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

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_３−ＰｂＴｉＯ_３）からなるペロブスカイト型酸化物、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）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２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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