JP2007228610A

JP2007228610A - 音響振動発生素子

Info

Publication number: JP2007228610A
Application number: JP2007091017A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Tamura; 光男田村
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2007-09-06

Abstract

【課題】骨伝導用スピーカー用音響振動発生素子の周波数の低域化や、機械的Ｑの低下、さらに音漏れを改善することを課題とするものである。
【解決手段】圧電バイモルフ素子１−１や圧電ユニモルフ素子１−１を可とう性のある物質１−２と複合化し、また、可とう性の物質の表面にＶ型の溝１−６を形成するにより複合化に伴う発生振動力の低減を防ぐ事が可能であり、更に表面近傍に空気室１−８を設ける事により音漏れの対策はいっそう効果的になる。振動発生部分と耳に掛ける部分を一体で構成すると軽量な骨伝導スピーカー用の音響振動発生素子の提供が可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、音響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骨伝導スピーカー等の骨伝導応用の音響振動発生素子に関するものである。

従来、骨伝導用の電気−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駆動力を機械振動に変えるもので、特許文献１や特許文献２等のいくつかの提案がなされている。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％にすぎないという欠点があった。また、低音領域では、低インピーダンスのために、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ために、低音が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、例えば、特許文献３および特許文献４のように圧電素子を用いた骨伝導用トランスデユーサの提案がある。この場合は、圧電発音体として多く用いられる金属板と圧電材料を貼りあわせた圧電ユニモルフ素子を音響振動発生素子として用いているが、実用のサイズでは、共振周波数が１ｋＨｚ以上になるために、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Ｑが高いために特定の周波数で振動の発生が強調されたり、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った。

更に、対象が難聴者でなく健聴者を対象とするような骨伝導応用において、骨伝導スピーカーに要求される要求条件として、使用者以外には音声が漏れないことであるが、従来の構成では、振動を受ける構造体の振動が音声として周囲に伝播するという欠点があった。

特許第２９６７７７７号公報特許第３３５８０８６号公報特開昭５９−１４０７９６号公報特開昭５９−１７８８９５号公報

圧電素子の骨伝導への応用において、低音域を重視する場合は圧電振動子側の共振周波数をできるだけ低くする必要がある。圧電素子の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直径や長さを大きく取る、素子の曲げ弾性係数を下げる、振動の腹の部分に質量を付加する、等の方法が考えられる。しかし、対象が携帯機器で大きさに制限がある場合、素子の寸法を大きくする方法には限界が出てくる。

曲げ弾性係数を下げる別の手段としては、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）の厚さを小さくすることでも達成できるが、同時に機械的な強度を下げることと、それ自身の重量が軽くなることで共振周波数が上がるため実質的な効果が伴わない。また、有機物系の弾性係数の小さな材料をシムに選ぶことで、ある程度曲げの弾性係数を下げることは可能であるが、一般にこれらの材料の比重が小さいために、振動子全体の重量が下がり、共振周波数が上がりやすくなる。また、質量を付加する場合は衝撃的振動に対して強度が弱くなりやすいという問題点がある。

しかしながら、圧電方式は、機械振動の駆動力源が圧電歪みにあり、電圧で駆動されるため、電磁式のような巻線によるジュール熱の散失が伴わないため、省エネルギーになることや、マグネットやヨークのような金具類を必要としないことから軽量化ができることと、薄型化が可能になることなど利点も多く、共振周波数の高いこと、機械的Ｑが高いなどの欠点を克服することが課題であった。また、周囲への音声漏れの対策については、電磁式、圧電式に係らず骨伝導の実用上は避けられない重要な課題である。なお、圧電式の特徴をさらに発揮するためには、駆動のための入力電圧を可能な限り低くできるようにすると回路側のエネルギー損失が抑えられるという効果もある。

更に、骨伝導スピーカーは主に、人体の頭部に装着して用いるものであるが、なるべく軽量でかつ簡便であることが使用者にとって望ましい。

従って、本発明は、骨伝導用スピーカーの周波数の低域化や、機械的Ｑの低下、さらに音漏れを改善することを課題とする。

本発明によれば、圧電バイモルフ素子または圧電ユニモルフ素子の厚さ方向に垂直な面に可とう性物質を貼り合わせた、または圧電バイモルフ素子または圧電ユニモルフ素子の全体を可とう性物質で被覆した構造を特徴とする骨伝導応用の音響振動発生素子が得られる。

また、本発明によれば、圧電バイモルフ素子が圧電セラミックスと内部電極の積層構造体であることを特徴とする骨伝導応用の音響振動発生素子や、可とう性物質で構成される表面に溝を形成したことを特徴とする骨伝導応用の音響振動発生素子や、可とう性物質の表面の片側に空気室を設けたことを特徴とする骨伝導応用の音響振動発生素子が得られる。

更に、本発明によれば、圧電バイモルフ素子または圧電ユニモルフ素子を被覆する可とう性物質の一部で、耳かけ部分が一体成形されていることを特徴とする骨伝導応用の音響振動発生素子が得られる。

以上、本発明により、骨伝導用スピーカーの共振周波数を低域化し、機械的Ｑを低下し、さらに音漏れを改善し、堅牢で軽量な構造で、同時に音域が広い骨伝導スピーカー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、本発明の基本構成を示す。図１（ａ）は、可とう性物質を両面に貼りつけた音響振動発生素子の斜視図である。また、図１（ｂ）は、可とう性物質で全面を被覆した音響振動発生素子の斜視図である。１−１は圧電バイモルフ素子または圧電ユニモルフ素子、１−２は可とう性物質を示す。

図２は、可とう性物質を両面に貼りつけた構造の音響振動発生素子の断面図である。図２を用いて本発明の原理を示す。説明の便宜上、圧電バイモルフ素子の構成は矩形とする。圧電バイモルフ素子の共振周波数Ｆｒは支持形式でも異なるが、両端自由の場合には数１で示される。αは振動形式で決まる数値で、１次の共振では４．７３となる。ｌ（エル）は圧電バイモルフ素子の長さであり、Ｋは曲げの弾性係数、ρSは単位長さ当たりの重さである。

音響振動発生素子の曲げの弾性係数は、圧電バイモルフ素子を構成する圧電セラミックス及びシム板の幅寸法ｗ、およびそれぞれの厚みｔｃ、２ｔｓとそれぞれの弾性係数Ｅｃ，Ｅｓのほかに両面に付加される可とう性物質の厚みｔｐ、弾性係数Ｅｐ等に支配され、数２で表現される。

また、単位長さあたりの重さρSは音響振動発生素子を構成する圧電セラミックス、シム板及び可とう性物質の厚みｔｃ、２ｔｓ、ｔｐと比重ρｃ,ρｓ、ρｐさらにバイモルフ素子の幅ｗに支配され、式（１）で表現される。

ρS＝２ｗ（ρ_pｔ_p＋ρ_cｔ_c＋ρ_sｔ_s）・・・・・・・・・・（１）

圧電バイモルフ素子の両面に可とう性の物質よりなる層が新たに加わると、結果として曲げ弾性係数Ｋと単位長さ当たりの重さρSが変わるために、共振周波数が影響を受ける。選択する可とう性の物質によっては共振周波数の増大になる場合もあるが、弾性係数が一定以下、例えばゴムのような３〜８×１０⁶Ｐａ程度の弾性係数の小さな可とう性の物質を用いた場合、新たな層が加わることで全体の曲げ弾性係数Ｋは増加するが、その増加率は、単位長さ当たりの重さρSの増大率に比べると少なく、結果として音響振動発生素子の共振周波数は低下する。

図３は、可とう性物質としてシリコンゴムを用い、その厚みを変えた時の共振周波数の変化を示している。図３から、この可とう性物質の効果は、共振周波数の低下と同時に振動体の機械的Ｑを低下し、音域が広くなる。また、骨伝導デバイスの音響出力は、人間の皮膚に密着して音声エネルギーが放射されるので、音響振動発生素子と人間の皮膚との音響インピーダンスの整合の面でも可とう性の物質で被覆された構造が適している。更に、可とう性の物質で圧電バイモルフ素子を被覆した場合に不要な音声を周囲に放射する音漏れの低下についても、効果が得られる。以上は矩形の音響振動発生素子を例にして説明したが、円形の圧電バイモルフ素子や圧電ユニモルフ素子を用いた場合でも当然同様の効果が得られる。以下、実施例により本発明を説明する。

矩形圧電バイモルフ素子での試作例
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の圧電素子２枚と、外形寸法が同じで厚みが５０μｍの真鍮製のシム板をエポキシ系接着剤で貼り合わせた構造の圧電バイモルフ素子と、前記圧電素子の代わりに、厚み方向に５０μｍの圧電セラミックス層が３層と薄い内部電極層が積層された圧電素子２枚を用いて同様に作製した圧電バイモルフ素子を準備した。前者を単板構造、後者を積層構造と称する。おのおのの圧電バイモルフ素子について、シムと両面のセラミックの外面にリード線を設け、片方の圧電素子に分極方向と同じ電界が加わる場合に他の圧電素子には逆の電界が加わるように結線してある。

次に、真鍮製の金型を用いてバイモルフ素子の全面にシリコンゴムの溶液を流し込み、硬化処理により厚み方向の二面に厚さ２ｍｍ、幅方向に１ｍｍのゴム被膜が覆う構造の音響振動発生素子を作製した。これらについては、単板構造では１８Ｖｒｍｓ程度の音響信号を入力して、これらの片面を頭部に押し付けると、明瞭な骨伝導による音声を確認できた。積層構造では、同程度の出力が約１／３の入力６Ｖｒｍｓで得られた。さらに、この場合に外部に漏れる音声について評価するために、無響室内で５０ｃｍの距離で１００Ｈｚ〜１０ｋＨｚの音圧を計測したところ５０ｄＢ以下であり、音漏れは、きわめて少ないことを確認した。

次に、可とう性の物質の音響効果を定量的に確認するために、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、被覆しない状態と被覆後について測定し両者を比較した。内耳における加速度の大きさは、聴覚神経が受け取る音響信号の強さに比例するものとされている。

図４に、人工内耳での加速度の比較結果を示す。図４から明らかなように、被覆された素子の加速度は低周波数域での出力が改善されていること、さらに共振部の鋭さが大きく緩和されていることが確認できた。

円形圧電バイモルフ素子での試作例
ＮＥＣトーキン製圧電セラミックス（商品名ネペック１０）を用いた直径３０ｍｍφ、厚さ０．１５ｍｍの圧電素子２枚と、外形寸法が同じで厚みが５０μｍの真鍮製のシムをエポキシ系接着剤で貼り合わせた構造の圧電バイモルフ素子と、前記圧電素子の代わりに、厚み方向に５０μｍの圧電セラミックス層が３層と薄い内部電極層が積層された圧電素子２枚を用いて同様に作製した圧電バイモルフ素子を準備した。前者を単板構造、後者を積層構造と称する。おのおのの圧電バイモルフ素子についてシム板と両面のセラミックの外面にリード線を設け、片方の圧電素子に分極方向と同じ電界が加わる場合に他の圧電素子には逆の電界が加わるように結線してある。

次に、真鍮製の金型を用いてバイモルフ素子の全面にシリコンゴムの溶液を流し込み、硬化処理により厚み方向の両面に厚さ２ｍｍ、幅方向に１ｍｍのゴム被膜が覆う構造の音響振動発生素子を作製した。これらについては単板構造では１８Ｖｒｍｓ、積層構造では６Ｖｒｍｓ程度の音響信号を入力してこれらの片面を頭部に押し付けると明瞭な骨伝導による音声を確認できた。また、この場合についても外部に漏れる音声について評価するため無響室内で５０ｃｍの距離で１００Ｈｚ〜１０ｋＨｚの音圧を計測したところ５０ｄＢ以下であり、音漏れはきわめて少ないことを確認した。

次に、可とう性の物質の効果を確認するために人工内耳（Ｂ＆Ｋ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被覆しない状態と被覆後について測定し両者を比較した。

図５に、人工内耳での加速度の比較結果を示す。図５から明らかなように、この場合も被覆された素子の加速度は低周波数域でも伸びていること、共振部の鋭さが大きく緩和されていることが確認できた。なお、可とう性物質の周波数低減、Ｑの緩和、音漏れ防止の効果は、実施例のシリコンゴムでのモールド成形の他に、可とう性の物質を表面に貼り付ける構成でも同様の効果が得られる。

可とう性の物質の表面にV型溝を形成した試作例
実施例１で試作した音響振動発生素子を機械加工によって両面の可とう性物質（実施例ではシリコンゴム）に長さ方向と直交する方向に深さ０．６ｍｍの複数のＶ型の溝を形成した。

図６に、Ｖ型の溝を形成した音響振動発生素子の斜視図を示した。図６の音響振動発生素子について、前述の実施例で説明した人工内耳による計測を行った。

図７に、人工内耳での加速度の比較結果を示す。図７から明らかなように、溝が無い場合よりも加速度の値がわずかではあるが大きくなっている。また、音漏れに関しては同レベルであった。これは溝の存在によって屈曲変形が容易になり、曲げ弾性係数Ｋが見かけ上、低下するために、発生する力が増大し、出力が増えたためである。更に、低域の周波数で出力が増大しているが、これも同様に曲げ弾性係数Kの低下により、数１で理解できるように、共振周波数ＦｒがＫの低下で下がるために得られた効果である。なお、可とう性物質の表面に形成する溝の形状は、断面が半円形や他の形であっても同じ効果が得られる。

可とう性の物質表面の片側に空気室を形成した試作例
実施例２で試作した音響振動発生素子について、片側の面に同一直径の軟質ゴム製の円形リング（３０ｍｍφ×２５ｍｍφ×１ｍｍ）と同材質の円板（３０ｍｍφ×１ｍｍ）を順番にゴム系の接着剤を用いて貼り付け片側の面に２５ｍｍφ×１ｍｍの空気室を設けた。空気室を設けた音響振動発生素子の断面図を図８に示した。空気室を形成しない側の面を出力面として顔の一部に押し付けて音声信号を入力した場合、空気室の存在により片側の開放面からの音漏れが減少した。

本実施試作例では、空気室の形成にゴム製のリングと円板を用いたが被覆可とう性物質と一体に成形することも可能であり、このときの過程で空気室が外気とつながる構造になる場合でも効果は同じである。また、この効果は圧電バイモルフ素子の形状によらず矩形の場合でも同様であることは言うまでもない。

可とう性の物質で耳かけを一体成形した試作例
図９は、実施例１で用いた圧電バイモルフ素子と被覆用シリコンゴムで耳かけを一体成形した音響振動発生素子である。また、図１０は、人体の耳に装着した状態を示す。図１０に示したように、装着し、電気信号を入力すると、外耳の軟骨と耳の後ろの頭骨を同時に刺激することができ、骨伝導による音声をより明瞭に聴き取ることが可能である。

本発明の基本構成を示す。図１（ａ）は可とう性物質を両面に貼りつけた構成の斜視図、図１（ｂ）は圧電素子を可とう性物質で前面被覆した構成の斜視図。可とう性物質を圧電バイモルフ素子の両面に貼りつけた構造の音響振動発生素子の断面図。シリコンゴムの厚みを変えた時の音響振動発生素子の共振周波数の変化を示す図。実施例１の人工内耳での加速度の比較図。実施例２の人工内耳での加速度の比較図。Ｖ型の溝を形成した音響振動発生素子の斜視図。実施例３の人工内耳での加速度の比較図。空気室を設けた音響振動発生素子の断面図。耳かけを一体成形した図。人体の耳に装着した状態を示す図。

符号の説明

１−１圧電バイモルフ素子または圧電ユニモルフ素子、
１−２可とう性物質
１−８空気室
１−９可とう性物質で耳かけ構造を持った音響振動発生素子
６−１Ｖ型の溝

Claims

圧電バイモルフ素子または圧電ユニモルフ素子の厚さ方向に垂直な二面に可とう性物質を貼り合わせた構造を特徴とする骨伝導応用の音響振動発生素子。
圧電バイモルフ素子または圧電ユニモルフ素子の全体を可とう性物質で被覆した構造を特徴とする骨伝導応用の音響振動発生素子。
前記圧電バイモルフ素子が圧電セラミックスと内部電極の積層構造体であることを特徴とする請求項１または２に記載の骨伝導応用の音響振動発生素子。
前記可とう性物質で構成される表面に溝を形成したことを特徴とする請求項１または２または３に記載の骨伝導応用の音響振動発生素子。
前記可とう性物質の表面の片側に空気室を設けたことを特徴とする請求項１または２または３に記載の骨伝導応用の音響振動発生素子。
前記圧電バイモルフ素子または圧電ユニモルフ素子を被覆する可とう性物質の一部で、耳かけ部分が一体成形されていることを特徴とする骨伝導応用の音響振動発生素子。