JP5030146B2 - Piezoelectric device for generating acoustic signals - Google Patents
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Description
本発明は音響振動を空中に発するスピーカや直接耳にあてて聴取するヘッドホン、あるいは、音響振動を頭骨に伝搬させそれを聴覚神経で聴取する骨伝導スピーカ等に用いられる音響信号発生用圧電装置に関し、特に、装置の落下衝撃などの大きな衝撃力に対して圧電素子を破壊から保護する構造の音響信号発生用圧電装置に関する。 The present invention relates to a piezoelectric device for generating an acoustic signal used for a speaker that emits acoustic vibration in the air, a headphone that directly listens to the ear, or a bone conduction speaker that propagates acoustic vibration to the skull and listens to it with an auditory nerve. More particularly, the present invention relates to a piezoelectric device for generating an acoustic signal having a structure for protecting a piezoelectric element from destruction against a large impact force such as a drop impact of the device.
従来、圧電素子を用いた音響信号発生用圧電装置としては、圧電ユニモルフ素子や圧電バイモルフ素子が主に使われていたが、単に空気振動を発生する装置としてではなく、より大きな振動エネルギーを発生し音響振動を人体に伝播して、その振動を聴覚神経で聴取させる骨伝導スピーカにも使用できる装置が、老齢人口の拡大、音声情報機器の利用者の高齢化とあいまって、普及拡大しつつある。この骨伝導スピーカに、より効率よく利用できる装置として、積層型圧電素子と機械的な拡大機構を組み合わせて大きな振幅と振動力を得る装置が提案されている。 Conventionally, piezoelectric unimorph elements and piezoelectric bimorph elements have been mainly used as piezoelectric devices for generating acoustic signals using piezoelectric elements, but they are not simply devices that generate air vibration, but generate larger vibration energy. A device that can be used for a bone conduction speaker that propagates acoustic vibrations to the human body and listens to the vibrations with auditory nerves is becoming more popular due to the expansion of the elderly population and the aging of audio information equipment. . As a device that can be used more efficiently for this bone conduction speaker, a device that obtains a large amplitude and vibration force by combining a laminated piezoelectric element and a mechanical enlargement mechanism has been proposed.
一般の音響スピーカとの違いから来る骨伝導スピーカの必須の形態は、音響振動を人体に伝播させるための振動出力部を装置の外側面に突出した形で露出させなければならないことである。このため、組み込まれた装置に物が衝突、あるいは装置自らの落下による床との衝突などの強い衝撃が加わった時、振動出力部もこの衝撃を受けることは避けられないという技術上対処しなければならない重要な課題がある。 The essential form of a bone conduction speaker that comes from a difference from a general acoustic speaker is that a vibration output section for propagating acoustic vibration to the human body must be exposed in a protruding manner on the outer surface of the device. For this reason, when a strong impact such as an object colliding with the built-in device or a collision with the floor due to the falling of the device itself is applied, the vibration output part is unavoidably subject to this impact. There are important issues that must be addressed.
振動出力部に衝撃力が加わった場合、これを振動させるための構造に当然大きな力が作用することになり、振動駆動素子であるところの圧電素子にも大きな力(衝撃力)が掛かることになる。一例として通話機器を人体頭部の高さから硬い床上に自然落下させた場合、装置内部構造物には、およそ1000G(重力加速度の1000倍)の衝撃が加わる例があり、同様の使われ方の機器では機器構造の違いを考慮しても、これより大幅に低いことはない。通常製品梱包状態で輸送時に装置に加わる衝撃、あるいは固定設置機器などに加わる衝撃と比較すると数倍から10倍以上のものになる。 When an impact force is applied to the vibration output section, naturally a large force acts on the structure for vibrating it, and a large force (impact force) is also applied to the piezoelectric element that is the vibration drive element. Become. As an example, when a call device is naturally dropped from the height of a human head onto a hard floor, there is an example in which an impact of about 1000 G (1000 times gravitational acceleration) is applied to the internal structure of the device. Even if the difference in the device structure is taken into consideration, it is not much lower than this. Compared with the impact applied to the device during transportation in the normal product packaging state, or the impact applied to the fixed installation equipment, etc., it is several to 10 times or more.
一方、振動の駆動を行う圧電素子と被駆動物との接触部は、一般的には強固な固定を行い、通常動作時の駆動素子の移動や振動によるびびり音の発生、また摩擦による磨耗損傷を防ぎ、且つ確実な駆動力の伝達を実現している。 On the other hand, the contact part between the piezoelectric element that drives vibration and the driven object is generally firmly fixed, and the vibration of the drive element during normal operation, chatter noise due to vibration, and wear damage due to friction Is achieved, and a reliable transmission of driving force is realized.
ところで、本装置には低電圧で大きな変位を得られる積層型の圧電素子が使用されるが、この種の圧電素子は硬くて脆く、積層方向の圧縮力には強い特性を持っているが、積層方向の引張力には弱いのが一般的な特性である。したがって、積層方向に細長い柱状の積層型圧電素子の場合、単純な圧縮には強いが、曲げや引張力およびねじり力には弱い。そこで、構造的にこれらの力が働きにくい構造を採る必要がある。 By the way, this device uses a laminated piezoelectric element that can obtain a large displacement at a low voltage, but this kind of piezoelectric element is hard and brittle, and has a strong characteristic to compressive force in the laminating direction. It is a general characteristic that the tensile force in the stacking direction is weak. Therefore, in the case of a columnar stacked piezoelectric element elongated in the stacking direction, it is strong against simple compression but weak against bending, tensile force and torsional force. Therefore, it is necessary to adopt a structure in which these forces are difficult to work structurally.
開示されている積層型圧電素子の取り付け方法としては、(1)特許文献1に見られるような、完全な平行面をなす固定部構造体と可動部構造体に直接密着接合し、平行移動の変位動作を行うもの、(2)特許文献2に見られるような、圧電素子の端面を、完全に平行なブロックに固定し(接着が示唆されている)、更には側面を弾性体の板状部材で補強した例、(3)特許文献3に見られるような、圧電素子の上下端は、固定側、可動側共に当接のみで、可動側は微小な角の回動動作であるが、固定側と可動側の圧電素子の接触面の平行を調整で出して、且つ、圧電素子に大きな予圧を掛けた状態で保持している構造のもの、などがある。
As a method of attaching the laminated piezoelectric element disclosed, (1) as shown in
(1)特許文献1に記載されたような密着接合の支持構造の場合は、可動側が微小角度であっても回動動作する構造のため、駆動伝達系に大きな衝撃力が作用した場合には引張力が働くだけではなく、曲げ力が働くため、積層型の圧電素子が層間剥離する形態の破損が起きる危険性が大である。
(1) In the case of a close-bonded support structure as described in
(2)特許文献2に記載されたような支持構造においては、付加している側面の補強材(弾性板)を破損しないような強度や剛性にすることで、大きな衝撃力が加わった場合にも破損する危険性を低減しているが、補強材を付加する構造的な複雑さでコストアップを招いている。
(2) In the support structure as described in
(3)特許文献3に記載された支持構造は、駆動形態が微小な回動動作である変位拡大機構の例である。この例の圧電素子の支持構造であるところの、支持面の平行を出し予圧で挟み込むだけの支持では、この例のように使用周波数が100Hz程度であるならば圧電素子の位置ズレが発生しないであろうが、音声信号を扱う場合には少なくとも3kHz、音楽信号を扱う場合には少なくとも10kHzの駆動周波数になるので、駆動による位置ズレが発生する。また大きな衝撃力が加わった場合には、駆動機構の部品の持つ質量による慣性力で予圧が無くなり、挟み込みの状態が解ける瞬間が発生し、圧電素子が所要位置から外れる危険もある。また、完全な平行を出す調整機構も必要になる。仮に平行でないとすると位置ズレになる成分の力が働くので、高周波駆動の場合に位置ズレを起こし易くなる。 (3) The support structure described in Patent Document 3 is an example of a displacement magnifying mechanism whose driving form is a minute rotation operation. In the support structure of the piezoelectric element in this example, in the case where the support surface is simply parallel and sandwiched by the preload, if the operating frequency is about 100 Hz as in this example, the positional displacement of the piezoelectric element does not occur. However, since a driving frequency is at least 3 kHz when an audio signal is handled and at least 10 kHz when a music signal is handled, a positional deviation due to driving occurs. In addition, when a large impact force is applied, the preload is lost due to the inertial force due to the mass of the components of the drive mechanism, and there is a danger that the pinching state will be released and the piezoelectric element will be disengaged from the required position. In addition, an adjustment mechanism that makes perfect parallelism is also necessary. If it is not parallel, the force of the component that causes the positional deviation works, so that the positional deviation is likely to occur in the case of high frequency driving.
更には、圧電素子と機械的な変位拡大機構を組み合わせた構成は、振動を効率よく拡大することと、外部より加わった衝撃力により圧電素子に加わる衝撃力を小さくすることは概して相反する構造になる。仮に、外的な衝撃力により圧電素子に加わる力や変位を小さくしようとすると、変位拡大機構の剛性を上げたり、拡大率を下げたりする方向になり、反して変位力を減じたり、変位量を減じ、効率が低下して圧電素子の持つ特性である、変位量は小さいが変位しようとする発生力は大きいという特性を充分に生かした構成にはならなくなる。 Furthermore, the configuration that combines a piezoelectric element and a mechanical displacement expansion mechanism has a structure in which it is generally contradictory to efficiently expand vibration and to reduce the impact force applied to the piezoelectric element by the impact force applied from the outside. Become. If an attempt is made to reduce the force or displacement applied to the piezoelectric element by an external impact force, the displacement enlargement mechanism will be increased in rigidity or the enlargement rate will be reduced, while the displacement force will be reduced or the displacement amount will be reduced. Therefore, the efficiency is lowered and the piezoelectric element has a characteristic that the displacement amount is small but the generated force to be displaced is large.
このような変位拡大機構の中で使用される圧電素子の支持構造の特性を、図1の斜視図および図2の正面図による原理構造図により具体的に説明する。1は積層型の圧電素子、2は概略コの字形をした変位拡大機構で、2aが変位拡大機構のベース部材で比較的剛性が高く質量が大きい構造特性を持ち、2bが変位拡大機構の振動出力部材で比較的剛性が高く質量が少ない構造特性を持ち、2cが変位拡大機構の弾性部材で変形弾性特性を持っている。 The characteristics of the support structure of the piezoelectric element used in such a displacement magnifying mechanism will be specifically described with reference to the principle structure diagram shown in the perspective view of FIG. 1 and the front view of FIG. 1 is a multilayer piezoelectric element, 2 is a generally U-shaped displacement magnifying mechanism, 2a is a base member of the displacement magnifying mechanism, has relatively high rigidity and large structural characteristics, and 2b is vibration of the displacement magnifying mechanism. The output member has structural characteristics that are relatively high in rigidity and low in mass, and 2c is an elastic member of a displacement magnifying mechanism and has deformation elastic characteristics.
積層型の圧電素子1の下端部1aと上端部1bはそれぞれ変位拡大機構2と結合している。一般的には剛性の高い接着剤で相互に接合されていて、動作中の位置ズレを防ぎ、駆動力の確実な伝達を実現している。使用する接着剤は圧電素子1の基本構成材である圧電セラミックと同等程度の剛性を有したものが最も良いとされている。
The lower end 1 a and the
この構造において、振動出力部材2bは装置外部に露出する部材と直結しているため、図示のA方向の外力やB,C方向の外力が加わり易い。A方向の外力が加わった場合には、圧電素子1には積層方向の圧縮力が加わるが、BやC方向の外力が加わった場合には、圧電素子1の先端方向を横に押す、即ち圧電素子1に曲げ力が作用し、圧電素子1の下端部1aと上端部1bは接着固定されているので、変位拡大機構2の材質よりも硬く弾性係数の高い圧電素子1はその変形させようとする力の大半を受けることになる。その結果、外力が大きい時には大きな曲げ力により、積層型の圧電素子1は層間剥離をする破損を発生し、機能しなくなる危険性が高い。
In this structure, since the
従来技術は、弾性出力部には図1のBやC方向の衝撃力が作用し難いように周辺構造で対処している。たとえば、振動出力部が露出する部分の周囲と装置の外装部材との隙間を大きくし、且つ、突出方向の段差を少なくする。更には、落下衝撃時など音響信号発生用圧電装置全体の質量が持つ慣性で外装部材に激突し難いように、振動伝達を低減させるための支持のクッション材をその目的に反して硬くするなどの工夫を凝らし、本来性能の劣化(隙間の拡大による見栄えの劣化、あるいは振動の伝達による漏れ音の増加など)と衝撃力に対する耐力とのバランスをとって許容範囲に収める工夫をしている。 In the prior art, the elastic output portion is dealt with by the peripheral structure so that the impact force in the B and C directions in FIG. For example, the gap between the periphery of the portion where the vibration output unit is exposed and the exterior member of the apparatus is increased, and the step in the protruding direction is reduced. Furthermore, the support cushioning material for reducing vibration transmission is hardened against its purpose so that it does not collide with the exterior member due to the inertia of the entire mass of the piezoelectric device for generating acoustic signals, such as during a drop impact. Ingenuity has been devised to balance the deterioration of the original performance (deterioration of appearance due to widening of the gap or increase of leakage sound due to vibration transmission) and the resistance to impact force within the allowable range.
音響信号発生用圧電装置がよく使用される骨伝導スピーカでは、気導音発生のスピーカとの違い、あるいは長所をより顕著なものにするために、気導音に変わる漏れ音の低減、外観などの向上、装置への使い勝手の向上が望まれている。このためには音響信号発生用圧電装置そのものを外部衝撃に対して、より強い構造にする必要がある。 Bone conduction speakers, which often use piezoelectric devices for generating acoustic signals, are different from speakers that generate air conduction sound, or in order to make the advantages more prominent, reduce leakage sound that changes to air conduction sound, appearance, etc. The improvement of usability and the usability to the device is desired. For this purpose, the acoustic signal generating piezoelectric device itself needs to have a stronger structure against external impacts.
即ち、本発明の課題は、大きな振幅出力および変位力を確保しながら耐衝撃性に優れる音響信号発生用圧電装置を提供することにある。 That is, an object of the present invention is to provide an acoustic signal generating piezoelectric device that is excellent in impact resistance while ensuring a large amplitude output and displacement force.
本発明では、図1におけるBやC方向の外力や変形に対して、変位拡大機構の剛性を上げることをせず、外力による変位が圧電素子に作用し難くして、外力をそのまま受け止めず、圧電素子以外の部分に分散させる構造を採用する。 In the present invention, the external force and deformation in the directions B and C in FIG. 1 are not increased, the displacement due to the external force is less likely to act on the piezoelectric element, and the external force is not received as it is. A structure that is dispersed in a portion other than the piezoelectric element is adopted.
即ち、本発明の音響信号発生用圧電装置は、電気信号を機械振動に変換する圧電素子と、前記圧電素子が発生した機械振動の変位を拡大する変位拡大機構と、前記変位拡大機構が拡大した機械振動の変位を音響振動として伝達する音響振動部とを有する音響信号発生用圧電装置であって、前記変位拡大機構が、板状のベース部材と、板状で前記ベース部材と対向し、2つの長辺に前記ベース部材がある方向に曲げて互いに対向する立ち曲げが設けられた振動出力部材と、前記ベース部材と前記振動出力部材の一端部が結合された弾性部材とからなり、前記ベース部材と前記振動出力部材とは前記弾性部材より高い剛性を有し、前記ベース部材と前記振動出力部材の他端部から、前記圧電素子、及び錘部材が順に挿入され、前記ベース部材には前記錘部材が高剛性で結合され、前記弾性部材のある側の前記振動出力部材の一端部と前記振動出力部材の中央部との間に前記圧電素子が配され、且つ、前記圧電素子を圧電変位方向と同方向に圧縮するように、前記振動出力部材と前記ベース部材とで予圧を付与する手段を設け、前記圧電変位方向と略直角方向における前記圧電素子の位置を不変にする位置規制手段を付加する構成にて前記圧電素子の一端は、前記ベース部材もしくは前記振動出力部材に固定され、前記位置規制手段を付加した固定側とは反対側における前記圧電素子の他端は、前記振動出力部材もしくは前記ベース部材に接着結合することなく圧接していることを特徴とする。 That is, in the piezoelectric device for generating an acoustic signal according to the present invention, the piezoelectric element that converts an electrical signal into mechanical vibration, the displacement expansion mechanism that expands the displacement of the mechanical vibration generated by the piezoelectric element, and the displacement expansion mechanism are expanded. An acoustic signal generating piezoelectric device having an acoustic vibration part for transmitting mechanical vibration displacement as acoustic vibration, wherein the displacement enlarging mechanism is plate-shaped and opposed to the base member in a plate shape. one of the consists of a vibration output member that upright bent is provided to face each other by bending in a direction where there is the base member in the long side, and an elastic member having one end coupled to the base member and the vibration output member, said base the said vibration output member and the member has a high rigidity than the elastic member, from the other end of the base member and the vibration output member, the piezoelectric element, and the weight member is inserted in sequence, to said base member Serial weight member is coupled with high stiffness, the piezoelectric element is arranged between the central portion of the end portion and the vibration output member of the vibration output member of a side of the elastic member, and the piezoelectric said piezoelectric element to compress the displacement in the same direction, means for applying a preload between the base member and the vibration output member provided, position regulating means for unchanged the position of the piezoelectric element in the piezoelectric displacement direction substantially perpendicular one end of the piezoelectric element at the addition of structure, fixed to said base member or said vibration output member, the other end of the piezoelectric element on the opposite side to the fixed side with the addition of the position regulating means, the vibration output characterized in that in pressure contact without adhesive bonding to the member or the base member.
前記圧電素子の前記位置規制手段が設けられた固定側端部では、前記圧電素子と前記固定する側の部材とを、ショアD硬度が30以上70以下の接着剤を介して結合するとよい。 And in the fixed side end portion to the position regulating means is provided with a piezoelectric element, and a side member for the fixed and the piezoelectric element, may Shore D hardness is bonded through 30 or more 70 or less of the adhesive.
前記圧電素子の一端の圧接面と、前記圧電素子の一端に圧接する前記振動出力部材もしくは前記ベース部材の圧接面との少なくとも一方には相互の接触摩擦係数を低減させる表面処理が施されるとよい。 Wherein one end pressing surface of the piezoelectric element, when the surface treatment for reducing the contact friction coefficient of each other in at least one of the pressing surface of the vibration output member or said base member is pressed against the one end of the piezoelectric element is performed Good.
前記圧電素子の一端の圧接面と、前記圧電素子の一端に圧接する前記振動出力部材もしくは前記ベース部材の圧接面との間には、摩擦低減材を介在させるとよい。 Wherein one end pressing surface of the piezoelectric element, between the pressing surface of the vibration output member or said base member is pressed against one end of the piezoelectric element, the friction reducing material may be interposed.
前記変位拡大機構は金属板材のプレス成形にて成形され、前記振動出力部材と前記弾性部材の境界部である曲げ部は平板を曲げるのみではなく、剛性を高める加工が施され、前記錘部材が前記ベース部材と結合する部分および前記錘部材が前記ベース部材と前記弾性部材との境界部の近傍に外側から結合する部分には、ショアD硬度で80以上の硬度を持つ接着剤を用い結合部の剛性を高め、前記変位拡大機構の全体の共振周波数を高めるとよい。 The displacement enlarging mechanism is formed by press forming of a metal plate material, and a bending portion which is a boundary portion between the vibration output member and the elastic member is not only bent on a flat plate but also processed to increase rigidity, and the weight member is wherein the portion of section and the weight member for coupling the base member is attached from the outside to the vicinity of the boundary between the elastic member and the base member, the coupling portion using an adhesive agent having 80 or more hardness in Shore D hardness It is preferable to increase the rigidity of the displacement enlargement mechanism and increase the overall resonance frequency of the displacement enlarging mechanism.
本発明によれば、変位拡大機構により大きな振幅出力および変位力を確保しつつ、組み込まれた装置に加わる落下や衝突による大きな衝撃に対しても、積層型圧電素子が積層間剥離をすることで破損する危険度が少ない音響信号発生用圧電装置を提供することができる。またその方法は従来に比較し特別コストアップになる付加部品、付加作業工程もなく、各部品も一般の量産製造方法で作製できる構造部品の構成で実現している。また、装置外観としても特に外観形状で付加的な変更対処をする必要もなく、使い勝手も劣化させない。 According to the present invention, while the large amplitude output and the displacement force are ensured by the displacement enlarging mechanism, the multilayer piezoelectric element peels between the layers even when a large impact is caused by a drop or a collision applied to the incorporated device. It is possible to provide a piezoelectric device for generating an acoustic signal with a low risk of breakage. In addition, the method is realized by the structure of a structural part that can be manufactured by a general mass production method without any additional parts and additional work steps that are specially expensive compared to the conventional method. Moreover, there is no need to deal with additional changes in the appearance of the apparatus, and the usability is not deteriorated.
図3から図6に本発明の一実施の形態を示し、詳細を説明する。図3は本発明を適用した音響信号発生用圧電装置の全体斜視図、図4はその分解斜視図、図5は振動出力部のパッドと装置に支持するための防振支持シートとを取り除いた状態の音響信号発生用圧電装置の平面図、図6は図5に示したX−Xの断面を示した図であり、骨伝導用スピーカとして動作する形態を示している。 An embodiment of the present invention is shown in FIGS. 3 to 6 and will be described in detail. 3 is an overall perspective view of the piezoelectric device for generating an acoustic signal to which the present invention is applied, FIG. 4 is an exploded perspective view of the piezoelectric device, and FIG. 5 is a vibration output unit pad and an anti-vibration support sheet for supporting the device. 6 is a plan view of the piezoelectric device for generating an acoustic signal in a state, and FIG. 6 is a view showing a cross section taken along the line XX shown in FIG.
まず、構造を説明する。図4、図6のように、積層型圧電素子10は圧電材と電極を長手方向に積層した構造であり、電圧の印加により長手方向に伸長する特性を有する。変位拡大レバー11は金属板をプレス成形で製作した略コの字形の全体形状をなし、そのベース部11aの両側部は板圧の約2倍の高さの立ち曲げが成形されていて、その剛性を大きくしている。また予圧を付与する予圧ねじ12をねじ込むねじ穴とベース錘13をねじ取り付けする穴が設けられている。変位拡大機構としての変位拡大レバー11の上側の振動出力部11bの両側部は板厚の1.5倍から2.5倍の高さの立ち曲げが設けられていて、その剛性を上げている。ベース部11aと振動出力部11bの片端部を繋ぐ弾性部11cは両側部には立ち曲げはなく、比較的容易に板厚方向に変形し易いように構成されている。ただし、弾性部11cと振動出力部11bとの境界部である曲げ部の付近には立ち曲げを設け、曲げ部の剛性を高めてもよい。
First, the structure will be described. As shown in FIGS. 4 and 6, the multilayer
変位拡大レバー11のベース部11aには錘固定ねじ14によりベース錘13が取り付けられており、このベース錘13の外周にはプラスチック成形品のコイルボビン16が結合され、更にはコイルボビン16の溝部にはコイル21が巻かれている。このコイル21は直径約80μmのエナメル線が約1000ターン巻かれて構成されたものであり、Tコイル対応の補聴器に信号を送るために用いるが、ベース錘13と共に錘部材として機能する。また、ベース錘13の上部には共振を緩和するための減衰シート18を配置する。結果、ベース部11aにはベース錘13とコイルボビン16とコイル21の質量が、剛性の高い状態で結合されている。したがってベース部11aとベース錘13、コイルボビン16、コイル21、そして錘固定ねじ14と予圧ねじ12の質量が総合されて、ベース部分として振動出力部11bより10倍程度大きい質量を持ったものとなっている。
A
積層型圧電素子10は変位拡大レバー11のコの字形の内側空間に配されていて、積層型圧電素子10の上側端面は振動出力部材11bの内側の面(下面)に当接している。この積層型圧電素子の振動出力側接触部Eには、摩擦係数を減ずる目的で固体潤滑材の薄い膜が形成されている。積層型圧電素子10の下側端部は積層型圧電素子10に圧縮方向の予圧を与える予圧ねじ12の先端の端面が当接している。
The multilayer
予圧ねじ12はベース部材11aのねじ穴にねじ込み支持されている。更には、積層型圧電素子10の下端部周辺は位置決め板15で積層型圧電素子10が回転したり移動したりしないように囲まれており、位置決め板15は変位拡大レバー11の下部曲げ位置に形成された角穴とベース錘13の段部でベース部11aの内側の面に固定されている。また、積層型圧電素子10と予圧ねじ12との接触面である積層型圧電素子のベース側接触部Dは、予圧ねじ12と積層型圧電素子10の端面接触部にミクロにできる空間とその周囲を接着剤で接合する形で埋められていて、この接着剤はショアD硬度が60の1液型のエポキシ系接着剤である。また、この接着剤はベース部11aと位置決め板15の接触部、および予圧ねじ12とベース部11aとの接触部にも介在していて、これらを相互に接着している。ところで、この接着剤のショアD硬度は30以上70以下の範囲で選択可能であり、30未満では固定力が充分でなく、70を超えると、外部から衝撃力が加えられたとき、積層型圧電素子10に過大な力が加わり、好ましくない。
The
図4のように、音響振動部として、振動出力部11bの外側の面には、プラスチック成形品のパッド17が接着取り付けされていて、人体に当接し振動を伝える部分を形成している。また、コイルボビン16には特殊ゴムシートから打ち抜き加工された下側の防振支持シート19と上側の防振支持シート20が嵌合していて、防振支持シート19,20の外周と、防振支持シート19の下側面と防振支持シート20の上側面とが装置全体を収める装置外観部材(図示なし)でガイドされ、骨伝導スピーカを装置に弾性的に支持している。
As shown in FIG. 4, a
また、図4、図5、図6のように、変位拡大レバー11の振動出力部11bと弾性部11cとの境界部になる直角曲げ部には、所謂、角打ち11dを施し曲げ部の剛性向上を行っている。また、変位拡大レバー11のベース部11aと弾性部11cの境界部分である下部曲げ部と、コイルボビン16との間の空間部分に弾性部11cの面に接触する位置までコイルボビン16の内側側面より張り出したストッパーリブ16aを設け、その下部には略角柱形状のコーナー空間Fを形成し、ここをショアD硬度で80以上の剛性の高い接着剤で埋め込むことで、変位拡大レバー11とコイルボビン16との所要部を接着している。なお、コーナー空間Fは図6の断面の向こう側および手前側にあるので、その形状は図6には示されていない。また、このとき用いる接着剤の硬化後のショアD硬度が90の場合には、高剛性の構造体を形成するのに特に有効であることを確認できた。
Also, as shown in FIGS. 4, 5, and 6, a so-called
組立工程を説明する。まず変位拡大レバー11の振動出力側接触部Eの面に摩擦低減材である固体潤滑材を塗布し、その後、変位拡大レバー11の内側空間の所要位置に、積層型圧電素子10の下端部に位置決め板15を挿入した形で治具にて仮位置決めしておく。このとき、振動出力側接触部Eで圧接される変位拡大レバー11の圧接面と積層型圧電素子10の端部の圧接面には、表面改質層の形成などによる接触摩擦係数を低減させる表面処理を施しておくと、更によい。
The assembly process will be described. First, a solid lubricant, which is a friction reducing material, is applied to the surface of the vibration output side contact portion E of the
次に予圧ねじ12用のねじ穴に接着剤を注入し、その後予圧ねじ12をねじ込む。予圧ねじ12のねじ込みはレバー11bの先端部の変位寸法を見ながら、変位拡大レバー11の弾性変形の反力が必要な予圧力になる様あらかじめ計測された分押し込む。その後、仮位置決めの治具を外し、ベース錘13を錘固定ねじ14で取り付けた後、ベース錘13の外周に接着剤を塗布し、コイル21がコイルボビン16に巻かれた組立品を所要位置に挿入する。次にコーナー空間Fに接着剤を充填し、更にはパッド17と変位拡大レバー11の振動出力部11bの上面所要部に接着剤を塗布して取り付けて、最後に接着剤硬化のために加熱する。この加熱は加熱可能な温度条件などにより、接着の工程ごとに分割して実施する、あるいはいくつかの接着工程分をまとめて実施してもよい。
Next, an adhesive is injected into the screw hole for the
次に機能動作を説明する。積層型圧電素子に電圧が印加されると、印加電圧に即した積層型圧電素子の長さに伸縮が発生する。この伸縮により振動出力部11bはベース部11aに対して相対的にコの字形の先端側が開く微小な回転変位が行われる。回転変位のため積層型圧電素子の伸縮量よりも大きな変位が振動出力部11bの先端方向に発生する。即ち、弾性部11c側の振動出力部11bの一端部と、この振動出力部11bの中央部との間に積層型圧電素子10の上端を配した結果、積層型圧電素子の変位が拡大された動作になる。こうして、積層型圧電素子10に音響信号電圧が印加されたときに、圧電素子の変位より拡大された音響信号に即した振動変位が発生する。
Next, the functional operation will be described. When a voltage is applied to the multilayer piezoelectric element, expansion and contraction occurs in the length of the multilayer piezoelectric element corresponding to the applied voltage. Due to this expansion and contraction, the
ベース部11aを含むベース側は振動出力部11bより10倍ほど大きな質量を持っていて、その形状効果分も含め大きな慣性モーメントを有している。したがって、このときの振動出力部11bの絶対変位は、絶対量でベース側よりも充分に大きいものになる。逆に、ベース部11aの絶対変位は振動出力部11bより充分小さい。更には、本骨伝導スピーカは防振支持シート19,20の防振効果により更に振動の伝導を低減できるので、骨伝導スピーカを組み込んだ装置の構造体が振動して目的外の空気振動を発生する、所謂、漏れ音の発生を効果的に抑えることができる。もちろん逆に振動出力部11bの振動変位は大きく得られ目的の骨伝導振動を効率よく得ることができる。
The base side including the
さて、本骨伝導スピーカが組み込まれた装置に落下あるいは他の物体との衝突による大きな衝撃力が加わった場合の動作について説明する。たとえばパッド17に図1に示すA方向の衝撃力が直接加わった場合、大雑把に動作説明をすると、変位拡大レバー11の弾性ひずみと積層型圧電素子の圧縮方向の弾性ひずみと、骨伝導スピーカ各部の慣性質量の変位と、下側の防振支持シート19の変形によるエネルギー吸収効果で、その衝撃力を受けることになる。この場合、積層型圧電素子10には、一般に硬くて脆い特性であるが唯一の強い特性に対応する圧縮力が働き、この時には問題は少ない。その後の動作として各部が弾性ひずみで吸収したエネルギーが放出される反対方向の動きが生ずる。この場合、変位拡大レバー11はコの字が開く方向の変形動作をし、積層型圧電素子10の両端が接着されている場合、積層型圧電素子10には引張り方向の力が作用するので、引張りには弱い積層型圧電素子では積層間の剥離を起こす危険性が高い。しかし、本発明の構造の場合には、積層型圧電素子10の片端面(上端面)は単に変位拡大レバー11とは圧接あるいは当接しているだけなので、振動出力部11bの面が離れるだけで他の部品の反発の慣性力による引張り力は作用しない。その後、また逆の反発現象の動作をしながらこの衝撃による振動動作は急速に減衰していく。結果としては、積層型圧電素子10には大きな圧縮力のみが作用し、引張力は働かず、圧縮力には強い積層型圧電素子10が破損する危険性は少ない。
Now, an operation when a large impact force is applied to the apparatus incorporating the bone conduction speaker when it is dropped or collides with another object will be described. For example, when the impact force in the direction A shown in FIG. 1 is directly applied to the
次に図1に示すBやC方向の衝撃力が作用する場合の動作を説明する。まず、どのような状況でそのような衝撃力が働くかは、次のようになる。本骨伝導スピーカが組み込まれた装置にBあるいはC方向の衝撃力が加わった場合、骨伝導スピーカ全体は各部の慣性力と剛性の関係で相互に変形しながら装置に対して相対的に移動する。ここで防振支持シート19と防振支持シート20はその機能上一般のゴムより柔らかいショアD硬度で30から70(一般ゴムが80以上)なので衝撃エネルギーを吸収しながらも大きく変形し、装置外装にパッド17が衝突する現象になる。この場合、大きな慣性質量を持ったベース部の慣性エネルギーにより、ベース部11aと振動出力部11bには相対的にBやC方向、あるいは複合的に変位させる力が働く。
Next, the operation when the impact force in the B or C direction shown in FIG. 1 acts will be described. First, under what circumstances such impact force works is as follows. When an impact force in the B or C direction is applied to the device incorporating this bone conduction speaker, the entire bone conduction speaker moves relative to the device while deforming each other due to the inertial force and rigidity of each part. . Here, the
このような力が作用する場合に、積層型圧電素子10の上下端が変位拡大レバー11に接着されていると、接着剤の剛性強度にもよるが、積層型圧電素子10には曲げとねじりの変形力が加わり、剛性が高い積層型圧電素子10がその力の大半を受けることになり、結果、積層間が剥離する形態の破壊をする危険度が高く、装置での実態では破損するものが出ている。
When such a force is applied, if the upper and lower ends of the multilayer
しかし、本発明の実施の形態では、積層型圧電素子10の一端は変位拡大レバー11に圧接あるいは当接しているのみで、接着結合はしていないので、変位による作用力が、予圧による摩擦抵抗力を超えるとスリップする現象を起こし、結果積層型圧電素子10に作用する曲げや、ねじりの力は軽減する。更には圧接面(当接面)に摩擦係数を下げる潤滑材が介在している場合は、その力は大きく低下する。したがって接着している場合より、積層型圧電素子10が破損する危険度は大幅に低下する。
However, in the embodiment of the present invention, one end of the multilayer
実際にはA方向やB,C方向の衝撃力が複合して発生する場合が出てくる。この場合、A方向の衝撃による力で積層型圧電素子10の上の振動出力側接触部Eには予圧以上の面圧が発生し、その面の摩擦係数が下げられていても大きな抵抗力が生じ、B,C方向の衝撃力による力と総合されて、積層型圧電素子10には、前記のように、より大きな曲げやねじりの力が作用することになる。しかし、積層型圧電素子10の下部と変位拡大レバー11のベース部11aとは比較的柔らかな接着剤(ショアDの硬度で約60の一液性エポキシ系接着剤)で接合されている柔軟な支持のため、積層型圧電素子10の全体が傾くか、あるいは捩れる移動が加わることになり、上部の変位の全てが積層型圧電素子10の曲げ力や捩じり力となって加わらないようになる。積層型圧電素子10が受けなくなった力は変位拡大レバー11など強度の高い他の部材が受けることになる。このため、積層型圧電素子10が破損する危険度は下がる。
In actuality, there are cases where the impact force in the A direction, B, and C directions is generated in combination. In this case, a surface pressure greater than the preload is generated at the vibration output side contact portion E on the laminated
(1)積層型圧電素子10の上下の端部が変位拡大レバー11に剛性の高い接着剤で接着固定されているものと、(2)片端は圧接もしくは当接しているだけで、もう一端は比較的柔らかな接着剤を介して固定されているものとを振動構造体として比較してみる。積層型圧電素子10の上下の端部の固定条件が違うこと以外の条件は全く同一であるすると、積層型圧電素子10に正弦波電圧を印加してその共振周波数を比較すると後者の場合のほうが共振周波数は低くなる。
(1) The upper and lower ends of the laminated
この共振周波数が3kHz以下に、特に2.5kHz以下になると、音声周波数の主帯域に共振点があることになり、印加電圧による振幅特性が共振点近辺以上で大きく歪むことになり好ましくない。本発明の音響信号発生用圧電装置による骨伝導スピーカの場合、生産性も考慮して鉄板をプレス作業で加工した変位拡大レバー11を使用しているため、積層型圧電素子10の上下端を変位拡大レバー11に剛性の高い接着剤で固定した場合、共振周波数が2.9kHz前後であったものが、他の条件形状をそのままで積層型圧電素子10の上下の固定方法を、圧接(当接)と比較的柔らかな接着固定にすると、2.4kHzから2.7kHzの範囲になる。
If this resonance frequency is 3 kHz or less, particularly 2.5 kHz or less, there is a resonance point in the main band of the audio frequency, and the amplitude characteristic due to the applied voltage is greatly distorted near the resonance point. In the case of the bone conduction speaker using the acoustic signal generating piezoelectric device according to the present invention, the
これは音声周波数帯域の特性を大きく歪ませることになり、たとえ駆動回路の特性を調整しても音質の劣化につながるので好ましくない。そこで、本実施の形態では構造体全体の剛性を上げて3kHz以上の共振周波数を持つ振動体にするために、変位拡大レバー11の振動出力部11bと弾性部11cの境界になる曲げ部にプレス作業で容易にできる角打ち11dを付加し、且つ、ばね特性の大半を占めている弾性部11cの長さを短くし、ばねとしての定数を向上し、共振周波数が上がるように、図6のコーナー空間Fに剛性の高い接着剤を追加し、変位拡大レバーの所要の振動変位に対する剛性を向上した。これにより共振周波数は2.9から3.1kHzの間なるように改善された。
This greatly distorts the characteristics of the audio frequency band, and even if the characteristics of the drive circuit are adjusted, the sound quality is deteriorated, which is not preferable. Therefore, in the present embodiment, in order to increase the rigidity of the entire structure and make a vibration body having a resonance frequency of 3 kHz or more, the bending portion that is the boundary between the
上記実施の形態では、積層型圧電素子10の上端を変位拡大レバーの振動出力部11bに圧接し、積層型圧電素子10の下端を変位拡大レバーのベース部11aに固定する構成にしたが、積層型圧電素子10の一端を変位拡大レバーの振動出力部11bに固定し、積層型圧電素子10の他端を変位拡大レバーのベース部11aに圧接する構成にすることもできる。
In the above embodiment, the upper end of the multilayer
1 圧電素子
1a 下端部
1b 上端部
2 変位拡大機構
2a ベース部材
2b 振動出力部材
2c 弾性部材
10 積層型圧電素子
11 変位拡大レバー
12 予圧ねじ
13 ベース錘
14 錘固定ねじ
15 位置決め板
16 コイルボビン
17 パッド
18 減衰シート
19,20 防振支持シート
21 コイル
11a ベース部
11b 振動出力部
11c 弾性部
11d 角打ち
16a ストッパーリブ
D ベース側接触部
E 振動出力側接触部
F コーナー空間
DESCRIPTION OF
19, 20
Claims (5)
前記変位拡大機構が、板状のベース部材と、板状で前記ベース部材と対向し、2つの長辺に前記ベース部材がある方向に曲げて互いに対向する立ち曲げが設けられた振動出力部材と、前記ベース部材と前記振動出力部材の一端部が結合された弾性部材とからなり、
前記ベース部材と前記振動出力部材とは前記弾性部材より高い剛性を有し、
前記ベース部材と前記振動出力部材の他端部から、前記圧電素子、及び錘部材が順に挿入され、
前記ベース部材には前記錘部材が高剛性で結合され、
前記弾性部材のある側の前記振動出力部材の一端部と前記振動出力部材の中央部との間に前記圧電素子が配され、
且つ、前記圧電素子を圧電変位方向と同方向に圧縮するように、前記振動出力部材と前記ベース部材とで予圧を付与する手段を設け、
前記圧電変位方向と略直角方向における前記圧電素子の位置を不変にする位置規制手段を付加する構成にて前記圧電素子の一端は、前記ベース部材もしくは前記振動出力部材に固定され、
前記位置規制手段を付加した固定側とは反対側における前記圧電素子の他端は、前記振動出力部材もしくは前記ベース部材に接着結合することなく圧接していることを特徴とする音響信号発生用圧電装置。 A piezoelectric element that converts electrical signals into mechanical vibration, a displacement expansion mechanism that expands the displacement of the mechanical vibration generated by the piezoelectric element, and an acoustic vibration unit that transmits the displacement of the mechanical vibration expanded by the displacement expansion mechanism as acoustic vibration A piezoelectric device for generating an acoustic signal comprising:
The displacement enlarging mechanism includes a plate-like base member , a vibration output member that is plate-like and opposed to the base member, and has two long sides that are bent in the direction in which the base member is located and opposed to each other. The base member and an elastic member to which one end of the vibration output member is coupled ,
Said base member and said vibration output member having a higher rigidity than the elastic member,
From the other end of the base member and the vibration output member, the piezoelectric element and the weight member are sequentially inserted,
The weight member is coupled with a high rigidity to said base member,
The piezoelectric element is arranged between the central portion of the end portion and the vibration output member of the vibration output member of a side of the elastic member,
And, wherein the piezoelectric element so as to compress the piezoelectric displacement in the same direction, a means for applying a preload between the base member and the vibration output member,
One end of the piezoelectric element at adapted to be added to the position regulating means for unchanged the position of the piezoelectric element in the piezoelectric displacement direction substantially perpendicular direction is fixed to the base member or the vibration output member,
The other end of the piezoelectric element on the opposite side to the position restricting stationary added with means for generating an acoustic signal piezoelectric, characterized in that in pressure contact without adhesive bonding to the vibration output member or said base member apparatus.
前記振動出力部材と前記弾性部材の境界部である曲げ部は平板を曲げるのみではなく、剛性を高める加工が施され、
前記錘部材が前記ベース部材と結合する部分および前記錘部材が前記ベース部材と前記弾性部材との境界部の近傍に外側から結合する部分には、ショアD硬度で80以上の硬度を持つ接着剤を用い結合部の剛性を高め、前記変位拡大機構の全体の共振周波数を高めたことを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の音響信号発生用圧電装置。 The displacement enlarging mechanism is formed by press molding of a metal plate material,
The bending part which is a boundary part between the vibration output member and the elastic member is not only bent on a flat plate, but also processed to increase rigidity,
The part portion and said weight member, wherein the weight member is coupled to the base member is coupled from the outside to the vicinity of the boundary between the elastic member and the base member, an adhesive having a 80 hardness of at least Shore D hardness 5. The acoustic signal generating piezoelectric device according to claim 1, wherein the rigidity of the coupling portion is increased by using the first and second components to increase the overall resonance frequency of the displacement magnifying mechanism.
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