JP6419037B2

JP6419037B2 - 音響発生器

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Publication number: JP6419037B2
Application number: JP2015149737A
Authority: JP
Inventors: 新作里井
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2015-07-29
Filing date: 2015-07-29
Publication date: 2018-11-07
Anticipated expiration: 2035-07-29
Also published as: JP2017034345A

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もある。

特表２００２−５３９６９９号公報特開平０６−２８３７７８号公報

圧電素子を用いた音響発生器では、圧電素子の共振に起因するピークディップが存在し、特定の周波数の音が強調されたり聞こえにくくなったりしてしまうことから、ピークディップの低減が求められていた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、ピークディップを低減し、音質の向上した音響発生器を提供することを目的とする。

本発明の音響発生器は、互いに対向する天板および底板を有するケースと、該ケースに収容され、一端が前記底板に配置された積層型圧電素子と、前記天板に接続され、前記積層型圧電素子の他端を押圧する弾性体とを備え、前記積層型圧電素子と前記弾性体との間に、前記積層型圧電素子の積層方向に沿った断面視において前記積層型圧電素子よりも幅方向の両側に突出しているスペーサをさらに備え、前記弾性体は前記スペーサを介して前記積層型圧電素子の他端を押圧しており、前記スペーサの突出した部位に、前記積層型圧電素子の上方に位置する部位の厚みよりも厚みの厚い部分を有していることを特徴とする。

本発明の音響発生器によれば、ピークディップが小さくなり、音質が向上する。

（ａ）は本実施形態の音響発生器の一例を示す一部透過概略斜視図、（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一例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。

以下、添付図面を参照して、本実施形態の音響発生器の一例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一部透過概略斜視図、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、互いに対向する天板２１２および底板２２を有するケース２と、ケース２に収容され、一端が底板２２に配置された積層型圧電素子３と、天板２１に接続され、積層型圧電素子３の他端を押圧する弾性体４とを備えている。

図１に示すケース２は、ケース本体２１と底板２２とを備えている。ケース本体２１は、鉛直方向に延びる筒状部２１１の一端に天板部２１２を有し、他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および弾性体４が収容される内部空間を有している。ケース本体２１（筒状部２１１および天板部２１２）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。

筒状部２１１の長さは、例えば６ｍｍ〜５５ｍｍ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。

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や天板部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、天板部２１２と底板２２とが互いに対向している。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の他端である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や筒状部２１１よりも変形しやすくなっており、例えば天板部２１２や筒状部２１１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る。

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、一端が底板２２に配置されてケース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、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。

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によって接合された外部電極板３５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３５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３５が設けられている。また、図１、図３〜図７では、外部電極層３４、外部電極板３５、はんだ３６およびリード部材３７は省略している。

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２〜３ｍｍ、横２〜３ｍｍ、高さ５〜３０ｍｍ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側面（対向する側面）に導出されている。

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、例えば低温での焼成が可能な銀−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３５は外部電極層３４に沿って設けられていて、導電性接合材によって接合されている。外部電極板３５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３５の表面には、はんだ３６を介してリード部材３７が接続されている。製造時にはリード部材３７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３７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。

そして、天板２１２に接続され、積層型圧電素子３の他端を押圧する弾性体４を備えている。言い換えると、天板２１２と積層型圧電素子３との間には弾性体４が介在されている。

ここで、弾性体４は底板２２よりも変形しやすくなっている。図１に示す例では、弾性体４は、一端が天板２１２に接続され、他端が積層型圧電素子３に接続されて積層型圧電素子３を押圧するコイルばねであり、例えばＳＷＰ−Ａ（ピアノ線Ａ種）、ばね用ステンレス鋼線、ばね用シリコンクロム鋼オイルテンパー線などの形成材料からなる。弾性体４がコイルばねである場合の軸方向の長さは例えば５〜５０ｍｍに設定され、軸方向から見
た直径は例えば５〜２０ｍｍに設定される。

ただし、弾性体４としてはコイルばねに限られず、皿ばねや板ばねであってもよい。また、弾性体４としては、シリコーンゴム、ブチルゴムなどのゴム状弾性体からなる板状体であってもよい。

このような構成によれば、天板２１２と積層型圧電素子３との間に介在されている弾性体４が変形することにより、ピークディップを生じさせるような積層型圧電素子３の急激な振幅の変化を伴う変位を弾性体４が吸収する。これにより、積層型圧電素子３の急激な振幅の変化による影響が底板２２に伝わりにくくなり、特定の周波数に生じるピークディップを抑制して、音質を向上させることができる。

ここで、図３に示すように、積層型圧電素子３と弾性体４との間に、積層型圧電素子３の積層方向に沿った断面視において積層型圧電素子３よりも幅方向の両側に突出しているスペーサ５をさらに備え、弾性体４はスペーサ５を介して積層型圧電素子３を押圧しているのがよい。言い換えると、積層型圧電素子３と弾性体４との間に介在されたスペーサ５における積層型圧電素子３との当接面の外周が、積層型圧電素子３の端面（図に示す上側の端面）の外周よりも外側にあるのがよい。すなわち、スペーサ５の当接面の面積が積層型圧電素子３の端面の面積よりも大きいのがよい。

ここで、スペーサ５としては、例えば円板状、矩形板状、多角形板状などの板状体が用いられる。スペーサ５の材質としては、例えばステンレス、ＡＢＳ樹脂、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアセタール樹脂、ナイロン６６などが用いられる。また、スペーサ５の厚みとしては、例えば２ｍｍ〜２５ｍｍに設定される。例えば、スペーサ５が円板状である場合、四角柱状の積層型圧電素子３の一辺の長さに対して、例えば１．１〜１０倍の直径に設定される。このスペーサ５は、例えば切削加工、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る。

弾性体４としてのコイルばねが積層型圧電素子３の端面に直接当接していると、積層型圧電素子３の端面の一部に応力が集中してクラックが生じるおそれがある。これに対し、コイルばねがスペーサ５を介して積層型圧電素子３を押圧するように構成することで、積層型圧電素子３の端面への応力集中が抑制される。さらに、スペーサ５が積層型圧電素子３の積層方向に沿った断面視において積層型圧電素子３よりも幅方向の両側に突出していることで、スペーサ５が片当たりせずに積層型圧電素子３の端面の全域がスペーサ５に当接するため、耐久性および信頼性を向上させることができる。

このとき、積層型圧電素子３の下側の端面は底板２２に単に当接するのみならず接着剤などで接着されていてもよく、積層型圧電素子３の上側の端面はスペーサ５に単に当接するのみならず接着剤などで接着されていてもよい。

また、図４に示すように、弾性体４がスペーサ５の突出した部位に接続されているのがよい。この構成によれば、弾性体４としてのコイルばねのスペーサ５に当接する位置が積層型圧電素子３の端面の外側に位置し、弾性体４がバランスよく配置されていることで、長期間安定して積層型圧電素子３の急激な振幅の変化を伴う変位を弾性体４が吸収する。また、スペーサ５に撓みが発生するようになり、この撓みによってさらに積層型圧電素子３の急激な振幅の変化による変位を吸収する。したがって、特定の周波数に生じるピークディップをより抑制して、音質をより向上させることができる。

また、図５に示すように、スペーサ５の突出した部位に、積層型圧電素子３の上方に位置する部位の厚みよりも厚みの厚い部分５１を有しているのがよい。この構成によれば、
スペーサ５の積層型圧電素子３の端面よりも突出した部位に錘を有する構造となるため、スペーサ５の固有振動数が低くなることから、スペーサ５が低周波数で共振を起こして積層型圧電素子３を押すようになる。これにより、低周波数での底板２２の変形が大きくなり、低周波数帯域における音圧が向上する。

ここで、積層型圧電素子の上方に位置する部分（薄い部分）の厚みに対し、厚みの厚い部分の厚みは、例えば１．１〜１０倍に設定される。

また、厚みの厚い部分５１は、突出した部位（片側）の径方向距離に対して例えば５〜９５％の幅に設定される。

また、図６に示すように、スペーサ５の突出した部位における厚みの厚い部分５１に、周方向に沿って天板２１２側に開口する凹部５２が設けられていてもよい。この構成によれば、断面で見て、スペーサ５は複数の屈曲部を有し、当該スペーサ５における中央から外周に向かう経路が長くなるような構造となることから、スペーサ５の表面積が大きくなるとともに撓みが大きくなり、積層型圧電素子３の急激な振幅の変化を伴う変位を吸収する効果が高まる。したがって、特定の周波数に生じるピークディップをさらに抑制して、音質をさらに向上させることができる。

ここで、凹部５２の深さは、厚みの厚い部分５１の厚みに対して、例えば２０〜９５％の深さに設定される。また、凹部５２の幅（径方向距離）は、厚みの厚い部分５１の径方向距離に対して例えば２０〜６０％の幅に設定される。

また、図７に示すように、凹部５２の底面が積層型圧電素子３の他端の端面よりも下方に位置しており、弾性体４の一端が前記底面に接続されているのがよい。この構成によれば、スペーサ５の撓みがさらに大きく発生するようになり、積層型圧電素子３の急激な振幅の変化を伴う変位を吸収する効果がさらに高まる。また、弾性体４は安定して配置されているため、座屈が生じて吸収効果のロスが生じるおそれは少なくなる。したがって、特定の周波数に生じるピークディップをさらに抑制して、音質をさらに向上させることができる。

これまで述べた音響発生器１は、音響発生器１の底板２２を振動板に貼り付けて、積層型圧電素子３の駆動によって底板２２とともに振動板を振動させる音響発生装置とすることができる。音響発生装置は、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を振動させることで音響を発生させるものである。

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、底板２２とともに振動板が振動する。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に貼り付けられる。例えば屋内設備の天板や壁を振動板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、音響発生器の具体例について説明する。

積層型圧電素子は縦が２ｍｍ、横が２ｍｍ、長さが２０ｍｍの四角柱状に作製した。こ
の積層型圧電素子は、チタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電体層と内部電極層銀パラジウムからなる内部電極層とからなる有効積層数３００層の積層構造とした。

また、ケース本体は外径が５５ｍｍ、高さが６３ｍｍの円柱体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５８ｍｍとした。ケース本体の材質はＳＵＳ３０４とし、また天板部の厚みを５ｍｍとした。底板は、ＳＵＳ３０４からなる円板形状で直径５５ｍｍ、厚み１ｍｍとし、ケース本体の開口部に両面テープで取り付けた。

弾性体には、ＳＰＷ−Ａ（ピアノ線Ａ種）からなる２種類のコイルばね（コイルバネＡ、コイルばねＢ）を作製した。コイルバネ１は線径φ１ｍｍの円形の金属線を軸方向に見て直径８ｍｍの大きさ、軸方向の長さ３５ｍｍでコイル状にしたものとし、コイルバネ２は線径φ１ｍｍの円形の金属線を軸方向に見て直径１０ｍｍの大きさ、軸方向の長さ３５ｍｍでコイル状にしたものとした。

スペーサは、ＡＢＳ樹脂（引張り弾性率１．９ＧＰａ）からなる異なる形状の３種類のスペーサ（スペーサＡ、スペーサＢ、スペーサＣ）を作製した。

スペーサＡは、平面視による主面の形状が直径１６ｍｍの円形、厚みが３ｍｍである図４に示すような形状の板状体とした。そして、スペーサＡをコイルバネ１と組み合わせて、図４に示すような実施例の音響発生器（試料１）を作製した。

スペーサＢは、スペーサＡと平面視による上側の主面の形状は同じ円形で、外縁部から径方向に６ｍｍの位置までの領域がそれよりも内側の領域よりも厚み方向下方に１０ｍｍ突出し、この領域の総厚み１３ｍｍである図５に示すような形状のスペーサとした。そして、スペーサＢをコイルバネ１と組み合わせて、図５に示すような実施例の音響発生器（試料２）を作製した。

スペーサＣは、平面視による外形が直径１６ｍｍの円形で、外縁部から径方向に６ｍｍの位置までの領域がそれよりも内側の領域よりも厚み方向下方に１０ｍｍ突出し、この厚みの厚い領域の総厚み１３ｍｍであり、当該厚みの厚い領域の上面に環状の凹部が内径９ｍｍ、外形１１ｍｍ、径方向の幅２ｍｍ、深さ１１ｍｍに形成された図６に示すような形状のスペーサとした。そして、スペーサＣをコイルバネ１と組み合わせて、図６に示すような実施例の音響発生器（試料３）を作製した。

また、上述のスペーサＣとコイルバネ２と組み合わせて、スペーサＣの環状の凹部の底面にコイルばね２の端部が当接するように配置して、図７に示すような実施例の音響発生器（試料４）を作製した。

一方、試料１〜４と同じ積層型圧電素子を用意し、試料１〜４とは寸法の異なるケースを用意して、弾性体およびスペーサを備えない比較例としての音響発生器（試料５）を作製した。具体的には、ケース本体は外径が５５ｍｍ、高さが２５ｍｍの円柱体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２０ｍｍとした。ケース本体の材質はＳＵＳ３０４とし、また天板部の厚みを５ｍｍとした。底板は、ＳＵＳ３０４からなる円板形状で直径５５ｍｍ、厚み１ｍｍとし、ケース本体の開口部に両面テープで取り付けた。

このように作製した各試料（試料１〜４（実施例）、試料５（比較例））について、２ｋＨｚ付近に見られるピークとディップとの音圧レベル差を測定した。具体的には、サインスイープで、振幅は±１５Ｖで、周波数を１００Ｈｚから２０ｋＨｚ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の下方に設置して集音した。集音したデータは周波数ごとの音圧レベル値に変換した。そして、２ｋＨｚ付近に見られるピークとディップとの音圧レベル差を測定した。

測定した結果、試料５は１８ｄＢであったのに対し、試料１は１６ｄＢ、試料２は１５．５ｄＢ、試料３は１５ｄＢ、試料４は１４ｄＢとなった。

この結果から、本実施例の音響発生器によれば、ピークディップが小さくなり、音質が向上することがわかる。

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外部電極板
３６はんだ
３７リード部材
４弾性体
５スペーサ
５１厚みの厚い部分
５２凹部

Claims

互いに対向する天板および底板を有するケースと、該ケースに収容され、一端が前記底板に配置された積層型圧電素子と、前記天板に接続され、前記積層型圧電素子の他端を押圧する弾性体とを備え、前記積層型圧電素子と前記弾性体との間に、前記積層型圧電素子の積層方向に沿った断面視において前記積層型圧電素子よりも幅方向の両側に突出しているスペーサをさらに備え、前記弾性体は前記スペーサを介して前記積層型圧電素子の他端を押圧しており、前記スペーサの突出した部位に、前記積層型圧電素子の上方に位置する部位の厚みよりも厚みの厚い部分を有していることを特徴とする音響発生器。
前記弾性体が前記スペーサの突出した部位に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の音響発生器。
前記スペーサの突出した部位における厚みの厚い部分に、周方向に沿って前記天板側に開口する凹部が設けられてい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。
前記凹部の底面が前記積層型圧電素子の他端の端面よりも下方に位置しており、前記弾性体の一端が前記底面に接続されていることを特徴とする請求項３に記載の音響発生器。