JP5669078B2 - 圧電スピーカおよびこれを用いた警報機付きセンサ - Google Patents
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Description
この構成により、フィルム状体は、当該フィルム状体の共振周波数に合わせて物性的に粗な部分が同心円状に形成された粗密部を有することから、同相モードを形成する周波数で圧電スピーカの振動部を構成するフィルム状体の変位を大きくして音圧を向上することができる。例えば、外周方向に山部若しくは谷部又はその両方を形成した構造の他、形状的には平板であって、同心円状に粗密部あるいは弾性率の小さい領域と大きい領域とを交互に形成し、外周方向に山部若しくは谷部又はその両方を形成し易いように構成することで、振幅をより大きくすることができる。
また、この構成により、フィルム状体は、外周方向に山部若しくは谷部又はその両方を有していることで、同相モードを形成する周波数で圧電スピーカの振動部を構成するフィルム状体の変位を大きくして音圧を向上することができる。
また、この構成により、固有周波数の振動モード(固有振動モード)での変位をさらに大きくすることができる。
この構成により、固有振動モードの節の位置は変位しないようにすることで振動モードでの変位をさらに大きくすることができる。
この構成により、蛇腹の腹の頂点と振動モードの腹の頂点が一致していることで振動モードでの変位をさらに大きくすることができる。
この構成により、ラウドネスが最大となる周波数範囲を設定することで感覚的に大きな音を放射することができる。
この構成によれば、接着剤を用いることなく取り付けることができることから、生産性が向上する。また音響インピーダンスが高くなり、駆動電流を小さくすることができる。
この構成によれば、圧電体と張り合わせることで、ユニモルフ構造を形成することができ、高効率の圧電スピーカを構成することができる。
この構成により1次共振周波数(1kHz)以下での音圧を最大にすることができる。
この構成により、フィルムに山部または谷部を形成し易く、安価で、耐熱性が良好で信頼性の高い圧電スピーカを構成することが可能となる。
この構成によれば、高域のアラーム音と低域の報知音声などを発することのできる発音体を具備し、安価で信頼性の高いセンサを提供することが可能となる。
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1に係る圧電スピーカについて図1乃至図4を参照して説明する。
本実施の形態の圧電スピーカ1は、圧電振動子2と、圧電振動子2の周囲に設けられ圧電振動子2を保持するフィルム状体3と、フィルム状体3の外周部を支持するフレーム4とを具備しており、このフィルム状体3が、腹と節が同心円状に形成される同相モードの固有周波数に対応して、外周方向に山部および谷部をもつ蛇腹構造で構成され、前記圧電振動子と前記フィルム状体とで発音体を形成するようにしたことを特徴とするものである。圧電振動子2は、圧電素子よりなる圧電体21と圧電体21より大径で圧電体21の表面に同心状に取り付けられた板状体としての金属板22とを有する。圧電体21は、例えば、厚みが0.05〜0.1mm、密度が8.0(1E+3kg/m3)のチタン酸ジルコン酸鉛(lead zirconium titanate)である。金属板22は、例えば、厚みが0.05〜0.1mm、密度が8.15(1E+3kg/m3)の42ニッケルアロイ(ニッケルを42%含む鉄ニッケル系合金)であり、圧電体21と金属板22の厚みは同等にすることが望ましい。圧電体21と金属板22は、例えばエポキシ樹脂からなる接着剤によって全面を貼着されている。圧電体21の表面には、銀電極が設けられリード線(図示せず)が鉛フリーはんだを介して接続されており、電極に信号電圧を加えることにより圧電体21が歪み、その振動を音(空気の振動)として放射する。
f=1/(2π)・(k/m) 1/2
によって表される。従って、圧電スピーカ1の共振周波数f 0 は、フィルム状体3のばね定数をk 0 、圧電振動子2の質量をm 0 とすると
f 0 =1/(2π)・(k 0 /m 0 ) 1/2
によって表される。そして、フィルム状体3のばね定数k 0 は、フィルム状体3のヤング率をE、フィルム状体3の厚さをh、フィルム状体3の径方向の長さをLとすると、
k 0 =E・h 3 /L 2 /4
によって表される。
f 2 /f 1 =L 1 /L 2 =7/6
となる。従って、共振周波数f 2 は共振周波数f 1 の約1.2倍になり、210Hzや100Hz付近に大きな音圧のピークができている。このような圧電スピーカ1はフィルム状体3の外径を大きくすれば音圧を大きくすることができるが、フィルム状体3の外径が制約されている場合には、上述したように、フィルム状体3のヤング率、厚さ、径長さを変えることによって共振周波数を変え、任意の周波数の領域の音圧を大きくすることができる。
比較のために金属板22と圧電体21との半径の比を略R:rを10:6としたときの、周波数と音圧との関係を測定した結果を図12に曲線bで示す。いずれも、共振周波数は所望の値2から4kHzを得ることができるが、曲線aの場合は一次共振周波数を得ることができている点で優れている。このように、金属板22と圧電体21との半径の比を略R:rを10:4とすることで1kHz以下の低周波帯域での音圧を大きくすることが可能である。
次に、本発明の実施の形態2について説明する。
本実施の形態では、図13(a)乃至(c)に示すように、フィルム状体3の蛇腹構造は蛇腹と振動モードの腹が1対1で対応し、振動モードの節の位置には、蛇腹(山部と谷部)が存在しないように構成したことを特徴とするものである。ここでも、圧電スピーカの構造としては、蛇腹の形状以外は前記実施の形態1と同様である。
次に、本発明の実施の形態3について説明する。
次に、3次共振について測定した結果について説明する。
図1乃至4に示した前記実施の形態1と同様の圧電振動子2を35Φの大きさに形成し、35Φの圧電振動子2のみの場合(曲線a)、35Φの圧電振動子2に50Φのフィルム状体3を接続した場合(曲線b)、35Φの圧電振動子2に50Φの蛇腹ありフィルム状体3を接続した場合(曲線c)について、音圧と共振周波数との関係を測定した結果を図14に示す。
また図15はこの3次共振点近傍の拡大図である。
この図から明らかなように曲線bは低音域の音圧が向上しており、曲線cは3kHz近辺の音圧が向上している。
本発明の実施の形態4について説明する。
前記実施の形態1乃至3では、蛇腹構造のフィルム状体を用いたが、本実施の形態の圧電スピーカ1Sでは、蛇腹構造ではなく、図16に示すように平坦なフィルム状体3に、ドーピングを行いドーピング領域3Dを形成したことを特徴とするものである。本実施の形態では、選択的に弾性率の高い領域を構成することで、共振周波数に対応してこのドーピング領域3Dが節となる圧電スピーカを形成することができる。
この構成によっても、3次共振での音圧の増大をはかることができる。
これらの場合も、物性的に粗な部分を有する粗密部を形成したのと同等であり、共振しやすくなり、変位を増大し、より大きな音圧を得ることが可能となる。
本発明の実施の形態5について説明する。
本実施の形態では、前記実施の形態1で説明した圧電スピーカを用いた火災報知機について説明する。
この火災報知機は、火災が発生すると煙検知部で煙を検知して、音(“ビュー、ビュー、ビュー”という警報音、“火事です”“電池切れです”というような報知音声)で居住者に知らせるもので、図17に示すように、圧電スピーカ1をボディ103と光学式煙検知部102で挟み込み、裏カバー104、電池106と共にベース105に装着したものである。101は孔Hを有するカバーである。
これら2つの送信素子および受信素子の先端間距離は約70mmである。
また、この角材の中央部に、長さ方向の貫通孔と直交するように、同じく4.2mmの孔をドリルであけた。この孔を煙が通過し、LEDからの光をブロックし、ホトトランジスタへ到達する光量を低下させ、端子に入る電圧値を増加させる。例えば光源LED用のVR(10K)を6.8KW位に調整して、LEDに流れる電流を0.37mAにし、受光側(ホトトランジスタ)のVR(20k)を適当に調整すると、そして素子チップに入る電圧値は、煙が無い時に0.6V前後、煙が入ってくると最高3V位まで上昇する。つまり、煙の有無を、この電圧値の差で検知するわけである。煙が孔に入ってある基準以上の濃度に達すると、その濃度が保たれることを6秒間ほどチェックし、変わらなければ約150秒間、音(“ビュー、ビュー、ビュー”という警報音)を鳴らして止まる。但し、煙の濃度が高く保たれ続ければ、再び、警報音は鳴り続ける。
また圧電振動子で構成された圧電スピーカの実装形態としては、前記実施の形態に限定されることなく、適宜変更可能である。
2 圧電振動子
21 圧電体
22 金属板
3 フィルム状体
3M 山部
3V 谷部
3F 腹部
3D ドーピング領域
4 フレーム
103 ボディ
102 光学式煙検知部
104 裏カバー
105 ベース
106 電池
101 カバー
H 孔
Claims (10)
- 圧電素子よりなる圧電体と、
前記圧電体より大径で前記圧電体の表面に同心状に装着された板状体と、を有する圧電振動子と、
前記圧電振動子の周囲に設けられ前記圧電振動子を弾性的に保持するフィルム状体と、
を備え、
前記フィルム状体は、前記圧電振動子の周囲に設けられ前記圧電振動子を弾性的に保持するとともに、腹と節が同心円状に形成される同相モードの固有周波数に対応して、外周方向に山部若しくは谷部又はその両方を有する蛇腹構造のフィルム状体で構成されるとともに、当該蛇腹構造の腹が、固有周波数の振動モードの腹の頂点と一致するように構成され、
前記圧電振動子と前記フィルム状体とで発音体を形成した圧電スピーカ。 - 請求項1に記載の圧電スピーカであって、
前記振動モードの節の位置には、蛇腹(山部と谷部)が存在しないように構成された圧電スピーカ。 - 請求項1に記載の圧電スピーカであって、
前記フィルム状体の蛇腹構造は蛇腹と前記振動モードの腹が1対1で対応しており、蛇腹の腹の頂点と振動モードの腹の頂点が一致している圧電スピーカ。 - 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の圧電スピーカであって、
前記固有周波数は2kHz〜4kHzの間の共振点である圧電スピーカ。 - 請求項1乃至4のいずれか一項に記載の圧電スピーカであって、
前記フィルム状体のエッジは弾性体を介して保持される圧電スピーカ。 - 請求項5に記載の圧電スピーカであって、
前記弾性体はポリウレタンフォームまたは熱可塑性のエラストマである圧電スピーカ。 - 請求項1乃至6のいずれか一項に記載の圧電スピーカであって、
前記板状体は、金属板である圧電スピーカ。 - 請求項7に記載の圧電スピーカであって、
前記金属板及び前記圧電体は略円板形状であって、前記金属板と前記圧電体との半径の比が略10:4である圧電スピーカ。 - 請求項1乃至8のいずれか一項に記載の圧電スピーカであって、
前記フィルム状体は、樹脂フィルムである圧電スピーカ。 - 請求項1乃至9のいずれか一項に記載の圧電スピーカと、
事象を検出するセンサ素子と、
前記センサ素子の出力に応じて前記圧電スピーカを駆動する駆動部とを具備した警報機付きセンサ。
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