JP4558526B2 - 骨伝導スピーカ - Google Patents

Description

本発明は、主として音響振動発生用圧電素子としての積層型圧電素子を備えると共に、骨伝導音以外に気導音についても良好に聴取可能な構造を持つ骨伝導スピーカに関する。

従来、骨伝導スピーカは、その目的として音響性能については言うまでもなく、通常人体の頭部に固定して使用するものであるため、装着性を考えた場合に小型であることや軽量であることが望まれ、しかも多くの場合には携帯可能な要求もあることにより電力消費が少ないこと等も望まれている。

このような骨伝導スピーカにおいて、一般的に用いられているのは電磁型タイプのものであるが、それは原理的に往年の電話機における受話器の振動板のみを小さくした構造であると考えれば分かり易いもので、具体的には振動用の鉄片（プレートヨーク）がばね機構を介して永久磁石で励磁されたヨークと向かい合った構造となっている。この構造の場合、音声信号レベルに比例する電流がプレートヨークの周りに置かれた巻き線に流れると、鉄片に音声信号レベルに比例した力が作用して鉄片が振動し、その振動の反作用で音声信号レベルに比例した力で音響振動が接触する物体に伝播する。

電磁型タイプの骨伝導スピーカでは、全ての構成部材が金属のために堅牢であるが、その反面として、重量を低減化させるには限界があるし、その他の短所として、駆動特性のリニヤ性を確保するために磁気コイルには一定の奥行きが必要になり、そのためにデバイスの厚みが必要となってしまうことや、電磁力を振動の駆動源としていることにより巻き線に流れる電流がジュール熱を発生してエネルギー損失を生ずるが、これが音響出力に何等寄与しないエネルギー損失となってしまうこと等が挙げられる。

そこで、最近では超磁歪材料を応用した骨伝導スピーカ（特許文献１参照）も提案されている。この骨伝導スピーカの場合、基本的には磁性材料であるコアに対してコイルに流れる音声電流で励磁することにより超磁歪材料の発生する歪を駆動源とする圧電型タイプ（圧電方式）のものであるが、コイルに電流を流す必要がある点で電磁型タイプ（電磁方式）のものと共通してエネルギー損失面での問題があるものの、その利点として、駆動に関してエネルギー効率が電磁型タイプのものと比べると著しく高いことが挙げられる。

即ち、電磁型タイプの場合には電磁力を振動の駆動源とするものであり、上述した通りに巻線でジュール熱が発生してしまうが、圧電型タイプのものではこれに対応するエネルギー損失が伴わず、しかも圧電振動子のエネルギー密度が電磁型タイプのものと較べて高く、原理的に小型化に有利なものとなっている。但し、圧電型タイプの場合、電磁型タイプと比べると駆動電圧が高く、携帯機器等への応用分野では内蔵する電池の電圧以上の電圧を必要とするために昇圧が必要となる場合があり、この昇圧回路でのエネルギー損失も無視できないために既存の圧電材料が持つ実性能では必ずしも省エネネルギー化を図る面で観れば電磁型タイプのものと比べて圧倒的に有利と言えない面もあるが、それにも拘らず駆動電圧の高さの問題については昨今の積層型圧電アクチュエータや積層セラミックコンデンサに用いられている積層技術を活用することにより解消されつつあり、昨今では駆動電圧を十分に低下させられるようになっている。

例えば積層型圧電アクチュエータについては、圧電セラミックスの粉末に有機バインダを混入して成膜されたシートに銀−パラジュームの電極層を印刷して積層した後、一体化焼結することにより製造される素子が開発されており、幅広い応用が展開されている。この積層型圧電アクチュエータの場合、積層された薄いシートの一層毎に電圧を印加できるために比較的低電圧でも大きな電界を印加することができ、しかも各々層で発生する歪が厚み方向に加算されるため、圧電定数ｄを見掛け上で積層数倍に拡大したものと同じにすることができる。

ところで、骨伝導スピーカについては、一般的に人体の頭部における外耳周辺に一定の圧力で固定して使用されるが、特許文献１のイヤフォン、音声伝達装置の場合には外耳道に挿入する形態の圧電型タイプのものを提案しており、極めて簡素な構成で省電力化（省エネルギー化）が図られ、且つ軽量な携帯機器に適した構造となっている。尚、その他の骨伝導スピーカに係る周知技術としては、骨伝導ピックアップを外耳道に挿入する形態のもの（特許文献２参照）もある。

特開２００４−２０８２２０号公報（特許請求の範囲、第４頁、図１） 特開２００２−２６２３７７号公報（要約）

上述した特許文献１や特許文献２係る骨伝導スピーカの場合、外耳道に挿入するタイプであることにより、頭部に固定して使用する場合のように一定の接触圧力を加えるために必要とされるヘッドセット等の付属器具を不要にでき、小型化や省電力化を十分に図り得て携帯機器への適用性に優れた構造となるという利点があるが、その反面、例えばイヤフォンの形態で外耳道に挿入する形態としただけでは、骨伝導方式のもう一つの利点である骨伝導音を気導音と合わせて聴取する機能を失ってしまうという大きな問題がある。

本発明は、このような問題点を解決すべくなされたもので、その技術的課題は、小型で軽量にして省電力化を図り得ると共に、骨伝導音以外の気導音も良好に聴取可能な装着性に優れた構造の骨伝導スピーカを提供することにある。

本発明によれば、音響振動発生用圧電素子としての積層型圧電素子と、前記積層型圧電素子における長さ方向の変位を拡大するための変位拡大機構と、前記変位拡大機構を介して前記積層型圧電素子を実装するための弾性体とを備え、更に、前記積層型圧電素子及び前記変位拡大機構を実装した前記弾性体を外耳道へ挿入する形態で使用に供され、前記弾性体は、貫通穴を有する容器であって、該貫通穴内に前記変位拡大機構を介して前記積層型圧電素子を実装可能であると共に、実装状態で骨伝導音以外の気導音についても聴取可能であるように該積層型圧電素子と該貫通穴との間に隙間を持たせた構造であることを特徴とする骨伝導スピーカが得られる。

又、本発明によれば、上記骨伝導スピーカにおいて、容器は円筒形であることが好ましい。

更に、本発明によれば、上記何れか一つの骨伝導スピーカにおいて、積層型圧電素子を駆動して音響振動発生させるための駆動信号は、音声信号源から得られる音声信号に一定の直流バイアス電圧を印加して生成されたものである骨伝導スピーカが得られる。

本発明の骨伝導スピーカの場合、音響振動発生用圧電素子としての積層型圧電素子をその長さ方向の変位を拡大するための籠状の変位拡大機構を介して弾性体による貫通穴を有する円筒形の容器の貫通穴内に実装すると共に、実装状態で骨伝導音以外の気導音についても聴取可能であるように積層型圧電素子と貫通穴との間に隙間を持たせた構造として外耳道に挿入して使用する形態とし、更に、積層型圧電素子を駆動して音響振動発生させるための駆動信号として、音声信号源から得られる音声信号に一定の直流バイアス電圧を印加して生成されたものを用いるようにしているので、積層型圧電素子における体積を増大させたり、或いは振動発生力を低減させること無しに振動発生力の周波数特性を制御可能となり、結果として、小型で軽量にして省電力化を図り得ると共に、骨伝導音以外の気導音も良好に聴取可能な装着性に優れた構造が得られるようになる。

本発明の最良の形態に係る骨伝導スピーカは、音響振動発生用圧電素子としての積層型圧電素子と、積層型圧電素子における長さ方向の変位を拡大するための変位拡大機構と、変位拡大機構を介して積層型圧電素子を実装するための弾性体とを備えると共に、積層型圧電素子及び変位拡大機構を実装した弾性体を外耳道へ挿入する形態で使用に供されるものである。但し、ここでの弾性体は、貫通穴を有する容器であって、貫通穴内に変位拡大機構を介して積層型圧電素子を実装可能であると共に、実装状態で骨伝導音以外の気導音についても聴取可能であるように積層型圧電素子と貫通穴との間に隙間を持たせた構造のものとなっている。尚、容器は円筒形であることが最も好ましい。又、この骨伝導スピーカでは、積層型圧電素子を駆動して音響振動発生させるための駆動信号として、音声信号源から得られる音声信号に一定の直流バイアス電圧を印加して生成されたものを用いる。

即ち、このような骨伝導スピーカでは、積層型圧電素子の長さ方向の変位を拡大する変位拡大機構を弾性体による貫通穴を有する円筒形の容器の貫通穴内に実装すると共に、実装状態で骨伝導音以外の気導音についても聴取可能であるように積層型圧電素子と貫通穴との間に隙間を持たせた基本構造を持ち、音声信号源からの音声信号に一定の直流バイアス電圧を印加して生成した駆動信号を用いて積層型圧電素子を駆動するようにしているため、積層型圧電素子における体積を増大させたり、振動発生力を低減させること無しに振動発生力の周波数特性を制御可能となり、これによって小型で軽量にして省電力化を図ることができ、しかも骨伝導音以外の気導音も良好に聴取可能な装着性に優れた構造となる。

図１は、本発明の実施例１に係る骨伝導スピーカの基本構成を一部透視して示した外観斜視図である。

この骨伝導スピーカは、音響振動発生用圧電素子としての積層型圧電アクチュエータ（積層型圧電素子）１をその長さ方向の変位を拡大するための籠状の変位拡大機構（弾性を有する外郭棒部２及び根部３から成る）を介して円筒形の容器であるゴムチューブ４の貫通穴５内に実装して成ると共に、実装状態で骨伝導音以外の気導音についても聴取可能であるように積層型圧電アクチュエータ１と貫通穴５との間に隙間を持たせた構造として外耳道に挿入して使用する形態となっている。

図２は、この骨伝導スピーカに備えられる変位拡大機構の動作原理を示した模式図である。図２では、主に変位拡大機構の外郭弾性棒部２における矢印で示される縦方向の変位が別の矢印で示されるほぼ中央部分での横方向の座屈変形となって直交する方向に拡大される様子を示している。係る構造では積層型圧電アクチュエータ１の長手方向の伸縮を１０倍に拡大できるようになっている。

以下は、この骨伝導スピーカを製造する場合の工程を具体的に説明する。尚、ここで音響振動発生用圧電素子として用いる積層型圧電アクチュエータ１は、ＮＥＣトーキン製の仕様名：ＡＥ０２０３Ｄ１６と呼ばれる外形寸法が縦（長さ）２０ｍｍ×横４．５ｍｍ×厚さ３．５ｍｍのものである。

この積層型圧電アクチュエータ１は、ＮＥＣトーキン製の仕様名：Ｎ１０と呼ばれる圧電セラミックス材を用いて構成されており、具体的にはそのグリーンシート（圧電セラミックスの粉末に有機バインダを混入して成膜されたシート）に銀−パラジュームの内部電極を印刷したものを約１５０層重ねて加圧成形した後、上述した一定のサイズに切断したものに含有される有機バインダ類を熱処理により除去してから大気中で１０００℃近辺の温度条件下で焼成し、一層おきに絶縁処理層を形成すると共に、側面の引き出し電極を形成し、更に一層毎に電圧を印加できる構造にした上、リード線を半田付けした後に表面に対して耐湿防止や機械的な強度を得るために絶縁物による被覆塗装を行って作製されたものである。因みに、この積層型圧電アクチュエータ１に係る仕様（積層型圧電素子の仕様）は、直流電圧１００Ｖで約１２μの変位が得られるものである。

次に、上述した積層型圧電アクチュエータ１を用いて、図１に示すような弾性を有する外郭棒部２及び根部３から成る籠型の変位拡大機構と組み合わせた。この変位拡大機構において、積層型圧電アクチュエータ１の長さ方向の変位は、周囲に平行な複数の弾性棒より成る外郭棒部２に対して座屈変形を起こし、各弾性棒の中央部が側面方向に膨れるように変位するが、積層型圧電アクチュエータ１の変位に対して数倍の変位になる（但し、ここでは上述した通りに積層型圧電アクチュエータ１の長手方向の伸縮を１０倍に拡大できるように設計されているものとする）ために音響振動発生の出力が効果的に得られる。尚、この変位拡大機構における弾性材料には、リン青銅を用いるものとするが、一定の弾性を有する材料であれば、その他の金属材料や有機物材料を用いることも可能である。

更に、籠状の変位拡大機構について、その外周部に対して外耳道に挿入したときに痛みを感じないように例えば弾性体の一例として、円筒状の容器である厚み０．５ｍｍのゴムチューブ４を被せた。ゴムチューブ４を被せた状態での外形口径の寸法は最大９ｍｍとなっている。

このようにして、図１に示したような骨伝導スピーカ、即ち、ゴムチューブ４の端面から見ると籠状の変位拡大機構の中心部に積層型圧電アクチュエータ１が配置されていると共に、その間には隙間があって気導音がこの部分を通過できる構造のものを作製した。

図３は、この骨伝導スピーカの使用時における駆動状態に係る要部を拡大して示した模式図である。

ここでは、骨伝導スピーカの使用形態として、外耳道に差し込むことによりゴムチューブ４の外壁が外耳道内壁６に当接して外耳道内壁６を押圧した状態となる上、積層型圧電アクチュエータ１を駆動して音響振動発生させるための駆動信号として、マイクロフォン回路や一般のオーディオ機器等の音声信号源８から得られる音声信号にアンプ回路７で一定の直流バイアス電圧を印加して生成されたものを用いることを示している。

即ち、アンプ回路７は、積層型圧電アクチュエータ１を駆動する駆動信号を生成するため、音声信号源８から得られる音声信号の昇圧とバイアス電圧の印加とを担う。具体的に言えば、音声信号には直流（ＤＣ）バイアス２３０Ｖが印加されることにより、生成される駆動信号については、音声信号の波高値からバイアス電圧を差し引いた値で分極と逆方向に印加されて逆方向には実質上弱い電界が印加されることになるため、分極劣化の無い構成となっている。

このような実施例１に係る骨伝導スピーカの場合、骨伝導音における音声は、音声信号６Ｖｒｍｓ辺りから明瞭に聞き取れるようになり、２０Ｖｒｍｓ辺りで聴感として８０ｄＢの音圧レベルに匹敵するレベルに達したこと、更に、外耳道が外部に対して隙間を介して外部空間に繋がる構造であることにより、外部からの気導音の聴取には問題ないことも確認できた。

本発明の骨伝導スピーカに係る技術的要旨、即ち、基本構造として、積層型圧電素子の長さ方向の変位を拡大する変位拡大機構を持たせること、並びに積層型圧電素子を駆動するための駆動信号として、音声信号源からの音声信号に一定の直流バイアス電圧を印加して生成したものを用いることを応用すれば、積層型圧電素子材料である圧電バイモルフにおける体積を増大させたり、或いは振動発生力を低減させること無しに振動発生力の周波数特性を制御可能となるため、圧電バイモルフの振動駆動源とするその他の音響システムへの適用、並びにその性能改善に極めて有用となる。

本発明の実施例１に係る骨伝導スピーカの基本構成を一部透視して示した外観斜視図である。 図１に示す骨伝導スピーカに備えられる変位拡大機構の動作原理を示した模式図である。 図１に示す骨伝導スピーカの使用時における駆動状態に係る要部を拡大して示した模式図である。

符号の説明

１ 積層型圧電アクチュエータ
２ 外郭棒部
３ 根部
４ ゴムチューブ
５ 貫通穴
６ 外耳道内壁
７ アンプ回路
８ 音声信号源

Claims (3)

1. 音響振動発生用圧電素子としての積層型圧電素子と、前記積層型圧電素子における長さ方向の変位を拡大するための変位拡大機構と、前記変位拡大機構を介して前記積層型圧電素子を実装するための弾性体とを備え、更に、前記積層型圧電素子及び前記変位拡大機構を実装した前記弾性体を外耳道へ挿入する形態で使用に供され、
   前記弾性体は、貫通穴を有する容器であって、該貫通穴内に前記変位拡大機構を介して前記積層型圧電素子を実装可能であると共に、実装状態で骨伝導音以外の気導音についても聴取可能であるように該積層型圧電素子と該貫通穴との間に隙間を持たせた構造であることを特徴とする骨伝導スピーカ。
2. 請求項１記載の骨伝導スピーカにおいて、前記容器は、円筒形であることを特徴とする骨伝導スピーカ。
3. 請求項１〜２の何れか一つに記載の骨伝導スピーカにおいて、前記積層型圧電素子を駆動して音響振動発生させるための駆動信号は、音声信号源から得られる音声信号に一定の直流バイアス電圧を印加して生成されたものであることを特徴とする骨伝導スピーカ。

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