JP2024003981A - 音声再生圧電ブザー - Google Patents

Abstract

【課題】実用的な音を発することのできる圧電ブザーを提供する。【解決手段】圧電体（２１）に信号電圧を加えることで発生する圧電体の振動を音として出力する圧電素子（２０）と、圧電素子の一面上に形成される第１気室（３１Ａ）と、第１気室に形成される第１放音孔（５５）とを有し、圧電素子の音を共鳴させて第１放音孔から出力する第１共鳴部（５６）と、第１放音孔を介して第１気室と連通する第２気室（３２Ａ）と、第２気室に形成される第２放音孔（６５）と、を有し、第１共鳴部より入力された音を共鳴させて第２放音孔から出力する第２共鳴部（６７）と、を備え、第２共鳴部の共振周波数は、第１共鳴部の共振周波数よりも低く設定される。【選択図】図２

Description

本発明は、圧電ブザーであって音声の再生が可能な音声再生圧電ブザーに関する。

圧電ブザー（圧電スピーカー、ピエゾメーカー、圧電サウンダーともいう。）は、圧電体に信号電圧を加えることで圧電体が歪み、その圧電体の振動を音として出力する（下記特許文献１参照）。圧電ブザーは、小型で消費電力が少ないことから、警報器や電子オルゴールなどの発音部品の他、スマートフォンといった携帯用電子機器や、音声ガイド機能を備えた小型電子機器などにも搭載されている。近年、これらの機器についてその発する音の音質の向上とともに小型化が望まれているところ、これらの電子機器に搭載される圧電ブザーについてもさらなる音質の向上及び小型化を図ることが望ましい。

特開平０９－３０７９９６号公報 特開２０１４－１６５６８９号公報

しかし、圧電ブザーは、特定周波数の音声出力しか想定していないため、共振を利用して特定周波数の音を高い音圧で出力するように設計されている。このように、圧電ブザーは、特定周波数の音声出力に適した設計であるので、圧電ブザーの出力する音楽や人の声などの音（以下、音楽や人の声などの音を「音声」という。）は実用的な音質にならない（つまり音質が悪い）といった問題がある。特に、圧電セラミックを含む圧電素子を搭載した圧電ブザーでは、振動板の固有振動の周波数は可聴周波数のうち高めの周波数に位置するため、可聴周波数のうち低めの周波数成分の音圧が相対的に低くなり、音質が良くないという問題がある。

このため、圧電ブザーの音質の向上を図るため、圧電ブザーに可聴帯以外の周波数成分を抑圧するためのフィルタを接続させることが提案されている（下記特許文献２参照）。ところが、特に、比較的小さな寸法の圧電素子を搭載した小型の圧電ブザーを用いて、この圧電ブザーに対して上記のようなフィルタを接続させると、このフィルタの抵抗成分によって音圧が低下し、圧電ブザーの出力する音声は実用的な音量にならない（つまり音が小さい）といった問題がある。

本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであり、圧電ブザーそのものの発する音楽や人の声などの音の音質を向上させることにより、上記フィルタを十分にきかせなくても実用的な音を発することのできる圧電ブザーを提供することを目的とする。

上記目的を達するために、本発明では、音声再生圧電ブザーであって、圧電体に信号電圧を加えることで発生する圧電体の振動を音として出力する圧電素子と、圧電素子の一面上に形成される第１気室と第１気室に形成される第１放音孔とを有し圧電素子の音を共鳴させて第１放音孔から出力する第１共鳴部と、第１放音孔を介して第１気室と連通する第２気室と第２気室に形成される第２放音孔とを有し第１共鳴部より入力された音を共鳴させて第２放音孔から出力する第２共鳴部と、を備え、第２共鳴部の共振周波数は第１共鳴部の共振周波数よりも低く設定される。

また、前述した音声再生圧電ブザーにおいて、第２共鳴部の共振周波数は、第１共鳴部の共振周波数の２／５～３／５の範囲の周波数に設定されてもよい。また、上述した音声再生圧電ブザーにおいて、第２放音孔の内径及び長さは、第１放音孔の内径及び長さと同一に設定され、第２気室の内容積は、第１気室の内容積よりも大きく設定されてもよい。また、上述した音声再生圧電ブザーにおいて、第１気室は円筒形状の第１筒部を有し、第２気室は円筒形状の第２筒部を有し、第２気室は、第２筒部の内径が、第１筒部の内径よりも大きく設定され、その高さが、第１気室の高さと同一または高く設定され、第２放音孔は、その内径が第１放音孔の内径と同一または小さく設定され、その長さが第１放音孔の長さと同一または長く設定されてもよい。また、前述した音声再生圧電ブザーにおいて、第１放音孔及び第２放音孔は、それぞれ、圧電素子の厚み方向と平行な同一の軸線上に形成された直円筒状の孔であってもよい。また、上述した音声再生圧電ブザーにおいて、圧電素子に直列に接続され、圧電素子と等価であるキャパシタとともにローパスフィルタを構成する抵抗を備えてもよい。

本発明によれば、圧電素子の出力する音声の音質を向上させることができる。その結果、音質の良い音声再生圧電ブザーを提供することができる。また、本発明の音声再生圧電ブザーによれば、これに対して可聴帯以外の周波数成分を抑圧するためのフィルタを十分に作用させなくても質の良い音を発するので、このようなフィルタの抵抗成分に起因して圧電ブザーの音圧が低下するのを抑制することができ、ひいては、実用的な音声を発する圧電ブザーを、比較的小さな寸法の圧電素子を搭載して構成することができるので、より一層、このような圧電ブザーの小型化の実現に寄与することができる。

第１実施形態に係る音声再生圧電ブザーを示す斜視図である。 図１の音声再生圧電ブザーを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ－Ａ線に沿った断面図である。 第２筺体を透過して見た図１の音声再生圧電ブザーを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。 図１の音声再生圧電ブザーの第２筺体を示し、（ａ）は底面図、（ｂ）は断面図である。 第２筺体の変形例を示す断面図である。 第２筺体の変形例を示す断面図である。 第２実施形態に係る音声再生圧電ブザーを示す部分断面図である。 １次ローパスフィルタの回路図及び１次ローパスフィルタの周波数特性を示すグラフである。 １次ローパスフィルタのインピーダンス特性を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。ただし、本発明はこれに限定されるものではない。また、図面においては、実施形態を説明するため、一部分を大きくまたは強調して記載するなど適宜縮尺を変更して表現することがある。図１などに示すＸＹＺ座標系において、Ｙ方向は圧電素子２０の厚み方向であり、Ｘ方向およびＺ方向は、それぞれＹ方向に垂直な方向である。また、Ｘ方向の片側（図中矢印の向きで示す）を＋Ｘ側、その反対側を－Ｘ側とし、Ｙ方向およびＺ方向についても同様である。

（第１実施形態）
第１実施形態に係る音声再生圧電ブザー１０について説明する。図１は、本実施形態に係る音声再生圧電ブザー１０を示す斜視図である。図２は、音声再生圧電ブザー１０を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ－Ａ線に沿った断面図である。図１及び図２に示すように、音声再生圧電ブザー１０は、圧電素子２０と、筺体３０とを有している。

圧電素子２０は、例えば、薄い円板状の圧電体２１と、薄い円板状の振動板２２とを貼り合わせた（接着した）構造である。このような圧電素子２０の構造をユニモルフ構造という。圧電体２１は、例えば圧電セラミックスである。振動板２２は、例えば、黄銅やニッケルなどの金属である。振動板２２は、圧電体２１の＋Ｙ側に配置されている。圧電体２１の表面には電極（不図示）が形成され、その電極にリード（ケーブル）２３が接続されている。また、振動板２２の表面にも電極が形成され、その電極にリード（ケーブル）２４が接続されている。リード２３，２４は、圧電素子２０の裏面（－Ｙ側の面）から－Ｙ方向に延びるように設けられ、筺体３０の底部（底部材）５２を－Ｙ方向に貫通し、外部へそのまま引き出されている。

圧電素子２０は、筺体３０に収容される。圧電素子２０は、後述する筺体３０の側壁部分に形成された異径部３０ａに当接した状態で、接着剤４０を介して筺体３０に保持されている。振動板２２の寸法は後述するように適宜変更可能である。ただし、本実施形態では、振動板２２の寸法は、比較的小さく設定され、例えば、直径が２２ミリメートル（ｍｍ）未満、厚さが０．１ミリメートル（ｍｍ）である。このため、圧電素子２０の共振周波数（共振点）ｆoは可聴周波数のうち比較的高めの周波数となっている。

圧電素子２０に電圧が印加されると圧電体２１が伸びるが、圧電体２１に接着している振動板２２は伸縮せずに所定方向に曲がる。また、圧電素子に逆方向の電圧が印加されると圧電体２１が縮むが、圧電体２１に接着している振動板２２は伸縮せずに所定方向とは逆方向に曲がる。圧電素子２０に電圧の向きが交互に変わる信号電圧が印加されると両方向の振動が発生して音波が発生する。

圧電素子２０を構成する、圧電体２１の材料、径、厚さや、振動板２２の材料、径、厚さなどは、上記構成に限定されず、音声再生圧電ブザー１０の出力音として要求される音質・音圧のレベルなどに応じて適宜変更が可能である。なお、圧電素子２０は、圧電体２１の材料、径、厚さや、振動板２２の材料、径、厚さなどに応じて特性が変化する。例えば、圧電素子によって、共振点（共振周波数）、等価直列抵抗、静電容量が変化する。

筺体３０は、中空に形成され、図２（ｂ）に示すように、圧電素子２０を収容するとともに第１空間３１及び第２空間３２を有する。筺体３０は、第１空間３１を有する第１筺体５０と、第２空間３２を形成する第２筺体６０とを有し、第１筺体５０と第２筺体６０とを組み合わせた構成である。後述する第１筺体５０の第１板部５３の直径ｗ２（図３参照）は、例えば、１７～２２ミリメートル（ｍｍ）に設定される。また、後述する第２筺体６０の第２板部６１の直径Ｗは、例えば、２１～２６ミリメートル（ｍｍ）に設定される。

図３は、第２筺体６０を透過して見た場合の音声再生圧電ブザー１０を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は図２（ａ）のＡ－Ａ線に沿った断面図である。図３に示すように、第１筺体５０は、ほぼ同一かつ真円状の＋Ｙ側の面５０ａ及び－Ｙ側の面５０ｂを端面とする略直円柱状に形成されている。第１筺体５０は、中空に形成され、有底円筒状の本体部材５１と、本体部材５１の－Ｙ側の端部の開口５０ｃを塞ぐように配置される底部材５２とから構成されている。

本体部材５１は、＋Ｙ側端部にＸＺ平面と平行な円板状の第１板部５３と、第１板部５３の周縁から－Ｙ方向に延びる円筒状の第１筒部５４とを有している。

第１板部５３は、Ｙ方向に貫通する第１放音孔５５を有している。第１放音孔５５は、第１空間３１（後述する第１気室３１Ａの内部空間）の音を後述する第２空間３２（後述する第２気室３２Ａの内部空間）へ向けて出力するための孔である。第１放音孔５５は、Ｙ方向に延びる直円筒状の孔である。第１放音孔５５は、Ｙ方向から見て、第１筺体５０の中心部でありかつ第１空間３１の中心部でもある位置に形成されている。

第１筒部５４は、第１板部５３から－Ｙ方向に間隔ｈを空けて圧電素子２０を収容し保持する。第１筒部５４は、その内周面５４ａに異径部３０ａが形成されている。内周面５４ａのうち異径部３０ａよりも＋Ｙ側の面は、その内径が圧電素子２０の外径よりも小さく形成されている。一方、内周面５４ａのうち異径部３０ａよりも－Ｙ側の面は、圧電素子２０が嵌め込み可能な内径となっている。異径部３０ａは内径の異なる２つの筒部の境界部分であり、例えば段状に形成される。異径部３０ａは、第１筒部５４の内周面５４ａにおいてその周方向に連続して形成されている。

このように第１筒部５４の内部に第１板部５３から間隔ｈを空けて圧電素子２０が取り付けられることにより、第１筐体５０の内部に第１気室３１Ａが設けられ、第１空間３１が形成される。第１空間３１は、第１気室３１Ａの内部空間であり、圧電素子２０の表面（＋Ｙ側の面）２０ａと、第１板部５３の裏面（－Ｙ側の面）５３ｂと、第１筒部５４の内周面５４ａと、により画定される中空空間である。

第１筒部５４の異径部３０ａに対して圧電素子２０が当接することで、圧電素子２０が第１筒部５４の奥側（＋Ｙ側）に移動するのを防止される。これにより、圧電素子２０の表面２０ａと、第１板部５３の裏面５３ｂとの間隔ｈが保たれ第１気室３１Ａが維持される。Ｙ方向における異径部３０ａの位置は、例えば、予め設定した第１気室３１Ａの体積に応じて設定される。

第１筒部５４の下部には、例えば矩形状の貫通孔５６が設けられている。貫通孔５６は、圧電素子２０に対して－Ｙ側の位置に設けられ、圧電素子２０の裏側（－Ｙ側）から出力された音を外部に放出する。

上述した第１気室３１Ａと第１放音孔５５とにより第１共鳴部５６が構成される。第１共鳴部５６は、ヘルムホルツ共鳴器として機能し、圧電体２１の出力した音を共鳴させて放出する。ここで、第１共鳴部５６における共振周波数（共鳴周波数）fcav１は、例えば次式により、求められる。

ただし、上記式（数１）において、
ｃ：音速（３３１＋０．６ＣＴ）×１０^３（ｍｍ／ｓｅｃ）
ここで、ＣＴ：気温（℃）
ｄ：第１筒部の内径の半径（ｍｍ）
ａ：第１放音孔の内径の半径（ｍｍ）
ｈ：第１気室の高さ（ｍｍ）
ｔ：第１放音孔の長さ（ｍｍ）
である。

第１共鳴部５６の共振周波数fcav１は、圧電素子２０の共振周波数ｆoよりも低く設定される。例えば、共振周波数fcav１は、共振周波数ｆoの半分程度に設定され、共振周波数ｆoの２／５～３／５の範囲の周波数に設定されてもよいし、共振周波数ｆoの１／２の周波数に設定されてもよい。なお、共振周波数fcav１は共振周波数ｆoよりも大きく設定されてもよい。

第１筒部５４の内径の半径ｄ、第１放音孔５５の内径の半径ａ、第１気室３１Ａの高さｈ、第１放音孔５５の長さｔは、それぞれ、第１共鳴部５６の共振周波数fcav１に応じて設定される。なお、図３に記載の「２ｄ」、「２ａ」の符号は、それぞれ、第１筒部５４の内径、第１放音孔５５の内径を示す。

底部材５２は、ＸＺ方向と平行な主面を有する略円板状に形成され、Ｙ方向にリード２３，２４を貫通させるための２つの貫通穴５７，５７が設けられている。

図４は、第２筺体６０を示し、（ａ）は底面図、（ｂ）は図２（ａ）のＡ－Ａ線に相当する線に沿った断面図である。図４に示すように、第２筺体６０は、略有底円筒形状に形成され、＋Ｙ側端部に設けられたＸＺ平面と平行な略円板状の第２板部６１と、第２板部６１の周縁から－Ｙ方向に延びる略円筒状の第２筒部６２と、を有している。

第２板部６１には、その裏面（－Ｙ側の面）６１ｂから－Ｙ方向に突出する第１突出部６３が設けられている。第１突出部６３は、第２板部６１の裏面６１ｂの中心６１ｏを基準とする同心円から形成される円環の領域に形成され、Ｙ方向に厚さを有する円環形状となっている。第１突出部６３の円環形状の内側は、後述する第２放音孔６５となっている。第２板部６１に第１突出部６３を設けることで、第２板部６１の厚さ（Ｙ方向の幅）を変化させることなく、第２放音孔６５の長さＴのみを長く形成することができる。また、第１突出部６３は第２板部６１の裏面６１ｂ側のみに形成され、その反対側の第２板部６１の表面６１ａはＸＺ平面に対して平行かつ平坦な面である。このように第２板部６１に第１突出部６３を設けることで、第２筺体６０の外形寸法を変化させることなく、第２放音孔６５の長さＴを長く形成することができる。

第２板部６１は、Ｙ方向に貫通する第２放音孔６５を有している。第２放音孔６５は、第２空間３２の音を外部へ向けて出力する孔である。第２放音孔６５は、Ｙ方向に延びる直円筒状の孔である。第２放音孔６５は、Ｙ方向から見て、第２筺体６０の中心部でありかつ第２空間３２の中心部でもある位置に形成されている。また、第２放音孔６５は、Ｙ方向から見て、その中心６５ｏが第１放音孔５５の中心５５ｏと重なるように配置されている（図２（ａ）参照）。すなわち、第１放音孔５５及び第２放音孔６５のそれぞれは、Ｙ方向からみた中心５５ｏ，６５ｏの双方を通るＹ方向に平行な仮想の軸線Jに形成され、同一の軸線Jに形成された直円筒状の孔である（図２（ｂ）参照）。

第２筒部６２の－Ｙ側端部の内周の直径ｗ１は、第１筺体５０の第１板部５３の直径ｗ２（図３（ｂ）参照）よりも若干大きく設定されている。第２筒部６２には、その＋Ｙ側の端部の開口を塞ぐように第１筺体５０が挿し込まれている（図２（ｂ）参照）。第１筺体５０は、第２板部６１に対して－Ｙ方向に間隔Ｈを空けた状態で第２筒部６２に保持されている。

このように第２筒部６２の内部に、第２板部６１に対して間隔Ｈを空けて第１筺体５０が収容されることにより、第２筺体６０に第２気室３２Ａが設けられ、第２空間３２が形成される。第２空間３２は、第２気室３２Ａの内部空間であり、第１筺体５０の＋Ｙ側の面５０ａと、第２板部６１の裏面６１ｂと、第２筒部６２の内周面６２ａと、により画定される中空空間である。第２空間３２（第２気室３２Ａ）は、第１放音孔５５を介して第１空間３１（第１気室３１Ａ）と連通している。

第２筒部６２には、その内周面６２ａから内側に向けて突出するストッパ部６６が設けられている。ストッパ部６６は、Ｙ方向に延びる半円柱形状であり、第２筒部６２において４つ形成され、それぞれ内周面６２ａの周方向に沿って等間隔で配置されている。ストッパ部６６は、その－Ｙ側の端部６６ｂを第１筺体５０に当接させて、第１筺体５０が第２筒部６２の奥側へ進行するのを防止する。これにより、第２板部６１の裏面６１ｂと、第１板部５３の＋Ｙ側の面５０ａとの間隔Ｈが保たれ第２気室３２Ａが維持される。ストッパ部６６の－Ｙ側の端部６６ｂの位置は、例えば第２気室３２Ａの体積の設計値に応じて設定される。

上述した第２気室３２Ａと第２放音孔６５とにより第２共鳴部６７が構成される。第２共鳴部６７は、ヘルムホルツ共鳴器として機能し、第１放音孔５５を介して第２共鳴部６７に入力された音を共鳴させて放出する。ここで、第２共鳴部６７における共振周波数（共鳴周波数）fcav２は、例えば次式により、求められる。

ただし、上記式（数２）において、
ｃ：音速（３３１＋０．６ＣＴ）×１０^３（ｍｍ／ｓｅｃ）
ここで、ＣＴ：気温（℃）
Ｄ：第２筒部の内径の半径（ｍｍ）
Ａ：第２放音孔の内径の半径（ｍｍ）
Ｈ：第２気室の高さ（ｍｍ）
Ｔ：第２放音孔の長さ（ｍｍ）
である。

第２共鳴部６７の共振周波数fcav２は、第１共鳴部５６の共振周波数fcav１よりも低く設定される。共振周波数fcav２は、共振周波数fcav１の半分程度の周波数に設定されることが好ましい。この場合、共振周波数fcav２は、共振周波数fcav１の２／５～３／５の範囲の周波数に設定されてもよく、共振周波数fcav１の１／２の周波数に設定されてもよい。このような共振周波数fcav１，fcav２の設定値に関する事項は、後述する第２共鳴部１６７等の共振周波数fcav２においても同様である。

また、上述した共振周波数ｆo，fcav１，fcav２については、第１共鳴部５６の共振周波数fcav１を圧電素子２０の共振周波数ｆoの半分程度の周波数に設定し、かつ、第２共鳴部６７の共振周波数fcav２を第１共鳴部５６の共振周波数fcav１の半分程度の周波数に設定してもよい。この場合、例えば、共振周波数ｆoを４キロヘルツ（ｋＨｚ）程度、共振周波数fcav１を２キロヘルツ（ｋＨｚ）程度、共振周波数fcav１を１キロヘルツ（ｋＨｚ）程度にそれぞれ設定してもよい。

第２筒部６２の内径の半径Ｄ、第２放音孔６５の内径の半径Ａ、第２気室３２Ａの高さＨ、第２放音孔６５の長さＴは、それぞれ、第２共鳴部６７の共振周波数fcav２に応じて設定される。
なお、図４～図６に記載の「２Ｄ」、「２Ａ」の符号は、それぞれ、第２筒部６２の内径、第２放音孔６５の内径を示す。

図２（ｂ）に示すように、本実施形態では、第２筒部６２の半径Ｄは第１筒部５４の半径ｄよりも大きく設定され、第２筒部６２の内径２Ｄは第１筒部５４の内径２ｄよりも大きく設定されている。また、第２放音孔６５の半径Ａは第１放音孔５５の半径ａよりも小さく（したがって第２放音孔６５の内径２Ａは第１放音孔５５の内径２ａよりも小さく）設定されている。また、第２気室３２Ａの高さＨは第１気室３１Ａの高さｈよりも高く設定されている。また、第２放音孔６５の長さＴは第１放音孔５５の長さｔよりも長く設定されている。

なお、本実施形態では、上記の条件に限定されず、第２放音孔６５の半径Ａは第１放音孔５５の半径ａと同一（したがって第２放音孔６５の内径２Ａも第１放音孔５５の内径２ａと同一）であってもよいし、第２気室３２Ａの高さＨは第１気室３１Ａの高さｈと同一であってもよいし、第２放音孔６５の長さＴは第１放音孔５５の長さｔと同一であってもよい。

また、上述した共振周波数fcav１及び共振周波数fcav２は、ヘルムホルツ共鳴器の共振周波数（共鳴周波数）であるので、主として、放音孔の断面積及び長さ、並びに気室の内容積（気室内空間の体積）に基づいて決まる。このため、第２放音孔６５の内径２Ａ及び長さＴを第１放音孔５５の内径２ａ及び長さｔと同一に設定した場合（つまり放音孔が互いに同一構成の場合）、第１気室３１Ａと第２気室３２Ａの内容積に差異があると、共振周波数fcav１及び共振周波数fcav２は、当該内容積の差異に応じて互いに異なる周波数となる。そこで、第２放音孔６５の内径２Ａ及び長さＴを第１放音孔５５の内径２ａ及び長さｔと同一に設定し、共振周波数fcav１に比べて共振周波数fcav２が低くなるように、第２気室３２Ａの内容積（第２空間３２の体積）を第１気室３１Ａの内容積（第１空間３１の体積）よりも大きく設定してもよい。例えば、第２放音孔６５の半径Ａは第１放音孔５５の半径ａと同一（したがって第２放音孔６５の内径２Ａも第１放音孔５５の内径２ａと同一）に設定されると共に、第２放音孔６５の長さＴは第１放音孔５５の長さｔと同一に設定され、かつ、第２筒部６２の半径Ｄは第１筒部５４の半径ｄよりも大きく形成され、第２気室３２Ａの高さＨは第１気室３１Ａの高さｈよりも高く設定されてもよい。

上述した構成の音声再生圧電ブザー１０では、圧電素子２０により生じた音を、第１共鳴部５６において共鳴させて、第１放音孔５５を介して第２共鳴部６７に出力し、この音を第２共鳴部６７において共鳴させて第２放音孔６５を介して外部へ実用的な音声として出力する。ここで、圧電素子２０の共振周波数ｆoは可聴周波数のうち高めの周波数であるため、圧電素子２０の出力する音は、可聴周波数のうち低めの周波数成分の音圧が相対的に低くなり、したがって音質が良くない。しかし、音声再生圧電ブザー１０では、圧電素子２０の共振周波数ｆoよりも低い周波数成分を共鳴させる第１共鳴部５６に加え、第１共鳴部５６の共振周波数fcav１よりも低い周波数成分を共鳴させる第２共鳴部６７をさらに備えたことで、可聴周波数のうち低めの周波数成分の音圧を向上させることができ、したがって音声再生圧電ブザー１０の出力する音声の音質を改善することができる。

このように、本実施形態に係る音声再生圧電ブザー１０によれば、第１共鳴部５６に加えて第１共鳴部５６よりも共振周波数の低い第２共鳴部６７を備えたことで、第１共鳴部５６のみを備えた音声再生圧電ブザーに比べて音質を向上させることができる。その結果、音声再生圧電ブザー１０は、可聴帯以外の周波数成分を抑圧するためのフィルタを十分に作用させなくても実用化が可能となる。そして、このような実用的な音声を発する音声再生圧電ブザー１０を、比較的小さな寸法の圧電素子２０を搭載して構成することができるので、より一層、音声再生圧電ブザー１０そのものの小型化（特に小幅化）の実現に寄与することができる。

（変形例）
次に、音声再生圧電ブザー１０における第２筺体６０の変形例について説明する。図５（ａ）は、第２筺体６０の第１変形例を示す断面図である。なお、図５（ａ）は、図２（ａ）のＡ－Ａ線に相当する線に沿った断面図であり、後述する図５（ｂ）、図６（ｃ）、図６（ｄ）に示す断面図についても同様である。また、以下の変形例に係る説明では、既に述べた第２筺体６０等と同一または同等の構成部分については同一符号を付けて説明を省略または簡略化する。

図５（ａ）に示すように、第１変形例に係る第２筺体１６０は、第１突出部６３を有しない点で、上述した第２筺体６０の構成と異なる。第２放音孔１６５は、第２板部６１をＹ方向に貫通して形成されている。

第２筺体１６０には、その－Ｙ側端部の開口を塞ぐように第１筺体５０の一部が収容される。第１筺体５０は、第２板部６１に対して間隔Ｈを空けた状態で配置される。これにより、第２筺体１６０の内部に、第２空間１３２を画定する第２気室１３２Ａが設けられる。第２気室１３２Ａと第２放音孔１６５とにより第２共鳴部１６７が構成される。

第２筺体１６０の構成では、第２板部６１の表面６１ａ及び裏面６１ｂはそれぞれＸＺ平面に対して平行かつ平坦な面となっている。このため、音声再生圧電ブザー１０における第２筺体として、このような第２筺体１６０の構成を適用することにより、第２筺体自体の作製が第１突出部６３を有するものに比べて容易となる。

図５（ｂ）は、第２筺体６０の第２変形例を示す断面図である。図５（ｂ）に示すように、第２変形例に係る第２筺体２６０は、第１突出部６３に代えて第２突出部１６３が設けられている点で、上述した第２筺体６０の構成と異なる。第２板部６１の表面６１ａには、その一部の領域を＋Ｙ方向に突出した第２突出部１６３が設けられている。第２突出部１６３は、例えば、第２板部６１の表面６１ａにおいてその中心６１ｏ（図４（ａ）参照）を基準とする同心円から形成される円環の領域に形成され、Ｙ方向に厚さを有する円環形状となっている。第２突出部１６３の円環形の内側は第２放音孔２６５となっている。

第２筺体２６０には、その－Ｙ側端部の開口を塞ぐように第１筺体５０の一部が収容される。第１筺体５０は、第２板部６１に対して間隔Ｈを空けた状態で配置される。これにより、第２筺体２６０の内部に、第２空間１３２を画定する第２気室１３２Ａが設けられる。第２気室１３２Ａと第２放音孔２６５とにより第２共鳴部２６７が構成される。

音声再生圧電ブザー１０における第２筺体として、このような第２突出部１６３を備える第２筺体２６０の構成を適用することにより、上述した第２筺体６０と同様に、第２板部６１の厚さ（Ｙ方向の幅）を大きく変化させることなく、第２放音孔自体の長さＴを長く形成できる。

図６（ｃ）は、第２筺体６０の第３変形例を示す断面図である。図６（ｃ）に示すように、第３変形例に係る第２筺体３６０は、第１突出部６３とともに第２突出部１６３が設けられている点で、上述した第２筺体６０の構成と異なる。ここで、第２板部６１の表面６１ａ及び裏面６１ｂはいずれもＸＺ平面に対して平行な面である。第１突出部６３と第２突出部１６３とは、例えば、第２板部６１の厚み（Ｙ方向の幅）の中点を通るＸＺ平面に対して対称的な形状に形成されている。

第２筺体３６０には、その－Ｙ側端部の開口を塞ぐように第１筺体５０の一部が収容される。第１筺体５０は、第２板部６１に対して間隔Ｈを空けた状態で配置される。これにより、第２筺体３６０の内部に、第２空間３２を画定する第２気室３２Ａが設けられる。第２気室３２Ａと第２放音孔３６５とにより第２共鳴部３６７が構成される。

音声再生圧電ブザー１０における第２筺体として、このような第１突出部６３及び第２突出部１６３の双方を備えた第２筺体３６０の構成を適用することで、第２板部６１の厚さ（Ｙ方向の幅）を大きく変化させることなく、第２放音孔自体の長さＴをより一層長く形成できる。

図６（ｄ）は、第２筺体６０の第４変形例を示す断面図である。図６（ｄ）に示すように、第４変形例に係る第２筺体４６０は、ホーン７０を備える点で、上述した第２筺体６０の構成と異なる。ホーン７０は、第２放音孔６５の出力する音声の音圧をさらに高めて出力するホーン部７１と、筺体３０とホーン部７２とを接続する接続部７２と、を有している。ホーン部７１と接続部７２とは一体で形成されている。

ホーン部７１は、Ｙ方向における第２放音孔６５の位置から＋Ｙ側に延びるように配置され、第２放音孔６５から＋Ｙ方向に向かうにしたがって徐々に大きくなる内径ｒを有する。ホーン部７１は、エクスポーネンシャルホーンの構成であり、ＸＺ平面に対して平行な断面積は入口７１ａから出口７１ｂにかけて指数関数的に変化する。ただし、ホーン部７１は、上記構成に限定されず、例えば、円錐台形状を有するものなどであってもよい。

接続部７２は、例えば図６（ｄ）に示すような第２筺体６０を嵌入可能な構成であり、ホーン７０の－Ｙ側の端部から第２筺体６０を＋Ｙ方向に嵌入させることにより筺体３０に対してホーン部７１を固定する。このように、接続部７２を介して筺体３０とホーン部７１とが接続される。

音声再生圧電ブザー１０における第２筺体として、このような第２筺体４６０の構成を適用することにより、音声再生ブザー１０はより音圧の高い音を出力することができる。

なお、音声再生圧電ブザー１０は上記構成に限定されない。筐体３０は、上記構成に限定されず、内部に第１気室３１Ａ及び第２気室３２Ａ等を形成する限りにおいて種々の形状が適用可能である。例えば、筐体３０は、上述した第１実施形態ではその外形が略直円柱形状であったが（図１参照）、これに限定されず、略角柱形状や、略斜円柱形状、半球形状などであってもよい。また、筐体３０は、本実施形態では第１筺体５０に対して第２筺体６０を組み付けることで形成されていたが、これに限定されず、例えば、第１筒部５４と第２筺体６０とが一体形成された構成であってもよいし、多数の部材を組み合わせて構成されてもよい。

また、第１筺体５０及び第２筺体６０は、本実施形態ではいずれも樹脂製であるが、これに限定されず、例えば、金属製や木製などであってもよい。また、第１筺体５０及び第２筐体６０は、本実施形態ではそれぞれ中空かつ円筒形状の筒部（第１筒部５４，第２筒部６２）を含んで構成されその内部に円柱形状の空気室（第１気室３１Ａ、第２気室３２Ａ，１３２Ａ）を形成させるものであったが、かかる構成に限定されず、互いに組み合わされることにより内部に空気室（第１気室３１Ａ及び第２気室３２Ａ等）を形成させる構成である限りにおいて種々の形状が適用可能である。

そして、第１気室３１Ａ及び第２気室３２Ａ等は、本実施形態ではそれぞれ円筒形状の内周面を含んで構成されその内部空間（第１空間３１、第２空間３２，１３２）は円柱形状であったが、これに限定されない。

例えば、第１気室３１Ａは、角筒形状や、楕円筒形状、断面の内径が徐々に変化する円筒形状などを含む構成でありその内部に角柱形状や、楕円柱形状、円錐台形状などの形状の第１空間３１を形成する構成であってもよい。また、第１気室３１Ａは、筒形状の内面を含む構成に限定されず、例えば、中空の半球形状に形成されて半球形状の第１空間３１を形成する構成や、断面積がステップ状に変化する形状の第１空間３１を形成する構成などであってもよい。第２気室３２Ａ等についても、第１気室３１Ａと同様にその形状について種々の変更が可能である。つまり、第２気室３２Ａ等は、例えば、角筒形状や、楕円筒形状、断面の内径が徐々に変化する円筒形状などを含む構成であってその内部に角柱形状や、楕円柱形状、円錐台形状などの形状の第２空間３２等を形成する構成であってもよいし、中空の半球形状に形成されて半球形状の第２空間３２等を形成する構成や、断面積がステップ状に変化する形状の第２空間３２等を形成する構成などであってもよい。

また、第１放音孔５５及び第２放音孔６５，１６５，２６５，３６５は、本実施形態ではそれぞれ１つずつ設けられているが、これに限定されず、第１放音孔５５及び第２放音孔６５の一方あるいは双方は複数設けられてもよい。また、第１放音孔５５及び第２放音孔６５は、本実施形態ではＹ方向に延びる円筒形状の孔であるが、これに限定されず、例えば、Ｙ方向に対して傾斜した方向に延びる孔や、角筒形状や、楕円筒形状、断面の内径が徐々に変化する筒形状などの孔であってもよい。また、本実施形態では第１放音孔５５及び第２放音孔６５のそれぞれは、Ｙ方向からみた中心５５ｏ，６５ｏのいずれも通るＹ方向に平行な軸線Jに形成された直円筒状の孔であるが、これに限定されず、例えば、第１放音孔５５及び第２放音孔６５は、互いにＹ方向から見た中心５５ｏ，６５ｏがずれた位置に設けられてもよい。また、第１突出部６３についても、第２放音孔６５を形成可能な限りにおいてその形状は任意である。

上述したように、空気室（第１気室３１Ａ、第２気室３２Ａ等）及び放音孔（第１放音孔５５、第２放音孔６５等）は、本実施形態と異なる構成であってもよい。したがって、かかる空気室及び放音孔から構成される共鳴部（第１共鳴部５６及び第２共鳴部６７，１６７，２６７，３６７）についても、同様に本実施形態と異なる構成であってもよい。

ところで、ヘルムホルツ共振器の共振周波数Ｆは次式（数３）により求めることが可能である。なお、次式において、ｃ：音速、Ｓ：放音孔の断面積、Ｖ：気室の内容積、Ｌ：放音孔の長さである。

共鳴部（第１共鳴部５６及び第２共鳴部６７等）を本実施形態と異なる構成としたとき、共振周波数fcav１，fcav２は、例えば上記式（数３）より、求められる。かかる場合、共振周波数fcav１は、上記式（数３）において、「Ｓ」に第１放音孔５５の断面積、「Ｖ」に第１気室３１Ａの内容積（第１空間３１の体積）、「Ｌ」に第１放音孔５５の長さの値がそれぞれ入力され算出される。一方、共振周波数fcav２は、上記式（数３）において、「Ｓ」に第２放音孔６５等の断面積、「Ｖ」に第２気室３２Ａの内容積（第２空間３２の体積）、「Ｌ」に第２放音孔６５の長さの値がそれぞれ入力され算出される。

（第２実施形態）
続いて、第２実施形態に係る音声再生圧電ブザー１００について説明する。なお、以下の第２実施形態の説明では、上述した音声再生圧電ブザー１０と同一または同等の構成部分については同一符号を付けて説明を省略または簡略化する。図７は、音声再生圧電ブザー１００を示す部分断面図である。音声再生圧電ブザー１００は、後述する抵抗９０を有する点で、上述した音声再生圧電ブザー１０の構成と異なる。

図７に示すように声再生圧電ブザー１００は、圧電素子２０と、筺体３０と、リード２３，２４とを有する。リード２４の途中には、抵抗９０が接続されている。抵抗９０は、圧電素子２０に直列に接続されている。なお、抵抗９０はリード２４の途中ではなくリード２３の途中に接続されてもよい。抵抗９０は、筺体３０の外部に設けられているが、筺体３０の内部に収容されてもよい。

音声再生圧電ブザー１００は、音声信号を出力して音声再生圧電ブザー１００の音声出力を実行する駆動回路と接続して使用される。この際、抵抗９０は、圧電素子２０と等価であるキャパシタとともに、ローパスフィルタを構成する。

図８は、１次ローパスフィルタの回路図及び１次ローパスフィルタの周波数特性を示すグラフである。圧電素子ＰＺは電気的特性としてコンデンサ（キャパシタ）Ｃ０とみなされる。図８の回路図に示すように、抵抗Ｒ０とコンデンサＣ０とで構成されるＲＣ回路は１次ローパスフィルタ（ＲＣフィルタ）として機能する。ＲＣ回路の折れ点周波数ｆｃは、ｆｃ＝１／（２π・Ｒ０・Ｃ０）となる。図８のグラフに示すように、ＲＣ回路からなる１次ローパスフィルタは、ＲＣ回路の折れ点周波数ｆｃ以下の周波数の信号を通過させ、ＲＣ回路の折れ点周波数ｆｃ以上の周波数の信号を－２０ｄＢ／ｄｅｃで減衰させる。

また、図９は、１次ローパスフィルタのインピーダンス特性を示すグラフである。図９に示すグラフにおいて、横軸はｌｏｇｆ（信号の周波数ｆの対数）を示し、縦軸はｌｏｇ｜Ｚ｜（インピーダンスＺの対数）を示している。図９に示すように、圧電素子ＰＺと等価であるコンデンサＣ０のインピーダンスは、信号の周波数ｆが上昇するにつれてかつ圧電素子ＰＺの共振点（共振周波数）ｆoに近づくほど小さくなり、特に、圧電素子ＰＺの共振点ｆo付近では急激に小さくなる。また、コンデンサＣ０は寄生インダクタンスを有するので、コンデンサＣ０のインピーダンスは、信号の周波数ｆが圧電素子ＰＺの共振点ｆoよりも高いほど大きくなる。したがって、圧電素子ＰＺに抵抗Ｒ０を接続していない場合は、信号の周波数ｆが圧電素子ＰＺの共振点ｆoに近いと、大きな電流が圧電素子ＰＺに流れてしまい、音質の悪化や、素子及び素子を駆動する駆動回路の破損等を招いてしまう。

本実施形態では、圧電素子ＰＺと抵抗Ｒ０とで構成するＲＣ回路の折れ点周波数ｆｃを圧電素子ＰＺの共振点ｆo未満とする。このように設定することで、圧電素子ＰＺに必要以上の電流が流れてしまうのを回避している。これにより、圧電素子ＰＺの共振点よりも高い周波数成分はＲＣフィルタで抑制されるので、人の声や音楽などを、より一層、高音質で出力することが可能となる。

また、上記したＲＣ回路の折れ点周波数ｆｃを圧電素子ＰＺの共振周波数ｆoに近い値に設定してもよい。例えば、上記したＲＣ回路の折れ点周波数ｆｃは、圧電素子ＰＺの共振周波数の０．８～０．９倍程度の周波数に設定されてもよい。この場合、抵抗Ｒ０は、折れ点周波数ｆｃが圧電素子ＰＺの共振周波数ｆoの０．８倍未満のものに比べて低くなるので、抵抗Ｒ０に起因して圧電素子ＰＺの音圧が低下するのを抑制できるとともに、折れ点周波数ｆｃが圧電素子ＰＺの共振点ｆoの０．９倍よりも大きいものに比べて、圧電素子ＰＺが共振するのをより一層確実に抑制し、圧電素子ＰＺに必要以上の電流が流れてその音質が悪くなるのを防止することができる。

このように、上記したＲＣ回路の折れ点周波数ｆｃを、圧電素子ＰＺの共振点ｆo未満とし、かつ、圧電素子ＰＺの共振点ｆoに近い値に設定することで、圧電素子ＰＺの音圧の低下を抑制しつつその音質の悪化を防止することができる。

以上に説明したように、本実施形態の音声再生圧電ブザー１００によれば、音声再生圧電ブザー１０と同様の構成を備えるので、上述した音声再生圧電ブザー１０と同様に、音声再生圧電ブザー１００を駆動させる際にフィルタを十分に作用させることなく高音質の音声出力の実現が可能である。

また、音声再生圧電ブザー１００によれば、抵抗９０（Ｒ０）を備えるので、抵抗９０が圧電素子２０（ＰＺ）に直列に接続され、圧電素子２０と等価であるキャパシタＣ０と抵抗９０とでローパスフィルタを形成することにより、可聴帯以外の周波数成分が抑圧されるので、より一層、高音質の音声出力を実現することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記した説明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において種々の変更が可能である。例えば、上記した第２放音孔６５，２６５，３６５の構成を第１放音孔５５に適用してもよい。この場合、第１板部５３には、第１突出部６３や第２突出部１６３と同様の形状の突出部が形成される。

本発明の音声再生圧電ブザー１０，１００は、ガイド音声を出力する機器として用いることができる。例えば、鉄道やバス等の車内／構内アナウンス、信号、ビル入退管理端末、監視カメラ、医療機器、ＡＥＤ（Automated External Defibrillator；自動体外式除細動器）、産業用プリンタ、オフィス用複合プリンタ、民生用インクジェットプリンタ、アミューズメント機器の効果音などに利用可能である。

１０，１００ 音声再生圧電ブザー
２０ 圧電素子
２１ 圧電体
３１ 第１空間
３１Ａ 第１気室
３２，１３２ 第２空間
３２Ａ，１３２Ａ 第２気室
５４ 第１筒部
５５ 第１放音孔
５６ 第１共鳴部
６２ 第２筒部
６５，１６５，２６５，３６５ 第２放音孔
６７，１６７，２６７，３６７ 第２共鳴部
９０ 抵抗
２Ｄ 第２筒部の内径
２Ａ 第２放音孔の内径
２ｄ 第１筒部の内径
２ａ 第１放音孔の内径
Ｈ 第２気室の高さ
Ｊ 軸線
Ｔ 第２放音孔の長さ
ｈ 第１気室の高さ
ｔ 第１放音孔の長さ

Claims (6)

1. 圧電体に信号電圧を加えることで発生する前記圧電体の振動を音として出力する圧電素子と、
   前記圧電素子の一面上に形成される第１気室と、前記第１気室に形成される第１放音孔とを有し、前記圧電素子の音を共鳴させて前記第１放音孔から出力する第１共鳴部と、
   前記第１放音孔を介して前記第１気室と連通する第２気室と、前記第２気室に形成される第２放音孔と、を有し、前記第１共鳴部より入力された音を共鳴させて前記第２放音孔から出力する第２共鳴部と、を備え、
   前記第２共鳴部の共振周波数は、前記第１共鳴部の共振周波数よりも低く設定される、音声再生圧電ブザー。
2. 前記第２共鳴部の共振周波数は、前記第１共鳴部の共振周波数の２／５～３／５の範囲の周波数に設定される、ことを特徴とする請求項１に記載の音声再生圧電ブザー。
3. 前記第２放音孔の内径及び長さは、前記第１放音孔の内径及び長さと同一に設定され、
   前記第２気室の内容積は、前記第１気室の内容積よりも大きく設定される、ことを特徴とする請求項１に記載の音声再生圧電ブザー。
4. 前記第１気室は、円筒形状の第１筒部を有し、
   前記第２気室は、円筒形状の第２筒部を有し、
   前記第２気室は、
   前記第２筒部の内径が、前記第１筒部の内径よりも大きく設定され、
   その高さが、前記第１気室の高さと同一または高く設定され、
   前記第２放音孔は、
   その内径が、前記第１放音孔の内径と同一または小さく設定され、
   その長さが、前記第１放音孔の長さと同一または長く設定される、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の音声再生圧電ブザー。
5. 前記第１放音孔及び前記第２放音孔は、それぞれ、前記圧電素子の厚み方向と平行な同一の軸線上に形成された直円筒状の孔である、ことを特徴とする請求項４に記載の音声再生圧電ブザー。
6. 前記圧電素子に直列に接続され、前記圧電素子と等価であるキャパシタとともにローパスフィルタを構成する抵抗を備える、ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の音声再生圧電ブザー。

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