JP6382707B2 - 音響発生器およびこれを備えたスピーカー - Google Patents

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Description

本発明は、例えば振動板に貼り付けて音を出す音響発生器およびこれを備えたスピーカーに関するものである。
例えばパネルのような振動板に貼り付けて音を出す音響発生器として、振動板に圧電素子を貼り付け、当該圧電素子を主に振動板と平行な方向に伸縮するように駆動させて振動板を振動させる、いわゆるd31モードを利用した音響発生器が知られている(例えば特許文献1を参照)。
また、積層型の圧電素子を備え、主に積層方向に伸縮する圧電アクチュエータが知られており(例えば特許文献2を参照)、この圧電アクチュエータを音響発生器として振動板に貼り付け、当該圧電アクチュエータを主に振動板と垂直な方向に伸縮するように駆動させて振動板を振動させる、いわゆるd33モードを利用した音響発生器が考えられる。
特表2002−539699号公報 特開平06−283778号公報
ここで、d31モードを利用した音響発生器に比べて、d33モードを利用した音響発生器のほうが圧電素子の発生力が大きく、音圧レベルを向上させることができる。
しかしながら、d33モードにおいては、中周波数帯域および高周波数帯域の音圧レベルに比べて、低周波数帯域の音圧レベルが低く、低周波数帯域の音圧レベルの向上が求められている。
同様に、この音響発生器を振動板に固着したスピーカーについても低周波数帯域の音圧レベルの向上が求められている。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、低周波数帯域も含む全帯域における音圧レベルを向上させることのできる音響発生器およびこれを備えたスピーカーを提供することを目的とする。
本発明の音響発生器は、開口部を有するケース本体および前記開口部を塞ぐように設けられた底板を有するケースと、該ケースの前記底板上に配置された積層型圧電素子と、前記底板の外面に第2の主面が接合された外部接合板とを備え、前記外部接合板の前記第2の主面と対向する第1の主面の外縁が前記積層型圧電素子の底板側の面の外縁よりも外側に位置しているとともに、前記外部接合板の前記第1の主面の外縁が前記外部接合板の前記第2の主面の外縁よりも外側に位置している
また、本発明のスピーカーは、上記の音響発生器と、該音響発生器を構成する前記外部接合板の前記第1の主面が固着された振動板とを備えている。
本発明の音響発生器およびこれを備えたスピーカーによれば、低周波数帯域も含む全帯域における音圧レベルを向上させることができる。
(a)は本実施形態の音響発生器の一例を示す概略斜視透過図、(b)は(a)に示す音響発生器の概略縦断面図である。 図1に示す積層型圧電素子の概略斜視図である。 本実施形態の音響発生器の他の例を示す概略縦断面図である。 本実施形態の音響発生器の他の例を示す概略縦断面図である。 本実施形態の音響発生器の他の例を示す概略縦断面図である。 本実施形態のスピーカーの一例を示す概略縦断面図である。
以下、添付図面を参照して、本実施形態の音響発生器について詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
図1(a)は本実施形態の音響発生器の一例を示す概略斜視透過図、図1(b)は図1(a)に示す音響発生器の概略縦断面図である。図1に示す本実施形態の音響発生器1は、開口部を有するケース本体21および開口部を塞ぐように設けられた底板22を有するケース2、ケース2の底板22上に配置された積層型圧電素子3と、底板22の外面に第2の主面42が接合された外部接合板4とを備え、外部接合板4の第2の主面42と対向する第1の主面41の外縁が積層型圧電素子3の底板側の面である第1の端面301の外縁よりも外側に位置している。
図1に示すケース本体21は、鉛直方向に延びる円筒状の筒状部211の一端(上端)に天板部212を有し、他端(下端)は開口している形状、いわゆる有底筒状のもので、少なくとも積層型圧電素子3が収容される内部空間を有している。ケース本体21は、後述する積層型圧電素子3の駆動力を底板22へ十分に伝えるために変形の少ないものであるのが好ましく、例えばステンレス、アルミニウム、黄銅などの金属、ABS樹脂、ポリアセタール、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレンなどの樹脂で形成される。筒状部211および天板部212の厚みは例えば1mm〜20mmに設定される。
筒状部211を天板部212に対して平行に切断したときの断面形状および天板部212の形状としては、例えば円形、楕円形あるいは多角形などが挙げられる。例えば円形であれば、後述する底板22の外縁にほぼ均等に力が伝わって振動するので、発生する振動の周波数の乱れを少なくすることができる。
筒状部211の長さは、例えば5mm〜50mmに設定される。また、筒状部211が円筒状の場合の筒状部211の内径は、例えば30mm〜50mmに設定される。ここで、後述する積層型圧電素子3の幅(例えば2mm〜3mm)に対して筒状部211の内径が大きいのは、底板22の面積を大きくして、低周波数帯域の音圧を上げるためである。
なお、後述する底板22の振動を妨げず、底板22の変形に対して十分に小さい変形となる範囲内で、筒状部211または天板部212が変形するようになっていてもよい。例えば、筒状部211の厚みよりも天板部212の厚みが薄くなっていたり、筒状部211がベローズ状(蛇腹状)に形成されていたり、筒状部211の少なくとも一部がバネ形状になっていたりしてもよい。
そして、ケース本体21の筒状部211の他端である開口部を塞ぐように底板22が設けられている。底板22は、ケース本体21の筒状部211の形状に合わせて、平面視し
たときの形状が例えば円形、楕円形あるいは多角形に形成されている。そして、ボルト締め、両面テープによる接着などでケース本体21の筒状部211の開口部に固定される。この底板22はケース本体21と同様の材質からなり、例えばステンレス、アルミニウム、黄銅などの金属、ABS樹脂、ポリアセタール、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレンなどの樹脂で形成される。底板22は天板部212よりも変形しやすくなっており、例えば天板部212の厚みの50%以下の厚みに設定され、例えば0.5mm〜2mmに設定される。
ケース2を構成するケース本体21および底板22は、切削加工や、金属の場合は鋳造、樹脂の場合はインジェクション成型などにより作製され、ケース2の内部には、底板22を振動させるように積層型圧電素子3が底板22上に配置されて収容されている。より詳しくは、積層型圧電素子3は、筒状部211に平行であって底板22の主面に垂直な方向(図の鉛直方向)と、当該積層型圧電素子3の積層方向とが同じ方向となるようにケース2の内部に収容されている。このように配置することで、いわゆるd33モードを利用した音響発生器1とすることができ、積層型圧電素子3の発生力が大きく、底板22および当該底板22を貼り付けた振動板を大きく変形させることが可能となり、音圧レベルを向上させることができる。なお、積層型圧電素子3は底板22を振動させることができればよく、積層型圧電素子が底板22に当接されているほか、積層型圧電素子3の底板側の面である第1の端面301と底板22との間に介在物があってもよい。
ここで用いられる積層型圧電素子3は、図2に示すように、例えば、圧電体層31および内部電極層32が交互に積層された積層体33と、積層体33の側面に積層方向に長く被着されて内部電極層32の一つの側面へ導出された端部に電気的に接続された外部電極層34と、外部電極層34に沿って導電性接合材35によって接合された外部電極板36とを備えている。なお、図には表れていないが、外部電極層34および外部電極板36が設けられた一つの側面と対向する反対側の側面にも、外部電極層34および外部電極板36が設けられている。
積層体33は、圧電体層31および内部電極層32が交互に積層されて、例えば縦0.5〜10mm、横0.5〜10mm、高さ1〜50mmの四角柱状に形成されたもので、内部電極層32の端部が交互に積層体33の互いに反対側となる対向する側面に導出されている。なお、積層体33の形状に特に限定はない。
圧電体層31は、圧電特性を有するセラミックスで形成されたもので、このようなセラミックスとして、例えばチタン酸ジルコン酸鉛(PbZrO−PbTiO)からなるペロブスカイト型酸化物、ニオブ酸リチウム(LiNbO)、タンタル酸リチウム(LiTaO)などを用いることができる。
内部電極層32は、圧電体層31を形成するセラミックスと同時焼成により形成されたもので、この形成材料として、例えば圧電磁器との反応性が低い銀−パラジウム合金を主成分とする導体、あるいは銅、白金などを含む導体を用いることができる。
外部電極層34は、例えば銀とガラスからなるペーストを塗布して焼き付けて形成されたもので、積層体33の側面に積層方向に長く被着されている。そして、外部電極層34は、内部電極層32の側面へ導出された端部に電気的に接続されている。
外部電極板36は外部電極層34に沿って設けられていて、導電性接合材35によって接合されている。外部電極板36は、例えばステンレスなどの金属板からなり、図2に示すように幅方向にスリットや孔が形成されていてもよい。また、導電性接合材35は、例えばポリイミド樹脂などの熱硬化性樹脂中に例えば銀などのフィラーがほぼ均一に分散し
てなるものである。
また、外部電極板36の表面には、はんだ37を介してリード部材38が接続されている。その後、必要により、シリコーン樹脂を含む樹脂溶液に、リード部材38が接続された積層体33を浸漬し、樹脂溶液を真空脱気するなどして、積層体33の外周側面にシリコーン樹脂層を形成してもよい。樹脂層を形成する樹脂は、シリコーン樹脂に限らず、エポキシ樹脂、アクリル樹脂などでもよい。
そして、製造時にはリード部材38に0.1〜3kV/mmの直流電界を印加することで、積層体33を構成する圧電体層31が分極される。また使用時には、リード部材38を外部電源に接続して電圧を印加することで、逆圧電効果により積層型圧電素子3が伸縮するようになる。
積層型圧電素子3の底板22側の面である第1の端面301(図に示す下側の端面)は底板22に当接し、積層型圧電素子3の第2の端面302(第1の端面301と対向する面、図1においては上面)はケース本体21の天板部212に当接している。組み付け後の底板22は積層型圧電素子3の振動を振動板5に伝える役目以外に積層型圧電素子12の保持の役目がある。例えば、積層型圧電素子3の保持の際の底板22のたわみ量は、ケース2の外部へ1mmの範囲になるように設定される。
ここで、積層型圧電素子3の第1の端面301は底板22に接着剤などで接着されていてもよく、積層型圧電素子3の第2の端面302はケース本体21の天板部212に接着剤などで接着されていてもよい。また、接着剤を用いて接着せずに、積層型圧電素子3が天板部212および底板22の面内方向にずれたり傾いたりするのを制限するように、例えば筒状部211に突起を設けるなどしてもよい。なお、底板22と積層型圧電素子3とが直接接触しておらず、これらの間に介在するものが設けられていてもよい。同様に、天板部212と積層型圧電素子3とが直接接触しておらず、これらの間に介在するものが設けられていてもよい。
底板22の外面には、外部接合板4の第1の主面41と対向する第2の主面42が接合されている。この外部接合板4は、本例の音響発生器1を図6に示すような外部の振動板5と組み合わせてスピーカーとして使用する際に、振動板5に固着される部分である。第2の主面42とは、外部接合板4の底板22に面する側の主面のことである。外部接合板4の底板22への接合には、樹脂系接着剤や、粘弾性体をシート状に成型したものや、基材層と粘弾性体からなる層とを積層した構成の両面テープなどを用いることができ、これらの材料としてアクリル系、エポキシ系等の接着剤やゴム系、アクリル系、シリコーン系、ウレタン系等の粘着剤が用いられる。また、基材層としては、アセテートフォーム、アクリルフォーム、セロハン、ポリエチレンフォーム、紙、不織布が用いられる。
ここで、外部接合板4として、ステンレス、アルミニウム、黄銅などの金属からなるものを採用することができる。金属は弾性変形領域が広いので、変形の反力を積層型圧電素子3自身が底板22を押す力に付加することができる。また、金属はバネ性があるので変形した際のエネルギーが熱に変換されにくいため、押す力がロスされず高い力を維持して、底板をより変形させることができる。したがって、全体の音圧レベルを向上させることができる。一方、外部接合板4として、ABS樹脂、ポリアセタール、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレンなどの樹脂からなるものを採用することもできる。樹脂は振動の減衰率が高いので、高周波数帯域に見られるピークとディップとの音圧レベル差を小さくして、音質を向上させることに寄与させることができる。なお、外部接合板4は、切削加工や、金属の場合は鋳造、樹脂の場合はインジェクション成型などにより作製され、積層型圧電素子3の積層方向に垂直な方向に切断した断面で見て、例えば円形、四角形あ
るいは多角形などに形成される。この外部接合板4の厚みは、例えば1mm〜30mmに設定される。
そして、外部接合板4の第1の主面41の外縁が積層型圧電素子3の第1の端面301の外縁よりも外側に位置している。なお、この構成は、底板22の主面に垂直な方向であって積層型圧電素子3の積層方向から見たときの位置関係を特定したものであり、図に示すように外部接合板4の主面に垂直な断面によって確認することができ、以下同様である。ここで、第1の主面41とは、外部接合板4の底板22に面する側とは反対側の主面のことである。外部接合板4が円板状の場合の断面の外径は、積層型圧電素子3の幅よりも長く、筒状部211の内径よりも短く、例えば5mm〜45mmに設定される。
音響発生器1を構成する底板22が図6に示す外部の振動板5に直接固着されて、積層型圧電素子3の伸縮による力が底板22を介して直接振動板5に伝えられるのではなく、上記構造の外部接合板4を介して積層型圧電素子3の伸縮による力が振動板5に伝えられることで、振動板5がより大きな面積で押されるようになる。したがって、音響発生器1が固着される振動板5の振動の波長が長くなり、低周波数帯域の音圧レベルを含む全帯域における音圧レベルを向上させることができる。また、高周波数帯域に見られるピークとディップとの音圧レベル差を小さくすることもでき、これによる音質の向上の効果も得られる。
ここで、図3〜図5に示すように、外部接合板4の第1の主面41の外縁が外部接合板4の第2の主面42の外縁よりも外側に位置している構成であってもよい。外部接合板4が断面円形の円板状の場合、第2の主面42の外縁の内径に対して、第1の主面41の外縁の内径は例えば50〜80%の長さに設定される。
この構成によれば、外部接合板4における第1の主面41が第2の主面42よりも広くなっているので、第1の主面41の外縁付近がこれに固着された振動板5の変形に沿って変形して追従するようになる。また、外部接合板4に固着された振動板5が大きく変形したときの外部接合板4における第1の主面41の外縁付近の振動板5との接触部が線接触から面接触となって接触面積が増えるようになる。これらによって、高周波帯域に見られるピークとディップとの音圧レベル差をより小さくすることができる。また、接触面積の増加によって、振動板5に積層型圧電素子3の駆動力が伝わりやすくなり、低周波数帯域の音圧レベルを含む全帯域における音圧レベルを向上させることができる。
さらに、図4および図5に示すように、外部接合板4の第2の主面42の外縁が積層型圧電素子3の第1の端面301の外縁よりも外側に位置していてもよい。
なお、図4は外部接合板4の断面積が第2の主面42から第1の主面41に向かって徐々に増加する形状(例えば円錐台、角錐台などの錐台形状)であり、図5は外部接合板4の断面積が第2の主面42から第1の主面41に向かって段階的に増加する形状(例えば凸型の円板、矩形板などの形状)である。
外部接合板4の第2の主面42の外縁が積層型圧電素子3の第1の端面301の外縁よりも外側に位置していることで、外部接合板4の第2の主面42の外縁が積層型圧電素子3の第1の端面301の外縁よりも内側に位置している構成と比べて、積層型圧電素子3の駆動力が底板22を介して確実に振動板5に伝えられる。
これまで述べた音響発生器1は、図6に示すように、音響発生器1の外部接合板4を振動板5に貼り付けて、積層型圧電素子3の駆動によって振動板5を振動させるスピーカーとすることができる。スピーカーは、音響発生器1で振動を発生させ、それによって設置
対象物となる振動板5を振動させることで音響を発生させるものである。振動板5としては、石膏ボードからなるものを採用できる。
具体的には、増幅器によって増幅された電気信号が音響発生器1を構成する積層型圧電素子3に入力されて、振動板5が振動する。例えば、1V程度の電気信号が±50V程度まで増幅されて入力される。
音響発生器1は、例えば接着剤や両面テープを用いて振動板5に貼り付けられる。例えば屋内設備の天板や壁を振動板5として利用することができ、これらに音響発生器1を設置して、設置された天板全体や壁全体を音響発生器1が振動させることで、天板や壁から音や音楽を発生させることができる。天板や壁は、石膏ボード、アクリル樹脂、建設用木材などでもよく、音響発生装置として機能する所望の厚さになっていればよい。
以下、音響発生器およびこれを備えたスピーカーの具体例について説明する。
次に、積層型圧電素子は縦が2mm、横が2mm、長さが25mmの四角柱状に作製した。
ケースは、外径が50mm、高さが30mmの円柱形状に切削加工によりくり貫きを設けた形状とし、くり貫き部の寸法を直径35mm、深さが25mmとした。材質はSUS304とし、天板部の厚みを5mmとした。底板は、円板形状で外径50mm、厚み1mmとした。
そして、音響発生器の試料を4つ用意した(試料1〜3)。試料1(比較例)は、積層型圧電素子、ケース本体および底板を用いて作製し、外部接合板を備えない音響発生器とした。
試料2(実施例)は、積層型圧電素子、ケース本体、底板および外部接合板を用いて作製した。ここで、外部接合板はSUS304からなり、断面の直径が30mmの円板形状で、厚みを10mmとしたものを用い、第2の主面の全域を底板に両面テープで貼り付けた。なお、両面テープは、アクリルフォームからなる基材層の両面にアクリル系粘着剤を備えた構成のものを用いた。
試料3(実施例)は、積層型圧電素子、ケース本体、底板および外部接合板を用いて作製した。ここで、外部接合板はSUS304からなり、底板の外面に接合する側の第2の主面の直径が1.8mm、反対側の第1の主面の直径が30mmの円錐台形状で、厚みを10mmとしたものを用い、第2の主面の全域を底板に上記の両面テープで貼り付けた。
試料4(実施例)は、積層型圧電素子、ケース本体、底板および外部接合板を用いて作製した。ここで、外部接合板はSUS304からなり、底板の外面に接合する側の第2の主面の直径が5mm、反対側の第1の主面の直径が30mmの円錐台形状で、厚みを10mmとしたものを用い、第2の主面の全域を底板に上記の両面テープで貼り付けた。
試料5(実施例)は、積層型圧電素子、ケース本体、底板および外部接合板を用いて作製した。ここで、外部接合板はABS樹脂からなり、試料4と同様に、底板の外面に接合する側の第2の主面の直径が5mm、反対側の第1の主面の直径が30mmの円錐台形状で、厚みを10mmとしたものを用い、第2の主面の全域を底板に上記の両面テープで貼り付けた。
これらの音響発生器について、外部接合板の第1の主面の全域を、縦1600mm、横900mm、厚み10mmの石膏ボード上に上記の両面テープで貼り付けてスピーカーとし、音圧特性を評価した。
駆動条件はサインスイープで、振幅±15Vで、周波数を100Hzから20,000Hzまで連続的に変更させた。測定に際し、無響室内にてマイクロフォンを1mの下方に設置し、集音した。集音したデータは周波数ごとの音圧レベル値に変換し、比較を行った。
測定した結果、全周波数(100から20kHz)での平均音圧レベルは、試料1が67dB、試料2が72dB、試料3が74dB、試料4が77dB、試料5が79dBとなり、外部接合板を備えることで全周波数での音圧レベルの向上が認められた。また、低周波数帯域(100Hzから1kHz)での平均音圧レベルは、試料1が62dB、試料2が67dB、試料3が70dB、試料4が73dB、試料5が75dBとなり、外部接合板を備えることで低周波数での音圧レベルの向上も認められた。
また、高周波数帯域である5kHzから10kHz付近に見られるピークとディップとの音圧レベル差は、試料4が12dB、試料5が8dBで、外部接合板の材質を金属(SUS304)から樹脂(ABS樹脂)に変更することで、低減されることが確認された。
1 音響発生器
2 ケース
21 ケース本体
211 筒状部
212 天板部
22 底板
3 積層型圧電素子
31 圧電体層
32 内部電極層
33 積層体
34 外部電極層
35 導電性接合材
36 外部電極板
37 はんだ
38 リード部材
301 第1の端面
302 第2の端面
4 外部接合板
41 第1の主面
42 第2の主面
5 振動板

Claims (7)

  1. 開口部を有するケース本体および前記開口部を塞ぐように設けられた底板を有するケースと、該ケースの前記底板上に配置された積層型圧電素子と、前記底板の外面に第2の主面が接合された外部接合板とを備え、前記外部接合板の前記第2の主面と対向する第1の主面の外縁が前記積層型圧電素子の底板側の面の外縁よりも外側に位置しているとともに、前記外部接合板の前記第1の主面の外縁が前記外部接合板の前記第2の主面の外縁よりも外側に位置していることを特徴とする音響発生器。
  2. 前記外部接合板の前記第2の主面の外縁が前記積層型圧電素子の底板側の端面の外縁よりも外側に位置していることを特徴とする請求項1に記載の音響発生器。
  3. 前記外部接合板が樹脂からなることを特徴とする請求項1または請求項に記載の音響発生器。
  4. 開口部を有するケース本体および前記開口部を塞ぐように設けられた底板を有するケースと、該ケースの前記底板上に配置された積層型圧電素子と、前記底板の外面に第2の主面が接合された外部接合板とを備え、前記外部接合板の前記第2の主面と対向する第1の主面の外縁が前記積層型圧電素子の底板側の面の外縁よりも外側に位置している音響発生器と、該音響発生器を構成する前記外部接合板の前記第1の主面が固着された振動板とを備えていることを特徴とするスピーカー。
  5. 前記外部接合板の前記第1の主面の外縁が前記外部接合板の前記第2の主面の外縁よりも外側に位置していることを特徴とする請求項4に記載のスピーカー。
  6. 前記外部接合板の前記第2の主面の外縁が前記積層型圧電素子の底板側の端面の外縁よりも外側に位置していることを特徴とする請求項4または請求項5に記載のスピーカー。
  7. 前記外部接合板が樹脂からなることを特徴とする請求項4乃至請求項6のうちのいずれかに記載のスピーカー。
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