JP4594190B2 - 骨伝導スピーカ - Google Patents

Description

本発明は骨伝導スピーカに関し、特に空気中への音漏れの低減に適した骨伝導スピーカに関する。

骨伝導スピーカは人体頭部の要所にこれを当て、骨伝導でもって聴覚組織に音振動を伝達し音を聞くための変換器であり、外耳、および内耳部分の聴力障害で音声が聞き取り難い問題を解消するのに有効である。また主に空気以外のものの振動を仲介とするため、同じ空間で別の音情報を混在させることなく個別に聞ける点が、空気伝達すなわち気導を利用するスピーカに比べての利点である。これらの利点を生かし個別情報手段の発展に伴い、同じく個別の聴取手段であるイヤホンとは異なった使い勝手で用途が広がりつつある。

しかし、質量の大きな人体組織を加振するために、振動の力は気導のスピーカの場合に比べて大きくなければならない。その上、その振動の駆動体は空気にも触れており、通常のスピーカのレベルと比べて低いとは言っても空気振動を発生して、近くでは気導を通して他の人にも聞こえるレベルの音、所謂音漏れが発生する。たとえば特許文献１に開示された例はこのような空気中への音波の伝達を積極的に利用して十分な音量を確保した骨伝導スピーカである。

特開２００４−２７４５９３号公報

本発明が解決しようとする点は前述の音漏れである。一般に骨伝導スピーカにおける音漏れの音圧は低いので周囲に騒音として迷惑になるレベルではない。しかし、特に音情報の秘密を保ちたい場合、このレベルの音漏れも不都合となり、大幅な低減が必要である。そこで、この音漏れを簡単な構造で大幅に低減することが肝要である。

すなわち、本発明の課題は簡素な構造ながら空気中への音漏れの少ない骨伝導スピーカを提供することにある。

本発明は、骨伝導に必要な振動力を確保して、かつ音漏れを低減するために、以下の手段を用いた。それは、バイモルフ型圧電セラミックの駆動体を使用し、これを高剛性高質量の箱体内に支持し、振動を人体に伝えるパッド部のみを適正な大きさで箱体より露出させる。また、振動を出力するパッド部との接合部である駆動体の中央部の振幅とパワーを大きくするために、駆動体であるバイモルフ型圧電セラミックの両端に錘となる部材を接合した。更に、駆動体、錘部材、パッド部を含み構成された振動素子の振動を出来る限り箱体に伝達しないように、その振動の節近傍で粘弾性体にてこれを支持するようにした。このようにすることにより構造の簡素な音漏れの少ない骨伝導スピーカを提供する。

すなわち、本発明の骨伝導スピーカは、１つの開口部が設けられた高剛性の箱体内に支持部を介して振動素子を配設してなり、前記振動素子の駆動源となる駆動体が面振動型の平板体であり、前記振動素子の周りの前記箱体内の主たる空間を分断すること無く１つとし、前記開口部に合わせて前記振動素子の振動を出力する振動出力部を前記箱体の外面に露出させ、前記開口部またはその近傍以外では前記駆動体への交流電圧印加により前記振動素子全体が長手方向に湾曲振動するときの振動の節となる位置近傍に弾性部材または粘弾性部材により前記支持部を設け、該振動の振幅が最大となる位置近傍に前記振動出力部を設けた
ことを特徴とする。

前記駆動体の長手方向両端に錘部材を接合し、湾曲振動の節が前記振動素子の長手方向の両端に近くなるようにし、前記振動出力部となる前記振動素子の中央部の振幅がより大きくなるようにするとよい。

前記駆動体はバイモルフ型圧電セラミックからなるとよい。

前記駆動体は短冊形のバイモルフ型圧電セラミックを並置してなるとよい。

前記振動出力部の人体頭部への接触面は、人体頭部への押圧により前記振動素子の支持部材が弾性変形し、前記箱体の内部方向に後退した位置での前記接触面と、前記箱体の開口部の外周部平面とが、略同一面になるように形成されるとよい。

また本発明の骨伝導スピーカは、開口を有する箱体内に支持部を介して振動素子を配設してなる骨伝導スピーカにおいて、前記振動素子の駆動源となる駆動体は面振動型の平板体であり、該駆動体への交流電圧印加により前記振動素子全体が長手方向に湾曲振動するときの振動の節となる位置近傍に弾性部材または粘弾性部材により前記支持部を設け、該振動の振幅が最大となる位置近傍に振動を出力する部分を設けたことを特徴とする。

以上のように、本発明によれば、簡素な構造で音漏れを大幅に低減できる骨伝導スピーカを提供することができる。

次に図面に基づいて本発明の一実施の形態での骨伝導スピーカについて説明する。

図１から図８は本発明の一実施の形態での骨伝導スピーカを示したもので、図１と図２は本実施の形態での振動素子の主要構造を示し、図１は斜視図、図２（ａ）は正面図、図２（ｂ）は右側面図である。

また図３と図４は振動素子１０の外観を示し、図３は斜視図、図４（ａ）は正面図、図４（ｂ）は右側面図であり、図１と図２の状態の主要構成部材が接合されたものを成形型にはめてウレタンゴム等の絶縁弾性材質で空間を固めたものである。

図５と図６は振動素子を支持する粘弾性部材の取り付け位置を示し、図５は斜視図、図６（ａ）は正面図、図６（ｂ）は右側面図である。

そして、図７は完成品の外観を示す斜視図、図８は完成品の中央部縦断面である。これらの図により本発明の一実施の形態を以下に説明する。

先ず構造と機能を説明する。図１と図２において、３枚のバイモルフ型圧電セラミックの駆動体１ａ、１ｂ、１ｃ、の長手方向の両端は、絶縁と保護を兼用する絶縁シートを介して、錘部材３ａ、３ｂに接着結合されている。駆動体１ａ、１ｂ、１ｃの中央には軽量で剛性の高いプラスチック材からなる出力パッドコア２が接着接合されている。また図２（ｂ）のように、出力パッドコア２の駆動体１ａ、１ｂ、１ｃの３枚との接合部は帯状に絞られていて中央近傍のみで接合されている。それによって接合自身が出来る限り湾曲変形の負荷にならないように形成されている。駆動体の一端からは電圧付加用の入力配線４ａ、４ｂが各駆動体の電極に分岐された形で配線されている。なお、入力配線４は入力配線４ａおよび４ｂを総称する。錘部材３ａと３ｂは比重の重い金属材料が適していて、駆動体１ａ、１ｂ、１ｃが交流電圧印加により湾曲変形振動する時の、振動の節となる位置をその両端側に寄せる役目を成している。錘の質量が大きければ大きいほど振動時の節は錘の重心寄りになる。そして振動の節が両端に寄るほど駆動体の中央部での振幅は大きくなるので、出力パッドコアの振動振幅も大きくなる。

以上の構成内容で主要部材が接合形成された振動素子１０の中身を型枠に入れて、空間を液状のウレタンゴムなどで満たして固めた振動素子１０の完成外観が図３と図４である。ウレタンゴム部１０ｃ（図８参照）はエラストマーなどの他の弾性絶縁材をインジェクションモールディングで形成してもよい。図３、図４のようにウレタンゴムなどの弾性絶縁材でカバーし全体を接着状態で固めることにより、振動時のノイズとなる部材相互の衝突によるビビリ音の発生を防ぐ効果と、駆動体１ａ、１ｂ、１ｃであるバイモルフ型圧電セラミックの湿気や酸化による劣化を防止している。ウレタンゴムなどの弾性絶縁材による剛性は駆動体の湾曲変形する力に対して十分小さくする必要があるが、バイモルフ型圧電セラミックの駆動体の湾曲変形力はその変形量に対して大きいため、弾性絶縁材が６０度から８０度程度の硬度のものでも、その湾曲変形量を目立つほどは減じない。振動素子１０の出力パッド部１０ａは出力パッドコア２を弾性絶縁材の薄皮で覆った円筒形部分で、その端面であるパッド面１０ｂは人体に振動を伝える直接の接触面となる。出力パッドコア２は弾性絶縁材で覆うことなくその面をむき出しになるように構成して、直接人体と接触させるようにしても良い。

図５と図６は振動素子１０を箱体のケース１３（図７，図８参照）内で支持する粘弾性部材１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂを取り付ける位置と状態をケースなしで示したものである。粘弾性部材１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂはそれぞれ錘部材３ａ、３ｂの角突起部１５（図３参照）と角穴１６で嵌合し位置規制され、またその外形をケース１３とケース蓋１４に設けられたリブ１７（図８参照）により位置決めされて、振動素子１０のケース内での位置を規制している。粘弾性部材１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂは振動素子１０の振動時の節近傍に配置され、振動素子１０の振動が支持の箱体であるケース１３とケース蓋１４に伝わる量を最小にするようにしていると共に、その粘弾性特性でもって、伝達される振動を減衰する役目も成している。更にパッド面１０ｂの人体への押圧時に発生する反力に対してバネの役目も成し、パッド面１０ｂの人体への押圧力を、その厚みと支持面積と弾性係数の選択で適切に確保することが出来る。そのような粘弾性部材あるいは弾性部材の具体的な材料としては、一般的な加硫ゴムでも良いが、これらよりも硬度が半分以下の変形時の損失係数が大きい超軟質ゴム、あるいはエラストマーなどが、より振動の遮断、減衰に効果的である。

図７は本実施の形態での骨伝導スピーカの完成外観を示し、図８はその中央縦断面を示したものである。なお、駆動体１は図１に示した駆動体１ａ、１ｂ、１ｃを総称している。ケース１３の中央には出力パッド部１０ａを露出させる穴（開口部）が設けられていて、穴の外周はリング状に突出していて、そのリング面１３ａは、使用時、適正な押圧力でパッド面１０ｂが後退した時の位置と略同一面になるように成されている。すなわち、人体頭部への押圧時の出力パッド部１０ａの後退量を規制しているともいえる。更に人体押圧時にはリング面１３ａも人体に密着するようになる。振動素子１０の表裏の箱体内空間は振動素子１０の幅の狭い方の側面空間でつながっているようにした上で、ケース１３とケース蓋１４は隙間無く接合され、入力配線４ａ、４ｂを外に引き出す穴の隙間も塞ぐことにより、ケース１３とケース蓋１４で成す箱体の内部空間と外部とのつながり部分は、出力パッド部１０ａ周囲にできるケース１３の穴（開口部）と出力パッド部外周とのリング状の隙間だけになる。このため使用時に人体に出力パッド部を当てると必然的に振動素子１０を囲む空間は、ケース１３とケース蓋１４と人体によって密閉される形になる。ケース１３とケース蓋１４は平均厚み１．５ｍｍの金属材で形成し、その剛性と密封性で内部に発生する音波を半ば封じ込め、振動素子１０の表裏両面で発生する音波を箱体内で打ち消す役目と、ケースが受けた振動力でケースが振動する振幅をその重量（質量）で減じ、ケースが振動することにより発生する音波、すなわち音漏れを減ずる役目を成す。

次に使用時の動作を説明する。バイモルフ型圧電セラミックである駆動体１ａ、１ｂ、１ｃに音声信号の電圧が掛けられると、その電圧波形に応じた湾曲変形を起こし、駆動体を含む振動素子１０は音声電圧波形に応じた湾曲振動をする。振動の節は錘部材３ａ、３ｂの質量効果でそれが無い場合より長手方向の両端寄りになり、中央部の振幅は増大する。振動素子１０は節部で支持されているため、これの支持体である粘弾性部材１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂに加わる振動は最小化する。また粘弾性部材の振動減衰効果で更に低下するので、ケース１３とケース蓋１４の受ける振動は更に小さなものになる。こうして減衰されて残った振動も振動体の数倍以上の質量を持つ箱体の質量効果でその振動は更に小さくなり、ほとんど音漏れとして聞こえないレベルの音圧しか発生しなくなる。

一方、振動素子１０の振動で発生したケース内の音波は振動素子１０の表裏で発生し、その位相が１８０度異なる音波同士であるため、ほとんどは打ち消し合い、より小さなレベルになった上で、出力パッド部１０ａ周辺のリング状の隙間より漏れ出ようとする。しかし使用時はケース１３のリング面１３ａも含めて人体に密着しているので、漏れ出ようとする音波は人体で遮られて、パッド面１０ｂの骨伝導スピーカとしての本来の振動との合力で人体を振動する力となる。このとき人体に伝わった振動が空気を振動させて、これが漏れ音になるレベルは僅かにではあるが存在する。しかし音量は十分小さく、音声の場合、内容が判別できるレベルではないので実用上問題はない。また人体に押圧していない時には音声内容が聞き取れるレベルの音漏れはあるが、これは、押圧の有無を検知する手段を設けて電圧印加を制御すれば、音そのものがなくなるので音漏れも無くなる。骨伝導スピーカの機能としては、押圧時以外はスピーカとして動作していなくても、なんら不都合は無い。

振動素子１０の振動による音漏れのルートはもうひとつある。それはケースが内部の音波圧力で変形して、この変形でケースが外部の空気を振動させ音になるルートである。通常の量産時の材料として用いられるプラスチックや、薄いアルミニューム板で作ったケースである場合、２ｍｍ厚のプラスチック板で補強のリブも十分に設けたとしても、試作実験結果では音漏れは明らかに認識できる音量であり、対策としては不十分な状態である。しかし、本案のように１．５ｍｍ厚の真鍮板でケースを形成すると、その剛性と質量効果で、認識できる音漏れは発生しないレベルにすることが出来ている。このような高剛性と高質量により、本実施の形態での箱態は、箱そのものの振動を抑制する手段を有する。

十分な音量を確保するためには印加電圧の増大で振幅を増加させることも必要であるが、人体に伝達する振動の力が骨伝導で聞こえる音量とリンクする。従ってパッド面の面積は振幅が不変の場合は、人体と接触する振動伝達面積に比例して振動の力の総和は大きくなり音量は増加するのでパッド面１０ｂの面積は大きいほうが良い。一方、骨伝導スピーカを当てる部分として良いと言われている耳前方の頬部分にこれを当てて、出力パッド部１０ａ周辺の隙間も、ケース１３のリング面１３ａも人体に密着させて音漏れを最小化するためにはパッド面の広さには限度がある。従って両者を勘案してパッド面のサイズを設定する必要がある。実験の結果１ｃｍ²から４ｃｍ²の範囲が実用の範囲である。

以上の説明は音漏れを低減する最も効果的な構造の一実施の形態であるが、いくつかの改善手段を単独で適用しても従来比で音漏れを低減できる。そのひとつは、振動素子１０を箱体で密封することなく、振動素子１０の両面を外気に開放する形で、振動の節となる部分を、弾性部材を介してケースや枠体に支持しても、単にケースや枠体に全面あるいは振動の節部分以外も含めて粘弾性材で支持するよりは音漏れが低減でき、かつ、人体への振動の伝達量も多くなる。

また、密閉ケース内の支持方法が粘弾性材による任意の支持でも、振動素子の表裏の主空間を分断することなく一つにして、外部へつながる唯一の空間が振動出力部（人体に接触する部材につながる部分）周辺の隙間とすることにより、振動素子が発生する周囲の音波を打ち消すことができ、単に剛性の高い密閉ケース内に振動素子を支持するよりは音漏れの低減効果がある。このように改善手段の一つを、あるいはいくつかを組み合わせて実施しても従来比で音漏れの低減が可能である。

ところで、上記の実施の形態では、バイモルフ型圧電セラミックが用いられ長手方向に湾曲振動する振動素子の場合を説明したが、駆動力はバイモルフ型圧電セラミックあるいはユニモルフ型圧電セラミックのような圧電的なものに限らず、電磁力、静電力によるものであってもよい。

本発明の一実施の形態での振動素子の主要構造を示す斜視図。 発明の一実施の形態での振動素子の主要構造を示し、図２（ａ）は正面図、図２（ｂ）は右側面図。 本発明の一実施の形態での振動素子の外観を示す斜視図。 本発明の一実施の形態での振動素子の外観を示し、図４（ａ）は正面図、図４（ｂ）は右側面図。 本発明の一実施の形態での振動素子を支持する粘弾性部材の取り付け位置を示す斜視図。 本発明の一実施の形態での振動素子を支持する粘弾性部材の取り付け位置を示し、図６（ａ）は正面図、図６（ｂ）は右側面図。 本発明の一実施の形態での骨伝導スピーカ完成品の外観を示す斜視図。 本発明の一実施の形態での骨伝導スピーカ完成品の中央部縦断面図。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ，１ｃ 駆動体
２ 出力パッドコア
３ａ，３ｂ 錘部材
４，４ａ，４ｂ 入力配線
１０ 振動素子
１０ａ 出力パッド部
１０ｂ パッド面
１０ｃ ウレタンゴム部
１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ 粘弾性部材
１３ ケース
１３ａ リング面
１４ ケース蓋
１５ 角突起部
１６ 角穴
１７ リブ

Claims (6)

1. １つの開口部が設けられた高剛性の箱体内に支持部を介して振動素子を配設してなり、前記振動素子の駆動源となる駆動体が面振動型の平板体であり、前記振動素子の周りの前記箱体内の主たる空間を分断すること無く１つとし、前記開口部に合わせて前記振動素子の振動を出力する振動出力部を前記箱体の外面に露出させ、前記開口部またはその近傍以外では前記駆動体への交流電圧印加により前記振動素子全体が長手方向に湾曲振動するときの振動の節となる位置近傍に弾性部材または粘弾性部材により前記支持部を設け、該振動の振幅が最大となる位置近傍に前記振動出力部を設けたことを特徴とする骨伝導スピーカ。
2. 前記駆動体の長手方向両端に錘部材を接合し、湾曲振動の節が前記振動素子の長手方向の両端に近くなるようにし、前記振動出力部となる前記振動素子の中央部の振幅がより大きくなるようにしたことを特徴とする請求項１記載の骨伝導スピーカ。
3. 前記駆動体はバイモルフ型圧電セラミックからなることを特徴とする請求項１または２記載の骨伝導スピーカ。
4. 前記駆動体は短冊形のバイモルフ型圧電セラミックを並置してなることを特徴とする請求項３記載の骨伝導スピーカ。
5. 前記振動出力部の人体頭部への接触面は、人体頭部への押圧により前記振動素子の支持部材が弾性変形し、前記箱体の内部方向に後退した位置での前記接触面と、前記箱体の開口部の外周部平面とが、略同一面になるように形成されたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の骨伝導スピーカ。
6. 開口を有する箱体内に支持部を介して振動素子を配設してなる骨伝導スピーカにおいて、前記振動素子の駆動源となる駆動体は面振動型の平板体であり、該駆動体への交流電圧印加により前記振動素子全体が長手方向に湾曲振動するときの振動の節となる位置近傍に弾性部材または粘弾性部材により前記支持部を設け、該振動の振幅が最大となる位置近傍に振動を出力する部分を設けたことを特徴とする骨伝導スピーカ。

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