JP2009207056A

JP2009207056A - 振動発生装置

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Publication number: JP2009207056A
Application number: JP2008049462A
Authority: JP
Inventors: Mitsutoshi Yoshida; 光寿吉田; Yoichi Hashimoto; 陽一橋本; Yuji Nitobe; 祐二新渡戸
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2008-02-29
Filing date: 2008-02-29
Publication date: 2009-09-10
Anticipated expiration: 2028-02-29
Also published as: JP5019615B2

Abstract

【課題】出力部の出力面の方向の装置全体の長さを小さくし、かつ、落下衝撃などの大きな衝撃による圧力が出力部に加わっても圧電素子を保護し、出力低下を招きにくい構造の振動発生装置を提供すること。
【解決手段】積層型圧電素子２と積層型圧電素子２が発生した機械振動による変位を拡大する拡大機構部と拡大した機械振動を外部へ伝達するための振動出力部とベース部とからなっている。拡大機構部は積層型圧電素子２の機械振動が伝達される拡大レバー駆動部１２と、拡大レバー駆動部１２とほぼ直交する方向に折り曲げられて拡大レバー駆動部１２と一体として形成され振動出力部に機械振動を伝達するための拡大レバー出力部１１とからなる略Ｌ字型の拡大レバー１０で構成され、拡大レバー１０が回動運動するように拡大レバー１０はベース部のベース５にピン１３で支持されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、音声電気信号を音響振動に変換して人体頭部の一部に伝え、この振動が聴覚器官に伝わることにより音を認識させる骨伝導スピーカなどの用途に使用される圧電素子を利用した振動発生装置に関し、特に低背で、かつ落下衝撃などの大きな衝撃力から圧電素子を保護する構造の振動発生装置に関する。

携帯電話機や固定電話機のハンドセット、そして、ヘッドホンなどの音声や音楽のインターフェースとして、音声電気信号を音響振動に変換して人体頭部の一部に伝え、この振動が聴覚器官に伝わることにより、その利用者に音を認識させる骨伝導スピーカが使用されている。

骨伝導スピーカを携帯電話機や携帯端末機器等に使用する場合は、その音響信号発生装置には、出来る限りの小型化と高出力化が要求される。このため、印加される信号に対し、より大きな出力を、より簡単な構造で得られることが好ましい。通常、圧電素子を用いた音響信号発生装置としては、圧電ユニモルフ素子や圧電バイモルフ素子が主に使用されている。これらの圧電素子の場合、必要な大きさの音響振動を得るためには、それに対応した機械振動の変位量が必要であり、このためには圧電素子の形状をある程度以上大きくする必要があり、要求される音響出力を維持しての小型化には限界がある。

そこで、この目的に適したものとして、特許文献１に略コ字型の構造の変位拡大機構を持つ音響信号発生装置が示されている。印加される電気信号に対応し伸縮変位して機械振動する積層型圧電素子と、その積層型圧電素子の変位を拡大する拡大機構部とから構成され、その拡大機構部は略コ字型の拡大レバーを有し、そのコ字型の対向する上下辺間に積層型圧電素子を配して、この積層型圧電素子の積層方向の伸縮変位でコの字の開放端側の先端部が互いに開くように変位し、この先端側の相対的な変位が積層型圧電素子の変位より大きくなるようにしたものである。

しかし、この音響信号発生装置をさらに小型化するため、高さをより小さくしようとする場合、積層型圧電素子の長さを小さくする必要が有り、その場合、得られる変位出力が低下し、印加される信号に対しより大きな出力をより簡単な構造で得るという目的が達成できなくなる。

そこで、装置の出力面の方向の長さ、すなわち装置全体の高さを小さくして低背化してもその出力が低下しない変位拡大機構を有する音響信号発生装置として、本願発明者らが発明し、先に特許出願した音響信号発生装置の構造を図４および図５に示す。図４はその音響信号発生装置を部品に展開した斜視図、図５は音響信号発生装置をその中央部で切った断面図である。

図５において、この音響信号発生装置は、電気信号の振動的変化を機械振動に変換する積層型圧電素子２と、積層型圧電素子２が発生した機械振動による変位を拡大する拡大機構部と、その拡大機構部により拡大された変位による機械振動を出力する出力部とからなっている。また、出力部における機械振動を外部に伝達するための出力面の向きは積層型圧電素子２の伸縮変位方向に対しほぼ直交している。

また、その拡大機構部は、拡大レバー駆動部２２と拡大レバー駆動部２２の両側にそれぞれ拡大レバー駆動部２２とほぼ直交する方向に折り曲げられて一体として形成された拡大レバー基底部１５および拡大レバー出力部２１とからなる略コ字型の拡大レバー２０により構成され、積層型圧電素子２の一端より拡大レバー駆動部２２に機械振動が伝えられる。

また、積層型圧電素子２の他端を予圧ねじ２４により固定した錘１６を拡大レバー基底部１５に固定ねじ１７により固定してなる固定部を有し、拡大レバー駆動部２２と拡大レバー基底部１５との間の折り曲げ部１８を回動中心として前記変位の拡大が行われるように構成されている。出力部は拡大レバー出力部２１に固定され機械振動を外部に伝達するための出力パッド１９から構成されている。

特開２００７−７４６６３号公報

上記の構造の変位拡大機構を持つ音響信号発生装置において、図４に示す拡大レバー２０は拡大レバー駆動部２２と、拡大レバー基底部１５と拡大レバー出力部２１が一体で形成されているため、拡大レバー出力部２１に落下等による大きな衝撃力が出力振動方向と平行な方向の圧力（図４に示すＥ）として加わると、拡大レバー駆動部２２が積層型圧電素子２を圧縮する方向に荷重がかかる。ここで積層型圧電素子２は外力により圧縮されたり、衝撃が加わると逆起電力を発生し分極性能が劣化するため、この音響信号発生装置においては、衝撃を受けることにより振動出力の振幅レベルが低下してしまうという問題がある。なお、出力振動方向と直行する方向の力（図４に示すＧ、Ｈ方向）については、衝撃を受けてもそれを緩和するような対処を施している。例えば出力部に衝撃が作用し難いように、出力部と装置の外装部との間の隙間を大きくするなどである。これによって衝撃を受けても出力レベルの低下が許容範囲内に収まるようにしている。

しかし、骨伝導スピーカなどのように装置を外部の被伝達物に接触させて振動出力を外部に伝達する装置では、その必須の形態として、振動を人体などに伝えるため振動の出力部を装置の外側に突出させて露出させなければならない。よって衝撃によって出力低下を最も招きやすい出力部の振動方向の圧力（図４に示すＥ方向）の衝撃を受けることも避けられない。これは骨伝導スピーカなどの振動発生装置の性能を向上させる上で対処しなければならない重要な課題であった。

そこで、本発明の課題は、出力部の機械振動を外部に伝達するための出力面の方向の装置全体の長さを小さくし、かつ、落下衝撃などの大きな衝撃による出力部の振動方向と平行な方向の圧力が出力部に加わっても圧電素子を保護し、出力低下を招きにくい構造の振動発生装置を提供することにある。

上記課題を達成するため、本発明の振動装置は、電気信号の振動的変化を機械振動に変換する圧電素子と、該圧電素子が発生した機械振動による変位を拡大する拡大機構部と、該拡大機構部が拡大した変位による機械振動を外部へ伝達するための振動出力部と、前記圧電素子および拡大機構部を保持するベース部とからなり、前記拡大機構部は前記圧電素子の機械振動が伝達される拡大レバー駆動部と、該拡大レバー駆動部とほぼ直交する方向に折り曲げられて該拡大レバー駆動部と一体として形成され前記振動出力部に前記機械振動を伝達する拡大レバー出力部とからなる略Ｌ字型の拡大レバーを構成要素とする振動発生装置であって、前記拡大レバーは該拡大レバーが回動運動するように前記ベース部にピンで支持され、前記拡大レバー出力部の振動方向が前記圧電素子の振動方向に対しほぼ直交し、前記振動出力部にその振動方向に平行な圧力が加えられた場合に前記圧電素子と前記拡大レバー駆動部とが離れる方向に前記拡大レバーが回動するように配置されることを特徴とする。

また、前記圧電素子の機械振動が前記拡大レバー駆動部に適切に伝達されるために、前記圧電素子と前記拡大レバー駆動部との間に適切な圧力を加える手段を備えていることが望ましい。このため、前記ベース部と前記拡大レバー出力部との間にその間隔を広げる方向の弾性力を与える手段が挿入されていてもよく、その弾性力を与える手段は板ばねであってもよい。

図４および図５に示した音響信号発生装置では、拡大機構部として拡大レバー駆動部２２と拡大レバー基底部１５と拡大レバー出力部２１を一体で形成したコ字型の拡大レバーを有していたが、本発明では、拡大機構部として拡大レバー駆動部と拡大レバー出力部を一体で形成した略Ｌ字型の拡大レバーを有し、それとは別の構成部品として拡大レバーを支持するベース部を有している。また、拡大レバーが回動するよう拡大レバーをベース部にピンで支持する構造とし、拡大レバー出力部の振動方向が圧電素子の振動方向に対しほぼ直交するように配置している。本発明では、この構造により、装置全体の高さを低くでき、かつ振動出力部に振動方向と同じ方向の圧力が加わると拡大レバーが拡大レバー駆動部と圧電素子を離す方向に回動する。

以上より、本発明により、出力部の機械振動を外部に伝達するための出力面の方向の装置全体の長さを小さくし、かつ、落下衝撃などの大きな衝撃による出力部の振動方向と平行な方向の圧力が出力部に加わっても圧電素子を保護し、出力低下を招きにくい構造の振動発生装置が得られる。

以下、図面を参照して本発明の実施例に基づいて実施の形態を説明する。

図１から図３は本発明による振動発生装置の一実施例である骨伝導スピーカ用の振動発生装置を示す図である。図１は外観図であり、図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３は部品展開斜視図である。これらの図を使用して本実施例を説明する。

図２および図３において、本実施例の振動発生装置は、電気信号の振動的変化を機械振動に変換する積層型圧電素子２と、積層型圧電素子２が発生した機械振動による変位を拡大する拡大機構部と、該拡大機構部が拡大した変位による機械振動を音響振動として外部へ伝達するための振動出力部と、積層型圧電素子２および拡大機構部を支持するベース部からなっている。拡大機構部は積層型圧電素子２の機械振動が伝達される拡大レバー駆動部１２と、拡大レバー駆動部１２とほぼ直交する方向に折り曲げられて拡大レバー駆動部１２と一体として形成され振動出力部に機械振動を伝達するための拡大レバー出力部１１とからなる略Ｌ字型の拡大レバー１０で構成されている。ベース部は、ベース基底部６とベース基底部６とほぼ直角に折り曲げられて一体として形成されたベース側面部７とピン穴５ａとからなる略コの字型のベース５、錘９、素子受け板４などで構成されている。また、拡大レバー１０が回動運動するように拡大レバー１０はベース５にピン１３で支持されている。

また、拡大レバー１０を拡大レバー出力部１１の振動方向が積層型圧電素子２の伸縮変位による振動方向に対しほぼ直交するように配置し、拡大レバー出力部１１に拡大レバー出力部１１の振動方向に平行な圧力が加わると、拡大レバー１０が積層型圧電素子２と拡大レバー駆動部１２とが離れる方向に回動するように構成されている。拡大機構部が拡大した変位による機械振動を音響振動として外部へ伝達するための振動出力部は、拡大レバー出力部１１に固定され機械振動を外部に伝達するための出力面を有する出力パッド１から構成されている。

積層型圧電素子２は、数十から数百マイクロメータ程度の厚さのシート状圧電材料と電極材料を交互に積層してプラス電極とマイナス電極をそれぞれ接続し形成された圧電素子であり、その特徴は積層方向に対する伸縮変位が積層された層数の分だけ拡大されて大きくなることである。

ベース５は金属の板材をプレス加工することにより形成され、ベース基底部６とその両側面のベース側面部７からなる略コ字の形状を成している。ベース側面部７には拡大レバー１０をピン１３で支持するためのピン穴５ａ、錘９を固定し位置決めするための切り欠き部５ｃが設けてある。また、ベース基底部６には素子受け板４を固定し位置決めするための固定用穴５ｂが設けてある。

素子受け板４はベース基底部６に設けられた固定用穴５ｂに図中下方向から挿入され、ベース５に接着剤で固定される。素子受け板４にはねじ穴４ｂが設けられ、予圧ねじ１４により積層型圧電素子２に適切な予圧を付与できる構造になっている。

積層型圧電素子２の両端には位置ずれを防ぐための位置決め板３が配置され、位置決め板３と積層型圧電素子２が錘９に取り付けられる。錘９は位置決め板３を両端で支持する形状を有し、積層型圧電素子２を覆うような形状を有している。錘９は位置決め板３と積層型圧電素子２を支持した状態で、突起９ａをベース側面部７に設けられた位置決め用の切り欠き部５ｃにはめ込んでベース５に接着剤で固定される。

素子受け板４の上面には金属製の板状である予圧ばね８を配置する。予圧ばね８には曲げ加工が施され、両端部が拡大レバー出力部１１を裏側から押すことによって積層型圧電素子２に適切な予圧を付与するためのテンションを得る。また、予圧ばね８は拡大レバー１０の回動を支える役割を持つ。本実施例では、予圧ばね８の材質はりん青銅、厚さは０．２５ｍｍとしているが、必要な予圧に応じて適宜設定することができる。

拡大レバー１０は金属の板材をプレス加工することにより形成され、拡大レバー駆動部１２、拡大レバー出力部１１からなる略Ｌ字型の形状をしている。拡大レバー１０の縁は剛性を高めるため絞り加工によりリブ形状１０ｂが形成されている。また、拡大レバー１０には拡大レバー１０をベース５に支持するためのピン穴１０ａが設けられている。

ベース５に素子受け板４、位置決め板３、積層型圧電素子２、錘９、予圧ばね８を組み付けた後、拡大レバー１０を上から被せ、拡大レバー１０のピン穴１０ａおよびベース側面部７のピン穴５ａにピン１３を通し拡大レバー１０がベース５に支持される構造を得る。拡大レバー駆動部１２が積層型圧電素子２の一端面と接触し、積層型圧電素子２が発生した機械振動を伝えるよう構成される。

積層型圧電素子２は、素子受け板４のねじ穴４ｂから接着剤を注入した後、予圧ねじ１４を締め付けて所定の予圧を付与し、その後、加熱処理等により接着剤が硬化することにより固定される。これにより素子受け板４、積層型圧電素子２、位置決め板３、錘９が同時に固定される。本実施例では７０℃で１時間加熱すると硬化するエポキシ系の１液性接着剤を用いている。予圧ねじ１４を締めて積層型圧電素子２に対して所定の予圧がかかるとき、拡大レバー１０が水平となるように予圧ばねの特性を選ぶことが望ましい。これにより装置全体の高さを低くでき、使い勝手の良い装置が得られる。積層型圧電素子２の電気信号入力線２ａはベース基底部６にある切り欠き部５ｄを通り、外部の駆動回路に結線される。

拡大レバー駆動部１２の内面は積層型圧電素子２の予圧ねじ１４側と反対側の端面に当接し、積層型圧電素子２が発生した機械振動を伝える。拡大レバー駆動部１２の内面と積層型圧電素子２の端面は接着せず、付与されている予圧で押し付けられているよう構成する。

骨伝導スピーカ用の振動発生装置においては、出力パッド１は使用時に利用者の頭部の皮膚に接触させて振動を伝えるものである。そのため、熱伝導率が低く、比重が小さく、かつ、剛性が比較的高く、肌触りの良い材料が求められる。本実施の形態では、例えばＡＢＳ樹脂などで形成している。また、出力パッド１は拡大レバー出力部１１に接着剤で固定される。

一般的に音響信号発生装置においては、出力部以外の部分で余分な振動（音）を出さないことが望ましいため振動を発生させたくない固定部と振動を発生し出力する可動部の質量比率が重要な指標となる。すなわち、拡大レバー１０と出力パッド１からなる可動部と、ベース５、素子受け板４、錘９、予圧ねじ１４からなる固定部において、可動部に対する固定部の質量の比率が大きいことが望ましい。このため錘９が設置されている。本実施例においては、固定部が約４．８ｇｆ、可動部が約０．９８ｇｆであり、固定部と可動部の比率が約５：１となるよう質量が設計されている。

次に、本実施例の振動発生装置の動作を説明する。外部の電気信号源から電気信号入力線２ａを介し積層型圧電素子２に音響信号に対応した交流電圧を印加することにより、積層型圧電素子２は印加された信号に対応してその積層方向に伸縮変位をする。本実施例の場合、伸縮変位方向は出力パッド１の出力面に平行な長手方向になる。この積層型圧電素子２の変位に従って、拡大レバー１０の拡大レバー駆動部１２と素子受け板４が押される。このとき、素子受け板４側はベース５と錘９に固定されており、拡大レバー１０側よりはるかに剛性が大きい構造のため、積層型圧電素子２の変位は拡大レバー駆動部１２を押し、拡大レバー１０がピン１３で支持されている部分を支点として回動運動する。この変位は、拡大レバー出力部１１およびその上に形成された出力パッド１を変位させ、利用者が頭部の皮膚にこれを接触させることにより音を聞くことができる。ピン１３で支持されている部分を回動中心とし、拡大レバー駆動部１２の積層型圧電素子２との接触点とピン１３までの距離Ｂを出力パッド１とピン１３との距離Ｃよりも短くする構造により、積層型圧電素子２の伸縮の量に対し、出力パッドの中央付近の変位は３倍から５倍程度に拡大でき、十分な音量を得られる変位拡大機構となる。本実施例では、距離Ｂが約２．５ｍｍ、距離Ｃが約１０ｍｍであり、拡大率は４倍となっている。

図４および図５の振動発生装置では、図２に示すＤ方向の外力、つまり出力振動方向と平行な方向の落下等による圧力が加わると積層型圧電素子２が圧縮される構造であった。本実施例の構造ではＤ方向に外力が加わると、拡大レバー１０がピン１３で支持された支点部を回動中心としてＦ方向に回動し、拡大レバー駆動部１２が積層型圧電素子２の端面から離れるため積層型圧電素子２が圧縮されず、分極劣化による出力の低下を防ぐことができる。ただし、上記動作は外力が予圧ばね８を変位させるだけの大きさがある場合であり、予圧ばね８が変位しない程度の小さい外力の場合は当然、拡大レバー駆動部１２が積層型圧電素子２から離れる動作もしない。

振動方向に平行な圧力が加わり、拡大レバー駆動部１２が積層型圧電素子２の端面から離れる動作をした後は、予圧ばね８の復元力により拡大レバー１０は元の位置に戻る。このとき、拡大レバー駆動部１２が積層型圧電素子２に衝突することになり、その方向は積層型圧電素子２を圧縮する方向となる。しかし、その復元による圧力は予圧ばね８による圧力のみであるので、衝撃による外力がそのまま圧縮方向に加わることに比較し、十分に耐落下性能を向上させることができる。

上記復元時の圧縮を軽減するために素子受け板４にはストッパ部４ａを設け、Ｄ方向に外力が加わった際の拡大レバー出力部１１の変位が拡大レバー出力部１１とストッパ部４ａとの間の距離以上にならないような構造にしてある。また、本実施例の構造は積層型圧電素子２の変位を拡大し、拡大レバー出力部１１へ伝える機構となっているので、上記の方向の外力により拡大レバー出力部１１が変位した場合の拡大レバー駆動部１２に伝わる変位は前述の拡大率に反比例して小さくなる。これによっても、耐落下性能を向上させることができる構造である。

なお、本発明は上記の実施例に限定されるものではないことは言うまでもなく、それらの目的や用途、必要とされる性能や形態に応じて部材の材質、形状の選択など任意に設計変更可能である。例えば、予圧ばねとして板ばねの代わりに他の方式のばねの使用も可能であり、また、予圧を与える手段、その手段の設置場所も変更可能である。

また、本発明は骨伝導スピーカ用の振動発生装置のみでなく、振動変位量の拡大が必要で小型化、耐衝撃性などが必要とされるあらゆる振動発生装置に適用可能であり、それらの目的や用途に応じて部材の材質や形状など任意に設計可能である。

本発明による振動発生装置の一実施例である骨伝導スピーカ用の振動発生装置を示す外観図。図１の実施例のＡ−Ａ断面図。図１の実施例の部品展開斜視図。低背化した変位拡大機構を有する音響信号発生装置の部品展開斜視図。図４の音響信号発生用装置の断面図。

符号の説明

１出力パッド
２積層型圧電素子
２ａ電気信号入力線
３位置決め板
４素子受け板
４ａストッパ部
４ｂねじ穴
５ベース
５ａピン穴
５ｂ固定用穴
５ｃ、５ｄ切り欠き部
６ベース基底部
７ベース側面部
８予圧ばね
９錘
９ａ突起
１０、２０拡大レバー
１０ａピン穴
１０ｂリブ形状
１１、２１拡大レバー出力部
１２、２２拡大レバー駆動部
１３ピン
１４、２４予圧ねじ
１５拡大レバー基底部
１６錘
１７固定ねじ
１８折り曲げ部
１９出力パッド

Claims

電気信号の振動的変化を機械振動に変換する圧電素子と、該圧電素子が発生した機械振動による変位を拡大する拡大機構部と、該拡大機構部が拡大した変位による機械振動を外部へ伝達するための振動出力部と、前記圧電素子および拡大機構部を保持するベース部とからなり、前記拡大機構部は前記圧電素子の機械振動が伝達される拡大レバー駆動部と、該拡大レバー駆動部とほぼ直交する方向に折り曲げられて該拡大レバー駆動部と一体として形成され前記振動出力部に前記機械振動を伝達する拡大レバー出力部とからなる略Ｌ字型の拡大レバーを構成要素とする振動発生装置であって、
前記拡大レバーは該拡大レバーが回動運動するように前記ベース部にピンで支持され、前記拡大レバー出力部の振動方向が前記圧電素子の振動方向に対しほぼ直交し、前記振動出力部にその振動方向に平行な圧力が加えられた場合に前記圧電素子と前記拡大レバー駆動部とが離れる方向に前記拡大レバーが回動するように配置されることを特徴とする振動発生装置。
前記圧電素子の機械振動が前記拡大レバー駆動部に適切に伝達されるために、前記圧電素子と前記拡大レバー駆動部との間に適切な圧力を加える手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の振動発生装置。
前記ベース部と前記拡大レバー出力部との間にその間隔を広げる方向の弾性力を与える手段が挿入されていることを特徴とする請求項２に記載の振動発生装置。
前記弾性力を与える手段は板ばねであることを特徴とする請求項３に記載の振動発生装置。