JP4931072B2 - 音響信号発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、音声電気信号を音響振動に変換して人体頭部の一部に伝え、この振動が聴覚器官に伝わることにより音を認識させる骨伝導スピーカ用の音響信号発生装置に関し、特に圧電素子を利用した音響信号発生装置に関する。

携帯電話機や固定電話機のハンドセット、そして、ヘッドホンなどの音声や音楽のインターフェースとして、音声電気信号を音響振動に変換して人体頭部の一部に伝え、この振動が聴覚器官に伝わることによりその利用者に音を認識させる骨伝導スピーカが使用されている。

骨伝導スピーカを携帯電話機や携帯端末機器等に使用する場合には、その音響信号発生装置には、出来る限りの小型化と高出力が要求される。このため、印加される信号に対し、より大きな出力を、より簡単な構造で得られることが好ましい。通常、圧電素子を用いた音響信号発生装置としては、圧電ユニモルフ素子や圧電バイモルフ素子が主に使用されている。これらの圧電素子の場合、必要な音響振動を得るためには、それに対応した機械振動の変位量が必要であり、このためには圧電素子の形状をある程度以上大きくする必要があり、要求される音響出力を維持しての小型化には限界がある。

そこで、この目的に適ったものとして、特許文献１に略コの字型の構造が主構造体である変位拡大機構を持つ音響信号発生装置が示されている。その構造の断面図を図３に示す。印加される電気信号に対応し伸縮変位して機械振動する積層型圧電素子２と、積層型圧電素子２の上記変位を拡大する拡大機構部から構成され、その拡大機構部の主構造体である拡大レバー１を有し、上記拡大機構部により拡大された変位による機械振動は拡大レバー１の一部である拡大レバー出力部１ｂ上に設置され機械振動を外部に伝達するための出力面を有する出力パッド６から出力される。

拡大レバー１は拡大レバー弾性部１ｃと拡大レバー弾性部１ｃの両側にそれぞれ拡大レバー弾性部１ｃとほぼ直交する方向に折り曲げられて一体として形成された拡大レバー基底部１ａおよび拡大レバー出力部１ｂとからなる略コ字型の形状となっており、量産に適した鋼板のプレス成形加工にて作られている。

この拡大変位機構は、コ字型の対向する上下辺間すなわち上辺である拡大レバー出力部１ｂと下辺である拡大レバー基底部１ａの間に積層型圧電素子２を配して、この積層型圧電素子２の積層方向の伸縮変位でコの字の開放端側、即ち拡大レバー出力部１ｂと拡大レバー基底部１ａが拡大レバー弾性部１ｃと弾性的に結合されている側と反対側の先端部が互いに開くように変位し、この先端側の相対的な変位が積層型圧電素子２の変位より大きくなるようにしたものである。

拡大レバー出力部１ｂと拡大レバー基底部１ａは、これを繋ぐ拡大レバー弾性部１ｃに比べて大きな剛性を持たせ、且つ、拡大レバー基底部１ａには比重の大きな金属材料の成形品である錘３が固定ネジ４で強固に取り付けられている。一方、拡大レバー出力部１ｂの上面にはプラスチック成形品の出力パッド６が接着結合され出力部が構成されている。従って、拡大レバー出力部１ｂと出力パッド６より成る出力部よりも、拡大レバー基底部１ａと錘３よりなるベース部は大きな質量を持っている。

積層型圧電素子２が変位した時には、拡大レバー弾性部１ｃはベース部と出力部が互いに回動変位するときのヒンジの役目と戻り力を発生する弾性変形部となる。この回動変位において、質量の大きさの違いから出力部の回動変位が、ベース部の回動変位より大きくなる設計である。この出力部の上面即ち出力パッド６の上面部は、人体に接触し、拡大した変位を伝える役割を有している。

音響信号が積層型圧電素子２に印加された場合、この変位拡大機構は音響信号に対応した積層型圧電素子２の機械振動の変位を拡大し、その出力部である拡大レバー出力部１ｂを介し出力パッド６から利用者の人体、頭部へ拡大された機械振動を伝達する。

特開２００７−７４６６３号公報

上記した従来の略コ字型構造の変位拡大機構を持つ音響信号発生装置において、その装置全体の出力面方向の長さ（図３における高さ）は、図３に示す積層型圧電素子２と予圧ネジ５の長さ、拡大レバー出力部１ｂと出力パッド６の厚さを合計した値であり、積層型圧電素子２自体の長さが大きな割合を占めている。この音響信号発生装置をさらに小型化するため、高さをより小さくしようとする場合、積層型圧電素子２の長さを小さくする必要が有り、その場合、得られる変位出力が低下し、印加される信号に対しより大きな出力をより簡単な構造で得るという目的が達成できなくなる。

そこで、本発明の課題は、出力部の機械振動を外部に伝達するための出力面の方向の装置全体の長さを小さくしてもその出力が低下しない変位拡大機構を有する音響信号発生装置を提供することにある。

上記課題を達成するため、本発明の音響信号発生装置は、印加される電気信号に対応し伸縮変位して機械振動する積層型圧電素子と、前記積層型圧電素子の上記変位を拡大する拡大機構部と、前記拡大機構部により拡大された変位による機械振動を外部に伝達するための出力面を有する出力部とからなり、前記出力面の向きが前記積層型圧電素子の伸縮変位方向に対しほぼ直交する音響振動発生装置であって、前記拡大機構部は、略コ字型で、前記積層型圧電素子の伸縮変位方向に対しほぼ直交する拡大レバー駆動部と、前記出力部と対向するように前記拡大レバー駆動部に直交する方向に折り曲げられて形成された拡大レバー基底部と、前記拡大レバー駆動部の両側面に立ち曲げて形成されたリブと、前記出力部と対向するように前記リブから立ち曲げて形成された拡大レバー出力部とが一体に形成され、前記拡大レバー基底部に固定されるとともに、前記積層型圧電素子が配置される突起部を有する錘を備え、前記錘の突起部および前記積層型圧電素子を覆うように前記拡大機構部が装着されたことを特徴とする。

また、前記拡大レバー駆動部の長さ方向の全体の長さが前記拡大レバー基底部の長さ方向の全体の長さより小さいことが望ましい。

また、前記錘に前記積層型圧電素子の一端を予圧ネジにより固定し、前記拡大レバー基底部に固定ネジにより固定してなる固定部を有し、前記拡大レバー駆動部と前記拡大レバー基底部との間の折り曲げ部を回動中心として前記変位の拡大が行われるように構成し、前記固定部の重心が、前記拡大レバー基底部の長さ方向の全体の長さの中点に対し前記折り曲げ部とは反対の側にあることが望ましい。

従来の音響信号発生装置は、略コ字型の構造の対向する上下辺間に積層型圧電素子を配置し、積層型圧電素子２の機械振動の変位方向と拡大された機械振動を外部に伝達するための出力面の向きを同じとしていたが、本発明では積層型圧電素子を従来の構造に比べて９０度回転して配置し、略コ字型構造の上辺である拡大レバー出力部１ｂではなく拡大レバー弾性部１ｃに機械振動による変位を伝えて、積層型圧電素子２の機械振動の変位方向と拡大された機械振動を外部に伝達するための出力面の向きをほぼ直交させる構造とすることにより、出力部での変位の大きさを確保しつつ、装置全体の高さを低減できる構成を実現するものである。

以上の構成により、本発明により、出力部の機械振動を外部に伝達するための出力面の方向の装置全体の長さを小さくしてもその出力が低下しない変位拡大機構を有する音響信号発生装置が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１および図２は本発明による音響信号発生装置の一実施の形態を示す図であり、図１は本実施の形態の音響信号発生装置を部品に展開した斜視図、図２は本実施の形態の音響信号発生装置をその中央部で切った場合の断面図を示す。

図１において、本実施の形態の音響信号発生装置は、印加される電気信号に対応し伸縮変位して機械振動する積層型圧電素子２と、積層型圧電素子２の上記変位を拡大する拡大機構部と、その拡大機構部により拡大された変位による機械振動を出力する出力部とからなっている。また、出力部における機械振動を外部に伝達するための出力面の向きは積層型圧電素子２の伸縮変位方向に対しほぼ直交している。

また、その拡大機構部は、拡大レバー駆動部１２と拡大レバー駆動部１２の両側にそれぞれ拡大レバー駆動部１２とほぼ直交する方向に折り曲げられて一体として形成された拡大レバー基底部１１および拡大レバー出力部１３とからなる略コ字型の拡大レバー１０により構成され、積層型圧電素子２の一端より拡大レバー駆動部１２に機械振動が伝えられる。

また、積層型圧電素子２の一端を予圧ネジ５０により固定した錘３０を拡大レバー基底部１１に固定ネジ４０により固定してなる固定部を有し、拡大レバー駆動部１２と拡大レバー基底部１１との間の折り曲げ部１５を回動中心として前記変位の拡大が行われるように構成され、前記固定部の重心が、拡大レバー基底部１１の長さ方向の全体の長さの中点に対し折り曲げ部１５とは反対の側にあるように構成されている。出力部は拡大レバー出力部１３とそこに固定され機械振動を外部に伝達するための出力面を有する出力パッド６０から構成されている。

ここで、本実施の形態の音響信号発生装置の最も基本となる積層型圧電素子２は、数十から数百マイクロメータ程度の厚さのシート状圧電材料と電極材料を交互に積層してプラス電極とマイナス電極をそれぞれ接続し形成された圧電素子であり、その特徴は積層方向に対する伸縮変位が積層された層数の分だけ拡大されて大きくなることである。

拡大レバー１０は金属の板材をプレス加工することにより形成され、拡大レバー基底部１１、拡大レバー駆動部１２、拡大レバー出力部１３からなる略コの字の形状を成している。ここで、拡大レバー駆動部１２の両側面にはその剛性を向上させるため立ち曲げ加工によりリブ１４が一体として形成され、リブ１４の上面に拡大レバー出力部１３が同様に曲げ加工によりそれぞれ２箇所形成されている。このようにして形成された４個の拡大レバー出力部１３の上に出力パッド６０が固定される。また、上記の２個のリブ１４は、積層型圧電素子２をその周囲から覆い機械的に保護する機能も有している。なお、上記したリブ１４の上面に拡大レバー出力部１３を分離して２箇所形成したが、一体としてまとめて１個としても性能に大きな差は生じない。

拡大レバー駆動部１２は、拡大レバー基底部１１に支持される構造であり、拡大レバー駆動部１２と拡大レバー基底部１１との間は、プレス加工により９０度に折れ曲がった構造を採っている。この折り曲げ部１５は、定常的に積層型圧電素子２に与圧を掛ける弾性部材として機能し、また、積層型圧電素子２の動作時、拡大レバー駆動部１２の回動中心となる重要な部分である。

錘３０の拡大レバー基底部１１上に張り出した突起部３１に沿うように積層型圧電素子２を配置し、この錘３０の突起部３１および積層型圧電素子２を覆うように、拡大レバー１０を装着し、その拡大レバー基底部１１にあけた穴を介し、錘３０の突起部３１のネジ穴３２に、固定ネジ４０を挿入し、ネジ締めにより錘３０と拡大レバー１０を所定位置に固定する。また、拡大レバー駆動部１２の内面と錘３０の受け面３３との間にその両面に垂直な方向を変位方向とする積層型圧電素子２が配置され、その１端は拡大レバー駆動部１２に当接し、他の１端は錘３０の受け面３３、および受け面３３に設けられたネジ穴３４に保持された予圧ネジ５０の端面と当接する。

積層型圧電素子２は、組立工程で、錘３０のネジ穴３４から所要部に接着剤が注入されて、予圧ネジ５０の締め込みによる所定予圧の付与作業後に、加熱処理等により注入された接着剤が硬化し、固定される。また、積層型圧電素子２の電気信号入力線は錘３０の突起部３１の基部にある２個の穴３５を通り、外部の駆動回路に結線される。

一般的に、音響信号発生装置においては、出力部以外の部分で余分な振動(音)を出さないことが望ましいため、振動を発生させたくない固定部と振動を発生し出力する可動部の質量比率が重要な指標となる。すなわち、拡大レバー基底部１１と錘３０と固定ネジ４０と予圧ネジ５０から構成する固定部と、拡大レバー駆動部１２と拡大レバー出力部１３および出力パッド６０から構成する可動部において、この固定部と可動部の質量の比率が大きい方が望ましく、本実施の形態においてはその比率が理想的には５：１以上になるように質量の設計がなされている。

従来の音響信号発生装置では図３のように略コ字型の変位拡大構造の拡大レバー１の対向する上下辺間に積層型圧電素子を配置していたためその高さは、積層型圧電素子２の変位方向の長さにより低背化が制限されていた。本実施の形態の構造では積層型圧電素子２の変位方向は従来と比べ９０度異なるため、音響信号発生装置の高さは、図２に示すように拡大レバー基底部１１の厚さ、錘３０の突起部３１の厚さ、積層型圧電素子２の変位方向に直角な方向の長さ、拡大レバー出力部１３の厚さ、および出力パッド６０の厚さとそれぞれの間の隙間からなり、従来の高さに比べ十分低減している。また、同じ積層型圧電素子を使っているので、拡大機構の拡大率を同じにすれば、その出力強度を同じにできる。

出力パッド６０は、使用時に利用者の頭部の皮膚に接触させて振動を伝えるものであり、熱伝導率が低く、比重が小さく、かつ、剛性が比較的高く、肌触りの良い材料が求められる。本実施の形態では、例えばＡＢＳ樹脂などを使い形成している。

次に本実施の形態の音響信号発生装置の動作を説明する。外部の電気信号源から電気信号入力線を介し、積層型圧電素子２に音響信号に対応した交流電圧を印加することにより、積層型圧電素子２は、印加された信号に対応してその積層方向に伸縮変位をする。この積層型圧電素子２の変位に従って、拡大レバー１０の拡大レバー駆動部１２と錘３０の受け面３３が押される。このとき折り曲げ部１５の曲げ剛性に対し錘３０と拡大レバー基底部１１などで構成する固定部の剛性がはるかに大きい設計のため、積層型圧電素子２の変位は折り曲げ部１５を曲げ、拡大レバー駆動部１２を変位させ、さらに、その変位は、拡大レバー１０のリブ１４の先端の拡大レバー出力部１３およびその上に形成された出力パッド６０を変位させる。この変位は積層型圧電素子２の伸張・圧縮にそれぞれ対応した変位である。上記折り曲げ部１５を回動中心とするテコを利用した本実施の形態の構造は、積層型圧電素子２の伸縮の量に対し、出力パッド６０の中央部から先端での変位は３から５倍程度に拡大し、十分な音量を得られる変位拡大機構を構成するものである。

上述のように、本構造では、固定部の剛性が、折り曲げ部１５の曲げ剛性に対し十分大きいため、積層型圧電素子２の伸縮力が、折り曲げ部１５の曲げを引き起こし、安定な動作が得られる。すなわち、拡大レバー１０においては、折り曲げ部１５を回動中心として、積層型圧電素子２の伸縮の変位に対応した回動変位をその先端である拡大レバー出力部１３および出力パッド６０に出力している。このとき、この動きを支えるリブ１４および拡大レバー出力部１３は、小さい質量と、高い剛性を要求される。

また動作時、拡大レバー駆動部１２と拡大レバー出力部１３および出力パッド６０からなる可動部と、拡大レバー基底部１１と錘３０から構成される固定部は、回動中心となる折り曲げ部１５を中心に、その先端側が開閉する方向の回動変位をする。このとき可動部の質量よりも、固定部の質量が十分に大きいので、主に可動部が変位することになる。すなわち固定部と可動部はそれらの質量の比率に反比例した変位量となる。さらに厳密にいうと可動部と固定部は、回動中心となる折り曲げ部１５を中心とする可動部の慣性モーメントと固定部の慣性モーメントの比に反比例した比率で変位する。このため、固定部の動きを抑えるには、回動中心である折り曲り部１５から離れた位置に固定部の重心を配置すること、また、可動部に関しては出来るだけ折り曲げ部１５にその重心を近づける設計を行うことがより効果的である。

本構成では、回動中心の折り曲げ部１５に対し、固定部の錘３０は最も離れた位置に配置され、また、予圧ネジ５０が錘３０の端に装着されることから錘３０の最も質量がある部分、すなわち予圧ネジ５０が形成されている部分が回動中心から離れた位置に配置されている。したがって、固定部の重心は、拡大レバー基底部１１の長さ方向の全体の長さの中点に対し折り曲げ部１５とは反対の側にある。

一方、可動部は、リブ１４の先端を細くし可動部の重心をより折り曲げ部１５に近づける設計であり、また、拡大レバー出力部１３と出力パッド６０の質量を固定部に対し十分小さくなるよう設計してあるので、固定部の変位を抑える上で、その質量の比率の効果だけでなく慣性モーメントの比率による効果も期待できる構造である。

以上のように、本発明の音響信号発生装置は、携帯電話機やヘッドホンなどのケース内に配置され利用される場合、ケースに支持される側の固定部は、振動が少ないので、ケースに伝わる振動も少なく、セットの音漏れやエコーの主な原因となるケースへの振動伝達量を大幅に低減できる。固定部の質量が大きいほど音漏れやエコーが低減できるが、実際には部品としての重さ、大きさも考慮され設定される。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではないことは言うまでもなく、目的や用途、必要とされる性能や形態に応じて、部材の材質、形状の選択など任意に設計変更可能である。例えば、拡大レバーは一体で形成されていなくてもよく、その形状はコ字型以外でも本発明の効果が得られる。

本発明による音響信号発生装置の一実施の形態を示す図であり、その音響信号発生装置を部品に展開した斜視図。 本実施の形態の音響信号発生装置をその中央部で切った場合の断面図。 従来の変位拡大機構を持つ音響信号発生装置の構造を示す断面図。

符号の説明

１、１０ 拡大レバー
１ａ、１１ 拡大レバー基底部
１ｂ、１３ 拡大レバー出力部
１ｃ 拡大レバー弾性部
２ 積層型圧電素子
３、３０ 錘
４、４０ 固定ネジ
５、５０ 予圧ネジ
６、６０ 出力パッド
１２ 拡大レバー駆動部
１４ リブ
１５ 折り曲げ部
３１ 突起部
３２、３４ ネジ穴
３３ 受け面
３５ 穴

Claims (3)

1. 印加される電気信号に対応し伸縮変位して機械振動する積層型圧電素子と、前記積層型圧電素子の上記変位を拡大する拡大機構部と、前記拡大機構部により拡大された変位による機械振動を外部に伝達するための出力面を有する出力部とからなり、前記出力面の向きが前記積層型圧電素子の伸縮変位方向に対しほぼ直交する音響振動発生装置であって、
   前記拡大機構部は、略コ字型で、
   前記積層型圧電素子の伸縮変位方向に対しほぼ直交する拡大レバー駆動部と、
   前記出力部と対向するように前記拡大レバー駆動部に直交する方向に折り曲げられて形成された拡大レバー基底部と、
   前記拡大レバー駆動部の両側面に立ち曲げて形成されたリブと、
   前記出力部と対向するように前記リブから立ち曲げて形成された拡大レバー出力部とが一体に形成され、
   前記拡大レバー基底部に固定されるとともに、前記積層型圧電素子が配置される突起部を有する錘を備え、
   前記錘の突起部および前記積層型圧電素子を覆うように前記拡大機構部が装着されたことを特徴とする音響信号発生装置。
2. 前記拡大レバー駆動部の長さ方向の全体の長さが前記拡大レバー基底部の長さ方向の全体の長さより小さいことを特徴とする請求項１記載の音響信号発生装置。
3. 前記錘に前記積層型圧電素子の一端を予圧ネジにより固定し、前記拡大レバー基底部に固定ネジにより固定してなる固定部を有し、前記拡大レバー駆動部と前記拡大レバー基底部との間の折り曲げ部を回動中心として前記変位の拡大が行われるように構成し、前記固定部の重心が、前記拡大レバー基底部の長さ方向の全体の長さの中点に対し前記折り曲げ部とは反対の側にあることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の音響信号発生装置。

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