JP6595280B2

JP6595280B2 - 音響発生器

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Publication number: JP6595280B2
Application number: JP2015189905A
Authority: JP
Inventors: 剛瀬戸口
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2015-09-28
Filing date: 2015-09-28
Publication date: 2019-10-23
Anticipated expiration: 2035-09-28
Also published as: JP2017069622A

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。

音響発生器として、例えば、天板および筒体を有するケース本体の端面に底板が取り付けられてなるケースと、該ケースに収容されて底板を押圧する圧電素子とを備えた構成のものが知られている（特許文献１を参照）。

この音響発生器を例えば机などの平板上に設置し、圧電素子に音波形に相当する電圧波形を印加することで、圧電素子に音波形に相当する振動を発生させ、その振動を設置した平板に伝えることで、平板から音を発生させることができる。

特開２００８−３１９３６号公報

上記の音圧発生器においては、音圧の向上が要求されている。しかしながら、圧電素子の変位量を大きくしたときに、ケースに撓みが生じることによって、積層型圧電素子の変位が底板の変形に十分に利用されず、圧電素子の変位量に対して底板の変形量が大きくならず、所望の音圧向上が得られないおそれがあった。あわせて、ケースの共振の影響により、大きなピークディップが発生し、音色が悪くなるおそれがあった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、音圧が向上し、かつ音色の良好な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を有するケース本体の端面に底板が取り付けられてなるケースと、該ケース内に収容され、前記底板を押圧する積層型圧電素子とを備えており、前記筒状部および天板部のうちの少なくとも一方の内壁にリブが設けられて
おり、該リブが前記天板部から前記筒状部にかけて設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、音圧が向上し、かつ音色の良好な音響発生器を実現することができる。

（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一部省略概略平面図である。本実施形態の音響発生器の他の例を示す一部省略概略平面図である。本実施形態の音響発生器の他の例を示す一部省略概略平面図である。本実施形態に係る音響発生器を用いた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、筒状部２１１および天板部２１２を有するケース本体２１の端面に底板２２が取り付けられてなるケース２と、ケース２内に収容され、底板２２を押圧する積層型圧電素子３とを備えており、天板部２１２の内壁にリブ２３が設けられている。

ケース本体２１は、筒状部２１１および天板部２１２を有しており、図に示す例では、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からなる。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。また、外周の形状が多角形で、積層型圧電素子２を収容する空間の内周の形状が円形という様に、外周と内周の形状が異なっていてもよい。筒状部２１１の長さは、例えば７ｍｍ〜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の内径がかなり大きくなっているのは、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てもよい。

ケース本体２１の筒状部２１１の他端（下端）である開口部を塞ぐように底板２２が取り付けられている。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とされている。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（下端）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からなる。底板２２はケース本体２１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底板２２を押圧する積層型圧電素子３が収容されている。より詳しくは、積層型圧電素子３は、底板２２の主面に垂直な方向（図の鉛直方向）と、後述する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。

積層型圧電素子３の第１の端面（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（第１の端面と対向する面、図１においては上面）は天板部２１２の内壁に設けられたリブ２３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３の保持の役目がある。ここで、積層型圧電素子３の保持の際の底板２２のたわみ量は、例えばケース本体２１の外部へ１ｍｍの範囲になるように設定される。

積層型圧電素子３の第１の端面は底板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の端面は天板部２１２の内壁に設けられたリブ２３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に突起を設けたり、筒状部２１１と積層型圧電素子３との間にスペーサを介在させたりするなどしてもよい。なお、リブ２３と積層型圧電素子３とが直接接触しておらず、コイルスプリングなどの弾性を有する部材がこれらの間に介在するものが設けられていてもよい。

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一つの側面へ導出された内部電極層３２の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（図示せず）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。

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５〜５０ｍｍの四角柱状とされたもので、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。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からなるもので、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を構成するセラミックスと同時焼成により設けられたもので、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。この外部電極板３５にリード部材（図示せず）が接合されて、外部回路と接続される。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、幅方向にスリットや孔が設けられていてもよい。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。

なお、積層型圧電素子３の構成については特に限定はなく、例えば外部電極層３４に外部電極板３５が接合されていなくてもよい。

図示しないが、外部電極板３５の表面には、はんだを介してリード部材が接続されている。製造時にはリード部材に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、筒状部２１１および天板部２１２のうちの少なくとも一方の内壁にリブ２３が設けられている。なお、図１に示す例では、一本のリブ２３が天板部２１２の内壁に設けられていて、具体的には、一本のリブ２３が天板部２１２の中央部を通って端から端まで直線上に延びて配置されている。このリブ２３は、例えば、厚み２〜５ｍｍ、幅１〜５ｍｍに設定され、材質は例えばステンレス、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からなる。

なお、図では、リブ２３の幅が積層型圧電素子３の第２の端面の幅とほぼ等しくなっているが、リブ２３の幅が、積層型圧電素子３の第２の端面と当接する部位のみ幅広になっていて、その他の部位は積層型圧電素子３の第２の端面の幅よりも狭くなっていてもよい。また、天板部２１２の中央部にリブ２３が設けられずに、積層型圧電素子３の第２の端面の大きさ程度のスペースが設けられ、当該天板部２１２の中央部に積層型圧電素子３の第２の端面が当接してもよい。また、積層型圧電素子３の第２の端面が天板部２１２に当接し、リブ２３がこの積層型圧電素子３を避けるように２本平行に延びて設けられてもよい。

また、リブ２３が、天板部２１２に配置されずに、筒状部２１１の内壁に長手方向（縦方向）に延びて配置されていてもよい。この場合、底板２２の振動に緩衝しないように、リブ２３の端面と底板２２との間に１ｍｍ以上の隙間があるのがよい。

このようなリブ２３があることで、ケース本体２１の曲げ強度が上がる。例えばリブ２３を天板部２１２に径方向に向けて設けた場合において、天板部２１２が撓みそうなときにこの撓みを抑制する効果がある。また、リブ２３を筒状部２１１の長手方向に向けて設けた場合、筒状部２１１が撓みそうなときにこの撓みを抑制する効果がある。このような効果により、ケース本体２１の撓みが小さくなるため、積層型圧電素子３の変位が底板２２の変形に十分に利用され、音圧向上に寄与することができる。

また、リブ２３の設けられていない音響発生器１においては、振動がケース本体２１を伝搬し、反射することで定在波を起こし、大きなピークディップを発生させることがある。それゆえ、リブ２３によらずにケース本体２１の厚みを厚くしてケース本体２１の曲げ強度を上げた場合は、ピークディップが大きいままであることが想定される。これに対し、ケース本体２１にリブ２３を設けることで、リブ２３で振動の伝搬が乱され、またリブ２３で反射が生じるので、定在波の周波数が分散され、振動の強度が弱くなる。したがって、ピークディップの低減を図る事が可能となり、音色を向上させることができる。さらに、内部空間での共鳴がリブ２３によって阻害され、ノイズの発生も抑えることができる
。

図３は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。図３に示すように、リブ２３が天板部２１２から筒状部２１１にかけて設けられているのがよい。これにより、リブ２３が天板部２１２と筒状部２１１との境界のエッジ部分を補強する構造となり、ケース本体２１の曲げ強度が更に上がり、ケース本体２１の撓みが更に小さくなるため、積層型圧電素子３の変位が底板２２の変形により十分に利用され、より音圧向上に寄与することができる。なお、天板部２１２に設けられるリブ２３と筒状部２１１に設けられるリブ２３とが連続している場合、これらは別体であっても一体であってもよいが、一体であるのが効果的であり、通常はケース本体２１の内部空間の加工と同時にリブ２３も加工され、これらのリブ２３およびケース本体２１が一体とされる。

図４は本実施形態の音響発生器の他の例を示す一部省略概略平面図である。なお、図４では天板部２１２を省略している。図４に示すように、底板２２の主面に垂直な方向から見て、複数のリブ２３が天板部２１２に設けられていてもよい。複数のリブ２３が天板部２１２に設けられる場合は、例えば中央部を通って端から端まで直線上に延びるリブ２３が互いに交わるように設けられる。図４に示す例では、中央部を通って端から端まで直線上に延びる２本のリブ２３が直角に交わるように配置されている。図４に示す形態は、天板部２１２の中央部から径方向に延びる４本のリブが直角に交わるように配置されていると見ることもできる。

なお、複数のリブ２３が天板部２１２に配置されずに、筒状部２１１の内壁に長手方向（縦方向）に延びるリブ２３が周方向に所定の間隔をおいて複数配置されていてもよい。

リブ２３が複数設けられていることで、リブ２３によるケース本体２１の曲げ強度が更に上がり、ケース本体２１の撓みが更に小さくなるため、積層型圧電素子３の変位が底板２２の変形にさらに十分に利用され、さらに音圧向上に寄与することができる。

図５は本実施形態の音響発生器の他の例を示す一部省略概略平面図である。なお、図５では天板部２１２を省略している。図５に示すように、底板２２の主面に垂直な方向から見て、複数のリブ２３が非回転対称に配置されていてもよい。ここで、回転対称とは複数のリブ２３の互いに交わる角度がすべて同じ角度になっている状態を意味し、非回転対称とは回転対称ではない状態を意味している。図５に示す例では、天板部２１２の中央部から径方向に延びる３本のリブ２３が約１４５°、約１４５°、約７０°の角度で交わるように配置されている。このような構造により、リブの対称性が悪くなるため、ケース２が共振しにくくなり、ノイズが軽減されて音色が良くなる。なお、複数のリブ２３が天板部２１２に配置されずに、筒状部２１１の内壁に長手方向（縦方向）に延びるリブ２３が周方向に非回転対称となるような間隔をおいて複数配置されていてもよい。

図６は本実施形態の音響発生器の他の例を示す一部省略概略平面図である。なお、図６では天板部２１２を省略している。図６に示すように、底板２２の主面に垂直な方向から見て、複数のリブ２３が非回転対称かつ非線対称に配置されていてもよい。ここで、非回転対称かつ非線対称とは、複数のリブ２３の互いに交わる角度がすべて異なる角度になっている状態を意味している。図６に示す例では、天板部２１２の中央部から径方向に延びる３本のリブ２３が約１４５°、約１２０°、約９５°の角度で交わるように配置されている。このような構造により、リブの対称性がさらに悪くなるため、さらにノイズが軽減されて音色が良くなる。なお、複数のリブ２３が天板部２１２に配置されずに、筒状部２１１の内壁に長手方向（縦方向）に延びるリブ２３が周方向に非回転対称かつ非線対称となるような間隔をおいて複数配置されていてもよい。

複数のリブ２３が交わるように設けられるときの互いのリブ２３によって形成される角度としては、例えば３０〜１８０°の範囲内で適宜設定される。

これまで述べた音響発生器１は、図７に示すように、底板２２を振動板４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４を振動させる音響発生装置１０とすることができる。音響発生装置１０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４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４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振動させることで、天板や壁から音や音楽を発生させる音響発生装置１０とすることができる。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、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３）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が積層された積層体を作製し、研削加工によって、縦が２ｍｍ、横が２ｍｍ、長さが２５ｍｍの四角柱状に作製した。

ケース本体は、ＡＢＳ樹脂からなり、筒状部を外径５０ｍｍ、内径４５ｍｍ、高さ２７ｍｍ、天板部を厚み２．５ｍｍに切削加工して、作製した。また、天板部および筒状部の少なくとも一方に設けるリブは、厚み２ｍｍ、幅５ｍｍとし、加工によりケース本体と一体物として作製した。

底板は、ＳＵＳ３０４からなり、外径５０ｍｍ、厚み１ｍｍの円板状としたものを用いた。

これらを用いて、リブの構造が異なる７種類の試料となる音響発生器を作製した。

具体的には、試料１として、図１に示すように、天板部の中央部を通って端から端まで延びる１本のリブが一直線上に設けられたケース本体を用いた実施例となる音響発生器を作製した。なお、この構成において、リブの幅は５ｍｍ、厚みは２ｍｍのものを用いた。

また、試料２として、筒状部の内壁に長手方向（図の鉛直方向）に延びる１本のリブが設けられたケース本体を用いた実施例となる音響発生器を作製した。なお、この構成において、リブの幅は５ｍｍ、厚みは２ｍｍのものを用い、底板との隙間は１ｍｍとした。

また、試料３として、図３に示すように、天板部の中央部を通って端から端まで延びる１本のリブが一直線上に設けられ、このリブのそれぞれの端部に連続して筒状部の内壁に長手方向の延びる２本のリブが設けられたケース本体を用いた実施例となる音響発生器を作製した。なお、この構成において、リブの幅は５ｍｍ、厚みは２ｍｍのものを用い、底板との隙間は１ｍｍとした。

また、試料４として、図４に示すように、天板部の中央部を通って端から端まで延びる
２本のリブが互いに直角に交わるように設けられたケース本体を用いた実施例となる音響発生器を作製した。なお、この構成において、リブの幅は５ｍｍ、厚みは２ｍｍのものを用いた。

また、試料５として、図５に示すように、天板部の中央部から径方向に延びる３本のリブが非回転対称となるように約１４５°、約１４５°、約７０°の角度で交わるように設けられたケース本体を用いた実施例となる音響発生器を作製した。なお、この構成において、リブの幅は５ｍｍ、厚みは２ｍｍのものを用いた。

また、試料６として、図６に示すように、天板部の中央部から径方向に延びる３本のリブが非回転対称かつ非線対称となるように約１４５°、約１２０°、約９５°の角度で交わるように設けられたケース本体を用いた実施例となる音響発生器を作製した。なお、この構成において、リブの幅は５ｍｍ、厚みは２ｍｍのものを用いた。

また、試料７として、リブが設けられていない比較例となる音響発生器を作製した。なお、この試料のみ筒状部の長さを他の試料のリブの厚み分だけ短くしたケース本体とした。

試料１〜４および試料７の音響発生器について、音圧を測定した。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、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。

その結果、比較例である試料７の音圧７２ｄＢに対し、実施例である試料１が７４ｄＢ、試料２が７３ｄＢ、試料３が７６ｄＢ、試料４が７８ｄＢと音圧が向上していることがわかった。

次に、試料１〜７の音響発生器の２ｋＨｚ付近に発生するピークディップのピークとディップとの音圧レベル差を測定し、比較した。

その結果、比較例である試料７のピークディップ１７ｄＢに対し、試料１のピークディップは１５ｄＢ、試料２のピークディップが１６ｄＢ、試料３のピークディップが１４ｄＢ、試料４のピークディップが１３ｄＢ、試料５のピークディップが１３ｄＢ、試料６のピークディップが１１ｄＢと、ピークディップが小さくなっていることがわかった。

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
２３リブ
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
４振動板

Claims

筒状部および天板部を有するケース本体の端面に底板が取り付けられてなるケースと、該ケース内に収容され、前記底板を押圧する積層型圧電素子とを備えており、前記筒状部および天板部のうちの少なくとも一方の内壁にリブが設けられており、該リブが前記天板部から前記筒状部にかけて設けられていることを特徴とする音響発生器。
前記底板の主面に垂直な方向から見て、前記リブが複数設けら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。
前記底板の主面に垂直な方向から見て、複数の前記リブが非回転対称に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の音響発生器。
前記底板の主面に垂直な方向から見て、複数の前記リブが非回転対称かつ非線対称に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の音響発生器。