JP2012114671A - 振動伝達装置および振動伝達方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被振動部の強度に影響されることなくアクチュエータに適正な圧力を加えることができ、効果的な振動伝達を行うことができる振動伝達装置および振動伝達方法を提供すること。
【解決手段】入力信号に基づいて振動を発現するアクチュエータ部１３と、このアクチュエータ部１３からの振動を受け取る振動受動部１１とを伸縮部材１２ａで形成した結合部１２で接合し、アクチュエータ部１３、振動受動部１１および結合部１２を一体化して被振動部７に取り付けることで、アクチュエータ部１３を加圧して被振動部７への振動の伝達を調整する際に、被振動部７の強度に影響されることなくアクチュエータ部１３に適正な圧力を加えることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は音響システム、映像装置等のスピーカーの発音源として用いられる磁歪アクチュエータ、積層型圧電アクチュエータ等の振動を被振動各部に伝達する振動伝達装置、および振動伝達方法に関するものである。

近年、磁石やコイルを使用したフレミングの左手の法則に基づく、いわゆるダイナミックスピーカーとは異なる磁歪素子、積層型圧電素子等を用いたアクチュエータを発音源とするスピーカーが提案され、これまでの音響システム、映像装置とは異なる、例えば特許文献１、２のような音響システムや映像装置が市販されてきている。

従来、この種のアクチュエータからスピーカーの振動板への振動伝達は、例えば特許文献３に示されるように、振動板の表面にアクチュエータを直接、取り付けることで行っている。すなわち、図５に示すように、変位伝達部材として働く一対のＬ字状アングル９−１、９−２を対向して配置し、これらＬ字状アングル９−１、９−２の対向面にアクチュエータ１００を挟持した状態で、取り付けネジ８−１、８−２により振動板７の表面に取り付けている。

上記アクチュエータ１００から発音部分である振動板７への振動伝達特性の調整は、アクチュエータ１００の後方部分のＬ字状アングル９−２に貫挿した振動伝達調整ネジ１０を締め付け、あるいは緩めてアクチュエータ１００の長手方向に加える圧力を変化させることで行う。

特開２００７−１６６０２７号公報 特開２０１０−９３７６９号公報 特開２００６−２３８５７５号公報

ところで、上記アクチュエータ１００を取り付ける振動板７は、従来からスピーカーに用いられてきた紙、ポリプロピレン樹脂、アクリル樹脂等の高分子材料、アルミニウムやマグネシウム等の金属材料、あるいは高分子材料と金属との複合材料等で形成されている。そして、その厚さは、効果的な発音がなされるには１ｍｍ前後と薄いのが好ましいとされている。

しかしながら、このような薄い振動板７にアクチュエータ１００をＬ字状アングル９−１、９−２で取り付けると、振動伝達調整ネジ１０からアクチュエータ１００に圧力を加えた時に、取り付け部１８−１、１８−２が支点となり、図６に示すように振動板７に反りを生じ、Ｌ字状アングル９−１、９−２の上端が開いてしまう。その結果、Ｌ字状アングル９−１、９−２の対向面の間隔ΔＡが大きくなり、アクチュエータ１００に最適な振動伝達に必要な適正圧力を印加することができず、十分な振動伝達特性が得られない、という問題があった。

一方、振動板７を厚くして構造的に強度を高める、あるいは高強度材料を用いれば振動板７の反りを抑制してアクチュエータ１００に適正な圧力を与えることができ、効果的な振動伝達を行うことができるが、振動板７が高強度のために入力信号のエネルギーに対して振動の振幅が小さく、換言すれば伝達エネルギー効率が悪くなり再生音圧が低くなる、という新たな問題が発生する。

本発明は、上記のことに鑑み提案されたもので、その目的とするところは、被振動部の強度に影響されることなくアクチュエータに適正な圧力を加えることができ、効果的な振動伝達を行うことができる振動伝達装置および振動伝達方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る本発明の振動伝達装置は、一端側が加圧され、入力信号に基づいて振動を発現するアクチュエータ部と、前記アクチュエータ部における他端側の振動子端から振動を受け取り、前記被振動部に伝達する振動受動部と、前記アクチュエータ部と前記振動受動部との間の前記振動子端の外周部に設けられ、伸縮部材で形成された結合部とを具備し、前記アクチュエータ部、前記振動受動部および前記結合部を一体化してなることを特徴とする。

また、請求項２に係る本発明は、請求項１記載の振動伝達装置において、前記結合部の伸縮部材は、前記アクチュエータ部および前記振動受動部の前記被振動部への取り付け部と反対側の部分の少なくとも一部を接合することを特徴とする。

さらに、請求項３に係る本発明は、請求項１または２記載の振動伝達装置において、前記伸縮部材は、弾性体材料、金属バネ、または伸縮作用がある構造の金属板を含むことを特徴とする。

さらにまた、請求項４に係る本発明は、請求項１記載の振動伝達装置において、前記アクチュエータ部は、磁歪素子を用いたアクチュエータまたは圧電素子を用いたアクチュエータを含むことを特徴とする。

上記課題を解決するため、請求項５に係る本発明の振動伝達方法は、アクチュエータの一端を加圧し、前記アクチュエータ他端から突出させた振動子端を、振動受動部に当接させるとともに、前記振動子端の外周部に伸縮部材を介在して前記振動受動部と前記伸縮部材とを接合し、前記アクチュエータへの入力信号に基づく前記振動子端の振動を前記振動受動部に伝達することを特徴とする。

また、請求項６に係る本発明は、請求項５記載の振動伝達方法において、前記アクチュエータ、前記伸縮部材および前記振動受動部を一体化して被振動部に取り付け、前記振動受動部に伝達された前記振動子端の振動を前記被振動部に伝達することを特徴とする。

請求項１記載の本発明では、アクチュエータ部を加圧した時に、振動子端の外周部に配置した伸縮部材で形成された結合部が均一に圧力を受け、かつアクチュエータ部、振動受動部および結合部を一体化していることから、従来のように被振動部への取り付け部が支点になってＬ字状アングルの上端が開いて加圧不足になることがない。従って、被振動部の強度に影響されることなくアクチュエータ部に最適な振動伝達に必要な適正圧力を加えることができ、効果的な振動伝達を行うことができる。

また、請求項２記載のように、被振動部への取り付け部と反対側の部分の少なくとも一部を接合することで、アクチュエータ部に適正圧力を加えることができる。

さらに、請求項３記載のように、伸縮部材としては、弾性体材料、金属バネ、または伸縮作用がある構造の金属板を用いることができる。

さらにまた、請求項４記載のように、アクチュエータ部には、磁歪素子を用いたアクチュエータ、または圧電素子を用いたアクチュエータを適用できる。

請求項５記載の本発明では、振動子端の外周部に配置した伸縮部材が均一に圧力を受けることから、最適な振動伝達に必要な適正圧力をアクチュエータに加えることができる。

また、請求項６記載のように、アクチュエータ、前記伸縮部材、および前記振動受動部を一体化して被振動部に取り付けることで、従来のように被振動部への取り付け部が支点になってＬ字状アングルの上端が開いて加圧不足になることがない。従って、被振動部の強度に影響されることなくアクチュエータに最適振動伝達に必要な適正圧力を加えることができ、効果的な振動伝達を行うことができる。

本発明の実施形態に係る振動伝達装置および振動伝達方法について説明するためのもので、（ａ）図は振動伝達装置の正面図、（ｂ）図は（ａ）図の１Ｂ−１Ｂ線に沿った側方断面図、（ｃ）図は（ａ）図の１Ｃ−１Ｃ線に沿った上方断面図である。 本発明の第１実施例に係る振動伝達装置で用いられる磁歪アクチュエータの概略構造を示すもので、（ａ）図は正面図、（ｂ）図は（ａ）図の２Ｂ−２Ｂ線に沿った側方断面図である。 従来と本発明の第１実施例に係る振動伝達装置の再生音圧−周波数特性を対比して示す特性図である。 本発明の第２実施例に係る振動伝達装置を示すもので、積層型圧電素子を用いた振動伝達装置の側方断面図である。 従来の振動伝達装置および振動伝達方法について説明するためのもので、アクチュエータの取り付け例を示す側方断面図である。 従来の振動伝達装置および振動伝達方法について説明するためのもので、振動伝達調整ネジでアクチュエータを加圧した時に発生するＬ字状アングルの開き現象を示す側方断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

本発明の振動伝達装置は、基本的には、図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、入力信号に基づいて振動を発現するアクチュエータ１００、このアクチュエータ１００から振動を受け取る振動受動部１１、およびそれらを接合する結合部１２を一体化した構造である。この一体化した振動伝達装置の取り付け部１５−１〜１５−６を、例えば取り付けネジ１６−１〜１６−６で被振動部である振動板７に固定する。そして、アクチュエータ１００の振動を振動板７へ的確に伝達するために、振動伝達調整ネジ１０によるアクチュエータ１００の加圧を行う。この際、アクチュエータ１００と振動受動部１１とを接合する結合部１２で振動伝達調整ネジ１０からの圧力を広い面積で均等に分散して受ける構造にしている。

つぎに、結合部１２に伸縮部材１２ａとしてゴムを用いた具体例で説明する。図１（ｂ）、（ｃ）に示したように、アクチュエータ１００の駆動ロッド１（振動子端１ａ）の周囲にＯ字状ゴム１２ａを配置し、このＯ字状ゴム１２ａを介在してアクチュエータ部１３と振動受動部１１との接合をした構造にする。これによって、振動伝達調整ネジ１０からアクチュエータ１００の長手方向に印加される圧力が振動受動部１１へ均等に加わる。すなわち、結合部１２の振動受動部１１との接触面積が、振動子端１ａの振動受動部１１との接触面積と比べて十分に大きいことにより、振動受動部１１への加圧が均等になる。

この結果、従来の問題であった振動板７の変形による図６に示したようなＬ字状アングル９−１、９−２の上端が開く現象を解消でき、振動板７の強度に影響されることなく、アクチュエータ１００の振動を振動板７に効果的に伝達し、高い伝達エネルギー効率での発音が可能となる。

なお、上述した説明では、振動子端１ａの全周をＯ字状ゴム１２ａで接合する構造を例にとったが、例えば振動伝達装置の振動板７への取り付け部１５−１〜１５−６と反対側の部分（図１（ｂ）の破線１９で囲んだ領域）の一部を接合する構造、つまりＯ字状ゴム１２ａの一部を切欠したＣ字状ゴムでも良い。また結合材料はゴム等の弾性体材料、金属バネや薄い金属板等の材料で伸縮作用がある構造であれば形状は問わない。

以上のように、本実施形態に係る振動伝達装置は、振動伝達調整ネジ１０でアクチュエータ１００を加圧した時に、振動子端１ａの周囲に配置した伸縮部材１２ａからなる結合部１２が均一に圧力を受けることから、振動板７への取り付け部１５−１〜１５−６が支点になって、従来のようにＬ字状アングルの上端が開いて加圧不足になることがない。従って、振動板７の強度に影響されることなく、最適な振動伝達に必要な適正圧力をアクチュエータ１００に加えることができ、効果的な振動伝達を行うことができる。

上記アクチュエータ１００に磁歪素子を用いる場合を例に取って、上記図１（ａ）〜（ｃ）および図２（ａ）、（ｂ）により第１実施例を説明する。

［アクチュエータ］
図２は、磁歪アクチュエータの概略構造を示しており、（ａ）図は正面図、（ｂ）図は（ａ）図の２Ｂ−２Ｂ線に沿った側方断面図である。

磁歪アクチュエータ１００は、一例として図２（ｂ）に示すように、棒状の磁歪素子５０を備え、その周囲に、この磁歪素子５０に制御磁界を印加するためのソレノイドコイル５が巻設されている。このソレノイドコイル５の周囲には、マグネット４およびヨーク（図示しない）が配置される。上記磁歪素子５０の一端には駆動ロッド１が連結され、他端には固定盤（底部キャップ）６が取り付けられている。これらがシンバル状の内部予負荷バネ３とともに外筐ケース２内に装填され、組み立て後に駆動ロッド１の先端部が外筐ケース２の外側に突出し、振動子端１ａとして機能する。

上記磁歪素子５０は、その特性としてソレノイドコイル５による制御磁界の大きさに対する応力歪み（長手方向の寸法変化）応答が、予め加えられる圧力により変化することが知られている。図２（ａ）、（ｂ）に示す磁歪アクチュエータ１００では、適正加圧より小さめの予圧を与えるように内部予負荷バネ３により圧力を加えている。また、この応力歪み応答が広い範囲で線形と見なせる領域を使用するように、マグネット４およびヨーク等により静的磁界が与えられている。

上記磁歪素子５０としては、縦、横２ｍｍ、長さ約１０ｍｍの柱状磁歪素子（ETREMA
PRODUCTS INC製のETREMA Terfenol-D（登録商標、超磁歪材料））を用い、外筐ケース２をアルミニウムで製作し、径１５ｍｍ、長さ４０ｍｍの大きさの磁歪アクチュエータ１００を作成した。

なお、アクチュエータ１００から振動板７への振動を伝達する際の、このアクチュエータ１００への適正加圧は１０Ｎ／ｍｍ^２になるよう設計、製作した。

この磁歪アクチュエータ１００のソレノイドコイル５に、入力信号として例えば音声信号を入力することにより、駆動ロッド１の振動子端１ａから音声信号に応じた振動出力を得ることができる。

比較のため、下記に示したアクリル板を振動板７に用い、図２（ａ）、（ｂ）のアクチュエータ１００を図５に示した従来方法で振動板７に取り付け、振動伝達調整ネジ１０による加圧調整を行い、再生音圧と周波数を測定して評価を行った。

アクリル板：アクリライト（登録商標）Ｌ（三菱レイヨン社製）
板厚１ｍｍ、２ｍｍおよび３ｍｍ
大きさ３００ｍｍ×３００ｍｍ

この際、再生音圧−周波数特性の測定は、下記条件で測定した。
条件：入力１Ｗ、測定距離１ｍ（振動板中央から垂直方向）

その結果、アクリル板の板厚が１ｍｍと２ｍｍにおいては、振動伝達調整ネジ１０からの加圧とともに、図６に示したようにＬ字状アングル９−１、９−２の上端が開き、すなわち振動板７であるアクリル板に反りが発生し、適正加圧（１０Ｎ／ｍｍ^２）を得ることができず加振が不可能であった。そして、板厚が３ｍｍのアクリル板へ取り付けた時に、適正加圧でのＬ字状アングル９−１、９−２の上端の開きが解消され、アクチュエータ１００による加振が可能となり、発音がなされた。その再生音圧−周波数特性の測定結果を図３の破線２０で示す。

このように、従来の取り付け方法においては、振動板７には３ｍｍの板厚を必要とし、振動板７の強度が低い１ｍｍと２ｍｍの場合は、アクチュエータ１００の取り付けによる発音が不可能であることを確認した。

［振動伝達装置］
下記に示した特性を有する板厚１ｍｍのスチレンブタジエンゴムシートでＯ−リングを作成し、このＯ−リングを結合部１２の伸縮部材１２ａとして用い、アクチュエータ１００と振動受動部１１を接合して、図１（ａ）〜（ｃ）に示したような振動伝達装置を製作した。

作成したＯ−リングの形状とゴム硬度
形状：外径１５ｍｍ、内径５ｍｍ、厚さ１ｍｍ
ゴム硬度：ＪＩＳ Ａ ３０Ｈｓ

ここで、アクチュエータ１００とＯ−リング、振動受動部１１とＯ−リングの結合は、それぞれクロロプレンゴム系接着剤を用いて接着することで行った。

製作した振動伝達装置の大きさは、およそ縦２５ｍｍ、横２０ｍｍ、長さ４０ｍｍである。

なお、振動伝達装置の内部に付加圧安定化コイルバネ１４（図１（ｂ）、（ｃ）参照）を挿入し、振動伝達調整ネジ１０による加圧のより安定化を図る構造とした。

前述した実証試験で用いた厚さ１ｍｍのアクリル板に、図１（ａ）〜（ｃ）のように製作した振動伝達装置を取り付け、従来方法による実装方法と同じ条件で再生音圧−周波数特性の測定を行ったところ、図３に実線２１で示すような特性が得られた。

従来方法では、アクリル板（振動板７）の厚さが１ｍｍでは適正加圧（１０Ｎ／ｍｍ^２）を加えることができず、アクチュエータ１００による発音は不可能であったが、本第１実施例の振動伝達装置では、適正加圧を加えても振動板７には全く反りが発生せず、厚さの薄い振動板７、すなわち強度の低い振動板７への適用が可能であることを確認した。

また、再生音圧−周波数特性を従来例と比較すると、ほぼ全周波数帯域においてその再生音圧が高く、また板厚の薄い振動板７に適用が可能になったことから振動伝達効率が向上したことを確認した。特に、人間の聴覚感覚が高いと言われる４ＫＨｚ〜７ＫＨｚにおいては、再生音圧がおよそ１０ｄＢ高くなっている。すなわち、入力に対する出力が高く、伝達エネルギー効率の良いことを確認した。このように、伸縮材料を用いることで優れた振動伝達効果が得られ、低域周波数の振動伝達を効率良く行うことができる。

前述した第１実施例における磁歪アクチュエータ１００に代えて、下記に示した積層型圧電素子１７を用いた圧電アクチュエータ（ＮＥＣトーキン社製のALS170-C801NPOLF）１００’を使用して図４に示すような振動伝達装置を作成した。図４に示す振動伝達装置が図１（ａ）〜（ｃ）と異なるのは、アクチュエータの構造のみであるので、図１（ａ）〜（ｃ）と同一部分に同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

図４に示すように、アクチュエータ部１３と振動受動部１１とを結合部１２で接合した構造の振動伝達装置を、第１実施例と同様に板厚が１ｍｍのアクリル板に取り付け、圧電アクチュエータ１００’の長手方向に１０Ｎ／ｍｍ^２の加圧を行った。振動板７の反りを確認したが全く反りが発生しておらず、振動状態も第１実施例と同様であることが確認された。この結果、磁歪アクチュエータ１００と同様な振動を発生する他のアクチュエータであっても、本発明の振動伝達装置と同様の構造にすることで同様の効果が得られることを確認した。

なお、上述の実施例１および２では、振動伝達調整ネジ１０により加圧量を調整する機構を採用したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、アクチュエータ部１３、結合部１２および振動受動部１１を予め接合しておき、まずアクチュエータ部１３を取り付けネジ１６−２、１６−３、１６−５、１６−６で被振動部７に固定する。そして、冶工具等により適正加圧量となるよう振動受動部１１とアクチュエータ部１３とを挟持した状態で、取り付けネジ１６−１、１６−４で振動受動部１１を固定する。このような構成で一体化しても、上述の実施例１および２と同様な効果を奏する。

従って、本発明によれば、被振動部の強度に影響されることなくアクチュエータに適正な圧力を加えることができ、効果的な振動伝達を行うことができる振動伝達装置および振動伝達方法を提供できる。

磁歪素子、積層型圧電素子等からなるアクチュエータを用いて発音する音響システムの分野において、本発明の振動伝達装置を適用することで、被振動部の強度に左右されることなくアクチュエータによる発音が可能になる。このことから、アクチュエータの適用範囲を拡大でき、新規音響システムを開発できる。

１ 駆動ロッド
１ａ 振動子端
２ 外筐ケース
３ 内部予負荷バネ
４ マグネット
５ ソレノイドコイル
６ 固定盤（底部キャップ）
７ 振動板（被振動部）
８−１、８−２ 取り付けネジ
９−１、９−２ Ｌ字状アングル
１０ 振動伝達調整ネジ
１１ 振動受動部
１２ 結合部
１２ａ Ｏ字状ゴム（伸縮部材）
１３ アクチュエータ部
１４ 付加圧安定化コイルバネ
１５−１〜１５−６ 取り付け部
１６−１〜１６−６ 取り付けネジ
１７ 積層型圧電素子
１８−１、１８−２ 取り付け部
５０ 磁歪素子
１００ アクチュエータ（磁歪アクチュエータ）
１００’ 圧電アクチュエータ

Claims (6)

1. 一端側が加圧され、入力信号に基づいて振動を発現するアクチュエータ部と、
   前記アクチュエータ部における他端側の振動子端から振動を受け取り、前記被振動部に伝達する振動受動部と、
   前記アクチュエータ部と前記振動受動部との間の前記振動子端の外周部に設けられ、伸縮部材で形成された結合部とを具備し、
   前記アクチュエータ部、前記振動受動部および前記結合部を一体化してなることを特徴とする振動伝達装置。
2. 前記結合部の伸縮部材は、前記アクチュエータ部および前記振動受動部の前記被振動部への取り付け部と反対側の部分の少なくとも一部を接合することを特徴とする請求項１記載の振動伝達装置。
3. 前記伸縮部材は、弾性体材料、金属バネ、または伸縮作用がある構造の金属板を含むことを特徴とする請求項１または２記載の振動伝達装置。
4. 前記アクチュエータ部は、磁歪素子を用いたアクチュエータ、または圧電素子を用いたアクチュエータを含むことを特徴とする請求項１記載の振動伝達装置。
5. アクチュエータの一端を加圧し、前記アクチュエータ他端から突出させた振動子端を、振動受動部に当接させるとともに、前記振動子端の外周部に伸縮部材を介在して前記振動受動部と前記伸縮部材とを接合し、前記アクチュエータへの入力信号に基づく前記振動子端の振動を前記振動受動部に伝達することを特徴とする振動伝達方法。
6. 前記アクチュエータ、前記伸縮部材および前記振動受動部を一体化して被振動部に取り付け、前記振動受動部に伝達された前記振動子端の振動を前記被振動部に伝達することを特徴とする請求項５記載の振動伝達方法。

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