JP3909768B2

JP3909768B2 - 音響信号発生用圧電装置

Info

Publication number: JP3909768B2
Application number: JP2003362651A
Authority: JP
Inventors: 光男田村
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2003-10-23
Filing date: 2003-10-23
Publication date: 2007-04-25
Anticipated expiration: 2023-10-23
Also published as: JP2005130149A

Description

本発明は、圧電振動を利用した音響振動の発生素子に関し、特に、音響信号を空中に発生するラウドスピーカーや、音響振動を頭骨や腕に伝搬させ、それを聴覚神経で聴取する骨伝導スピーカーに好適な音響信号発生用圧電装置に関する。

従来、圧電素子を用いた音響関連の素子としては、例えば３０ｍｍほどの円形で厚みが０．１ｍｍ程度の薄い金属板の片面もしくは両面に直径が２０ｍｍφで０．１〜０．２ｍｍ程の薄い圧電セラミック素子を貼りあわせたユニモルフまたはバイモルフの構造を基本とした素子がある。この場合は数ｋＨｚの共振周波数近辺で大きな音が発生できるが、駆動周波数が共振周波数からずれると急激に発生できる音量が減少するため特定の音響信号を発生する圧電発音体という分野での活用が主である。また、圧電セラミックスの厚みをさらに薄く例えば０．１ｍｍ以下に成形し、振動板の外形を５０ｍｍφにすると１ｋＨｚ以上の高域周波数を受け持つスピーカー、すなわちツィータの機能が可能となる。

さらに円形のバイモルフの中心部、すなわち振動の腹に穴を形成してこの部分に柱の一端を固定し他端を筐体やパネルに固定した音響の発生方法が提案され実用に供されている。この構成は、例えば、特許文献１に開示されているように、振動の腹に発生する振動の反動力が筐体やパネルに伝えられるため、振動面の面積が拡大することで音圧が増大することと、さらに振動子そのものの振動モードと、筐体やパネルの持つ振動モードの合成されたモードとして音響特性を持つために発生できる音域が広がり実用的なラウドスピーカーとしての機能を持たせることが可能になる。この目的の為の振動子は必ずしも円形である必要はなく、例えば特許文献２では矩形の圧電バイモルフの使用についての記載がある。

特開２０００‐２０９６９７号公報特開２０００‐２０１３９８号公報

これらの応用において、低音域を重視する場合、圧電振動子側の共振周波数も出来るだけ低くする必要がある。圧電素子の共振周波数を低下させる手段としては振動を決める素子の直径や長さを大きく取る、素子の曲げ弾性係数を下げる、あるいは振動の腹の部分に重量を付加する等の方法が考えられる。しかし対象が携帯機器等の大きさに制限がある場合、素子の寸法を大きくする手段には限界が出てくる。

また、曲げ弾性係数を下げる別の手段としては素子のセラミックスもしくは金属板（シム）の厚みを減少することでも達成できるが、同時に機械的な強度を下げることと、自身の重量を軽くすることで共振周波数が上がるため実質的な効果が伴わない。また有機物系の弾性係数の小さな材料をシムに選ぶことである程度曲げの弾性係数を下げることは可能であるが、一般にこれらの材料の比重が小さい為に全体の重量を下げて共振周波数を上げることになりやすい。また、重量を付加する場合は衝撃に対して弱くなりやすい。特に携帯機器等への応用では厳しい落下衝撃試験が課せられるために不利な構成になってゆく。以上の問題から、基本的に構成の異なる音響振動の発生手段が求められている。

簡略には、本発明の課題は、発生周波数の低域化、小型化、および耐落下衝撃性の向上をはかった音響信号発生用圧電装置を提供することにある。

本発明は、かかる事情に鑑みて圧電バイモルフやユニモルフとは原理的に異なる音響信号発生手段を提供して周波数の低域化や、小型化、耐落下衝撃を改善することを目的とするもので、一定の長さを有する圧電素子の長さ方向の伸縮に応じて座屈変形する弾性体と振動子の重量を振動系に利用するもので、ここに使用する振動子は屈曲変形をする必要がなく強固な構造を採用できるとともに、付随する弾性体の弾性係数を調整することで周波数の低域化をはかることが可能になる利点がある。また、振動子そのものの重量が振動系の重量として機能し周波数の低域化に寄与する。

すなわち、本発明の音響信号発生用圧電装置は、一定の長さを有する板状の圧電素子における長手方向の両端部と、該圧電素子と略平行に配置された平板状もしくは湾曲した板状の少なくとも１つの弾性体の両端部とが結合され、前記圧電素子の長手方向の伸縮に応じて前記弾性体が座屈変形することにより前記長手方向と直交する方向に振動する振動系が形成され、該振動系の重心移動によって発生する力を被振動体への駆動力としたことを特徴とする。

前記圧電素子が長手方向もしくは該長手方向と直行する方向に積層された積層型圧電素子よりなるとよい。

前記弾性体の１つにおける中央部が、被振動体としての筐体もしくはパネルに接合されるとよい。

そして、前記弾性体は前記圧電素子の主面の両側に配置され、片側に配置された弾性体の中央部が、被振動体としての筐体もしくはパネルに接合され、他の側に配置された弾性体の中央部には錘が付加されるとよい。

本発明によれば、一定の長さを有する圧電素子の長さ方向の伸縮に応じて座屈変形する弾性体と振動子の重量を振動系に利用するもので、ここに使用する振動子は屈曲変形をする必要がなく強固な構造を採用できるとともに、付随する弾性体の弾性係数を調整することで周波数の低域化をはかることが可能になる利点がある。また、振動子そのものの重量が振動系の重量として機能し周波数の低域化に寄与する。

その結果、本発明により、耐衝撃性が改善された堅牢な構造で、同時に音域が広いラウドスピーカーや骨伝導用の圧電型スピーカーが提供できるようになった。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の基本構成を示す模式図であり、１１は圧電素子、１２は板状の弾性体、１３は取り付け治具、１４は被振動体として音響駆動されるパネルもしくは筐体を示す。圧電素子１１は圧電の横効果もしくは縦効果を使用して長さ方向の変位（紙面では左右方向の変位）を発生するものである。横効果を利用する場合、素子は矩形で厚み方向に分極されており、上下面に印加される電気信号に応じて伸縮の変形を生ずる。また、厚み方向に積層した構成で、一層毎に電極を二つのグループに分けて層毎に分極と電圧印加が出来る構成を取ると駆動電圧を大幅に低減出来る利点がある。なお、電気的な結線類は図から省略してある。

縦効果を利用する場合は、分極は長手方向になされており両端面の電極から駆動電圧を与えることで長さ方向の伸縮を行う。この構成も長手方向に積層されて各層毎に電圧が印加できる積層型圧電素子の場合には駆動電圧を大幅に低減できる利点がある。

この圧電素子の長手方向に沿って金属や有機物からなる弾性板を一定の曲率の弧状に配置し、両端部近傍で固定する。圧電素子が発生する微量ながら強力な力を持つ変位は弾性板に座屈変形を生じせしめ、この変形は弧のふくらみに変換されるがこの時に変位量は素子の変位の数十倍に拡大させることが可能である。この弾性板の変形を安定に行わせるためには、素子の両側に弾性板を配置する方が力のバランスがよく好ましい。一方の弾性板のふくらみ部と筐体やパネルをボルトやはんだ付け、接着などの手段で固定した構成が基本の構成である。

音響信号が圧電素子に加えられると、音響信号に応じた長さ方向の変形を生じ、これはその変位と直交する弾性板のふくらみに拡大される。ふくらみの部分において被振動体であるパネルや筐体と結合しているために、被振動体側からみると圧電素子は振動に応じて離れたり近づいたりする運動をすることになる。圧電素子は一定の重量を持っており、この運動に伴う慣性力は弾性板を介して被振動体に伝えられ振動の駆動源となることが出来る。

被振動体に接しない側の弾性板の中央部に一定質量の錘を付加すると重心は振動子の中心軸と直交する方向で中心軸より錘側にシフトする。また、振動子の中心軸から離れるにつれて振動の変位量は大きくなり大きな重心の移動が伴うようになり、これから生ずる慣性力も大きく被振動体に与える効果が大きくなり、より大きな音響発生が可能になる。

ところで、本発明の音響信号発生用圧電装置は基本的に機械的に堅牢な、圧電素子と弾性板の構成からなり、耐落下衝撃に優れる。

また、弾性板の弾性係数を制御する事により共振周波数を調整する事が出来る。

次に、本発明を実施例に基づいて説明する。ＮＥＣトーキン製圧電セラミックス、商品名ネペック１０を用いた長さ３０ｍｍ、幅６ｍｍ、厚さ３ｍｍの圧電素子で厚み方向に３０層に積層された振動子を用いた。図２（ａ）はその厚み方向に積層した横効果型の積層素子の外観を示す斜視図である。また図２（ｂ）は長さ方向に積層した縦効果型の積層素子の外観を示す斜視図であり、このような積層素子を用いてもよい。

図３に正面図で示すように、長さが３５ｍｍ、幅６ｍｍ、最も薄い部分での厚さ０．２ｍｍの黄銅製の弾性体３２を２ヶ用い、一定の曲率で湾曲させてＣ型にして両端部をコの字型金具３１に溶接した構造の座屈変形用弾性体金具３０を準備した。両端にあるコの字型部分の凹部内面の底から底までの距離は圧電素子の長さに合わされており、コの字の開口幅（紙面では上下方向の幅）は圧電素子の厚みに合わせてある。

両者を接着剤で結合させて出来る本実施例の構造は、図４（ａ）に正面図で示すとおりであり、４１が積層型圧電素子である。なお各部には他部と区別するために斜線などの模様を施した。横側に張り出した座屈変形用弾性体金具３０の中央部には取り付け用の穴が開けられており、被振動体４４すなわち振動させる対象である筐体もしくはパネルにねじ４３で固定した。すなわち、外形が１００ｍｍ角の中央に６０ｍｍ角の切り抜きのある厚み１０ｍｍの木製の板に、７０ｍｍ角で厚み２ｍｍのアクリル板の周辺をゴム製の枠で支えて接着固定し音響振動板として用い、このアクリル板の中央に３ｍｍのねじで固定した。また、同図の４２は錘で圧電素子の中心軸より外側に位置する方向に配置してねじ止めされている。この錘４２は振動系の共振周波数を下げると同時に振動に伴う反動力を増大させ音圧の増大に効果が認められた。

また、弾性体の構造は平板状でも可能で、この例を図４（ｂ）に正面図で示す。４５が平板型弾性体である。

次に、本実施例の音響信号発生用圧電装置の特性測定結果を説明する。駆動条件はＰ−Ｐ電圧３０Ｖ、距離は振動面より３００ｍｍの位置に測定用マイクロフォンを設置して発生音圧を１００Ｈｚ〜１０ｋＨｚの範囲の周波数で測定した。測定結果を図５に示す。錘の無い場合でも、４００ｋＨｚにおいては高い音圧が得られているが、錘の無い場合とある場合で低域の音圧と全域の音圧に明らかな違いが認められた。本構造では落下時の衝撃は概ね、弾性体の変形で吸収でき圧電素子が受ける損傷はバイモルフ構造に比して大幅に軽減できる。また、弾性体の数は３個以上も可能である。

本発明の音響信号発生用圧電装置の基本構成を示す模式図。本発明に用いる積層型圧電素子の基本構造を示す斜視図。図２（ａ）は横効果用積層素子、図２（ｂ）は縦効果用積層素子の図。本発明に用いる座屈変形用弾性体金具を示す正面図。本発明の実施例の音響信号発生用圧電装置の構造を示す正面図。図４（ａ）は湾曲した弾性体を用いた場合、図４（ｂ）は平板型弾性体を用いた場合の図。音響特性測定結果を示す図。

符号の説明

１１圧電素子
１２，３２弾性体
１３取り付け治具
１４，４４被振動体
３０座屈変形用弾性体金具
３１コの字型金具
４１積層型圧電素子
４２錘
４３取り付け用ねじ
４５平板型弾性体

Claims

一定の長さを有する板状の圧電素子における長手方向の両端部と、該圧電素子と略平行に配置された平板状もしくは湾曲した板状の少なくとも１つの弾性体の両端部とが結合され、前記圧電素子の長手方向の伸縮に応じて前記弾性体が座屈変形することにより前記長手方向と直交する方向に振動する振動系が形成され、該振動系の重心移動によって発生する力を被振動体への駆動力としたことを特徴とする音響信号発生用圧電装置。
前記圧電素子が長手方向もしくは該長手方向と直行する方向に積層された積層型圧電素子よりなることを特徴とする、請求項１に記載の音響信号発生用圧電装置。
前記弾性体の１つにおける中央部が、被振動体としての筐体もしくはパネルに接合されたことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の音響信号発生用圧電装置。
前記弾性体は前記圧電素子の主面の両側に配置され、片側に配置された弾性体の中央部が、被振動体としての筐体もしくはパネルに接合され、他の側に配置された弾性体の中央部には錘が付加されたことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の音響信号発生用圧電装置。