると、湾曲振動は、支持部材１８を通じてＯＬＥＤ表示パネルの表面に伝わり、且つ、前記実施例と同様に、ＯＬＥＤ表示パネルの表面に振動が発生する。したがって、第１の圧電素子の形態は、湾曲振動を自動的に誘導するユニモルフ型構造及びバイモルフ型構造を採用してもよい。

本願の実施例は、上記スピーカシステムに適用されるフラットパネル圧電スピーカ振動子を提供し、図３４は、本願の他の実施例に係るフラットパネル圧電スピーカ振動子の構造模式図である。図３４に示されるように、単一の圧電セラミックスシートが９層設けられており、５層目は内部隔離層であり、内部隔離層より上の単一の圧電セラミックスシートの分極方向は、使用時に加わる電界の方向と逆であり、これにより、短縮変位が発生し、内部隔離層より下の単一の圧電セラミックスシートの分極方向は、使用時に加わる電界の方向と同じであり、これにより、伸縮変位が発生し、さらに、全体的な変位量が増加する。

図３５及び図３６は、本願の他の実施例に係るフラットパネル圧電スピーカ振動子の構造模式図である。そのうち、図３５及び図２６に示される圧電セラミックスシートのアスペクト比が異なっている。図３５、３６に示されるように、フラットパネル圧電スピーカ振動子における圧電セラミックスシートは長方形をなしており、アスペクト比が３：１～１０：１である。前記フラットパネル圧電スピーカ振動子は、中高周波発声に用いられるフラットパネル圧電スピーカ振動子と、中低周波発声に用いられるフラットパネル圧電スピーカ振動子とを備える。そのうち、中高周波発声に用いられるフラットパネル圧電スピーカ振動子における圧電セラミックスシートの面積は、中低周波発声に用いられるフラットパネル圧電スピーカ振動子における圧電セラミックスシートの面積の１／１０である。

分極時に、３－１に加わる電極は負極であり、３－２のは正極であり、３－３のは接地ＧＮＤ電極であり、これにより、分極方向は、図３４に示されるように、１、３、７、９層目の圧電セラミックスシートにおける分極方向が下向きで、２、４、６、８層目の圧電セラミックスシートにおける分極方向が上向きであることが保証される。圧電セラミックスが正常に機能するとき、負極３－１、正極３－２は、導電リードを採用して半田付けられてオンされ、これにより、電界正極が導入され、３－３は、ＧＮＤ電極回路がアクセスされるものである。圧電セラミックスシートの内部に発生した電界の方向は、図３４に示されるように、１、３、６、８層目の圧電セラミックスシートにおける電界の方向が下向きで、２、４、７、９層目の圧電セラミックスシートにおける電界の方向が上向きである。これにより、５層目の内部隔離層の上に位置する上半分の圧電セラミックスシートの分極方向は、加わる電界の方向と逆であり、５層目の内部隔離層の下に位置する下半分の圧電セラミックスシートの分極方向は、加わる電界の方向と同じであり、これにより、変位形態が発生し、変位量が増加し、これにより、位相振幅が増加して、発音音量が向上する。

前記フラットパネル圧電スピーカ振動子は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ）又は他のシリーズの無鉛又は鉛含有材料を採用して製造され、積層工程は、プレス機又は或等方圧機器を採用し、１００～３００ＭＰａ／ｃｍ^２の圧力を採用してプレスされてなり、前記フラットパネル圧電スピーカ振動子は、内部電極が銀／パラジウム（Ａｇ／Ｐｄ）の金属材料を採用して製造されており、外部電極が金Ａｕ、銀Ａｇなどの金属材料を用いて製造されている。

本願に係るスピーカシステムは、体積が小さく、映像と音声とのディストーションが小さく、映像と音声との空間的な偏差を減少し、さらに、よりライブ感を有する映像表示を提供することができる。

Claims (6)

1. 圧電スピーカと電磁式スピーカとを備え、前記圧電スピーカと前記電磁式スピーカとの交差周波数は５００Ｈｚ以上であり、前記圧電スピーカは表示装置の背面に設けられており、前記電磁式スピーカは表示装置の底部に設けられており、
   前記表示装置は、ＯＬＥＤディスプレイであり、
   前記圧電スピーカは圧電スピーカ振動子を備え、前記ＯＬＥＤディスプレイの背面には、２つの異なるサイズの圧電スピーカ振動子が貼り付けられている、スピーカシステムであって、
   前記スピーカシステムは、デジタルオーディオ処理及び駆動回路をさらに備え、前記デジタルオーディオ処理及び駆動回路は、オーディオ信号増幅器にそれぞれつながる高周波左チャンネル出力回路、高周波右チャンネル出力回路及び低周波出力回路を備え、前記高周波左チャンネル出力回路及び前記高周波右チャンネル出力回路には、それぞれハイパスフィルタが設けられており、前記ハイパスフィルタの出力端は、それぞれ前記２つの異なるサイズの圧電スピーカ振動子につながり、前記ハイパスフィルタは、送り込まれたオーディオ信号に対して一次６ｄＢ／ｏｃｔ処理を行い、前記低周波出力回路には、ローパスフィルタが設けられており、前記ローパスフィルタの出力端は、前記電磁式スピーカにつながり、前記ローパスフィルタは、送り込まれたオーディオ信号に対して－６ｄＢ／ｏｃｔ処理を行い、
   前記圧電スピーカ振動子は、圧電素子を備えて湾曲振動を自動的に誘導するユニモルフ型構造又はバイモルフ型構造を採用し、前記圧電スピーカ振動子には、金属薄板が設けられており、前記金属薄板の上側及び下側には、導電接着剤により２つの圧電素子がそれぞれ接着されて固定されており、各圧電素子の圧電セラミックス板の上下両面には、互いに導通しない外部電極が設けられており、２つの圧電素子は、偏波方向に沿って前記金属薄板の上側及び下側に対応して設けられており、外部駆動信号が送り込まれた後、前記金属薄板の上側の圧電素子が収縮し、前記金属薄板の下側の圧電素子が伸張し、前記金属薄板の両端には、前記ＯＬＥＤディスプレイに接続して固定するための支持部材がそれぞれ設けられており、外部が交流電気信号を送り込んだ後、前記金属薄板の上側及び下側の圧電素子は、前記支持部材を中心とした前記圧電スピーカ振動子の上下の湾曲振動を実現するように、異なる方向に繰り返して伸縮して湾曲振動が発生する、
   スピーカシステム。
2. 前記圧電スピーカと前記電磁式スピーカとの交差周波数は３０００Ｈｚ以下である、
   請求項１に記載のスピーカシステム。
3. 前記ＯＬＥＤディスプレイのサイズは４２０ｍｍ×２４０ｍｍ×０．７ｍｍであり、前記ＯＬＥＤディスプレイの背面には、それぞれが４５ｍｍ×１５ｍｍ×０．５ｍｍの矩形の圧電スピーカ振動子、９０ｍｍ×３０ｍｍ×０．５ｍｍの矩形の圧電スピーカ振動子である２つの異なるサイズの圧電スピーカ振動子が貼り付けられている、
   請求項１に記載のスピーカシステム。
4. 前記ＯＬＥＤディスプレイのサイズは１７７０ｍｍ×９９６ｍｍ×０．７ｍｍであり、前記ＯＬＥＤディスプレイの背面には、それぞれが４５ｍｍ×１５ｍｍ×０．５ｍｍの矩形の圧電スピーカ振動子、９０ｍｍ×３０ｍｍ×０．５ｍｍの矩形の圧電スピーカ振動子である２つの異なるサイズの圧電スピーカ振動子が貼り付けられている、
   請求項１に記載のスピーカシステム。
5. 前記圧電スピーカ振動子は、高圧電界分極処理を経た後の圧電素子を備え、前記圧電素子は、積層して設けられた１０～２０層の３０μｍ厚さの、チタン酸ジルコン酸鉛材料製の圧電セラミックスシートを備え、第１の外部電極及び第２の外部電極は、それぞれ、前記圧電素子の上側及び下側に印刷されており、前記圧電素子の上側又は下側には、同側の外部電極に電気的に接続されていない第３の外部電極が設けられており、前記第３の外部電極は、前記圧電素子の側面を迂回してから異なる側の外部電極につながり、前記高圧電界分極処理は、前記第１の外部電極、前記第２の外部電極及び前記第３の外部電極に高圧電界が加わることを含む、
   請求項３又は４に記載のスピーカシステム。
6. 請求項１～４のいずれか１項に記載のスピーカシステムをテレビに応用し、前記テレビの厚さ範囲が０．５ｍｍ～２．０ｍｍであり、且つ、前記テレビが出力するオーディオ信号が５００Ｈｚ未満であると決定されたことに応じて、電磁式スピーカを採用して音声を放送し、前記テレビの厚さ範囲が０．５ｍｍ～２．０ｍｍであり、前記テレビが出力するオーディオ信号が３０００Ｈｚより大きいと決定されたことに応じて、前記圧電スピーカを採用して音声を放送する、
   スピーカシステムの応用方法。