JP2008015258A

JP2008015258A - 圧電ブザー

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Publication number: JP2008015258A
Application number: JP2006186792A
Authority: JP
Inventors: Yukimi Sakai; 幸美酒井
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-07-06
Filing date: 2006-07-06
Publication date: 2008-01-24
Anticipated expiration: 2026-07-06
Also published as: JP4478665B2

Abstract

【課題】従来技術においては、自動車の盗難防止等に必要な警音器に使用する場合、取り付けスペースや消費電力の制約があり、大きな音圧が要求されている現状であるが、現在、高音圧が得られるものが存在していないという問題があった。
【解決手段】凹凸部を形成したプラスチックフィルム４と、該プラスチックフィルム４の凹凸部を利用して、振動板とプラスチックフィルム４の間に空気室５を形成して固設された振動子単体１を２枚反転させて平坦部を対向させるように重ね、さらに振動子単体１間の中間に中央空気室９を形成するように、固定リング８を介してプラスチックフィルム４の周縁を固定し、２枚の振動子単体１にはリード線を接続し駆動源に接続され、この２枚の振動子単体１の内、どちらか一方のプラスチックフィルム凸部をケースの内底部に両面テープ等で接着固定した圧電ブザー。
【選択図】図２

Description

本発明は、自動車等の警音器等に使用する駆動源として薄板状の圧電素子を用いた圧電ブザーに関するものである。

従来技術として、固定リングに周縁を固定したプラスチックフィルムの中間に段部を設け、更にその中央部に凹部を形成し、該凹部の周縁に薄円板周縁を貼着して密閉した空洞部を形成し、該空洞部に対向して薄円板に薄板状圧電素子を貼着し、プラスチックフィルム前面に孔明きボードを取り付け、薄板状圧電素子の振動により前記密閉された空洞部及びプラスチックフィルム全体を振動させる如くした圧電スピーカー（例えば、特許文献１参照）が存在している。
特許第２５５１８１３号公報（特許請求の範囲の欄、発明の詳細な説明の欄の｛作用｝、｛実施例｝、｛効果｝、及び図１を参照）

しかしながら、前記の従来技術においては、自動車の盗難防止等に必要な警音器に使用する場合、取り付けスペースや消費電力の制約がある。その上で大きな音圧が要求されている現状である。ところが、現在、高音圧が得られるものが存在していないという問題があった。
本発明は、前記問題を解決する圧電ブザーを提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するための本発明の第１発明は、請求項１に記載された通りの圧電ブザーであり、次のようなものである。
凹凸部を形成したプラスチックフィルムと、該プラスチックフィルムの凹凸部を利用して、振動板とプラスチックフィルムの間に空気室を形成して固設された振動子単体を２枚反転させて平坦部を対向させるように重ね、さらに振動子単体間の中間に中央空気室を形成するように、固定リングを介してプラスチックフィルムの周縁を固定し、２枚の振動子単体にはリード線を接続し駆動源に接続され、この２枚の振動子単体の内、どちらか一方のプラスチックフィルム凸部をケースの内底部に両面テープ等で接着固定する構成である。

上記課題を解決するための本発明の第２発明は、請求項２に記載された通りの圧電ブザーであり、次のようなものである。
請求項１に記載の発明に加えて、ケースはプラスチック製ケースで、水抜き用の排水孔を形成し、ブザー音を放射する前方側に空気室が形成され、このケースには、さらに開口部を形成した蓋体を有する構成である。

本発明に係る圧電ブザーは、上記説明のような構成であるので、以下に記載する効果を奏する。
（１）コンパクト化が奏され、しかも警報用のブザーとして、高い音圧が得られると共に、消費電力を低減できる。
（２）本発明の圧電ブザーは、電気エネルギーから音響エネルギーへの変換効率が５０％程度に達する。
（３）ケースの底部にフィルム付振動子を設置し、開口部、すなわち蓋体側への音響放射を利用し、振動板を二重化して逆方向に（呼吸のように）駆動振動（共鳴、共振）することにより、効率化に役立つ高音圧のブザーを得ることができる。

凹凸部を形成したプラスチックフィルムと、該プラスチックフィルムの凹凸部を利用して、振動板とプラスチックフィルムの間に空気室を形成して固設された振動子単体を２枚反転させて平坦部を対向させるように重ね、さらに振動子単体間の中間に中央空気室を形成するように、固定リングを介してプラスチックフィルムの周縁を固定し、２枚の振動子単体にはリード線を接続し駆動源に接続され、この２枚の振動子単体の内、どちらか一方のプラスチックフィルム凸部をケースの内底部に両面テープ等で接着固定した圧電ブザー。

元来、自動車の警音器は安全確保のための重要な部品であり、大きな音圧が要求される反面、取り付けスペースや消費電力には厳しい制約が課されている。このような需要に応えるため、圧電ブザーを用いたユニークな警音器を製造してきたが、最近、従来の製品にも増して高音圧が得られる製品が要求されるようになった。
本発明は、一端を閉じた短い管体、例えばケースの底部に振動子単体を２枚中央に空気室を形成するように重ねて形成した二重振動子を用い、２枚の振動子単体のどちらか一方の振動子単体を両面接着テープ等で固設し、開口部からの音響放射を利用し、二重化した振動子単体（以下、振動板という）を呼吸球のように逆方向に駆動することにより、効率化を図った高音圧の圧電ブザーを得るものである。

ここで、本発明の圧電ブザーの音響効果を確認するのに、以下のようなことをベースにして考察した。
振動面からの音の放射されやすさを表わすのに、「放射率」が用いられる。これは、構造物の放射パワーを、速度の二乗積分値が等しい平面波音源の放射パワーに対する比で表わしたものである。放射率を高めることは、大音量を得るために最も重要なポイントである。
この点を踏まえて、警報用のブザーとしては、高い音圧が得られることと共に、消費電力を低減することも重要である。そして、放射率を高めることは効率を向上することでもある。これは、入力された電力は、音響パワー、振動子内部の材料減衰、振動子の支持損失に変換され、いずれも概ね電流の二乗に比例するためである。
そして、本発明の二重振動子の利点は、機密を保った２ｍｍ程度の空隙を介して２枚の振動子単体の周縁を接着した二重振動子がある。この二重化した振動板は、膨張・収縮を行うような極性で結線して駆動する。
振動板の取り付けは方法によっては、エネルギー損失の原因ともなるが、この二重振動子の周辺部は不動点となるので支持にも活用できる。
二つの振動板を並列に用いると、一般には両者の共振周波数のバラツキにより電気的アドミッタンスに２つのピークが生じ、周波数追尾に支障をもたらす可能性もある。ところが、本発明の振動板では空気層が強いバネとして両者を結合するため、引き込み現象が生じ、顕著な１つのピークの周波数においてアドミッタンスが極大となり、この周波数で両方の振動板の電流が最大となるため、安定な周波数追尾がなされる。
さらに、本発明では、開口部は通気性の良い窓としている。そのため、開口部を小窓で狭めた従来品のような、ヘルムホルツ共鳴器形のインピーダンスマッチングの改善は期待できないが、空洞の深さを調整することにより、空洞共振を積極的に活用した。振動板の中心から開口部までの長さは１／４波長よりかなり短く、実験的に最大の出力が得られることで定めたものであるが、有限要素法による解析でも確認された。なお、開口部が大きいことは空気の出入りによる損失の低減にも役立つ。
さらに、大きな改善が二重振動子によって得られる。後方振動板の放射音は、中央部から半径方向に拡大する底面を通り振動板とケースの空隙を通じ、前面の空洞部に放射される。この経路がホーンとして機能し、インピーダンスマッチングが図られる。
そして、前方振動板と後方振動板を同時に動作させると、単独の場合に比べ、電流の合計値が減少する反面、パワーは合計の倍近くになるという著しい利点があることが、実験及び有限要素法による解析により判明した。その原因は両振動板の相互作用にある。すなわち一方の振動板に注目するとき、他の振動板が発生した音圧にも抗して変位するため、変位は減少し、放射パワーが増大することになる。さらに、変位の減少は支持損失等、無駄に消費されるパワーを低減するため、効率の向上に結び付く。

ここで、図１に基づいて、具体的な一実施例を説明する。
図１（ａ）には、振動子単体１を示し、この振動子単体１は金属板２の両面に振動板に相当する圧電セラミック３を貼り合わせたもので、３０φ〜６０φの直径を有するものである。
図１（ｂ）には、振動子単体１の圧電セラミック３のどちらか一方を覆うように、しかも、圧電セラミック３との間に空気室５を有するように凹凸のあるプラスチックフィルム４を接着剤６等で取り付け、フィルム付振動子７を形成する。
前記フィルム付振動子７を２個用意し、図１（ｃ）に示すように反転して重ね、これを固定リング８に中央空気室９を形成するように固定して、二重振動子１０を得るものである。
この二重振動子１０のどちらか一方の振動子単体１のプラスチックフィルム凸部をプラスチックケース１１の内底部に両面接着テープ１２等で接着して取り付けるものである。
尚、プラスチックケース１１には底部側方に適数個の排水孔を設ける。

次に、駆動方法について簡単に説明すると、１Ｖｒｍｓの正弦波で駆動して音響パワー振動速度等を測定した。
これは都立産業技術研究所で行ったものである。そして、その測定結果をまとめると、以下の通りである。
（１）本発明の「圧電ブザー」では、電気エネルギーから音響エネルギーへの変換効率が５０％程度に達する。
（２）プラスチックフィルムと振動子単体からなる「二重振動子」の振動モードは、ほぼ全面が概ね同位相で変位しており、通常の圧電ブザーとは桁違いに大きな体積速度が得られることがわかった。「圧電ブザー」の高い効率の第一の要因は、「二重振動子」の大きな体積速度と考えられる。
（３）「二重振動子」表面の振動がほぼ同位相になるのは、プラスチックフィルムの質量と「空気室」のバネによる単振動系の共鳴および、フィルムの周辺部が「振動子単体」の末端により強制的に変位させられるためと考えられる。
（４）電流を制限する方法として、共振周波数より高い周波数で駆動することも考えられる。
（５）「圧電ブザー」に関して、「二重振動子」の｛両面駆動｝によるパワーが｛背面・前面個別駆動｝の合計値を上回ることを実験および有限要素法により確認した。
（６）ケースの効果につき、有限要素法による解析を行った結果、「背後空気室」（等価的にバネ）と「周辺ギャップ」（等価的に質量）による共鳴が重要であり、「ブザー」の高さは低減できる可能性が示された。
なお、詳細なデータは割愛する。

次に、第二〜第五実施例を図２〜図５で説明する。
図２は第二実施例で、プラスチックケース４の底部側方に取り付け用ブラケット１３を設け、さらに底部には排水孔１４が設けられている。また、フィルム付振動子７の前面に前方空気室１５を有するように蓋体１６を設ける。この蓋体１６には、音響放射できるように開口部１７が形成されている。
図３は第三実施例で、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は正断面図、図３（ｃ）は一部側断面図であり、プラスチックケース４と蓋体１６の形状が相違するもので、この形状は種々考えられるので、詳細な説明は、あえて省略する。
図４は第四実施例で、図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は正断面図であり、プラスチックケース４を一体成形せず、底板１８、胴体１９、蓋体２０で構成し、しかも、二重振動子１０の上部を保護する保護部材２１から成り、その他、空気室５、中央空気室９、二重振動子１０、取り付けブラケット１３、排水孔１４、前方空気室１５等は前記第一、第二、第三実施例と同様に構成されている。
図５は第五実施例で、前記第一実施例〜第四実施例に示したものは、二重振動子１０のフィルム付振動子７のどちらか一方をプラスチックケース１１の内底部に両面接着テープ等で接着固定しているが、これに換えて、プラスチックケース１１の胴体部の中間部に取り付け、二重振動子１０が底部にも蓋体２０にも直接固定されず、空気室５が形成されるように構成されている。
なお、フィルム付振動子７には、防水密閉状態でシリコン接着剤等で覆われ、リード線が２つのフィルム付振動子７の変位の方向が逆向きになるように並列接続して電圧を印加するように設けられていることは言うまでもない。
すなわち、圧電ブザーとしての構成は、前記したように二重振動子１０を共鳴容器（プラスチックケース）に取り付けることでブザーを構成するものである。

各種ブザー、各種スピーカー等に利用することができる。

本発明の圧電ブザーの第一実施例を説明する各部分説明図である。本発明の圧電ブザーの第二実施例を示す平面図と正断面図である。本発明の圧電ブザーの第三実施例を示す平面図と正断面図と一部側断面図である。本発明の圧電ブザーの第四実施例を示す平面図と正断面図である。本発明の圧電ブザーの第五実施例を示す断面図である。

符号の説明

１・・・・振動子単体２・・・・金属板
３・・・・圧電セラミック４・・・・プラスチックフィルム
５・・・・空気室６・・・・接着剤
７・・・・フィルム付振動子８・・・・固定リング
９・・・・中央空気室１０・・・・二重振動子
１１・・・・プラスチックケース１２・・・・両面接着テープ
１３・・・・取り付け用ブラケット１４・・・・排水孔
１５・・・・前方空気室１６・・・・蓋体
１７・・・・開口部１８・・・・底板
１９・・・・胴体２０・・・・蓋体
２１・・・・保護部材

Claims

凹凸部を形成したプラスチックフィルムと、該プラスチックフィルムの凹凸部を利用して、振動板とプラスチックフィルムの間に空気室を形成して固設された振動子単体を２枚反転させて平坦部を対向させるように重ね、さらに振動子単体間の中間に中央空気室を形成するように、固定リングを介してプラスチックフィルムの周縁を固定し、２枚の振動子単体にはリード線を接続し駆動源に接続され、この２枚の振動子単体の内、どちらか一方のプラスチックフィルム凸部をケースの内底部に両面テープ等で接着固定したことを特徴とする圧電ブザー。
ケースはプラスチック製ケースで、水抜き用の排水孔を形成し、ブザー音を放射する前方側に空気室が形成され、このケースには、さらに開口部を形成した蓋体を有することを特徴とする請求項１記載の圧電ブザー。