JP5128127B2 - 電気機械式力変換器 - Google Patents

Description

本発明は、電気機械式力変換器、アクチュエータ、励振器及び同様の装置に関し、より具体的には、限定ではないが、例えばラウドスピーカ及びマイクロフォンといった音響装置で使用されるこのような装置に関する。

本発明は特に、限定ではないが、本発明の出願人に付与された国際特許出願ＷＯ０１／５４４５０に記載され、変換器の動作周波数範囲におけるモードの周波数分布を有する１つ又はそれ以上の共振素子又はビームを含む種類の電気機械式力変換器に関する。このような変換器は「分布モードアクチュエータ」又は略してＤＭＡとして知られている。

本発明の目的は、モードのＱを低減し、モード間の相殺の厳しさを緩和させて、音圧の平滑さを高めるような減衰が得られる変換器を提供することである。

また本発明の目的は、例えば落下試験又は衝撃試験による故障の確率を低減するため、堅牢性を向上させることである。

本発明の別の目的は、アクチュエータ、又は例えばＤＭＡ変換器である変換器の一次共振モード周波数を低下させることである。

１つの態様によれば、本発明は、低剛さ層が複数の共振素子の隣接面の間に挿入され、該隣接面に接合される上述の種類の変換器である。共振素子又はビームの１つの面に減衰層を単に付加することは、素子面の寸法が変化すると該層が素子により伸張するので減衰性能を低下させることが分かっている。しかしながら、減衰層の片側に箔などの寸法変化に対し耐性が高い可撓性基準層を使用すると、変化する素子面寸法と非伸張性の箔との間で減衰層が剪断するので、減衰が改善されることになる。減衰された面に反対方向で寸法が変化するように基準層を形成することができる場合には、減衰効果は倍増することになる。これが、減衰層を隣接素子面間に接着することによって得られた効果である。

別の態様によれば、本発明は、平面外ＤＭＡモードが可聴帯域に導入されるＤＭＡ変換器である。

本発明は、添付図面において例証として概略的に図示される。
図１は、その原文が本出願に組み込まれるＷＯ０１／５４４５０に一般に記載された種類の二重ビーム変換器を示す。変換器（１）は、剛性スタブ（４）の形態の接続手段によって後部に第２の圧電ビーム（３）が装着された第１の圧電ビーム（２）を備え、該剛性スタブが両方のビームの中心近傍に配置されている。各ビームはバイモルフである。

変換器（１）は、第１のビームの中心近傍に配置された剛性スタブ（６）の形態の結合手段によって、例えば分布モードラウドスピーカ（ＤＭＬ）である撓み波ラウドスピーカの例えばパネルなどの構造体（５）上に装着される。

本発明では、発泡プラスティック製の低剛さ層（７）が、２つのビーム（２、３）の隣接する面間で接合される。接合された層は、実質的に隣接する面の全体を覆うか、又は例えば特定のモードを減衰させるために不連続にすることができる。

以下に１つの好適な発泡減衰材料の幾つかのパラメータについて述べる。
「ポロン」 低反発性の発泡ポリウレタンプラスティック材料
型式：４９７０−９２−２５０４１−０４Ｓ
厚さ：１．０５ｍｍ（１．０ｍｍの厚さでも試みて成功している）
密度：４００ｋｇ／ｍ³
圧縮Ｅ（圧縮状態の発泡材でのヤング率）：１ｋＨｚにおいて２ＭＰａ

測定された抵抗値Ｒは約８ｘ１０⁵Ｎｓ／ｍ³である。これらの数値は、剪断時ではなく圧縮時の機械抵抗値の測定された「実数」部である。剪断時の数値は得られない。

より薄い発泡材を使用しても良好な結果が得られた。約１．５ｍｍまでの厚い発泡材では、この材料で良好な結果が得られるものと期待される。発明者らは０．３と２．０ｍｍの間の限界厚さを提案する。

密度（Ｅ及びＲとは別個にした状態）は、関連がないものと見込まれ、１００倍で変化させることができたが殆ど影響がなかった。Ｅは重要であるが、発生する剪断はＥの重要性の識別を困難にする。Ｅを４倍に増加させるとビームを剛化し始めるので、これは避けるべきであると発明者らは提案する。発泡材の追加によってもシステムの剛さにはそれほど影響がないように見えるので、Ｅの低下は殆ど影響がないであろう。Ｒの数値は重要である。Ｒの減少は、線形的な減衰をもたらすことが見込まれる。発明者らは、約４分の１よりも大きく減少させないことを提案する。Ｒを増加させることはよいが、他のパラメータに影響を与えずに達成することはできない。

図２は、マルチビーム変換器の１つの面又は両方の面に対する接合の影響を示す。図２ａは、減衰層（７）が１つのビーム（２）だけに接合されている場合を示す。他のビーム（３）がビーム（２）に対して移動すると、ビーム（３）は減衰層の上面を滑動するので、減衰層は変形せず、撓み共振に対し減衰が殆ど付加されない。しかしながら、図２ｂでは、減衰層は両方のビームに接合されるので、ビーム（２）に対しビーム（３）の相対的な移動によって剪断方向に付勢される。減衰を加えるのはこの剪断である。

ビームの長さは同じである必要はないが、同じである場合には最大減衰効果が期待される。中心に装着された変換器のブロックされた力に対する、２つのビームの間に減衰層を追加した効果を測定したものが図３に示される。全てのモードのＱが減少し固有周波数は変化せず、これは、接合材料（７）の剛さが極端に低いことを意味する。減衰層を追加すると、異なる長さのビームの共振間などの変換器内部で相殺が発生したときに出力が増大する。

図４は、３６ｍｍ／３４ｍｍビーム長のＤＭＡ変換器の面間に減衰を付加したことによる音圧に関する効果のシミュレーションを示す。変換器の基本波における出力は僅かに減少したが、３−４ｋＨｚの領域では出力が広範囲で増大した。これは変換器内の内部の相殺領域である。また、音圧応答はより平滑である。

落下試験の故障率の減少が見込まれる。衝撃時のエネルギーの大部分は、励振器内に基本共振で存在することになる。減衰によりこの共振のＱが低下するので、瞬間最大変位が小さくなり、ビーム内の応力が低減される結果となる。この応力低減により、落下試験の信頼性の改善が見込まれる。加えて、本発明によって変換器の構造的高さを低くすることができる。

上述の種類の変換器をその負荷に結合するために使用されるスタブは、３つのデカルト軸全てにおいて剛性があり、回転剛さは通常無視され、高いものと見なされる。スタブ位置がその長さに沿って途中にあるビームの場合には、ビームの基本共振に対しスタブでは０回転が生じる。この０回転の境界条件が、半分の長さのビームの端部で再現される場合には、半分の力で全長のビームと同じ周波数の基本波が発生することになる。これは図５に見られる片持ち条件である。図５は、片持ちビーム（末端オフセットスタブ）の固有モードの形態を示す概略図である。変位形態は純粋な撓み運動を示している。

しかしながら、スタブの回転剛さをこの高い値から低い値に低下させることによって、ビームのｆ０が低下し、ビームの撓み運動に対する依存が少なくなり、より剛体に近い状態になる。図６を参照されたい。図６は、ビームの回転を許容する柔らかいスタブを備えたパネルに結合されたビームのモード形態の概略図であり、該モード形態は、ビームでの幾分かの撓みと幾らかの回転に基づく並進運動を示している。０の回転剛さという極限の場合においては、モードは０Ｈｚまで低下して剛体モードになる。参照番号（９）は、パネル（５）の背後に捉えられた空気層を表し、シミュレーションでは、この空気層がパネルに結合して、パネルにおける共振のモードのセットに影響を及ぼし、参照番号（１０）は、パネル（５）及び変換器（１）によって形成されたラウドスピーカを含む携帯電話の本体を表す。ビーム（２）の反りは、この反りを見ることができるようにするために、大きく誇張されている点に留意されたい。

図７に見られるように、この回転のコンプライアンスを選択することにより、ビームのｆ０は、中心に取り付けられ且つ長さが２倍のビームのｆ０よりも小さくすることができ、この効果を示すためにＦＥ解析が使用された。図７は、３つの条件：すなわち、中心に取り付けられた３６ｍｍのビーム、端部に剛直スタブを備えた半分の長さのビーム、及び端部にコンプライアントなスタブを備えた半分の長さのビームによって生成されたブロック力のシミュレーションのグラフである。硬いスタブの場合は、ビームを剛化し、長さを僅かに効果的に短縮する。

中実のスタブは、３つの並進移動軸と３つの回転移動軸で同じ剛さを有することになる。スタブの断面形状を適切な外形にすることによって、これら６つの異なる軸で異なる剛さを生成することができる。その結果、異なる軸でのモードが異なる周波数で発生することになる。負荷インピーダンスが非対称の場合、図８に見られるように、ビーム面に垂直でない方向の運動を含むモードがパネルに結合することができ、これはモード密度の増大をもたらす。図８ａは、スタブの剛さを変えることによって生成された音圧に対する効果のシミュレーションのグラフである。図８ｂは、１−ビーム断面の柔らかいスタブ（６）に取り付けられた変換器を備えたパネル（５）を有するパネル形ラウドスピーカの斜視図であり、面内で運動するＤＭＡを示している。図８に示された面内モードにおいて、パネルの面に垂直な軸（８）の周りの回転剛さが無視されるときには、このモードは存在しない。この場合、第１のモードは、ビームの短い縁部に沿った軸の周りの回転剛さに部分的に起因するものであり、第２のモードは、ビームに垂直な軸の周りの剛さに起因するものである。ビームの長さに沿って運動する軸の周りの最後の回転軸もまた、モードを生成することになる。

異なる軸で異なる剛さを与えるスタブ形状の例は、Ｉ−断面である。図９を参照されたい。図９は、垂直バーの長さが変動するポリカーボネートＩ−断面スタブのブロック力に対する効果のシミュレーショングラフである。スタブの全幅は３ｍｍ、内部バーの幅は１ｍｍ、バーの長さはグラフ上で定められている。

基本共振をビーム内の純粋な撓み運動から部分的な並進運動に変えることによって、ビーム内の応力は基本波で低減される。衝撃時に基本共振が最も多くのエネルギーを受け取ることになり、変形の大部分がスタブ内で発生するので、ビームは損傷することなく残る可能性が高い。

１−ビーム断面のスタブを説明してきたが、例えば台形、円筒形など多くの他のスタブ断面を使用してもよい。

本発明の電気機械式力変換器の第１の実施形態の側面図である。 電気機械式力変換器の部分側面図である。 本発明の電気機械式力変換器の第１の実施形態の側面図である。 単一ビーム変換器と図１の変換器のブロックされた力を比較したグラフである。 減衰されていない二重ビームＤＭＡ、１／２減衰されたＤＭＡ（すなわち、共振素子の半分の長さにわたって共振素子間に接合された減衰材料を使用したもの）、及び完全に減衰された二重ビームＤＭＡ変換器とで音圧を比較したグラフである。 単一ビームアクチュエータの側面図である。 本発明の電気機械式力変換器の第２の実施形態の側面図である。 異なる条件下でブロックされた力を比較したグラフである。 異なる条件下で音圧を比較したグラフである。 パネル縁部に装着された図６に示された種類の変換器の斜視図である。 異なるコンプライアントスタブを使用してブロックされた力を比較したグラフである。

符号の説明

１ 変換器
２ 第１の圧電ビーム
３ 第２の圧電ビーム
４ 剛性スタブ
５ 構造体
６ 剛性スタブ
７ 低剛さ層

Claims (22)

1. 複数の共振素子と、
   少なくとも２つの隣接共振素子の隣接面の間に結合された減衰層と、
   前記少なくとも２つの共振素子を支持しており、力が加えられるべき場所に変換器を結合するためのスタブ部材と、
   を備える電気機械式力変換器であって、
   前記減衰層が、前記２つの隣接共振素子の両方の隣接面に接合されており、
   前記スタブ部材は並進運動軸及び回転運動軸を有し、該スタブ部材の剛さは、前記共振素子の、前記並進運動軸に沿った並進運動と、前記回転運動軸周りの回転運動を許容するものである
   ことを特徴とする電気機械式力変換器。
2. 前記減衰層が、発泡プラスティックであることを特徴とする請求項１に記載の変換器。
3. 前記発泡プラスティックは、低反発特性であることを特徴とする請求項２に記載の変換器。
4. 前記減衰層が、前記共振素子の前記隣接面の全体又は実質的な部分に接合された層の形態であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の変換器。
5. 前記共振素子は、ビーム状であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の変換器。
6. 前記スタブ部材は３つの並進運動軸及び３つの回転運動軸を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の変換器。
7. 前記スタブ部材は、並進及び回転運動軸で異なる剛さを有し、これにより異なる軸内のモードが異なる周波数で発生することを特徴とする請求項６に記載の変換器。
8. 前記共振素子のパラメータは、アスペクト比、撓み剛性の等方性、厚さの等方性、及び幾何学的寸法から成るグループから選択されたパラメータにより、前記動作周波数範囲内で前記要素のモードの分布を高めるように選択されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の変換器。
9. 前記共振素子の少なくとも１つは、例えば圧電材料からなる能動素子であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の変換器。
10. 前記減衰層は、前記隣接面の実質的に全体間に結合されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の変換器。
11. 変換器の動作周波数範囲内にモードの周波数分布を有するプレート状共振素子と、
    少なくとも１つの基準層と、
    前記共振素子の面と前記少なくとも１つの基準層の隣接する面との間に結合された減衰層と、
    力が加えられるべき場所に前記変換器を結合するためのスタブ部材と、
    を備え、
    前記スタブ部材は、該スタブ部材の回転軸周りの回転変位に伴い前記共振素子の並進方向移動を可能にする低い回転軸周りの回転剛さを有するように構成された電気機械式力変換器であって、
    前記減衰層は、前記共振素子の面と前記少なくとも１つの基準層の前記隣接する面の両方に接合されていることを特徴とする電気機械式力変換器。
12. 前記スタブ部材は、前記並進及び回転軸内に異なる剛さを有し、これにより異なる軸内のモードが異なる周波数で発生することを特徴とする請求項１１に記載の変換器。
13. 前記スタブ部材の断面形状は、非円形であることを特徴とする請求項１１又は請求項１２に記載の変換器。
14. 前記スタブ部材の断面形状は、Ｉ形断面であることを特徴とする請求項１３に記載の変換器。
15. 前記共振素子のパラメータは、アスペクト比、撓み剛性の等方性、厚さの等方性、及び幾何学的寸法から成るグループから選択されたパラメータにより、前記動作周波数範囲内で前記要素のモードの分布を高めるように選択されることを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれか１項に記載の変換器。
16. 前記動作周波数範囲内においてモードの周波数分布を有する複数の共振素子を備えることを特徴とする請求項１１乃至１５のいずれか１項に記載の変換器。
17. 前記共振素子又はその少なくとも１つは、例えば圧電材料からなる能動素子であることを特徴とする請求項１１乃至１６のいずれか１項に記載の変換器。
18. 前記基準層の少なくとも１つ又は全部が可撓性であることを特徴とする請求項１１乃至１７のいずれか１項に記載の変換器。
19. 前記基準層の少なくとも１つ又は全部は、寸法変化に対して高い抵抗を有することを特徴とする請求項１８に記載の変換器。
20. 前記基準層の少なくとも１つ又は全部は、箔からなることを特徴とする請求項１９に記載の変換器。
21. 前記共振素子は、前記変換器の動作周波数範囲内においてモードの周波数分布を有することを特徴とする請求項１乃至２０のいずれか１項に記載の電気機械式力変換器。
22. 請求項１乃至２１のいずれか１項に記載された変換器と、前記変換器が結合される撓み波パネル形の音響放射体とを備えるラウドスピーカ。

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