JP6595248B2 - 音響発生器 - 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、ピークディップが抑制され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、筒状部および天板部から成り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備えるケースと、該ケースの前記底板を振動させるように、積層方向の一方の端面が前記底板に当接して配置されるとともにそれぞ
れが離れて前記ケースに収容された複数の積層型圧電素子とを備え、該複数の積層型圧電素子は、積層方向の他方の端面が前記天板部に当接しており、前記複数の積層型圧電素子は積層方向の長さが異なり、前記天板部は前記積層型圧電素子の長さによって該積層型圧電素子と当接する領域の厚みが異なっていることを特徴とする。

本発明の音響発生器によれば、ピークディップを抑制することで音質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縦断面図、（ｂ）は（ａ）に示す音響発生器の平面透視図である。 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平面透視図である。 本実施形態の音響発生器の他の例を示す平面透視図である。 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。

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縦断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す音響発生器の平面透視図である。

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を備えるケース２と、ケース２の底板２２を振動させるように、それぞれが離れてケース２に収容された複数の積層型圧電素子３とを備えている。

ケース本体２１は、鉛直方向に延びる円筒状の筒状部２１１の一端に天板部２１２を有し、他端に開口部を有する形状、いわゆる有底筒状のもので、少なくともそれぞれが離れて配置された複数の積層型圧電素子３が収容される内部空間を有している。ケース本体２１（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。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。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の他端に位置す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、当該ケース２を構成する底板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、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６では、外部電極層３４、外部電極板３５、はんだ３６および引き出し線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を介して引き出し線３７が接続されている。製造時には引き出し線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、引き出し線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、ケース２には複数の積層型圧電素子３が収容されていて、それぞれの積層型圧電素子３が離れて収容されている。本例においては、複数の積層型圧電素子３として、第１の積層型圧電素子３０１と第２の積層型圧電素子３０２との２本からなる構成になっており、第１の積層型圧電素子３０１および第２の積層型圧電素子３０２が、底板２２の主
面に垂直な方向から見て、底板２２の重心に対して点対称となるような位置に配置されている。なお、本例のような底板２２が円板の場合の底板２２の重心とは、底板２２の中心となる。

ケース２の内部に複数本の積層型圧電素子３が、それぞれ離れて収容されている構成によれば、複数の積層型圧電素子３が当接する底板２２のそれぞれの部位において、積層型圧電素子３の変位による振動が発生する、すなわち振動の起点が複数あることで、振動分布（変形の面内分布）の均一性を崩すことができる。詳しくは、底板２２における一つの積層型圧電素子３が当接する部位（振動の起点）から等距離の部位において、他の積層型圧電素子３の振動による変形が緩衝することで、振動分布の均一性を崩すことができる。これにより、音響発生器１におけるピークディップ、特に高周波数帯域でのピークディップを抑制することができる。

さらに、図示しないが、ケース本体２１の一部には貫通孔が設けられ、複数の積層型圧電素子３にそれぞれ電気を供給する引き出し線がこの貫通孔に挿通され、当該引き出し線を介して積層型圧電素子３と外部回路とが接続される。このとき、それぞれの積層型圧電素子３（第１の積層型圧電素子３０１および第２の積層型圧電素子３０２）に接続された引き出し線の長さを例えばケース２の内側で異ならせるなどしてそれぞれの積層型圧電素子３の外部回路との距離を異ならせることで、積層型圧電素子３の駆動開始時間に時間差が発生して底板２２が共振しにくくなり、音響発生器１におけるピークディップを抑制することができる。

また、複数の積層型圧電素子３の静電容量を異ならせた構成とすることで、電気を供給されて変位するまでの応答時間の時定数に差が発生して底板２２が共振しにくくなるため、音響発生器１のピークディップをより抑制することもできる。

ここで、図１に示す構成は、底板２２の主面に垂直な方向から見て、複数の積層型圧電素子３の全体の重心（素子配置重心）と底板２２の重心とが一致している構成であるのに対し、図３に示すように、底板２２の主面に垂直な方向から見て、複数の積層型圧電素子３の全体の重心（素子配置重心）を底板２２の重心からずらして配置するようにしてもよい。複数の積層型圧電素子３の全体の重心（素子配置重心）とは、それぞれの積層型圧電素子３の重心同士を結ぶ図形の重心のことを意味する。この構成によれば、複数の積層型圧電素子３の配置が底板２２の中心を軸として回転対称ではなくなることから、より振動分布の均一性が崩されることとなり、音響発生器１のピークディップがより抑制される。

なお、底板２２の重心の位置に対する複数の積層型圧電素子３の全体の重心の位置は、例えば２〜２０ｍｍずらすように設定される。

また、図３に示す構成は、底板２２の主面に垂直な方向から見て、第１の積層型圧電素子３０１の重心、第２の積層型圧電素子３０２の重心および底板２２の重心の３つの重心が同一直線上に位置している構成であるのに対し、図４に示すように、第１の積層型圧電素子３０１の重心、第２の積層型圧電素子３０２の重心および底板２２の重心の３つの重心が同一直線上に位置していない構成としてもよい。この構成によれば、複数の積層型圧電素子３が底板２２の中心を通る軸に対して線対称となる配置はなくなることから、より振動分布の均一性が崩されることとなり、音響発生器１のピークディップがさらに抑制される。

さらに、複数の積層型圧電素子３のうちの少なくとも一つの積層型圧電素子３０１は他の積層型圧電素子３０２と共振周波数が異なっていてもよい。具体的には、複数の積層型圧電素子３が第１の積層型圧電素子３０１と第２の積層型圧電素子３０２とからなる構成
の場合、第１の積層型圧電素子３０１の積層方向の長さと第２の積層型圧電素子３０２の積層方向の長さとを異ならせることで、これらの共振周波数を異ならせることができる。なお、本例では、第１の積層型圧電素子３０１の長さが第２の積層型圧電素子３０２の長さよりも短くなっており、この短い長さの分だけ天板２１２における第１の積層型圧電素子３０１と当接する領域の厚みが厚くなっていることで、第１の積層型圧電素子３０１の振動が底板２２に確実に伝わるようになっている。このとき、第１の積層型圧電素子３０１と第２の積層型圧電素子３０２とは変位量がほぼ同じ状態で共振周波数の異なる構成になっている。この構成により、細やかな調整ができ、底板２２における共振の重なりをより避けることができるため、特に高周波数帯域でのピークディップを抑制することができる。なお、振動分布の均一性を崩すことができる範囲内において、図３、図４に示したように、底板重心と素子配置重心とがずれるように複数の積層型圧電素子３を配置してもよい。

さらに、複数の積層型圧電素子３のうちの少なくとも一つの積層型圧電素子３０１は他の積層型圧電素子３０２と変位量が異なっていてもよい。具体的には、複数の積層型圧電素子３が第１の積層型圧電素子３０１と第２の積層型圧電素子３０２とからなる構成の場合、第１の積層型圧電素子３０１の内部電極層の層数と第２の積層型圧電素子３０２の内部電極層の層数とを異ならせることで、これらの変位量を異ならせることができる。なお、この構成に限らず、圧電体層と内部電極層の厚みを異ならせたり、これらの形成材料を異ならせたりしてもよい。この構成によっても、底板２２における共振の重なりをより避けることができるため、特に高周波数帯域でのピークディップを抑制することができる。なお、振動分布の均一性を崩すことができる範囲内において、図３、図４に示したように、底板重心と素子配置重心とがずれるように複数の積層型圧電素子３を配置してもよい。

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１の具体例について説明する。

積層型圧電素子３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。

そして、音響発生器の試料を２つ用意した。試料１（比較例）は、積層型圧電素子３を１つだけ底板の重心（中心）上に位置するように収容した音響発生器とした。試料２（実施例）は、積層型圧電素子３を２本備え、これらをピッチ１０ｍｍで底板上に配置し、２本の積層型圧電素子のそれぞれの重心と重心とを結ぶ線分の中間点である２本の積層型圧電素子の全体の重心（素子配置重心）と底板の重心が同一となるように配置した音響発生器とした。

作製した各試料について音圧特性を比較した。駆動条件はサインスイープで、振幅は３０Ｖｐ−ｐ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０．５ｍ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、基本共振周波数ｆｏから２０ｋＨｚでのピークとディップとの差の最大値、すなわち、ピークにおける最も高い値からディップにおける最も低い値を減じた数値は、試料１（比較例）が２５ｄＢ、試料２（実施例）が１６ｄＢとなり、積層型圧電素子を２本収容した試料２のほうが積層型圧電素子を１本収容した試料１よりもピークディップが抑制できていた。

したがって、本発明のように積層型圧電素子を複数本収容することで、ピークディップが抑制され、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 導電性接合材
３６ 外部電極板
３７ はんだ
３８ 引き出し線

Claims (5)

1. 筒状部および天板部から成り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備えるケースと、該ケースの前記底板を振動させるように、積層方向の一方の端面が前記底板に当接して配置されるとともにそれぞれが離れて前記ケースに収容された複数の積層型圧電素子とを備え、該複数の積層型圧電素子は、積層方向の他方の端面が前記天板部に当接しており、前記複数の積層型圧電素子は積層方向の長さが異なり、前記天板部は前記積層型圧電素子の長さによって該積層型圧電素子と当接する領域の厚みが異なっていることを特徴とする音響発生器。
2. 前記底板の主面に垂直な方向から見て、前記複数の積層型圧電素子の全体の重心が前記底板の重心からず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。
3. 前記複数の積層型圧電素子が第１の積層型圧電素子と第２の積層型圧電素子とからなり、前記底板の主面に垂直な方向から見て、前記第１の積層型圧電素子の重心、前記第２の積層型圧電素子の重心および前記底板の重心の３つの重心が同一直線上に位置していない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. 前記複数の積層型圧電素子のうちの少なくとも一つの積層型圧電素子は他の積層型圧電素子と共振周波数が異なっていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれかに記載の音響発生器。
5. 前記複数の積層型圧電素子のうちの少なくとも一つの積層型圧電素子は他の積層型圧電素子と変位量が異なっていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれかに記載の音響発生器。

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