JP2022125545A - 音響変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】音圧レベルが高く、かつ指向性の高い音響変換器１を提供すること。【解決手段】音響変換器１は、複数の切欠６０が形成された振動板６と、振動板６上に配置されて振動板６を駆動する複数の振動体の一例である圧電駆動部７と、を備え、複数の圧電駆動部７のうち少なくとも１つの圧電駆動部７が配置される振動板６における配置部６１は、複数の切欠６０のうちの少なくとも２つの隣接する切欠６０の間に形成され、両持ち支持される。【選択図】図１

Description

本発明は、音響変換器に関する。

特許文献１には、ギャップによって分割されたアクチュエータを備えた音響変換器が記載されている。

ＵＳ２０２００１７８０００号公報

本発明は、音圧レベルが高く、かつ指向性の高い音響変換器を提供することを目的とする。

本発明に係る音響変換器は、複数の切欠が形成された振動板と、振動板上に配置されて振動板を駆動する複数の振動体と、を備え、複数の振動体のうち少なくとも１つの振動体が配置される振動板における配置部は、複数の切欠のうちの少なくとも２つの隣接する切欠の間に形成され、両持ち支持される。

本発明によれば、音圧レベルが高く、かつ指向性の高い音響変換器を提供することができる。

本発明の実施形態にかかる音響変換器を説明する図である。 図１のＡ－Ａ’断面図である。 図１のＢ－Ｂ’断面図である。 比較例を説明する図である。 第２の比較例を説明する図である。 本実施形態に係る音圧の指向性を説明する図である。 本実施形態に係る消費電力あたりの音圧レベルを説明する図である。 本実施形態に係る切欠の長さと幅を説明する図である。 本実施形態に係る切欠の長さと音圧レベルの関係を説明する図である。 本実施形態に係る切欠の幅と音圧レベルの関係を説明する図である。 本実施形態に係る切欠の数と音圧レベルの関係を説明する図である。 本実施形態の変形例を説明する図である。 本実施形態の第２の変形例を説明する図である。 本実施形態の第３の変形例を説明する図である。 第３の変形例に係る切欠の角度と音圧レベルの関係を説明する図である。 本実施形態の第４の変形例を説明する図である。 本実施形態の第５の変形例を説明する図である。

図１は、本発明の実施形態にかかる音響変換器を説明する図である。

音響変換器１は、複数の切欠６０が形成された正方形状の振動板６と、振動板６上に配置されて振動板６を駆動する複数の圧電駆動部７を備える。圧電駆動部７は振動体の一例である。

振動板６は、シリコンで形成され、、振動板６の中心部８を除く部分に、複数の圧電駆動部７のそれぞれが配置される配置部６１を複数備える。複数の切欠６０は、振動板６の中心部８を除く部分にスリット状に形成されている。個々の切欠６０の形状は、スリット状のように直線状に断続的に連続的に形成されていたものに限られず、例えば複数のドット状の切欠を直線状に断続的に配置したものであってもよい。

圧電駆動部７へ面方向に沿って電圧を印可すると、圧電駆動部７が備える圧電膜が面内方向で収縮し、振動板６とのユニモルフとして、圧電駆動部７は面方向へ変形する。圧電駆動部７への印加電圧を時間的に変化させた場合、振動板６の表面は振動して周辺空気に圧力波を発生させ、これが音として人間に感知される。

入力する電圧波形は、再生したい音の波形を、電圧変換されたものであり、この電圧波形を圧電駆動部７へ入力することにより音が再生される。

振動板６上に配置された複数の圧電駆動部７には、同じ電圧波形が印加され、複数の圧電駆動部７は独立して配置部６１を駆動する。

振動板の中心部８には、圧電駆動部７および配置部６１が配置されていないが、圧電駆動部７により駆動される配置部６１の振動が伝搬して、振動板の中心部８が振動することにより、周辺空気に圧力波を発生させる。

複数の配置部６１のそれぞれは、複数の切欠６０のうちの少なくとも２つの互いに隣接する切欠６０の間に形成され、振動板の中心部８と振動板の周縁部９で両持ち支持されている。

すなわち、図１（ｂ）に示すように、振動板６の面に平行な第１の方向Ｃにおける配置部６１の両端には、それぞれ切欠６０が形成されており、第１の方向Ｃと交差する振動板６の面に平行な第２の方向Ｄにおける配置部６１の両端には、それぞれ切欠６０が形成されていない。

換言すると、複数の配置部６１のそれぞれは、振動板の中心部８と振動板の周縁部９で両持ち支持され、複数の切欠６０のうちの少なくとも２つの隣接する切欠６０のそれぞれは、配置部６１における両持ち支持されている両端部を結ぶ線Ｄに対して、両側に配置される。また、複数の配置部６１のそれぞれは、互いに切欠６０により区分されている。

図２は、図１のＡ－Ａ’断面図である。図３は、図１のＢ－Ｂ’断面図である。

圧電駆動部７は、圧電材７Ｍを上部電極７Ｕと下部電極７Ｌで挟んだ構造をしている。振動板６は、ＢＯＸ層１２を介して、支持層１３に接合されて支持されている。切欠６０には、振動板６および支持層１３がすべて存在していない。図２に示すように、配置部６１は、振動板の中心部８と振動板の周縁部９で両持ち支持されている。

図４は、比較例を説明する図である。図４に示す比較例では、振動板６のほぼ全域に渡って圧電駆動部７が配置されている。

ある周波数における振動板６から発せられる音の音圧レベルを高めるためには、その周波数において、空気と接する振動板６表面の振動速度を高める必要があることが分かっている。

図４に示す比較例の場合、振動板６表面の振動速度を高めるには、印加電圧を大きくするか、振動板６を薄くし曲げ弾性を下げ変位量を大きくすることが考えられる。印加電圧を大きくする場合には、アンプを入れる必要があるが、その回路分、筐体の大きさが大きくなってしまった。また、振動板６を薄くする場合は、強度低下を招き、生産時、使用時ともに故障のしやすさの原因となってしまった。すなわち、図４に示す比較例では、実用上、音圧レベルを高めるのが困難であった。

図５は、第２の比較例を説明する図である。図５に示す第２の比較例では、振動板６に切欠６０が形成され、振動板６上に複数の圧電駆動部７が配置されている。

図５に示す第２の比較例では、振動板６の強度を低下させることなく、振動板６の曲げ弾性を下げることができるため、振動板６の表面速度ベクトルの大きさが大きくなり、印加電圧当たりに発生する音圧レベルが向上する。

また、図４に示した比較例に比べて、圧電駆動部７の面積が小さくなるため、同印加電圧、同周波数で比較した場合、少ない消費電力で圧電駆動部７を駆動させることができる。

しかしながら、図５に示す第２の比較例では、切欠６０が振動板６の中心部に形成され、複数の圧電駆動部７のそれぞれが配置される振動板６における配置部は、振動板６の周縁部のみにより片持ち支持されていた。

この場合、圧電駆動部７が配置される配置部は、変形時に振動板６の面方向以外の成分を持つ時間が多く存在してしまうことになり、発生した音圧の指向性が低下し、観測点での印加する電圧あたりの音圧レベルが小さくなっていた。

これに対して、図１～３に示した本実施形態にかかる音響変換器１では、少なくとも１つの配置部６１が、隣接する２つの切欠６０の間に形成されるため、図５に示した第２の比較例と同様に、配置部６１の曲げ弾性が下がり、圧電駆動部７を駆動する駆動電力あたりの音圧レベルが向上する。

さらに、本実施形態にかかる音響変換器１では、圧電駆動部７が配置される配置部６１が、両持ち支持されているため、図５に示した第２の比較例のように片持ち支持される場合に比べて、振動板６の面の方向以外の方向に変形している時間が短くなり、発生した音圧の指向性が高くなる。これにより、音の方向が分散しないので、振動板６の面の法線方向の音圧レベルが高くなる。

なお、図１～３に示した本実施形態にかかる音響変換器１では、複数の切欠６０が互いに線対称に配置されて同じ形状に形成されていたが、複数の切欠６０は互いに非対称に配置されてもよく、異なる形状で形成されても良い。

図６は、本実施形態に係る音圧の指向性を説明する図である。図６（ａ）は、図５に示した第２の比較例の音圧の指向性を示し、図６（ｂ）は、本実施形態の音圧の指向性を示す。

図６（ａ）および図６（ｂ）において、θは、振動板６の面の法線方向に対する傾斜角度を示し、Φは、振動板６の面の法線方向を回転軸とした場合の回転角度を示す。

図６（ａ）に示す第２の比較例の音圧は、傾斜角度θが０度の成分が最大とならない場合があり、傾斜角度θが０度以外の成分に比率が大きく、音圧の指向性が高いとは言えない。

一方、図６（ｂ）に示す本実施形態の音圧は、傾斜角度θが０度の成分が最大となっており、傾斜角度θが０度以外の成分に比率が小さく、音圧の指向性が高いと言える。

図７は、本実施形態に係る消費電力あたりの音圧レベルを説明する図である。グラフ
ａは、図５に示した第２の比較例の消費電力あたりの音圧レベルを示し、グラフｂは、本実施形態の消費電力あたりの音圧レベルを示す。

図７に示すように、全ての周波数において、本実施形態が、第２の比較例よりも、消費電力あたりの音圧レベルが高い。具体的には、本実施形態は、第２の比較例に対して、約５５％の消費電力で同じ音圧レベルを得ることができる。

図８は、本実施形態に係る切欠の長さと幅を説明する図である。本実施形態におけるスリット状に形成された切欠６０の長手方向の長さをＬ、短手方向の幅をＷとする。

図９は、本実施形態に係る切欠の長さと音圧レベルの関係を説明する図である。具体的には、切欠６０の幅Ｗが一定の場合における切欠６０の長さＬと音圧レベルの関係を示す。図９に示すように、切欠６０の長手方向の長さＬを小さくすると、音圧レベルが向上することがわかる。

図１０は、本実施形態に係る切欠の幅と音圧レベルの関係を説明する図である。具体的には、切欠６０の長さＬが一定の場合における切欠６０の幅Ｗと音圧レベルの関係を示す。図１０に示すように、切欠６０の幅Ｗに対する音圧レベルの関係は極小値を持ち、切欠６０の幅Ｗを大きくすることにより音圧レベルを大きくすることができる。

図１１は、本実施形態に係る切欠の数と音圧レベルの関係を説明する図である。具体的には、切欠６０の長さＬおよび幅Ｗが一定の場合における振動板６の１辺あたりの切欠６０の数と音圧レベルの関係を示す。図１１に示すように、切欠６０の数に対する音圧レベルの関係は約４本で極大値となり、切欠６０の数を大きくすることにより音圧レベルが低下する。

図１２は、本実施形態の変形例を説明する図である。図１２に示す変形例では、図１～３に示した実施形態に対して、振動板６の四隅に圧電駆動部７が配置されていない点が異なる。これにより、振動板６の四隅に配置された圧電駆動部７の剛性に起因して、振動板６の曲げ弾性が向上して音圧レベルが低下することを低減できる。

図１３は、本実施形態の第２の変形例を説明する図である。図１３に示す第２の変形例では、図１２に示した変形例に対して、振動板６の四隅に切欠６０が形成されている点が異なる。

振動板６の四隅に形成される切欠６０は、図１３（ａ）に示すように圧電駆動部７が配置される配置部６１に隣接する正方形状の切欠６０であってもよく、図１３（ｂ）に示すように配置部６１に隣接する切欠６０と連通するＬ字形状の切欠６０であってもよい。

これにより、振動板６の四隅の剛性に起因して、振動板６の曲げ弾性が向上して音圧レベルが低下することを低減できる。

図１４は、本実施形態の第３の変形例を説明する図である。図１４に示す第３の変形例では、図１～３に示した実施形態に対して、複数の切欠６０のそれぞれの長手方向の向きが異なる。具体的には、図１～３に示した実施形態では、複数の切欠６０のそれぞれの長手方向の向きと振動板６の辺のなす角度は９０度だったが、図１４に示す第３の変形例では、複数の切欠６０のそれぞれの長手方向の向きと振動板６の辺のなす角度θは９０度以外になっている。第３の変形例では、切欠６０の長さを大きくしつつ、振動板の中心部８の面積を低下させないため、音圧レベルが下がらない。

図１５は、第３の変形例に係る切欠の角度と音圧レベルの関係を説明する図である。具体的には、切欠６０の長さＬおよび幅Ｗが一定の場合における切欠６０の長手方向の向きと振動板６の辺のなす振動板６の内側を向く角度θと音圧レベルの関係を示す。図１５に示すように、角度θを小さくすると音圧レベルが低下し、角度θが９０度以上であれば、音圧レベルへの影響は小さい。

図１６は、本実施形態の第４の変形例を説明する図である。図１６に示す第３の変形例では、図１～３に示した実施形態に対して、複数の切欠６０のそれぞれの形状が異なる。具体的には、図１～３に示した実施形態では、複数の切欠６０のそれぞれは直線形状のスリット状に形成されていたが、図１６に示す第４の変形例では、複数の切欠６０のそれぞれは曲線形状のスリット状に形成されている。

第４の変形例では、同じ長さの直線形状のスリット状の切欠６０を設ける場合に比べて、振動板６の中心部８の切欠６０が無い面積を大きくできるため、振動板６全体として音圧レベルおよび指向性が向上する。

図１７は、本実施形態の第５の変形例を説明する図である。図１７に示す第５の変形例では、図１３に示した第２の変形例に対して、振動板６が折返し形状に形成された折返し形状部を備え、複数の配置部６１が折返し形状部に形成されている点が異なる。

図１７（ａ）では、振動板６の四隅に形成される正方形状の切欠６０の間に、振動板６が折返し形状に形成された折返し形状部を備え、複数の配置部６１が折返し形状部に形成されている。

折返し形状部は、配置部６１Ａ、連結部６２ａ、配置部６１Ｂ、連結部６２ｂ、配置部６１Ｃ、配置部６１Ｄ、連結部６２ｃおよび配置部６１Ｅを含む。

配置部６１Ａは、一端が振動板の周縁部９に接続され、他端が連結部６２ａに接続される。配置部６１Ｂは、一端が連結部６２ａに接続され、他端が連結部６２ｂに接続される。配置部６１Ｃは、一端が振動板の周縁部９に接続され、他端が連結部６２ｂに接続される。配置部６１Ｄは、一端が連結部６２ｂに接続され、他端が連結部６２ｃに接続される。配置部６１Ｅは、一端が連結部６２ｃに接続され、他端が振動板の周縁部９に接続される。

連結部６２ａは、配置部６１Ａと配置部６１Ｂを互いに折り返し形状となるように連結する。連結部６２ｂは、配置部６１Ｂと配置部６１Ｃを互いに折り返し形状となるように連結するとともに、配置部６１Ｃと配置部６１Ｄを互いに折り返し形状となるように連結する。連結部６２ｃは、配置部６１Ｄと配置部６１Ｅを互いに折り返し形状となるように連結する。

また、複数の配置部６１は折返し形状部に線対称に形成されている。すなわち、配置部６１Ｃの長手方向に平行な方向に対して、配置部６１Ｂと配置部６１Ｄが線対称に形成されるとともに、配置部６１Ａと配置部６１Ｅが線対称に形成される。

図１７（ｂ）では、振動板６の四隅に形成されるＬ字形状の切欠６０の間に、振動板６が折返し形状に形成された折返し形状部を備え、複数の配置部６１が折返し形状部に形成されている。

第５の変形例によれば、低音域２０～１０００Ｈｚにおける音圧レベルが向上することが期待される。

●まとめ●
以上説明したように、本発明の一実施形態に係る音響変換器１は、複数の切欠６０が形成された振動板６と、振動板６上に配置されて振動板６を駆動する複数の振動体の一例である圧電駆動部７と、を備え、複数の圧電駆動部７のうち少なくとも１つの圧電駆動部７が配置される振動板６における配置部６１は、複数の切欠６０のうちの少なくとも２つの隣接する切欠６０の間に形成され、両持ち支持される。

これにより、音圧レベルが高く、かつ指向性の高い音響変換器１を提供することができる。具体的には、少なくとも１つの配置部６１は、隣接する２つの切欠６０の間に形成されるため、曲げ弾性が下がり、圧電駆動部７を駆動する駆動電力あたりの音圧レベルが向上する。

また、配置部６１は、両持ち支持されているため、片持ち支持される場合に比べて、振動板６の面の方向以外の方向に変形している時間が短くなり、発生した音圧の指向性が高くなる。これにより、音の方向が分散しないので、振動板６の面の法線方向の音圧レベルが高くなる。

複数の圧電駆動部７のうちそれぞれの圧電駆動部７が配置される振動板６上の配置部６１の全ては、複数の切欠６０のうちの少なくとも２つの隣接する切欠６０の間に形成され、両持ち支持される。

これにより、複数の配置部６１の全てにおいて、音圧レベルが高く、かつ指向性の高い音響変換器１を提供することができる。

振動板６の面に平行な第１の方向Ｃにおける配置部６１の両端には、それぞれ切欠６０が形成されており、第１の方向Ｃと交差する振動板６の面に平行な第２の方向Ｄにおける配置部６１の両端には、それぞれ切欠６０が形成されていない。

これにより、少なくとも２つの隣接する切欠６０の間に配置され、両持ち支持される配置部６１を形成することができる。

複数の切欠６０は、振動板６の中心部８を除く領域に形成されている。これにより、切欠６０を振動板６の中心部８に設けた場合に比べて、振動板６全体として音圧レベルおよび指向性が向上する。

複数の切欠６０は、曲線形状のスリット６０Ｃを含む。これにより、同じ長さの直線形状のスリットを設ける場合に比べて、振動板６の中心部８のスリットが無い面積を大きくできるため、振動板６全体として音圧レベルおよび指向性が向上する。

振動板６は、折返し形状に形成された折返し形状部を備え、複数の配置部６１は、折返し形状部に形成される。さらに、複数の配置部６１は、折返し形状部に線対称に形成される。これにより、低音域２０～１０００Ｈｚにおける音圧レベルが向上する。

本発明の一実施形態に係る音響変換器１は、複数の切欠６０が形成された振動板６と、振動板６上に配置されて振動板６を駆動する複数の圧電駆動部７と、を備え、複数の圧電駆動部７のうち少なくとも１つの圧電駆動部７が配置される振動板６における配置部６１は、両持ち支持され、複数の切欠６０のうちの少なくとも２つの隣接する切欠６０のそれぞれは、配置部６１における両持ち支持されている両端部を結ぶ線Ｄに対して、両側に配置される。これにより、音圧レベルが高く、かつ指向性の高い音響変換器１を提供することができる。

１ 音響変換器
６ 振動板
７ 圧電駆動部（振動体の一例）
７Ｕ 上部電極
７Ｍ 圧電材
７Ｌ 下部電極
８ 振動板の中心部
９ 振動板の周縁部
１２ ＢＯＸ層
１３ 支持層
６０ 切欠
６１ 配置部

Claims (8)

1. 複数の切欠が形成された振動板と、
   前記振動板上に配置されて前記振動板を駆動する複数の振動体と、を備え、
   前記複数の振動体のうち少なくとも１つの振動体が配置される前記振動板における配置部は、前記複数の切欠のうちの２つの隣接する切欠の間に形成され、両持ち支持される音響変換器。
2. 前記複数の振動体のうちそれぞれの振動体が配置される前記振動板上の配置部の全ては、前記複数の切欠のうちの２つの隣接する切欠の間に形成され、両持ち支持される請求項１記載の音響変換器。
3. 前記振動板の面に平行な第１の方向における前記配置部の両端には、それぞれ前記切欠が形成されており、
   前記第１の方向と交差する前記振動板の面に平行な第２の方向における前記配置部の両端には、それぞれ前記切欠が形成されていない請求項１または２記載の音響変換器。
4. 前記複数の切欠は、前記振動板の中心部を除く領域に形成されている請求項１～３の何れか記載の音響変換器。
5. 前記複数の切欠は、曲線形状のスリットを含む請求項４記載の音響変換器。
6. 前記振動板は、折返し形状に形成された折返し形状部を備え、
   複数の前記配置部は、前記折返し形状部に形成される請求項１～５の何れか記載の音響変換器。
7. 前記複数の配置部は、前記折返し形状部に線対称に形成される請求項６記載の音響変換器。
8. 複数の切欠が形成された振動板と、
   前記振動板上に配置されて前記振動板を駆動する複数の振動体と、を備え、
   前記複数の振動体のうち少なくとも１つの振動体が配置される前記振動板における配置部は、両持ち支持され、
   前記複数の切欠のうちの２つの隣接する切欠のそれぞれは、前記配置部における両持ち支持されている両端部を結ぶ線に対して、両側に配置される音響変換器。

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