JP6516935B2 - 圧電音響部品 - Google Patents

Description

本発明は、圧電発音素子が放音孔を備えたケース内に収納され、複数音階分の周波数範囲において所定以上の音圧を得ることができる圧電音響部品に関するものである。

特許第３４３６２０５号公報（特許文献１）の図７には、輪郭形状が四角形の金属製の振動板に輪郭形状が四角形の圧電素子を貼り付けた圧電振動体を放音孔付きのケースに収納した圧電音響部品が開示されている。この圧電音響部品は、広い周波数範囲で音を出すことができる、いわゆる圧電スピーカである。

特許第３４３６２０５号公報

特許文献１に示された圧電音響部品では、使用可能な周波数範囲は広いものの音圧が低く、例えば、屋外や、自動車の車内等のように騒音があるところでは可聴できない場合がある。そのため複数音階の音を確実に可聴できる圧電音響部品が求められている。

本発明の目的は、騒音の大きな場所でも、複数音階の音を可聴できる圧電音響部品を提供することにある。

本発明は、金属製の振動板及び振動板の少なくとも片面上に設けられた圧電素子からなる圧電発音素子と、圧電発音素子の振動板の外周部を全周に亘って固定し、圧電発音素子の両側に第１の空間と第２の空間を形成するように構成され、第１の空間と対向する壁部に１以上の放音孔が形成されて第１の空間の容積と１以上の放音孔により共振器を構成しているケースとを備えてなる圧電音響部品を改良の対象とする。本発明の圧電音響部品では、振動板の外周部の内側に位置する非固定部分が、互いに対向する一対の長辺と該長辺よりも長さが短く互いに対向する一対の短辺を備え、一対の長辺中に互いに近づく方向に凸となる一対の凹部を有している。そして圧電素子は、振動板の非固定部分の一対の凹部の間の領域上に設けられており、振動板及び圧電素子のそれぞれの輪郭形状が、一対の短辺を二分する第１の仮想線に対して対称となり且つ一対の長辺を二分する第２の仮想線に対して対称となるように定められている。また長辺の長さＬ１と短辺の長さＷ１の比Ｌ１／Ｗ１が、１．２５〜１．７５の範囲に入るように定められている。そして入力信号として正弦波信号を入力したときの１次共振周波数と、３次共振周波数と、１次共振周波数と３次共振周波数の間の中間周波数の音圧が、それぞれ８０ｄＢ以上になるように共振器が構成されている。

特に、１次共振周波数と中間周波数の間の最小音圧及び中間周波数と３次共振周波数の間の最小音圧も、８０ｄＢ以上になるように共振器が構成されているのが好ましい。

また１次共振周波数と３次共振周波数の間の中間周波数の音圧が、１次共振周波数の音圧及び３次共振周波数の音圧以上になるように、共振器が構成されていてもよい。

いわゆる非固定部分が矩形状の金属製の振動板を用いた圧電音響部品は、円形や楕円形等の振動板を用いた圧電音響部品よりも、実装した場合に発生する使用できないスペース（デッドスペース）が少ないので、圧電音響部品が使用される製品では、一定の需要が見込まれる。しかしながら矩形の金属製の振動板を用いた場合には、所定の周波数範囲においてある程度大きな音圧を得ることが難しい。発明者は、一対の長辺に凹部を有する振動板を用いると、１次共振周波数の音圧と３次共振周波数の周波数があまり大きくならず、しかもそれぞれの共振周波数における音圧に大きな差がない周波数特性が得られることを見いだした。また発明者は、所定の放音孔を設けた共振器ケースに設けると、１次共振周波数と３次共振周波数の間の中間周波数領域における音圧を増大できることを見いだした。これらの知見に基づく、本発明によれば、複数音階分の周波数範囲にわたって８０ｄＢ以上の音圧を得ることができる圧電音響部品を得ることができる。その結果、本発明によれば、いわゆる矩形状の金属製の振動板を用いた圧電発音素子を用いて、騒音が大きな場所でも可聴できる。

ケースは、振動板の非固定部分の輪郭形状と同一形をなす開口部を備えて、振動板の外周部を固定する発音素子ホルダを備えていても良い。このような発音素子ホルダを用いると、振動板の非固定部分の輪郭形状は、開口部の形状によって決まることになる。その結果、振動板の形状としては、矩形を用いることができ、振動板の加工価格を低減できる。

一対の短辺は、両端部に互いに近付く方向に傾斜する一対の傾斜部を備えていてもよい。このような一対の傾斜部を設けると、傾斜部の傾斜角度を変えることにより、周波数特性の音圧を高めることができる。

振動板の非固定部分の凹部の形状は種々の形状が利用できる。代表的な凹部の形状は、第１の仮想線と平行に延びる平行直線部と、該平行直線部の両端部から互いに離れ且つ対応する長辺の残部に向かって延びる一対の傾斜直線部を備えて構成されている。この場合、圧電素子の輪郭は、一対の凹部のそれぞれの平行直線部に沿う一対の直線部と、一対の凹部の第２の仮想線が延びる方向に対向する一対の傾斜直線部によって挟まれる領域内で一対の短辺に向かって凸となるように湾曲する湾曲部を備えたものを用いるのが好ましい。圧電素子の湾曲の曲率を適宜に変えることにより、１次共振周波数と３次共振周波数の間の周波数差を調整することができる。

また振動板の非固定部分の凹部は、第２の仮想線と平行に延びる平行直線部と、該平行直線部の両端部から互いに離れ且つ凹部内に向かって凸となるように湾曲する一対の凸状湾曲部を備えて構成されていてもよい。この場合も圧電素子の輪郭は、一対の凹部のそれぞれの平行直線部に沿う一対の直線部と、一対の凹部の前記一対の凸状湾曲部によって挟まれる領域内で一対の短辺に向かって凸となるように湾曲する湾曲部を備えているのが好ましい。この場合にも、圧電素子の湾曲部の湾曲の曲率を適宜に変えることにより、１次共振周波数と３次共振周波数の間の周波数差を調整することができる。

さらに振動板の非固定部分の凹部は、第２の仮想線に向かって凸となるように湾曲する湾曲凹部からなり、圧電素子の輪郭は、一対の前記湾曲凹部に沿い且つ一対の湾曲凹部によって挟まれる領域内で一対の短辺に向かって凸となるように湾曲する湾曲部を備えていてもよい。

なお自動車の車内向けまたは車外向けのアラームとして使用するような場合の実用的な条件としては、次のようにするのが好ましい。振動板の非固定部分は、厚みが１０μｍ〜１５０μｍの鉄にニッケルを配合した合金製板からなり、圧電素子は厚みが１０μｍ〜３５μｍのＰＺＴセラミックが複数層積層された構造を有しており、圧電素子を振動板に接着するアクリル系接着剤のショアＤ硬度が７５〜８５であり且つ厚みが１μｍ〜１０μｍであるのが好ましい。

さらに約２ｋＨｚから約３ｋＨｚの間で、ある程度の音圧を得る場合には、金属製の振動板及び振動板の少なくとも片面上に設けられた圧電素子からなる圧電発音素子と、圧電発音素子の振動板の外周部を全周に亘って固定し、圧電発音素子の両側に第１の空間と第２の空間を形成するように構成され、第１の空間と対向する壁部に１以上の放音孔が形成されているケースとを備えてなる圧電音響部品において、次の構成を採用する。すなわち振動板の外周部の内側に位置する非固定部分は、互いに対向する一対の長辺と該長辺よりも長さが短く互いに対向する一対の短辺を備え、一対の長辺中に互いに近づく方向に凸となる一対の凹部を有している。圧電素子は、振動板の非固定部分の一対の凹部の間の領域上に設けられている。そして振動板及び圧電素子のそれぞれの輪郭形状が、一対の短辺を二分する第１の仮想線に対して対称となり且つ一対の長辺を二分する第２の仮想線に対して対称となるように定められている。その上、長辺の長さＬ１と短辺の長さＷ１の比Ｌ１／Ｗ１が、１．２５〜１．５５の範囲に入るように定められており、振動板の非固定部分の凹部の長辺に開口する開口部の長さＬ２と、長辺の長さＬ１との比Ｌ２／Ｌ１が０．４〜０．６であり、第２の仮想線に向かう方向の一対の凹部間の寸法Ｗ２と短辺の長さＷ１の比Ｗ２／Ｗ１が０．４〜０．９５である。この場合も、１つ以上の放音孔を設けた共振器の１以上の放音孔の総開口面積及び空気室容量が、入力信号として正弦波信号を入力したときの１次共振周波数と、３次共振周波数と、１次共振周波数と３次共振周波数の間の中間周波数の音圧が、それぞれ８０ｄＢ以上になるようになるように定められている。そしてこの場合、中間周波数の音圧が、１次共振周波数の音圧及び３次共振周波数の音圧以上になるように定めるのが好ましい。特に、１次共振周波数と中間周波数の間の最小音圧及び中間周波数と３次共振周波数の間の最小音圧が、それぞれ８０ｄＢ以上になるように共振器が構成されているのが好ましい。この場合、Ｌ１／Ｗ１が１．４０〜１．４５であり、Ｌ２／Ｌ１が０．４５〜０．５５であり、Ｗ２／Ｗ１が０．５５〜０．５９であるのが好ましい。

（Ａ）は本実施の形態の圧電発音素子を備えた圧電音響部品の分解斜視図であり、（Ｂ）は図１（Ａ）のＢ−Ｂ線分解斜視図である。 圧電発音素子の平面図である。 （Ａ）は既存の円板状の振動板を用いた圧電ブザーと呼ばれる圧電音響部品の周波数特性の一例を示す図であり、（Ｂ）は特許文献１で説明したような圧電スピーカと呼ばれる振動板が矩形状を呈している圧電音響部品の周波数特性の一例を示す図であり、（Ｃ）は本実施の形態の圧電音響部品の周波数特性の一例を示す図である。 振動板として、小判型（円形、楕円形等）（Ａ）、四角形（Ｂ）、六角形（Ｃ）、八角形（Ｄ）及びダンベル形（Ｅ）を用い、且つそれら振動板の中央部に実質的に同じ面積の圧電素子を配置したときの、アスペクト比を変えた場合の振動板の形状及び振動の節の領域と、１次共振周波数と３次共振周波数の周波数を測定した結果を示す図である。 （Ａ）乃至（Ｅ）は、アスペクト比を変えた場合の１次共振周波数と３次共振周波数と中間周波数の測定結果を示す図である。 振動板として、同じアスペクト比の小判型（円形、楕円形等）（Ａ）、四角形（Ｂ）、六角形（Ｃ）、八角形（Ｄ）及びダンベル形（Ｅ）を用いたときで、圧電発音素子だけで得られる周波数特性を示す図である。 （Ａ）乃至（Ｄ）は、凹部の形状が異なる場合において、同じアスペクト比（１：１．３）の場合で、１次共振周波数と３次共振周波数の差Δがどのように変化するのかを確認した結果を示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、圧電素子の形状寸法を変えた場合における圧電音響部品の周波数特性の変化を示す図である。 図８の場合よりも同じアスペクト比を大きくした場合（１：１．４）で、圧電素子の幅寸法Ｗと長さ寸法Ｌを変えたときの周波数特性を示す図である。 共振器の放音孔の総開口面積を変えた場合において、周波数特性がどのように変わるのかを試験した結果の一例を示す図である。 放音孔の総開口面積はあまり変えずに、放音孔の数を１個から５個に変えた場合の影響について試験した結果を示す図である。 （Ａ）は第２の実施の形態の圧電音響部品の半部切断斜視図であり、（Ｂ）はその分解斜視図である。 （Ａ）は第２の実施の形態で用いる圧電発音素子の平面図であり、（Ｂ）は圧電発音素子の背面図である。 （Ａ）は共鳴器を用いずに圧電発音素子単体で測定した音圧−周波数特性を示す図であり、（Ｂ）は共鳴器を用いた圧電音響部品の音圧−周波数特性を示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、第２の実施の形態で用いる圧電発音素子の変形例の平面図及び背面図である。 （Ａ）乃至（Ｄ）は、異なる振動モードで振動する圧電振動素子の振動状態を示す図である。 （Ａ）は共鳴器を用いずに圧電発音素子単体で測定した音圧−周波数特性を示す図であり、（Ｂ）は共鳴器を用いた圧電音響部品の音圧−周波数特性を示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、第３の実施の形態の圧電音響部品で用いる圧電発音素子の平面図及び背面図である。 第３の実施の形態においてＬ１：Ｌ２を１：０．２，１：０．３及び１：０４とし、Ｌ１：Ｗ１を１：１，１．２５：１，１．５：１，１．７５：１及び２：１とし、Ｗ２／Ｗ１を０．２〜１の範囲で変えた場合における１次固有振動数◆と３次固有振動数■の変化を示す図である。 第３の実施の形態において、Ｌ１：Ｌ２を１：０．５，１：０．６及び１：０．７とし、Ｌ１：Ｗ１を１：１，１．２５：１，１．５：１，１．７５：１及び２：１とし、Ｗ２／Ｗ１を０．２〜１の範囲で変えた場合における１次固有振動数◆と３次固有振動数■の変化を示す図である。 （Ａ）乃至（Ｉ）は、第３の実施の形態において、Ｌ１：Ｌ２及びＬ１：Ｗ１を変えた場合の圧電発音素子だけで得られる音圧−周波数特性を示す図である。 （Ａ）乃至（Ｅ）は、第４の実施の形態において、放音孔の厚み寸法を一定として、放音孔直径及び空気室容量を変えたときに、音圧−周波数特性がどのように変わるのかを試験した結果を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の圧電音響部品の実施の形態について説明する。

［第１の実施の形態］
図１（Ａ）は、本実施の形態の圧電発音素子を備えた圧電音響部品１の分解斜視図を示しており、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＢ−Ｂ線分解斜視図である。図２は、圧電発音素子の平面図である。なお、本実施の形態では、理解を容易にするため、一部の部品の厚み寸法を誇張して描いている。図１（Ａ）及び（Ｂ）に示す圧電音響部品１は、例えば自動車内のように雑音が多い環境の中で複数音階の音でアラームを発生するような用途に使用する圧電音響部品である。

圧電音響部品１は、下側ケース半部３と上側ケース半部５との間に開口部７を有する発音素子ホルダ９を備えたケース６を備えている。下側ケース半部３は、ポリプロピレン等の絶縁樹脂によって一体に成形されており、長方形状の底壁部３１と底壁部３１の周縁部から起立する周壁部３２とを備えている。下側ケース半部３は長方形状の底壁部３１と底壁部３１の周縁部から起立する周壁部３２とを備えている。上側ケース半部５は、ポリプロピレン等の絶縁樹脂によって一体に成形されており、長方形状の上壁部５１と上壁部５１の周縁部から起立する周壁部３２とを備えている。上側ケース半部５は長方形状の上壁部５１と上壁部５１の周縁部から立ち下がる周壁部５２とを備えている。上壁部５１には、四隅近傍に４つの放音孔４が形成されている。

発音素子ホルダ９は、低熱膨張で硬質の絶縁樹脂、例えばポリブチレンテフタレートにガラスが添加された等の絶縁樹脂により一体に成形されており、開口部７の周囲には、圧電発音素子１１の振動板１２が接着を用いて固定される。開口部７は、後に詳しく説明する圧電発音素子の振動板１２の非固定部分１３の輪郭形状と同一形状を呈している。具体的に振動板１２の非固定部分１３は、互いに対向する一対の長辺７Ａとこの長辺７Ａよりも長さが短く互いに対向する一対の短辺７Ｂを備え、一対の長辺７Ａ中に互いに近づく方向に凸となる一対の凸部７Ｃを有している。開口部７の輪郭形状即ち振動板１２の非固定部分１３の輪郭形状は、一対の短辺７Ｂを二分する第１の仮想線ＰＬ１に対して対称となり且つ一対の長辺７Ａを二分する第２の仮想線ＰＬ２に対して対称となる形状を有している。

なお下側ケース半部３と発音素子ホルダ９と上側ケース半部５は、周壁部３２と周壁部５２との間に発音素子ホルダ９を挟んだ状態で相互に超音波溶着により気密に接合されてケース６が完成している。これによって圧電発音素子１１が発音素子ホルダ９に固定され状態で、ケース６の内部には圧電発音素子の両側に第１の空間Ｓ１と第２の空間Ｓ２が形成される。放音孔４は、第１の空間Ｓ１と連通している。第１の空間Ｓ１が共振器の空気室を構成している。

図２に示すように圧電発音素子１１は、金属製の振動板１２及び振動板１２の少なくとも片面上に設けられた圧電素子１５から構成されている。振動板１２の非固定部分は、互いに対向する一対の長辺１３Ａと該長辺１３Ａよりも長さが短く互いに対向する一対の短辺１３Ｂを備え、一対の長辺１３Ａ中に互いに近づく方向に凸となる一対の凹部１３Ｃを有している。圧電素子１５は、振動板１２の一対の凹部１３Ｃの間の領域上に設けられており、振動板１２の非固定部分１３及び圧電素子１５のそれぞれの輪郭形状が、一対の短辺１３Ｂを二分する第１の仮想線ＰＬ１に対して対称となり且つ一対の長辺１３Ａを二分する第２の仮想線ＰＬ２に対して対称となるように定められている。凹部１３Ｃの形状は種々の形状が利用できる。本実施の形態の凹部１３Ｃは、第１の仮想線ＰＬ１と平行に延びる平行直線部１３Ｃａと、該平行直線部１３Ｃａの両端部から互いに離れ且つ対応する長辺１３Ａの残部に向かって延びる一対の傾斜直線部１３Ｃｂを備えて構成されている。この場合、圧電素子１５の輪郭は、一対の凹部１３Ｃのそれぞれの平行直線部１３Ｃａに沿う一対の直線部１５Ａと、一対の凹部１３Ｃの第２の仮想線ＰＬ２が延びる方向に対向する一対の傾斜直線部１３Ｃｂによって挟まれる領域内で一対の短辺１３Ｂに向かって凸となるように湾曲する湾曲部１５Ｂを備えている。圧電素子１５の湾曲部１５Ｂの湾曲の曲率を適宜に変えることにより、１次共振周波数と３次共振周波数の間の周波数差を調整することができる。

本実施の形態では、前述の振動板１２の非固定部分１３の長辺１３Ａの長さＬ１と短辺１３Ｂの長さＷ１の比Ｌ１／Ｗ１が、１．２５〜１．７５の範囲に入るように振動板１２の非固定部分１３の形状が定められており、１つ以上の放音孔を設けた共振器が、入力信号として正弦波信号を入力したときの１次共振周波数と３次共振周波数の間の中間周波数の音圧が、１次共振周波数の音圧及び３次共振周波数の音圧以上になるように定められている。なお後に説明するように放音孔の数は任意である。

［実施の形態の周波数特性］
図３（Ａ）は、既存の円板状の振動板の非固定部分を用いた圧電ブザーと呼ばれる圧電音響部品に、入力信号として正弦波信号を入力したときの周波数特性の一例を示している。この図から判るように圧電ブザーでは、一つの共振周波数で音圧が高くなればよい（この例では９０ｄＢ以上）。これに対して図３（Ｂ）は、特許文献１で説明したような圧電スピーカと呼ばれる振動板が矩形状を呈している圧電音響部品の周波数特性の一例を示している。図３（Ｃ）は、本実施の形態の圧電音響部品の周波数特性の一例を示している。

図３（Ｂ）に示すように、矩形状の振動板の非固定部分を用いる圧電スピーカでも、広い周波数範囲において音圧がほぼフラットになることが求められる（この例では、７０ｄＢ台の音圧）。本実施の形態のように、いわゆる矩形状の金属製の振動板１２を用いた圧電音響部品１は、図３（Ｂ）の圧電スピーカと同様に、所定の周波数範囲においてある程度大きな音圧を得ることが難しい［図３（Ｃ）において、周波数特性グラフＡが圧電発音素子だけの場合である］。

発明者は、本実施の形態のように、振動板１２の非固定部分１３の一対の長辺１３Ａに凹部１３Ｃを有する振動板１２を用いると、入力信号として正弦波信号を入力したときの１次共振周波数の音圧と３次共振周波数の周波数があまり大きくならず、しかもそれぞれの共振周波数における音圧８０ｄＢ以上の周波数特性が得られることを見いだした。また発明者は、所定の放音孔４をケース６に設けると、入力信号として正弦波信号を入力したときの１次共振周波数と３次共振周波数の間の中間周波数領域における音圧を増大できることを見いだした［図３（Ｃ）の周波数特性グラフＢ参照］。本実施の形態によれば、複数音階分の周波数範囲［図３（Ｃ）の例では、ほぼ１．７ｋＨｚ〜ほぼ３．６ｋＨｚ］にわたって８０ｄＢ以上の音圧を得ることができる。その結果、本実施の形態によれば、いわゆる矩形状の金属製の振動板を用いた圧電発音素子を用いて、騒音が大きな場所でも所定の周波数範囲の音を可聴できる圧電音響部品を提供することができる。

［振動板の非固定部分の形状の特定］
上記実施の形態において、振動板１２の非固定部分１３の形状を特定した理由を以下に説明する。図４は、振動板の非固定部分のとして、小判型（円形、楕円形等）（Ａ）、四角形（Ｂ）、六角形（Ｃ）、八角形（Ｄ）及びダンベル形（Ｅ）［本実施の形態のように一対の長辺に一対の凹部を有する形状］を用い、且つそれら振動板の非固定部分の中央部に実質的に同じ面積の圧電素子を配置したときの、アスペクト比（長軸または長辺と短軸たは短辺の比）を変えた場合の振動板の非固定部分の形状及び振動の節の領域と、１次共振周波数と３次共振周波数の周波数を測定した結果を示している。図４の右端の列は、アスペクト比１：１．５の時の圧電素子の形状を参考例として示している。そして図５（Ａ）乃至（Ｅ）は、アスペクト比を変えた場合において、入力信号として正弦波信号を入力したときの１次共振周波数（◆）と３次共振周波数（■）と中間周波数（▲）の測定結果を示している。なお中間周波数は、上記実施の形態と同様にケースに放音孔を設けて音圧を上げることができた周波数である。図５（Ａ）乃至（Ｅ）を比較すると判るように、本実施の形態で採用するダンベル型の振動板の非固定部分を用いると、１次共振周波数と３次共振周波数を大きくして、しかも１次共振周波数と３次共振周波数の差を狭くすることができることが判る。また図６は、振動板として、同じアスペクト比の小判型（円形、楕円形等）（Ａ）、四角形（Ｂ）、六角形（Ｃ）、八角形（Ｄ）及びダンベル形（Ｅ）を用いたときで、圧電発音素子だけで得られる周波数特性を示している。図６から判るように、ダンベル形（Ｅ）では、１次共振周波数と３次共振周波数の差を最も小さくできる。このようなことから本実施の形態で採用しているダンベル型（Ｅ）が好ましい振動板の非固定部分の輪郭形状として特定した。

［振動板１２の非固定部分１３の凹部の変形例］
図７（Ａ）乃至（Ｄ）は、振動板１２の非固定部分１３の凹部の形状が異なる場合において、同じアスペクト比（１：１．３）の場合で、１次共振周波数と３次共振周波数の差Δがどのように変化するのかを確認した結果を示している。図７（Ａ）の凹部１３Ｃは、上記実施の形態と同じものである。

図７（Ｂ）は、振動板１２の非固定部分１３の凹部１３Ｃが第２の仮想線に向かって凸となるように湾曲する湾曲凹部からなり、図示しない圧電素子の輪郭は、一対の湾曲凹部に沿い且つ一対の湾曲凹部によって挟まれる領域内で一対の短辺に向かって凸となるように湾曲する湾曲部を備えている場合である。

図７（Ｃ）の振動板１２の非固定部分１３の凹部１３Ｃは、第２の仮想線と平行に延びる平行直線部１３Ｃａと、該平行直線部１３Ｃａの両端部から互いに離れ且つ凹部１３Ｃ内に向かって凸となるように湾曲する一対の凸状湾曲部１３ｂ´を備えて構成されている。この場合も図示しない圧電素子の輪郭は、一対の凹部１３Ｃのそれぞれの平行直線部１３Ｃａに沿う一対の直線部と、一対の凹部の一対の凸状湾曲部１３ｂ´によって挟まれる領域内で一対の短辺に向かって凸となるように湾曲する湾曲部を備えている。この場合にも、圧電素子の湾曲の曲率を適宜に変えることにより、１次共振周波数と３次共振周波数の間の周波数差を調整することができる。

［圧電素子の形状］
図８（Ａ）及び（Ｂ）は、圧電素子１５の形状寸法を変えた場合において、入力信号として正弦波信号を入力したときの圧電音響部品の周波数特性の変化を示している。図８（Ａ）は、振動板１２のアスペクト比１を１：１．３とし、圧電素子（ＰＺＴセラミック）の幅寸法（第２の仮想線ＰＬ２に沿う方向の寸法）１３ｍｍ一定として、第１の仮想線ＰＬ１に沿う方向の長さ寸法（図２の湾曲部１５Ｂの突出寸法）を変えた時の周波数特性の変化を示しており、図８（Ｂ）は圧電素子の形状を矩形状にした場合に振動板１２のアスペクト比１を１：１．３とし、圧電素子（ＰＺＴセラミック）の幅寸法（第２の仮想線ＰＬ２に沿う方向の寸法）１３ｍｍ一定として、第１の仮想線ＰＬ１に沿う方向の長さ寸法を変えた時の周波数特性の変化を示している。図８（Ａ）及び（Ｂ）からは、第１の仮想線ＰＬ１に沿う方向の長さ寸法及び形状が、第１の共振周波数及び第２の共振周波数の音圧に影響があることが判る。図８（Ａ）及び（Ｂ）の下部領域には、それぞれ対象とする圧電素子の形状を示した圧電発音素子（ａ）乃至（ｊ）の平面図を示してある。図８（Ａ）及び（Ｂ）からは、第１の仮想線ＰＬ１に沿う方向の長さ寸法を長くすると、１次共振周波数と３次共振周波数の音圧が上昇するものの、あまり長くすると１次共振周波数の音圧と３次共振周波数の音圧の差が極端に大きくなる。この傾向は、圧電素子の第１の仮想線ＰＬ１に沿う方向の形状が完全な矩形状の場合［図８（Ｂ）］のほうがこの傾向が強い。このような傾向を考慮して、圧電素子の形状を定めればよい。

図９は、図８の場合よりも同じアスペクト比を大きくした場合（１：１．４）で、圧電素子の幅寸法Ｗ２（第２の仮想線ＰＬ２に沿う方向の寸法）と長さ寸法Ｌ（第１の仮想線ＰＬ１に沿う方向の寸法））を変えたときに、入力信号として正弦波信号を入力したときの周波数特性を示している。図８と図９を比較すると判るように、アスペクト比を大きくすると、１次共振周波数の音圧と３次共振周波数の音圧の差が大きくなるものの、圧電素子の長さ寸法を長くしたときに、１次共振周波数の音圧と３次共振周波数の音圧の差が大きくならず、しかも周波数が高い範囲において音圧に大きなバラツキが生じないことが判る。実際上、図８及び図９から判る傾向を考慮して、圧電素子の形状と寸法を適宜に調整することになる。

［共振器（ケースの放音孔）の効果］
図１０は、本実施の形態において、共振器の放音孔の総開口面積を、フロントキャビティの容積（共振器の空気室容量）を一例として１．８ｃｃから１０ｃｃの容積に変えた場合において、入力信号として正弦波信号を入力したときの周波数特性がどのように変わるのかを試験した結果を示している。なおこの試験では、振動板のアスペクト比を１：１．３として、圧電素子の形状を小判形で幅寸法を１０ｍｍ、長さ寸法を１５ｍｍに固定した。この状態で放音孔の総開口面積を変えるために、１つの放音孔を設け且つその直径を２．５ｍｍ〜９．９ｍｍの範囲でフロントキャビティの容積に対応して変更した。なお図１０において、fcavは中間周波数の値である。図１０からは、総開口面積をあまり大きくすると（ｅの場合）、放音孔の総開口面積が適正な範囲であれば、中間周波数の値も大きく変わらず、しかも中間周波数の音圧にも大きな差が生じないことが判る。また図１１は、放音孔の総開口面積はあまり変えずに、放音孔の数を１個から５個に変えた場合の影響について試験した結果を示している。フロントキャビティの容積が７．５ｃｃのときに最も、１次共振周波数の音圧と３次共振周波数の音圧の差が大きくならず、かつ高音圧な周波数特性が得られたため、フロントキャビティの容積は７．５ｃｃを選択した。放音孔の数以外の試験条件は、図１０の試験の場合と同じである。図１１からは、総開口面積が変わらなければ、放音孔の数は周波数特性に影響がないことが判る。したがってこの結果からは、放音孔の数は、１以上であればよいことがわかる。なおこの結論は、本実施の形態において導き出された結論であって、共振器の構成が変わった場合の全てにおいて、共通に言える結果であるか否かは定かではない。

［実施例の条件］
上記の各試験で用いた圧電発音素子及び共振器（ケースと放音孔）は、以下の条件を満たすものであった。振動板１２の非固定部分１３は、厚みが１０μｍ〜１５０μｍの鉄にニッケルを配合した合金製の板からなるのが好ましい。また圧電素子は厚みが１０μｍ〜３５μｍのＰＺＴセラミックが複数層積層された構造を有しているのが好ましい。さらに圧電素子を振動板に接着するアクリル系の接着剤のショアＤ硬度が７５〜８５であり且つ厚みが１μｍ〜１０μｍであるのが好ましい。

［第２の実施の形態］
図１２（Ａ）及び（Ｂ）は、第２の実施の形態の圧電音響部品１の半部切断斜視図及びその分解斜視図であり、図１３（Ａ）は第２の実施の形態で用いる圧電発音素子１１の平面図であり、図１３（Ｂ）は圧電発音素子の背面図である。第２の実施の形態は、図１及び図２に示した第１の実施の形態と、圧電発音素子１１の形状及び放音孔４の位置と数が相違する。その他の点は、第１の実施の形態と相違するところはない。そこで図１２及び図１３には、図１及び図２に示した第１の実施の形態と同様の部分には、図１及び図２を説明するために用いた符号と同じ符号を付して説明を省略する。本実施の形態では、圧電発音素子１１の振動板１２が矩形形状を呈しており、圧電素子１５が振動板１２の裏面に貼り付けられている。本実施の形態においても、振動板１２の非固定部分１３の輪郭形状はいわゆるダンベル形になっている。

この構成によれば、振動板１２に特別な加工を施す必要がない。また本実施の形態では、上側ケース半部５の上壁部５１の中央に１個の放音孔４が形成されている。図１４（Ａ）は、共鳴器（下側ケース半部３）を用いずに圧電発音素子１１単体で測定した音圧−周波数特性を示し、図１４（Ｂ）は共鳴器を用いた圧電音響部品の音圧−周波数特性を示している。図１４（Ａ）及び（Ｂ）を比較すると判るように、１．７ｋＨｚ〜３ｋＨｚの範囲において、音圧が上昇している。

［振動板の非固定部分の形状の変形例］
図１５（Ａ）及び（Ｂ）は、第２の実施の形態で用いる圧電発音素子１１の変形例を示している。この圧電発音素子１１の振動板１２のダンベル形の非固定部分１３の輪郭形状は、一対の短辺１３Ｂが、それぞれ両端部に互いに近付く方向に傾斜する一対の傾斜部１３Ｂaを備えている。このような一対の傾斜部１３Ｂaを設けると、傾斜部１３Ｂaの傾斜角度を変えることにより、周波数特性の高調波成分を高める改善をすることができる。すなわちこの圧電発音素子１１の形状を採用すると、図１７Ａに矢印で示す周波数部分の音圧を増加させる改善をすることができる。図１６（Ａ）乃至（Ｄ）には、この圧電発音素子を１次振動モードで振動させた場合、３次振動モードで振動させた場合、４次振動モードで振動させた場合、５次振動モードで振動させた場合の振動板１２の振動状態を示す図である。これらの図において、白い部分が変形して凸となっている部分であり、黒い部分が変形して凹となっている部分である。図１７（Ａ）は、共鳴器（下側ケース半部３）を用いずに圧電発音素子１１単体で測定した音圧−周波数特性を示し、図１７（Ｂ）は共鳴器を用いた圧電音響部品の音圧−周波数特性を示している。図１４（Ａ）及び（Ｂ）を比較すると判るように、１．７ｋＨｚ〜３ｋＨｚの範囲において、改善前よりも音圧が上昇している。

［第３の実施の形態］
図１８（Ａ）及び（Ｂ）は、第３の実施の形態の圧電音響部品で用いる圧電発音素子１１の平面図及び背面図である。第３の実施の形態は、図１２及び図１３に示した第２の実施の形態と、圧電発音素子１１の形状が相違する。その他の点は、第２の実施の形態と相違するところはない。そこで図１８には、図１２及び図１３に示した第２の実施の形態と同様の部分には、図１２及び図１３を説明するために用いた符号と同じ符号を付して説明を省略する。本実施の形態でも、圧電発音素子１１の振動板１２が矩形形状を呈しており、圧電素子１５が振動板１２の裏面に貼り付けられている。本実施の形態においては、振動板１２の非固定部分１３の輪郭形状は、第１の実施の形態及び第２の実施の形態の振動板の非固定部分１３が有する傾斜直線部を有していない、いわゆるダンベル形になっている。すなわち凹部１３Ｃが完全な矩形形状を呈している。この構成によれば、振動板１２に特別な加工を施す必要がない。また本実施の形態では、第２の実施の形態と同様に上側ケース半部の上壁部の中央に１個の放音孔が形成されている。

図１９は、本実施の形態において図１８（Ａ）に示したＬ１：Ｌ２を１：０．２，１：０．３及び１：０．４とし、Ｌ１：Ｗ１を１．２５：１，１．５：１，１．７５：１及び２：１とし、Ｗ２／Ｗ１を０．２〜１の範囲で変えた場合において、入力信号として正弦波信号を入力したときの１次固有振動数◆と３次固有振動数■の変化を示す図である。また図２０は、本実施の形態において図１８（Ａ）に示したＬ１：Ｌ２を１：０．５，１：０．６及び１：０．７とし、Ｌ１：Ｗ１を１．２５：１，１．５：１，１．７５：１及び２：１とし、Ｗ２／Ｗ１を０．２〜１の範囲で変えた場合における１次固有振動数◆と３次固有振動数■の変化を示す図である。

また図２１（Ａ）乃至（Ｃ）は、Ｌ１：Ｌ２を１：０．４とし、Ｌ１：Ｗ１を１．４：１，１．５：１，１．６：１とした場合の圧電発音素子だけで得られる。入力信号として正弦波信号を入力したときの音圧−周波数特性を示す図である。また図２１（Ｄ）乃至（Ｆ）は、Ｌ１：Ｌ２を１：０．５とし、Ｌ１：Ｗ１を１：１，１．４：１，１．５：１，１．６：１とした場合の圧電発音素子だけで得られる、入力信号として正弦波信号を入力したときの音圧−周波数特性を示す図である。さらに図２１（Ｇ）乃至（Ｉ）は、Ｌ１：Ｌ２を１：０．６とし、Ｌ１：Ｗ１を１：１，１．４：１，１．５：１，１．６：１とした場合の圧電発音素子だけで得られる、入力信号として正弦波信号を入力したときの音圧−周波数特性を示す図である。図１９乃至図２１を見ると判るように、長辺の長さＬ１と短辺の長さＷ１の比Ｌ１／Ｗ１が、１．２５〜１．７５の範囲に入るように定め、振動板の非固定部分の凹部の長辺に開口する開口部の長さＬ２と、長辺の長さＬ１との比Ｌ２／Ｌ１を０．４〜０．７とし、第２の仮想線に向かう方向の一対の凹部間の寸法Ｗ２と短辺の長さＷ１の比Ｗ２／Ｗ１を０．４〜０．９５とすると、約２ｋＨｚ〜約３ｋＨｚの範囲において、音圧が上昇している。これらの圧電発音素子を１以上の共振器を構成するケース内に入れる場合、１以上の放音孔の総開口面積及び空気室容量は、入力信号として正弦波信号を入力したときの１次共振周波数と、３次共振周波数と、１次共振周波数と３次共振周波数の間の中間周波数の音圧が、それぞれ８０ｄＢ以上になるように定められる。さらに１以上の放音孔の総開口面積及び空気室容量は、入力信号として正弦波信号を入力したときの１次共振周波数と３次共振周波数の間の中間周波数の音圧が、１次共振周波数の音圧及び３次共振周波数の音圧以上になるように定められているのが好ましい。

［第４の実施の形態］
第４の実施の形態は、図１８（Ａ）及び（Ｂ）に示した第３の実施の形態と同様に、圧電発音素子の振動板が矩形形状を呈しており、圧電素子が振動板の裏面に貼り付けられているもので、振動板の非固定部分の輪郭形状は、第１の実施の形態及び第２の実施の形態の振動板の非固定部分が有する傾斜直線部を有していない、いわゆるダンベル形になっている。すなわち凹部（１３Ｃ）が完全な矩形形状を呈しているものである。使用した振動板（１２）の長辺の長さＬ１（３０ｍｍ）と短辺の長さＷ１（２１ｍｍ）の比Ｌ１／Ｗ１は、１．４３であり、振動板の非固定部分の凹部の長辺に開口する開口部の長さＬ２（１５ｍｍ）と、長辺の長さＬ１との比Ｌ２／Ｌ１は０．５であり、第２の仮想線に向かう方向の一対の凹部間の寸法Ｗ２（１２ｍｍ）と短辺の長さＷ１の比Ｗ２／Ｗ１は０．５７であった。また本実施の形態では、第２の実施の形態と同様に上側ケース半部の上壁部の中央に１個の放音孔（４）が形成されている。また振動板（１２）の非固定部分（１３）は、厚みが５０μｍの鉄にニッケルを配合した合金製の板からなる。また圧電素子は厚みが２０μｍのＰＺＴセラミックが複数層積層された構造を有している。さらに圧電素子を振動板に接着するアクリル系の接着剤のショアＤ硬度が８２であり且つその厚みが約１〜１０μｍであった。

そして図２２（Ａ）乃至（Ｅ）は、放音孔（４）の厚み寸法を１ｍｍとして、放音孔（４）の半径及び空気室容量を５．５ｍｍ及び６ｃｃ、７ｍｍ及び８ｃｃ、８．５ｍｍ及び１０ｃｃ、１０ｍｍ及び１０ｃｃ、並びに１１．５ｍｍ及び１４ｃｃとしたときに、入力信号として正弦波信号を入力したときの音圧−周波数特性がどのように変わるのかを試験した結果を示している。図２２（Ａ）乃至（Ｅ）から分かるように、いずれの条件であっても、入力信号として正弦波信号を入力したときの１次共振周波数と、３次共振周波数と、１次共振周波数と３次共振周波数の間の中間周波数の音圧が、それぞれ８０ｄＢ以上になるようになっている。また図２２（Ａ）及び（Ｂ）の例では、１次共振周波数と３次共振周波数の間の中間周波数の音圧が、１次共振周波数の音圧及び３次共振周波数の音圧以上になっている。図２２（Ｃ）乃至（Ｅ）の例では、１．８ＫＨｚ〜３．２ＫＨｚの周波数周囲において、１次共振周波数と中間周波数の間の最小音圧及び中間周波数と３次共振周波数の間の最小音圧も、８０ｄＢ以上になるように共振器が構成されている。したがってかなり広い周波数範囲において、音圧が上昇して且つ音圧差が小さくなっており、音をスイープさせる場合においても音がフラットになる利点がある。

なお放音孔の厚み寸法を２ｍｍ及び３ｍｍとした場合について同じ条件で試験を行ったが、放音孔の厚み寸法は音圧の変化に影響がないことが確認できた。またＬ１／Ｗ１が、１．４０〜１．４５であり、Ｌ２／Ｌ１が、０．４５〜０．５５であり、Ｗ２／Ｗ１が、０．５５〜０．５９であれば、図２２（Ｃ）乃至（Ｅ）の例と同様の音圧―周波数特性が得られる。

本発明によれば、騒音の大きな場所でも、複数音階の音を可聴できる圧電音響部品を提供できる。

１ 圧電音響部品
３ 下側ケース半部
４ 放音孔
５ 上側ケース半部
６ ケース
７ 開口部
７Ａ 長辺
７Ｂ 短辺
７Ｃ 凸部
９ 発音素子ホルダ
１１ 圧電発音素子
１２ 振動板
１３ 非固定部分
１３Ａ 長辺
１３Ｂ 短辺
１３Ｃ 凹部
１３Ｃａ 平行直線部
１３Ｃｂ 傾斜直線部
１５ 圧電素子
１５Ａ 直線部
１５Ｂ 湾曲部
３１ 底壁部
３２ 周壁部
５１ 上壁部
５２ 周壁部
ＰＬ１ 第１の仮想線
ＰＬ２ 第２の仮想線
Ｓ１ 第１の空間
Ｓ２ 第２の空間

Claims (14)

1. 金属製の振動板及び前記振動板の少なくとも片面上に設けられた圧電素子からなる圧電発音素子と、
   前記圧電発音素子の前記振動板の外周部を全周に亘って固定し、前記圧電発音素子の両側に第１の空間と第２の空間を形成するように構成され、前記第１の空間と対向する壁部に１以上の放音孔が形成されて前記第１の空間の容積と前記１以上の放音孔により共振器を構成しているケースとを備えてなる圧電音響部品であって、
   前記振動板の前記外周部の内側に位置する非固定部分は、互いに対向する一対の長辺と該長辺よりも長さが短く互いに対向する一対の短辺を備え、前記一対の長辺中に互いに近づく方向に凸となる一対の凹部を有しており、
   前記圧電素子は、前記振動板の前記非固定部分の前記一対の凹部の間の領域上に設けられており、
   前記振動板及び前記圧電素子のそれぞれの輪郭形状が、前記一対の短辺を二分する第１の仮想線に対して対称となり且つ前記一対の長辺を二分する第２の仮想線に対して対称となるように定められており、
   前記振動板の前記非固定部分の前記長辺の長さＬ１と前記短辺の長さＷ１の比Ｌ１／Ｗ１が、１．２５〜１．７５の範囲に入るように定められており、
   入力信号として正弦波信号を入力したときの１次共振周波数と、３次共振周波数と前記１次共振周波数と前記３次共振周波数の間の中間周波数の音圧が、それぞれ８０ｄＢ以上になるように前記共振器が構成されている圧電音響部品。
2. 前記中間周波数の音圧が、前記１次共振周波数の音圧及び前記３次共振周波数の音圧以上になるように、前記共振器が構成されている請求項１に記載の圧電音響部品。
3. 前記１次共振周波数と前記中間周波数の間の最小音圧及び前記中間周波数と前記３次共振周波数の間の最小音圧が、それぞれ８０ｄＢ以上になるように前記共振器が構成されている請求項１に記載の圧電音響部品。
4. 前記ケースは、前記振動板の前記非固定部分の輪郭形状と同一形をなす開口部を備えて、前記振動板の外周部を固定する発音素子ホルダを備えている請求項１に記載の圧電音響部品。
5. 前記一対の短辺は、両端部に互いに近付く方向に傾斜する一対の傾斜部を備えている請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧電音響部品。
6. 前記振動板の裏面に前記圧電素子が設けられている請求項１乃至５のいずれか１項に記載の圧電音響部品。
7. 前記振動板の前記非固定部分の前記凹部は、前記第１の仮想線と平行に延びる平行直線部と、該平行直線部の両端部から互いに離れ且つ対応する前記長辺の残部に向かって延びる一対の傾斜直線部を備えて構成されており、
   前記圧電素子の輪郭は、一対の前記凹部のそれぞれの前記平行直線部に沿う一対の直線部と、前記一対の凹部の前記第２の仮想線が延びる方向に対向する一対の傾斜直線部によって挟まれる領域内で前記一対の短辺に向かって凸となるように湾曲する湾曲部を備えている請求項１乃至６のいずれか１項に記載の圧電音響部品。
8. 前記振動板の前記非固定部分の前記凹部は、前記第２の仮想線と平行に延びる平行直線部と、該平行直線部の両端部から互いに離れ且つ前記凹部内に向かって凸となるように湾曲する一対の凸状湾曲部を備えて構成されており、
   前記圧電素子の輪郭は、一対の前記凹部のそれぞれの前記平行直線部に沿う一対の直線部と、前記一対の凹部の前記一対の凸状湾曲部によって挟まれる領域内で前記一対の短辺に向かって凸となるように湾曲する湾曲部を備えている請求項１乃至６のいずれか１項に記載の圧電音響部品。
9. 前記振動板の前記非固定部分の前記凹部は、前記第２の仮想線に向かって凸となるように湾曲する湾曲凹部からなり、
   前記圧電素子の輪郭は、一対の前記湾曲凹部に沿い且つ一対の湾曲凹部によって挟まれる領域内で前記一対の短辺に向かって凸となるように湾曲する湾曲部を備えている請求項１乃至６のいずれか１項に記載の圧電音響部品。
10. 前記振動板の非固定部分は、厚みが１０μｍ〜１５０μｍの鉄にニッケルを配合した合金製板からなり、
    前記圧電素子は厚みが１０μｍ〜３５μｍのＰＺＴセラミックが複数層積層された構造を有しており、
    前記圧電素子を前記振動板に接着するアクリル系接着剤のショアＤ硬度が７５〜８５であり且つ厚みが１μｍ〜１０μｍであることを特徴とする請求項２に記載の圧電音響部品。
11. 金属製の振動板及び前記振動板の少なくとも片面上に設けられた圧電素子からなる圧電発音素子と、
    前記圧電発音素子の前記振動板の外周部を全周に亘って固定し、前記圧電発音素子の両側に第１の空間と第２の空間を形成するように構成され、前記第１の空間と対向する壁部に１以上の放音孔が形成されている共振器を構成するケースとを備えてなる圧電音響部品であって、
    前記振動板の前記外周部の内側に位置する非固定部分は、互いに対向する一対の長辺と該長辺よりも長さが短く互いに対向する一対の短辺を備え、前記一対の長辺中に互いに近づく方向に凸となる一対の凹部を有しており、
    前記圧電素子は、前記振動板の前記非固定部分の前記一対の凹部の間の領域上に設けられており、
    前記振動板及び前記圧電素子のそれぞれの輪郭形状が、前記一対の短辺を二分する第１の仮想線に対して対称となり且つ前記一対の長辺を二分する第２の仮想線に対して対称となるように定められており、
    前記長辺の長さＬ１と前記短辺の長さＷ１の比Ｌ１／Ｗ１が、１．２５〜１．７５の範囲に入るように定められており、
    前記振動板の前記非固定部分の前記凹部の前記長辺に開口する開口部の長さＬ２と、前記長辺の長さＬ１との比Ｌ２／Ｌ１が０．４〜０．７であり、前記第２の仮想線に向かう方向の前記一対の凹部間の寸法Ｗ２と前記短辺の長さＷ１の比Ｗ２／Ｗ１が０．４〜０．９５であり、
    前記共振器の前記１以上の放音孔の総開口面積及び空気室容量が、入力信号として正弦波信号を入力したときの１次共振周波数と、３次共振周波数と、前記１次共振周波数と前記３次共振周波数の間の中間周波数の音圧が、それぞれ８０ｄＢ以上になるように定められている圧電音響部品。
12. 前記振動板の裏面に前記圧電素子が設けられている請求項１１に記載の圧電音響部品。
13. 前記１次共振周波数と前記中間周波数の間の最小音圧及び前記中間周波数と前記３次共振周波数の間の最小音圧が、それぞれ８０ｄＢ以上になるように前記共振器が構成されている請求項１２に記載の圧電音響部品。
14. 前記Ｌ１／Ｗ１が、１．４０〜１．４５であり、
    前記Ｌ２／Ｌ１が、０．４５〜０．５５であり、
    前記Ｗ２／Ｗ１が、０．５５〜０．５９である請求項１３に記載の圧電音響部品。