JP2006238073A

JP2006238073A - 音響振動発生用圧電バイモルフ素子

Info

Publication number: JP2006238073A
Application number: JP2005049994A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Abe; 善幸阿部; Mitsuo Tamura; 光男田村
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2005-02-25
Filing date: 2005-02-25
Publication date: 2006-09-07

Abstract

【課題】圧電バイモルフ素子の構成の中で体積増大や、振動発生力の性能低下なしに振動発生力の周波数特性を制御可能とし、圧電バイモルフを振動駆動源とする音響システムの性能改善の有用な手段を備えた音響振動発生用圧電バイモルフ素子を提供すること。
【解決手段】圧電バイモルフの中心部に存在するシム板１に適切なサイズの複数の孔２を、主面の長さ方向および主面の長さ方向と直交する方向に周期的に形成することで、圧電バイモルフの軸方向における単位長さ当たりの重さρSおよび曲げ弾性係数Ｋに分布を持たせ、体積増大や振動発生力の性能低下なしに振動発生力の周波数特性を制御可能とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、圧電振動体を用いたスピーカーに関し、特に、小型スピーカーや骨伝導応用に好適な圧電型音響振動発生用圧電バイモルフ素子に関する。

電気音響機器は、一般に電気的な量の変化を機械的・音響的振動に変え、逆に音響的および機械的な振動系と、その振動を電気的な量の変化に変える機構からなる。このエネルギー変換には電磁気の作用、もしくは圧電効果の作用が重要な役割を担ってきた。音響信号を発生する側に限定すると、圧電方式は一般的に振動系のスティフィネスが高い構成になる。また、低音域の出力を確保する目的で大振幅を発生する機構を求めると高価な装置になる。

従って、中低音域は圧電方式では苦手な領域であったが、近年は種々の工夫により大面積のパネルを圧電の力で効率的に励振する方式が考案されたことで、比較的低域の音響出力も得ることができるようになり、応用範囲が拡大しつつある。圧電振動子は超音波領域では、単一周波数での音源として比較的容易に設計できるが、可聴音の領域で音響振動を得る手段は概ね限定されており、圧電バイモルフ（本発明では圧電ユニモルフも含める）を利用する場合が殆どである。

これは圧電バイモルフのスティフィネスが構造上小さく、共振周波数を可聴音の領域に持ち込むことが容易である理由による。圧電バイモルフを利用する音響発生の方式は大きくは二つに分類することが可能で、一つは圧電バイモルフ素子単体もしくは簡単な共鳴振動体を伴った構造を有し特定の周波数のみの信号音や、高域専門のスピーカ（ツィータ）としての応用である。他の一つは、圧電バイモルフとパネルや筐体を組み合わせた振動系で音響発生システムを構成する方式である。後者は比較的中低域までの音響出力が可能である。後者の分野で応用される圧電バイモルフの形状は円板型が主流であったが（特許文献１）、必要に応じて矩形の圧電バイモルフも利用されている。（特許文献２）この圧電バイモルフを駆動源とする音響システムでは、その音響特性と圧電バイモルフ素子の持つ発生振動力の周波数特性が密接に関連するため、目的とする音響特性を得るためには圧電バイモルフの発生振動力の周波数特性について制御手段が出来る限り多いことが望まれる。

次に、片もち式の圧電バイモルフの振動発生力に関して若干の説明を加える。図１は片もち型圧電バイモルフの発生する振動力の基本的な周波数特性を示したものである。図２（ａ）は片もち型圧電バイモルフにおける一次の共振周波数近傍の振幅分布を示したものである。図２（ｂ）は同バイモルフにおける曲率の分布を示したものである。図３（ａ）は片もち型圧電バイモルフにおける二次の共振周波数近傍の振幅分布を示したものである。図３（ｂ）は同バイモルフにおける曲率の分布を示したものである。

圧電バイモルフが交流信号で駆動される場合には、振動の反動力が固定端に発生し、圧電バイモルフの長さ方向に直交する方向に作用し、基本的には図１のような周波数特性を持つ。図に示されている三つのピークは、それぞれ一次、二次および三次の共振周波数で数１で表される。

まず、駆動する周波数域を一次の共振周波数近傍および二次の共振周波数の近傍に分けて説明する。まず一次の共振周波数近傍の領域では、図２（ａ）のように、固定端で０、自由端で最大振幅の分布を示すのに対し、曲率は図２（ｂ）のように固定端近傍で最大、自由端で０となる。この曲率の分布はバイモルフ素子に対する曲げ応力の分布と一致する。圧電バイモルフの共振周波数は式１で表されるとおり、長さが決まると曲げ弾性係数Kと単位長さあたりの重さρSに支配される。そこで、曲げモーメントが大きい固定端近傍で、曲げ弾性係数Kを全体の平均よりも小さくした構造を取ると共振周波数の低下を図ることが可能となる。

長さ方向にｘ軸、それと直交する方向にｙ軸をとると、長さ方向の個々の質点ρSｄｘにその部分の加速度を掛けた値がその部分がｙ方向に生ずる慣性力である。ｘ＝０から長さＬまでρSαｄｘを積分したものが圧電バイモルフの発生する振動発生力で、固定部のｙ方向に作用する。これが、図１に示した圧電バイモルフの振動発生力で、測定結果と一致する。

なお、加速度αは変位の時間による二次微分であり図２の振幅変位に角周波数ωの二乗を掛けて得られる。慣性力は質量と加速度の積で与えられる。その加速度は共振周波数以下の領域では先端になるほど大きくなる。従って、単位長さ当たりの重さρSに分布を持たせて先端に近いほどρSが大きくなるような構成をとると、限定された外形寸法で音響振動発生力を特に低域で効率的に発生させることが可能となる。

次に、二次の共振周波数近傍になると図３（ａ）のように振幅の分布は中央と先端の中間域において向きが変わり、その曲率の分布は図３（ｂ）のようになる。振幅の大きさは、やはり自由端が最も大きいために、ρSの分布においては先端が大きいほど発生力は大きくとれる。一方、曲率の大きな部分、即ち大きな曲げモーメントが作用する部分の固定部から中央域のうち、中央域で曲げ弾性係数を大きくする構成にすると、一次の共振周波数を維持しながら二次の共振周波数を高域に持ち上げることが可能となる。

上述の共振周波数の調整方法を圧電バイモルフに適用した例は、特許文献３に開示されている。単位長さ当たりの重さρSに分布を持たせて先端に近いほどρSが大きくなるような構成をとり、限定された外形寸法で音響振動発生力を特に低域で効率的に発生させるために、金属〔シム板〕の中心部に貫通した穴を開けて、貫通した部分に金属シム板と材質が異なる充填剤を充填する構造を持たせたものである。その結果、圧電バイモルフ素子の厚さを変化せずに、その機械的強度を損なうことなく、同一の印加電圧に対して圧電バイモルフ素子の振幅変位を大きくできる。

また、圧電バイモルフ素子と金属シム板の間に存在する接着剤の空気孔の存在により、発生力および変位量が劣化する例が、特許文献４に開示されている。

特開平１１−２１５５８４号公報特開２０００−２０１３９８号公報特開平７−１４２７８１号公報特開平５−１７５５６９号公報

音響システムの低音域を重視する場合は、圧電バイモルフ素子の共振周波数をできるだけ低くする必要がある。圧電バイモルフ素子の共振周波数は、矩形の場合、数１で表わされ、構造的には長さＬ、曲げ弾性係数Ｋ、単位長さ当たりの重さρSに支配される。なお、αは加速度である。

共振周波数を低下させる手段としては、振動を決める素子の長さLを大きく取る、素子の曲げ弾性係数Kを下げる、質量を付加する等の方法が考えられる。しかし、一般的な応用では素子の寸法を大きくする(素子の長さを大きくとる)のには設計上の制約があった。

また、圧電セラミックスもしくは中央に挟まれる金属板（シム板）の厚さを薄くすることで曲げ弾性係数を下げることができる。しかし、厚さを薄くすることは、同時に機械的な強度を下げることとなり、それ自身の重量が軽くなり、結果として共振周波数が上がるために実質的な効果が伴わないという問題があった。

また、弾性係数の小さな有機物系の材料をシム板に選んだ場合には、ある程度曲げの弾性係数を下げられるが、比重が小さいので、結果として振動子全体の重量が下がり、共振周波数が上がるという問題があった。

更に、錘を付加する場合には、衝撃的振動に対して強度が弱くなりやすく、錘の存在により振動子の体積が増大し、振動子の振動範囲が拡大し、小型化を妨げるという問題があった。

本発明は、上述した問題点を解決すべくなされたもので、その技術課題は、圧電バイモルフ素子の構成の中で体積増大や、振動発生力の性能低下なしに振動発生力の周波数特性を制御可能とし、圧電バイモルフの振動駆動源とする音響システムの性能改善の有用な手段を備えた音響振動発生用圧電バイモルフ素子を提供することである。

上記目的を達成するための第１の発明は、分極が施され、両主面に電極が形成された平板状の圧電体を平板状の弾性部材の両面に接着し、一端を固定部材により固定された圧電バイモルフにおいて、前記平板状の弾性部材に、主面の長さ方向および主面の長さ方向と直交する方向に複数の貫通孔を周期的に形成した音響振動発生用圧電バイモルフ素子である。

本発明は、圧電バイモルフの中心部に存在するシム板に適切なサイズの複数の孔を、主面の長さ方向および主面の長さ方向と直交する方向に周期的に形成することで、圧電バイモルフの軸方向における単位長さ当たりの重さρSおよび曲げ弾性係数Ｋに分布を持たせ、体積増大や振動発生力の性能低下なしに振動発生力の周波数特性を制御可能とし、圧電バイモルフの振動駆動源とする音響システムの性能改善にきわめて有用な手段を提供する。

本発明を実施するための最良の形態に係る音響振動発生用圧電バイモルフ素子は、以下の製造方法で作製する。以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の形態に係る音響振動発生用圧電バイモルフ素子を詳細に説明する。図４は、本発明の最良の形態に係るシム板の構造例を示す。図５は、振動発生力の測定系のブロックダイヤグラムを示す。

ＮＥＣトーキン製圧電セラミックスのＮ１０材の薄板（２５ｍｍ×８ｍｍ×０．３ｍｍ）の両面に銀ペーストを印刷する。その後、大気中で４００〜５００℃の温度で２０〜４０分の条件で銀電極の焼付けを行なう。次に、室温で６００Ｖの直流電圧を１０分間印加する分極処理を行なう。次に、４２アロイ材で構成されたシム板（３０ｍｍ×８ｍｍ×０．２ｍｍ）を作製する。その製造過程でエッチング処理により図４のように四つのパターンの孔を形成する。

(1) は、孔を形成しない。
(従来例)
(2)は、矩形の微細孔を固定端に用いる側に分布を集中させる。
〔本発明の最良の形態に係る１例〕
(3)は、一定の比率で固定端側から自由端に向けて孔の量を分布させる。
〔本発明の最良の形態に係る２例〕
(4)は、中央部分に孔の分布を集中させる。
〔本発明の最良の形態に係る３例〕
上記(1)、(2)、(3)、(4)のシム板の両面に、２枚の圧電セラミックスを同じ分極方向になるように合わせて熱硬化型のエポキシ系接着剤を用いて圧電セラミックス板を押し付け治具によって強固に接着し、バイモルフ素子を作成する。

固定治具４により一端を固定した片もち梁構造のユニットである圧電バイモルフ１を作製する。このユニットは、図５のように振動力センサー５に固定する。その後、両面の電極を同電位に結線し、シム側との間に実効値３０Ｖの交流電圧を与え、周波数を１００Ｈｚ〜１０ｋＨｚに変えて振動発生力の周波数依存性を測定する。

ここで、シム板の孔の構造は、以下の技術思想をベースにしている。
(1) 曲げモーメントが大きな固定端近傍の曲げ弾性係数を全体の平均よりも
小さくした構造。
(2) 単位長さ当たりの重さρSに分布を持たせ、先端に近いほどρSが大きく
なる構造。
(3) 曲率の大きな部分（大きな曲げモーメントが作用する部分の固定部から中央域）
のうちの特に中央域で曲げ弾性係数を大きくする構造。
本発明の最良の形態では、(1)〜(3)までの技術思想のもとで形成された孔の構造で矩形の形状に限定されない。円形、楕円形の孔でもかまわない。

なお、共振周波数に影響を与えない範囲で、シム板の孔の大きさおよび数を選定し、シム板に係る歪分布を考慮して孔の間隔を決定すれば良い。

本発明の実施例について、図面にて詳細に説明する。図６は、本発明の実施例に係る圧電バイモルフの振動発生力の周波数依存性を示す。シム板の孔の構造を以下の(1)〜(4)のパターンで作製した。
(1)は、孔を形成しない。
(従来例)
(2)は、矩形の微細孔を固定端に用いる側に分布を集中させる。
〔本発明の最良の形態に係る1例〕
(3)は、一定の比率で固定端側から自由端に向けて孔の量を分布させる。
〔本発明の最良の形態に係る2例〕
(4)は、中央部分に孔の分布を集中させる。
〔本発明の最良の形態に係る3例〕
上記(1)、(2)、(3)、(4)のシム板の両面に、２枚の圧電セラミックスを同じ分極方向になるように合わせて熱硬化型のエポキシ系接着剤を用いて圧電セラミックス板を押し付け治具によって強固に接着し、バイモルフ素子を作製し、図５の測定系で圧電バイモルフの振動発生力の周波数依存性を測定した。

図６の測定結果より、従来例と比較して(2)〜(4)の孔の構造のシム板はすべて効果があることがわかった。(2)の振動力の周波数依存性は、(1)に比較すると一次の共振周波数が低域に移動し、全体としての出力の大きさには低下がみられなかった。この理由は、一次の共振周波数近傍から低域にかけて、曲げモーメントが大きく作用する微細孔を固定端に用いる側に分布を集中させたために、この部分の曲げ弾性係数が見かけ上小さくなり一次の共振周波数を低下させためである。また、振動力に寄与する先端部は、単位長さ当たりの重量に低下がなく発生力の低減につながっていないものと解釈できる。

また、(2)の振動力の周波数依存性も(1)に比較すると、一次の共振周波数および二次の共振周波数が低下するが、振動力は全体的に向上した。この理由は、一次および二次の共振周波数を支配する固定端から中央部にかけて見掛けの曲げ弾性係数が減少したために共振周波数が低下した。さらに、平均的な曲げ弾性係数の低下は振動時の振幅を増大させるが、振幅の増大は、振動速度、振動加速度を増大させ、振動力に寄与する先端部は、単位長さ当たりの重量の低下がなく、結果として振動力の向上につながったと推定される。

(3)の場合は、二次の共振周波数近傍で最も大きな曲げモーメントが支配する中央部に孔を形成し、見かけの曲げ弾性係数を下げたために二次の共振周波数が低下したと推定される。

以上のとおり、本発明は、圧電型バイモルフ素子のシム板に複数の孔を形成し、これらの形成される孔の形状、数、位置を制御することで、圧電バイモルフ素子の体積増大や、振動発生力の性能低下なしに振動発生力の周波数特性を制御できることを確認した。

片もち型圧電バイモルフの発生する振動力の基本的な周波数特性を示す図。片もち型圧電バイモルフの一次の共振周波数近傍の振幅および曲率分布を示す図。図２（ａ）は片もち型圧電バイモルフにおける一次の共振周波数近傍の振幅分布を示す図。図２（ｂ）は片もち型圧電バイモルフにおける曲率の分布を示す図。片もち型圧電バイモルフの二次の共振周波数近傍の振幅および曲率分布を示す図。図３（ａ）は片もち型圧電バイモルフにおける二次の共振周波数近傍の振幅分布を示す図。図３（ｂ）は片もち型圧電バイモルフにおける曲率の分布を示す図。本発明の最良の形態に係るシム板の構造例を示す図。振動発生力の測定系のブロックダイヤグラム。本発明の実施例に係る圧電バイモルフの振動発生力の周波数依存性を示す図。

符号の説明

１シム板
２孔
３固定された圧電バイモルフ
４固定治具
５振動力センサー

Claims

分極が施され、両主面に電極が形成された平板状の圧電体を平板状の弾性部材の両面に接着し、一端を固定部材により固定された圧電バイモルフを備えた音響振動発生用圧電バイモルフ素子において、前記平板状の弾性部材に、主面の長さ方向および主面の長さ方向と直交する方向に複数の貫通孔を周期的に形成したことを特徴とする音響振動発生用圧電バイモルフ素子。