JP2019029748A

JP2019029748A - 圧電振動体およびこれを用いた圧電スピーカ

Info

Publication number: JP2019029748A
Application number: JP2017145273A
Authority: JP
Inventors: 実三井; Minoru Mitsui
Original assignee: Institute Of Tech; INSTITUTE OF TECHNOLOGISTS
Current assignee: Institute Of Tech; INSTITUTE OF TECHNOLOGISTS
Priority date: 2017-07-27
Filing date: 2017-07-27
Publication date: 2019-02-21

Abstract

【課題】従来よりも省電力化や軽量化を図ることが可能でありながら、振動板のストローク量を大きくすることができる圧電振動体およびこれを用いた圧電スピーカを提供する。
【解決手段】圧電振動体１０は、支持部材１２と、支持部材１２に振動可能に支持される振動板１４と、電圧が印可された場合に変形が可能な圧電素子１６と、を有して構成される。また、圧電素子１６は、支持部材１２と振動板１４との間に架け渡されるとともに、電圧が印可されると変形して振動板１４を厚さ方向に振動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子を用いた圧電振動体およびこれを用いた圧電スピーカに関する。

従来、振動板に圧電素子を取り付けた圧電スピーカが広く知られている。このような圧電スピーカの一つとして、圧電素子を振動板中央部の両面に接着し、電気信号を入力して圧電素子を屈曲振動させることで音を出力する圧電スピーカが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１６−１０３７７３号公報

しかしながら、従来の圧電スピーカは、圧電素子の屈曲振動によって得られる振動板のストローク（振幅）が小さく、音圧を高めるのが難しいといった問題点があった。また、圧電素子を振動板中央部の両面に接着することにより、振動板に圧電素子の重みが加わるため、振動板の軽量化やストロークの増大には限界があった。

本発明は、このような従来の問題点を解決するためになされたものであって、従来よりも省電力化や軽量化を図ることが可能でありながら、振動板のストローク量を大きくすることができる圧電振動体およびこれを用いた圧電スピーカを提供することを目的とする。

本発明は、支持部材と、前記支持部材に振動可能に支持される振動板と、電圧が印可された場合に変形が可能な圧電素子と、を有して構成された圧電振動体であって、前記圧電素子は、前記支持部材と前記振動板との間に架け渡されるとともに、電圧が印可されると変形して前記振動板を厚さ方向に振動させる、ことを特徴とする圧電振動体、および、これを用いた圧電スピーカである。

本発明に係る圧電振動体およびこれを用いた圧電スピーカによれば、従来よりも省電力化や軽量化を図ることが可能でありながら、振動板のストローク量を大きくすることができる、という優れた効果を奏し得る。

（ａ）本実施形態に係る圧電振動体１０の平面図である。（ｂ）圧電振動体１０の側断面図である。本実施形態に係る圧電振動体１０の動作を模式的に示した側断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る圧電振動体１０について詳細に説明する。

＜全体構成＞
最初に、図１を用いて、本実施形態に係る圧電振動体１０の全体構成について説明する。図１（ａ）は、本実施形態に係る圧電振動体１０の平面図であり、同図（ｂ）は、圧電振動体１０の側断面図である。

図１（ａ）の平面図に示すように、圧電振動体１０は、平面視がリング形状の支持部材（フレーム）１２と、この支持部材１２の径方向内側に配置される平面視が円形状の振動板１４（１４ａ，１４ｂ）と、この振動板１４と支持部材１２との間に架け渡される平面視が長方形形状の複数の圧電素子１６と、を有して構成される。

図１（ｂ）の側断面図に示すように、各々の圧電素子１６の一端１６ａは、支持部材１２の上面に固定（接着）され、他端１６ｂは、振動板１４の自在膜１４ｂを跨いで（自在膜１４ｂには固定されずに）、振動板１４の振動板本体１４ａの上面に固定（接着）される。

なお、本例では、８つの圧電素子１６を振動板１４の外周縁に沿って等間隔に配置することで、圧電素子１６を平面視で放射状に配置しているが、本発明に係る圧電素子の数や配置場所は、本例に限定されない。したがって、例えば、９つ以上、または、８つ未満（例えば、４つ）の圧電素子１６を、振動板１４の外周縁に沿って等間隔に配置してもよい。また、平面視が多角形形状の振動板を適用し、振動板の各々の辺に１または複数の圧電素子を配置してもよい。また、本例では、圧電素子１６を振動板１４の厚さ方向の一方側の面（上面）だけに配置しているが、後述するバイモルフ型の圧電素子１６を振動板１４の厚さ方向の両面（上面と下面）に配置してもよい。また、圧電素子１６を、振動板１４の振動板本体１４ａに加えて、自在膜１４ｂの少なくとも一部に固定（接着）してもよい。また、圧電素子１６の他端１６ｂを、振動板本体１４ａの中央部付近に固定（接着）してもよい。

＜支持部材＞
支持部材１２は、振動板１４を振動可能に支持するための部材である。支持部材１２の材質は、特に限定されず、例えば、金属、プラスチック、木材、陶器等を適用することができる。また、支持部材１２の形状も、特に限定されず、例えば、平面視が多角形状であってもよいし、楕円形状であってもよい。すなわち、振動板１４を振動可能に支持可能な部材であればよい。

＜振動板＞
振動板１４は、圧電素子１６に駆動されて振動する部材である。本例では、平面視が円形状の振動板本体１４ａと、この振動板本体１４ａの外周縁に沿って配置される平面視がリング形状の自在膜１４ｂと、を有して構成される。振動体本体１４ａの外周縁が自在膜１４ｂの内周縁に固定（接着）されて１つの振動板１４が構成され、この振動板１４の外周縁が、支持部材１２の内周縁に固定（接着）される。

振動板本体１４ａの材質は、特に限定されず、例えば、金属、プラスチック、木材、紙等を適用することができる。また、振動板本体１４ａの形状も、特に限定されず、例えば、平面視が多角形状であってもよいし、楕円形状であってもよい。また、振動板本体１４ａの厚さも、特に限定されず、例えば、０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍ程度の厚さにすることができる。

自在膜１４ｂの材質は、特に限定されないが、振動体本体１４ａよりも弾性率が小さい（変形しやすい）材料であることが好ましい。したがって、例えば、シリコン樹脂等の樹脂材料や、ウレタンゴム、シリコンゴム、アクリルゴム等のゴム材料等を適用することができる。また、自在膜１４ｂの形状も、特に限定されず、例えば、平面視が、振動板本体と同形状の貫通孔を有する多角形形状であってもよいし、振動板本体と同形状の貫通孔を有する楕円形状であってもよい。また、自在膜１４ｂの厚さも、特に限定されず、例えば、０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度の厚さにすることができる。

＜圧電素子＞
圧電素子１６は、振動板１４を振動させるための素子である。圧電素子１６の形状は、特に限定されないが、本例では、平面視が長方形の板状部材である。また、圧電素子１６の構造は、特に限定されないが、本例では、上部電極と、下部電極と、これらの上部電極と下部電極との間に挟まれて配置される圧電材料と、を有して構成される。

圧電素子１６は、電極に電気信号が入力されたときに（電圧が印可されたときに）厚さ方向に屈曲振動するユニモルフ型の素子である。なお、本発明に係る圧電素子は、電圧が印可された場合に変形が可能な素子であればよく、長さ方向に伸縮振動する素子であってもよい。また、ユニモルフ型に限定されず、厚さ方向に屈曲振動する素子を厚さ方向に接合したバイモルフ型であってもよいし、長さ方向に伸縮振動する素子を厚さ方向に接合し、一方が伸びると他方が縮むように構成したバイモルフ型であってもよい。

＜圧電振動体の動作＞
図２は、本実施形態に係る圧電振動体１０の動作を模式的に示した側断面図である。なお、同図においては、説明の都合上、圧電素子１６や振動板１４の変形を誇張して描いている。
図示しない駆動源から圧電素子１６の電極に、所定の電圧が印可されると、圧電素子１６が厚さ方向（図２における上下方向）に屈曲振動（屈曲変形）する。圧電振動体１０が備える複数の圧電素子１６は、同一方向に同期して屈曲振動するように制御され、各々の圧電素子１６に固定（接着）された振動板本体１４ａが、印可される電圧の大きさや周期に応じて厚さ方向（図２における上下方向）に振動する。

以上説明したように、本実施形態に係る圧電振動体（例えば、図１に示す圧電振動体１０）は、支持部材（例えば、図１に示す支持部材１２）と、前記支持部材に振動可能に支持される振動板（例えば、図１に示す振動体１４）と、電圧が印可された場合に変形が可能な圧電素子（例えば、図１に示す圧電素子１６）と、を有して構成された圧電振動体であって、前記圧電素子は、前記支持部材と前記振動板との間に架け渡されるとともに、電圧が印可されると変形して前記振動板を厚さ方向に振動させる、ことを特徴とする圧電振動体である。

本実施形態に係る圧電振動体によれば、小さい電流で振動板を振動させることができる上に、圧電素子を振動板中央部の両面に取り付ける従来の圧電振動体よりも、振動板自体を軽量化することが可能なため、省電力化や軽量化を図ることができる。また、圧電素子を支持部材と振動板との間に架け渡す構造であるため、圧電素子の変形を振動板に伝達しやすいことに加えて、従来の圧電振動体よりも振動板自体を軽量化することが可能なため、振動板のストローク量を大きくすることができる。したがって、本発明に係る圧電振動体を、スピーカに適用することで、従来の圧電スピーカよりも音圧を高めることができるとともに、振動板の口径を大きくすることが可能で、従来の圧電スピーカが苦手とする低周波数においても音圧を高めることができる。

また、前記圧電素子は、前記振動板に放射状に複数配置されるとともに、電圧が印可されると厚さ方向に屈曲して前記振動板を厚さ方向に振動させるものであってもよい。

このような構成とすれば、圧電素子の変形（屈曲振動）を効率的に振動板に伝達することができ、振動板のストローク量をより大きくすることができる。

また、前記振動板は、振動板本体（例えば、図１に示す振動体本体１４ａ）と、該振動板本体と前記支持部材とを接合する自在膜（例えば、図１に示す自在膜１４ｂ）と、を有して構成され、前記圧電素子は、前記自在膜を跨いで（前記自在膜とは非接着で）前記支持部材と前記振動板本体との間に架け渡されるものであってもよい。

このような構成とすれば、圧電素子の変形を自在膜に伝達することなく振動板本体のみに伝達することができ、振動板のストローク量をより大きくすることができる。

なお、本発明に係る圧電振動体の構成は、上記実施形態に係る圧電振動体１０の構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。したがって、例えば、長さ方向に伸縮振動する圧電素子を用いて振動板を振動させてもよいし、この場合、圧電素子を厚さ方向に接合し、一方が伸びると他方が縮むように構成したバイモルフ型の素子を適用してもよい。

また、本発明に係る圧電振動体は、音を発生させる圧電スピーカ以外にも適用することができ、例えば、人間が音として認識することができない空気の流れを発生させる空気流発生装置や、人間が音として認識することができない低周波領域の音（振動）を発生させる低周波振動装置等に適用することもできる。

本発明に係る圧電振動体は、空気流発生装置、低周波振動装置、各種音響機器や家電機器等に用いられる圧電スピーカ等に適用することができる。

１０圧電振動体
１２支持部材
１４振動板
１４ａ振動板本体
１４ｂ自在膜
１６圧電素子

Claims

支持部材と、
前記支持部材に振動可能に支持される振動板と、
電圧が印可された場合に変形が可能な圧電素子と、
を有して構成された圧電振動体であって、
前記圧電素子は、前記支持部材と前記振動板との間に架け渡されるとともに、電圧が印可されると変形して前記振動板を厚さ方向に振動させる、
ことを特徴とする圧電振動体。
請求項１に記載の圧電振動体であって、
前記圧電素子は、前記振動板に放射状に複数配置されるとともに、電圧が印可されると厚さ方向に屈曲して前記振動板を厚さ方向に振動させる、
ことを特徴とする圧電振動体。
請求項１または請求項２に記載の圧電振動体であって、
前記振動板は、振動板本体と、該振動板本体と前記支持部材とを接合する自在膜と、を有して構成され、
前記圧電素子は、前記自在膜を跨いで前記支持部材と前記振動板本体との間に架け渡される、
ことを特徴とする圧電振動体。
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の圧電振動体を有して構成される、
ことを特徴とする圧電スピーカ。