JP2005294986A - 音響振動発生素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧電モノモルフ構造または圧電バイモルフ構造の音響振動発生素子の骨伝導への応用において、小型で音響出力が大きな音響振動発生素子の提供を課題とするものである。
【解決手段】 表裏面をメタライズした圧電セラミックス矩形板１，２と弾性板３を張り合わせた圧電モノモルフ構造または圧電バイモルフ構造の音響振動発生素子において、前記弾性板３は長さ方向に直交する厚み方向に複数の溝部４または、幅方向に切込み部６を有することを特徴とする音響振動発生素子が得られる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気信号を音響振動に変換して頭骨や腕に伝搬させ、それを聴覚神経で聴取する目的の骨伝導スピーカや、パネルもしくは筐体を機械的に励振して音響を発生するスピーカに用いるのに好適な、小型の音響振動発生素子に関するものである。

従来、音響分野での電気−機械トランスデューサとしては、主に電磁式が用いられ、ダイナミックスピーカと同じ原理のコイルを流れる電流とマグネットとの相互作用で発生する電磁力を機械振動に変えるもので、長い歴史を持ち、現在も音響の振動発生素子の主流として利用されている。しかし、電磁方式の発生力は電磁力であり、電流を必要とするが、巻線の有する抵抗でエネルギー損失を生じ、電源から供給されるエネルギーの大半はジュール熱として散失し、音響エネルギーとして使用される分はわずかに１％にすぎない。また、低音領域では低インピーダンスの為に、電流が過剰になりやすく電源側の負荷が大きく、結果的に低音域では出力を制限せざるを得ない為に、低音の音響出力不足になりやすいという欠点があった。

一方、少数ではあるが、圧電素子を用いた音響用トランスデユーサも特定の分野で用いられてきた。この場合は圧電発音体として多く用いられ金属板と圧電材料を貼りあわせた圧電モノモルフ構造を用いているが、実用域のサイズでは基本的に共振周波数が１ｋＨｚ以上になる為に、共振周波数より下の低音域の再生が不充分になり易い欠点があった。また、振動系の機械的品質係数Ｑｍが高い為に特定の周波数で強調されたり、逆に減衰したりするために自然な音の再生ができないという欠点もあり、リンガーやツィータらの限定された用途で用いられた。これらの圧電型スピーカの低音域での弱点を克服するためのいくつかの提案も出されているが、電磁型に比肩する領域の低音を実現できている訳ではない（特許文献１及び２参照）。

骨伝導スピーカについても圧電方式の試みがなされている（例えば、特許文献３及び４参照）。これは使用者の頭部に装着して使用するのが一般的であり、使用者の負荷を軽減するため、骨伝導スピーカには小型化、軽量化が強く求められており、音響振動発生素子も小型にする必要があるが、音響振動発生素子を小型にすると、基本的には素子の共振周波数が増大し出力が高域の周波数にシフトして所望の音響出力だせない問題点がある。また、近年の携帯型電子機器の普及に伴い省電力が重要な課題となっており、圧電タイプの音響スピーカが注目されている。ここでも音響振動発生素子も小型にする必要があり、音響特性の実現と小型化の両立が重要な課題となる。

音響振動発生用のバイモルフ振動子については、その構成と音響性能の関係については基本的なところは数式的にも十分に整理されているため、以下に若干の数式を用いて説明する。まず、音響出力の周波数特性に関与する素子の共振周波数ｆ_ｒについて数１の関係で構成要素と関係する。

数１中のＬは振動子の長さであり、小型化のために短くしようとすると他の要素で補正しない限り急激に共振周波数を上げて周波数特性を高域のほうに持ち上げる傾向がある。α_ｎは振動姿態で決まる定数であり、以後の説明では触れない。

数１中のＫは、圧電材料とシム材料（弾性板）の厚みおよび弾性係数で決まる曲げの弾性係数である。この関係を数２に示す。

ここで、ｗは素子の幅、Ｅ_ｓとＥ_ｃはシム材料と圧電材料の弾性係数であり、２ｔ_ｓとｔ_ｃはシムと圧電材料の厚みを示す。幅ｗが決まるとＫは構成材料の弾性係数と厚みに支配される。数１中のρＳは単位長さあたりの重さを示し、数３で示される。ここで、ρ_ｃ、ρ_ｓは、それぞれ圧電材料とシム材料の比重を示す。

次に、音響振動発生素子の駆動力の源である、電界に応じて発生する曲げモーメントＭ_ｅについて説明する。圧電バイモルフ素子に電圧を印加されたときに曲げモーメントＭ_ｅが発生して素子が屈曲変形して振動する。曲げモーメントＭ_ｅと構成要素との関係は数４で示される。数４中でｅは圧電材料の圧電定数で電界に応じて発生する応力の度合いを示し、Ｖは印加する電圧を示している。

曲げモーメントＭ_ｅが大きいほど発生する変位が大きくなり、結果として振動速度、振動の加速度が大きくなる。音響振動発生素子の駆動力Ｆｂは素子の長さ方向についての微小区間ｄｘの重量ρＳｄｘとその部分の加速度αの積で得られる慣性力を全区間について積分した値として求めることができ数５に示した。数５のａ（ｘ）は各部分の振幅を示し、振動姿態や周波数に応じて変化するが、大きな曲げモーメントは必然的に大きな振幅につながり、結果として大きな駆動力の発生に寄与する。

数１〜数５の数式的な関係を踏まえ、できる限り小型で所望の周波数特性を満足し、高出力（大きな駆動力）の音響振動発生素子を得る構成方法は、諸量の関係から以下が考えられる。

１）小型化に伴う周波数の増大を防ぐ方策
・ 曲げ弾性係数を下げる
→シム（弾性板）、圧電材料のヤング率下げる
→シム、圧電材料の厚みを薄くする
・ 単位長あたりの重量を上げる
→シム、圧電材料の厚みを上げる
→シム、圧電材料の比重を大きくする
２）大きな出力を得る
→高い電圧を印加する
→高い圧電定数の材料を使う
→幅を広げる
→厚みを厚くする

以上の諸策についてさらに吟味すると、十分に選択されて採用された圧電材料は変更の可能性が乏しく、また駆動条件や、幅についても＋の方向はありえないために現実的な策のみを抜粋していくと
１）小型化に伴う周波数の増大を防ぐ必要
・ 曲げ弾性係数を下げる
→シム（弾性板）のヤング率下げる
→シムの厚みを薄くする
・ 単位長あたりの重量を上げる
→シムの厚みを上げる
→シムの比重を大きくする
２）大きな出力を得る
→圧電材料またはシムの厚みを厚くする
以上の策が残るが一部には相反する効果の策もあり、実験を踏まえて到達した結論としてシムは許される範囲で厚くし、機械的には撓みやすい構造を持たせ見かけ上の弾性係数を下げること、およびシムの重量は極力下げないことで目的が達成できることを見出した。以上は圧電バイモルフについて説明したが、この原理は圧電モノモルフ構造にも適用できることは言うまでもない。

特開２０００−２０１３９８号公報 特開２００１−０３６９９２号公報 特開昭５９−１４０７９６号公報 特開昭５９−１７８８９５号公報

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、圧電バイモルフ構造または圧電モノモルフ構造の音響振動発生素子を骨伝導スピーカや小型のパネルスピーカ等への応用する場合において、小型で音響出力が大きな音響振動発生素子の提供を目的とするものである。

本発明によれば、表裏面をメタライズした圧電セラミックス矩形板と弾性板を張り合わせた圧電バイモルフ構造または圧電モノモルフ構造の音響振動発生素子において、前記弾性板は長さ方向に直交する複数の厚み方向への切込みを有することを特徴とする音響振動発生素子が得られる。

また、本発明によれば、表裏面をメタライズした圧電セラミックス矩形板と弾性板を張り合わせた圧電モノモルフ構造または圧電バイモルフ構造の音響振動発生素子において、前記弾性板は長さ方向に直交し、厚さ方向に貫通し、幅方向に貫通しない複数の切込み部を有することを特徴とする音響振動発生素子が得られる。

前述のとおり、圧電セラミックス矩形板と弾性板を張り合わせた圧電モノモルフ構造または圧電バイモルフ構造において、弾性板の長さ方向に直交して複数の切込み部を構成することで、圧電セラミックス矩形板の厚さは変えずに、弾性板の厚さを厚くしても、音響振動発生素子の曲げ弾性係数が大きくならないので、周波数特性に影響せず、曲げモーメントが大きく、音響出力が大きな骨伝導用やパネルスピーカ用の音響振動発生素子の提供が可能である。

以下に、本発明の実施の形態について、図１〜図３を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の弾性板の長さ方向に直交する複数の切込みを有する弾性板を用いた圧電バイモルフ構造の音響振動発生素子の厚さ方向の断面図である。図２は、溝部を形成した弾性板の斜視図で、図２（ａ）は弾性板の片面に溝部を形成した斜視図、図２（ｂ）は弾性板の両面に溝部を形成した斜視図である。また、図３は、長さ方向に直交し、厚さ方向に貫通し、幅方向に貫通しない複数の切込み部を形成した弾性板の斜視図で、図３（ａ）は、同一側面から切込み部を形成した弾性板の斜視図、図３（ｂ）は、対向する側面から交互に切り込み部を形成した弾性板の斜視図、図３（ｃ）は、側面に貫通しない切り込み部を形成した弾性板の斜視図である。

図１に示すように、２枚の表裏面をメタライズした圧電セラミックス矩形板１及び２が金属等の弾性板３の両面に接着した構造体で、弾性板３には矩形板の長さ方向に直交する複数の溝部４が形成してなる圧電バイモルフ構造の音響振動発生素子で、その曲げ弾性係数Ｋは、前述の通り、圧電セラミックス矩形板及び弾性板の幅ｗ、及びそれぞれの厚さｔ_ｃ、２ｔ_ｓとそれぞれの弾性係数Ｅ_ｃ、Ｅ_ｓに支配され、前述の数１で表現される。

数１において、弾性板に溝部や切込み部を設けることは、物理的には数１において弾性板の弾性係数Ｅ_ｓを小さくすることに該当し、音響振動発生素子の音響出力を大きくするために弾性板の厚さｔ_ｓを厚くすることと弾性板に溝部や切込み部を設けることは、積の関係にある。従って、弾性板に溝部や切込み部を設けることにより、音響振動発生素子の曲げ弾性係数Ｋを大きくしないで、音響出力を大きくすることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を実施例を基に説明する。

弾性板の厚み方向に切り込みを設けた試作例
ＮＥＣトーキン製圧電セラミックス（商品名ネペック１０）を用いた長さ３２ｍｍ、幅８ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍの圧電セラミックス矩形板２枚の表裏面に銀電極を焼付け、温度１００℃のシリコーンオイル中で、１５０Ｖの直流電圧を印加し分極し、外形寸法が同じで厚みが１５０μｍの真鍮製の弾性板３の両面にエポキシ系接着剤で貼り合わせた圧電バイモルフ構造の音響振動発生素子を試作した。予め、弾性板３には、ダイシングソーを用いて、図２（ｂ）に示したような、表裏面に長さ方向に直交する幅５０μｍ、深さ５０μｍの溝部５を１ｍｍピッチで複数加工した。おのおのの圧電セラミックス矩形板について弾性板と両面のセラミックの外面にリード線を設け、一方の圧電セラミックス矩形板に分極方向と同じ電界が加わる場合に、他方の圧電セラミックス矩形板には分極方向と逆の電界が加わるように結線した。

比較のために、同じ圧電セラミックス矩形板と溝加工のない厚さ５０μｍの真鍮製の弾性板を接着して、圧電バイモルフ構造の音響振動発生素子を試作した。

弾性板に幅方向に切込み部を設けた試作例
実施例１と同じ圧電セラミックス矩形板２枚と、外形寸法が同じで厚みが１５０μｍの真鍮製の弾性板３を用いて、圧電バイモルフ構造の音響振動発生素子を試作した。予め、弾性板３には、ダイシングソーを用いて、図３（ｂ）に示したような、長さ方向に直交する幅１００μｍ、長さ７ｍｍの切込み部７を１ｍｍピッチで複数加工した。

比較のために、同じ圧電セラミックス矩形板と溝加工のない厚さ５０μｍの真鍮製の弾性板を接着して、圧電ユニモルフ構造の音響振動発生素子を試作した。

次に、試作した音響振動発生素子の音響出力を定量的に確認する為に、人工内耳（Ｂ＆Ｋ社製 Artificial Mastoid Type 4930）を用いて人体の聴覚神経に相当する位置での加速度を測定した。測定結果を表１に示した。

表１から明らかなように、実施例１では、音響振動発生素子の厚さが比較例より約１．６倍大きくなり、音響出力の加速度も約１．５倍大きくなっている。また、実施例２でも、音響振動発生素子の厚さが比較例より約１．３３倍大きくなり、音響出力の加速度も約１．３倍大きくなっている。ところが、共振周波数は、それぞれ６２０Ｈｚと６３０Ｈｚ（溝あり）で、厚みの割りに周波数の増大が抑制されていることがわかる。

本発明の複数の溝部を有する弾性板を用いた圧電バイモルフ構造の音響振動発生素子の厚さ方向の断面図。 溝部を形成した弾性板の斜視図。図２（ａ）は弾性板の片面に溝部を形成した斜視図、図２（ｂ）は弾性板の両面に溝部を形成した斜視図。 長さ方向に直交し、厚さ方向に貫通し、幅方向に貫通しない複数の切込み部を形成した弾性板の斜視図。図３（ａ）は、同一側面から切込み部を形成した弾性板の斜視図、図３（ｂ）は、対向する側面から交互に切り込み部を形成した弾性板の斜視図、図３（ｃ）は、側面に貫通しない切り込み部を形成した弾性板の斜視図。

符号の説明

１，２ 圧電セラミックス矩形板
３ 弾性板
４，５ 溝部
６，７，８ 切込み部

Claims (2)

1. 表裏面をメタライズした圧電セラミックス矩形板と弾性板を張り合わせた圧電モノモルフ構造または圧電バイモルフ構造の音響振動発生素子において、前記弾性板は長さ方向に直交する厚み方向に複数の切込みを有することを特徴とする音響振動発生素子。
2. 表裏面をメタライズした圧電セラミックス矩形板と弾性板を張り合わせた圧電モノモルフ構造または圧電バイモルフ構造の音響振動発生素子において、前記弾性板は長さ方向に直交し、厚さ方向に貫通し、幅方向に貫通しない複数の切込みを有することを特徴とする音響振動発生素子。

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