JPH0332958B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、圧電素子を電気−音響変換器として
利用する圧電振動素子に関するものである。

〔従来技術の説明〕

セラミツクには、新素材として刮目されるもの
が多いが、中でもピエゾ効果による強圧電性磁器
を用いた圧電振動板は、電気−機械系の相互変換
作用が注目される。ピエゾ圧電振動板は、一般に
ジルコニウムチタン酸鉛等の強圧電性セラミツク
の直径20〜30mm前後の円形薄片に電極面を付した
圧電板を１枚の薄い金属板の片面もしくは両面に
重ね、２枚乃至３枚構成に貼り合わせたものが多
い。第１４図は、３枚構成のバイモルフと称する
圧電振動板１の基本動作を示す構成図であるが、
圧電板２ａ，２ｂの電極面と金属板３との間に信
号電圧ｅを印加すると、各圧電板２ａ，２ｂには
半径方向の伸縮力が生じ、相加して、金属板３と
の間に剪断応力がおき、沿直方向の起振力Ｆとな
り、外縁部を支点４で支持すれば、第１４図の破
線の如く中央部を最大振巾とする凸レンズ状の規
準振動を行う。そして、この起振力Ｆにより発生
する音響出力を、圧電ブザー、チヤイム、リンガ
ー等の発音器として利用し、あるいは第１５図の
如く、圧電振動板１をケース６に収容し、その中
央にコーン放射体５の頂点を結合して、これを励
振し、小形スピーカ等を構成する。

周知の通り、圧電セラミツクの弾性率（Ｅ≒83
×10⁹（Ｎ／m²））は、水晶に匹敵する位に大きく、
その薄片を金属板３に積層してなる圧電振動板１
の物性としては、内部損失が小さくＱ（共振感度）
が高いために、鋭い共振峰をもち、かつその共振
周波数f₀は概ね２〜5kHz付近の高音域にある。し
かしながらセラミツクは脆くて薄片にしにくいた
めに、そのf₀を低下することは実際に可成り困難
である。

この圧電振動板１の共振点付近における振動現
象は、一般に第１６図の如く、共振峰f₀₁を中心
に分けられ、低音側はステフネス動作領域で、定
振巾性d₁であり、高音側は慣性動作領域で低速度
性v₁である。従つて、前述の第１５図に示した小
型スピーカの動作を、第１７図の等価回路図によ
り推定するならば、圧電振動板１の機械的インピ
ーダンスz₁（以下z₁と記す）とコーン放射体５の
機械的インピーダンスz₀（以下z₀と記す）は直列
回路をなし、しかもz₁がz₀より遥るかに大きいた
め、回路に流入する速度v₀は、殆んどz₁によつて
支配を受けるので、コーン放射体５の運動は第１
６図の傾向と相似的で殆んど変らない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

音響理論によれば、放射体が自由空間において
ある帯域内に、一定の音圧を放射せんとする場合
は、原則としてその放射体は定速度で振動しなけ
ればならない。従つて、第１５図の従来の小型ス
ピーカの放射音圧特性は第１８図p₀の如く、共振
点f₀以上の高音域では、ジグザグを大きく描き乍
ら音圧がえられるが、共振点f₀以下の低音域で
は、出力音圧は急降下して激減する。前述の如
く、圧電振動板１の共振点f₀₁は3kHz付近にある
ので、その再生音としては、高音部が強調され、
低音部が欠如した貧弱な音質しかえられないこと
になる。しかも、圧電板２ａ，２ｂのＱが高いた
めに、共振点f₀の鋭いピークに続いて寄生振動に
よるレスポンスの凹凸を生じ、高調波歪が多く、
中低音で、出力音圧レベルが低いなどスピーカと
して汎用性に欠けるものであつた。この欠点を改
善すべく従来は圧電板２ａ，２ｂの表面や支点４
となる部分に粘弾性樹脂を塗布するなどしている
が、飽くまでも消極的な手段に過ぎず、その効果
は余り期待できるものではなかつた。その過大理
由はz₁が余りにも大きく、しかも、共振点f₀₁が
可聴帯域の上限付近（３〜5kHz）にあるためで
あるから、これを意のまゝに制御することは、従
来の手段をもつてしては到底不可能に近い状態で
あつた。

本発明は上述のごとき事情に鑑みてなされたも
ので、低音部の出力音圧を増大させて、出力音圧
が平坦になるようにした圧電振動素子を提供する
ことを目的とする。

〔問題を解決するための手段〕

かかる目的を達成するために、本発明は、圧電
振動板の重心点付近に粘弾性層を介して重錘を結
合することにより、前記圧電振動板の振動モード
を変化せしめ起振力を前記圧電振動板の外縁部か
ら取り出すように構成されている。

〔作用〕

低音域では、重錘を支持する粘弾性の機械イン
ピーダンスが減少し、専ら慣性質量として作用
し、圧電振動板の中心部を強く拘束して、圧電振
動板は凹レンズモードとなり、外縁部が最大振巾
で振動し、低音域の音圧を増大することができ
る。また、高音域では、粘弾性層の動作が活発に
なり、圧電振動板の中心部の拘束が減少して凸レ
ンズモードへ移行する一方、粘弾性層の粘性抵抗
により共振点f₀₁の振巾は適度に抑制される。し
たがつて、低音域が増強され、高音域が抑制され
て、動作帯域が拡張され、出力音圧は平坦な特性
となる。

〔実施例の説明〕

以下、本発明の実施例を第１図ないし第４図を
参照して説明する。第１図は、本発明の圧電振動
素子の等価回路図であり、第２図は、第１図の可
変インピーダンスz₂が慣性質量m₂と粘弾性抵抗
c₂，r₂の並列要素として示される等価回路図であ
り、第３図は、本発明の圧電振動素子の具体的基
本構造を示す図であり、第４図は、第３図に示す
圧電振動素子の特性図である。

まず、本発明は、圧電振動板１の振動モード
（姿態）に着目してなされたものである。すなわ
ち、圧電振動板１の外縁部における速度ならびに
振巾は、凸レンズモードのとき最小値であり、凹
レンズモードにおいて最大値をとる。この振動モ
ードは、重心点に負荷する可変インピーダンス、
z₂（以下z₂と記す）により、比較的容易に制御で
きることを実験的に確認した。

本発明におけるz₂を導入した振動系の等価回路
図を第１図に示す。すなわちz₂はz₁と負荷となる
z₀の中間点ａ−ｂ間に挿入し、振動周波数に対応
して順次リアクタンス分が変化して印加信号電圧
ｅに比例して誘起する起振力F₁によるz₀に流入す
る速度v₀を可及的に一定ならしめようとする。

z₂は第２図の如く、慣性質量m₂と粘弾性抵抗
c₂，r₂の並列要素として示され、そのインピーダ
ンスは動作帯域、変換感度等要求される条件によ
つて異るも概ねZ₁≫z₀≦z₂の範囲に構成するを可
とする。

これを具体化したものを第３図に示す。本発明
の圧電振動素子１０は、原則として圧電振動板１
の金属板３の両面に圧電板２ａ，２ｂを積重した
謂所バイモルフまたは片面のみに積重したモノモ
ルフと称する円板形で構成され、この圧電振動板
１の重心点（円板の場合は中心に一致する）もし
くはその近傍に、慣性質量m₂を有する重錘８
（m₂）を粘弾性層７（c₂，r₂）を介して接合した
極めて単純な構成によるものである。

ここで、圧電板２ａ，２ｂの電極面と金属板３
の間に信号電圧ｅを印加し、外縁部９の運動に着
目すれば、低音域（＜300Hz）ではz₂は質量リア
クタンス（第２図のm₂）となるので圧電振動板
１は中心部を強く拘束され、凹レンズモードをと
り、外縁部９が最大振巾になる一方、中音域
（800〜1kHz）では、粘弾性抵抗c₂，r₂と慣性質量
m₂の各リアクタンスが等量に近づき、z₀は相対
的に増加して拘束性が徐々に減少し、振動節線は
次第に外周へ移動して中程度の振巾となる。更
に、高音域（＞３〜5kHz）ではz₂は主として弾性
c₂と粘性抵抗r₂となり一段と拘束性が減少して凸
レンズモードへ移行する。このとき共振点f₀₁で
は粘性抵抗r₂が制動効果を発揮して共振ピークの
発生を効果的に抑制する。第４図は３つの特異点
f₀₀，f′₀₁，f₀₁について振動モードの模様とz₂の変
化を示したものであるが、ここに、f₀₀は放射体
の共振点、f′₀₁はz₂を構成するm₂が圧電振動板１
のm₁に添加し移行したための共振点（約1kHz付
近）、またf₀₁は圧電振動板１自体の共振点であ
る。また、第４図の曲線z₀は一般的な放射体の駆
動点におけるインピーダンス曲線を示すが、中音
からf₀₀にかけて著しく降下している。その結果、
放射体は励振が容易になり、振動速度v₀を付勢す
るのに役立つことになる。以上説明した動作状況
から、圧電振動素子１０は重心点付近に付設した
可変インピーダンスz₂の作用により振動モードが
制御され、外縁部９に負荷される放射体の振動速
度v₀並びに放射音圧P₀が概ね第４図の如く、平坦
特性に改善されることになる。

更に、本発明の圧電振動素子１０の他の大きな
特長としては、振動回路に大きな抵抗損失を挿入
して共振ピークを鎮静化する従来の方法と異り、
インピーダンス容素z₂の機械リアクタンスの作用
により周波数に対応して振動モードを制御するの
であるから、回路損失が極めて少ないものであつ
て変換器としての効率を著しく向上する大きな効
果を有している。

第３図において、重錘８は概ね重量１〜5gr程
度の鉛玉でよく、破線の如く圧電振動板１の両面
に２分割して設けてもよく、また、粘弾性層７
（c₂，r₂）には、動作中の重錘８を安定に支持す
るに足る不変性粘着力を持続する粘着性樹脂例え
ば天然ゴム系ブチルゴム、ウレタンゴム、シリコ
ンゴム系等の粘着性変性物質またはこれらの粘性
樹脂を発泡シートまたは不織布等のベースに塗布
もしくは浸潤させたものを可とする。現在のとこ
ろ、これらの材料の粘弾性を定量的に計測するこ
とは、実際上困難の状況であるから実験的に適否
を判定するが、いづれも温度依存性の少ないもの
を重点に選択する。

第５図ａないしｂは、本発明の圧電振動素子１
０における圧電振動板１に重錘８を粘弾性層７で
結合させる他の実施例である。第５図ａは、動作
の安定化と密着性を考慮して重錘８を扁平紡錘型
とし、モノモルフの金属板側に設けたものであ
る。第５図ｂは、重錘８を円錘形としたもので、
粘弾性層７の有効接触面積を拡大し、かつ重錘８
の安定性を大きくしたものである。同様に、重錘
８を円錘台または半円球としてもよい。第５図ｃ
は、円板状の重錘８をリング状の粘弾性層７で結
合させたものである。第５図ｄは、円環状の重錘
８ａと円柱状の重錘８ｂに分けて、同心円状に粘
弾性層７ａ，７ｂで結合したものである。第５図
ｅは、重錘８と粘弾性層７とを交互に二重に積み
重ねたもので、質量リアクタンスの効果が緩慢と
なり、動作帯域の拡張が図られる。第５図ｆは、
金属板３に細い管柱３ａを植立し、管状の粘弾性
層７ｃを内挿した管状の重錘８ｃを管柱３ａに嵌
入させてすべり応力を利用するようにしたもので
ある。

さらに、重錘８または圧電振動板１とスピーカ
ーフレーム等の固定部材１８との間に第６図ａ，
ｂの如く、単泡性ウレタンフオーム等からなるパ
ツト１６，２８を間挿してもよい。

更に、圧電振動板１の形状は、一般に円板を可
とするが、本発明においては、第３図の如くに、
凹レンズ状の基本振動モードで湾曲振動するので
あるから、主としてその外縁部において、円周方
向の微小な伸縮歪応力が発生して、変形を邪げ、
z₁を増大する原因になつている。そこで、その振
動共振周波数f₀₁を低下させ、機械インピーダン
スz₁を低下する手段として、第７図の如くに、円
板の中心部２３を残し、周辺部を複数（６〜12
個）の細隙２４を放射状にカツトし、均等な細片
に分割する方法が有効である。これは、本発明を
適用してマイクロホンや小形受話器等の小形機器
を構成する場合に、z₁を極力低下させ、それに付
随する重錘８（m₂）ならびに粘弾性抵抗層７
（c₂，r₂）の定数を微小化することができ、変換
感度の向上と動作帯域を拡張するうえで効果的で
ある。この場合、各細片の電極面は中心部２３で
互に連結し、１体であるから、信号電圧ｅの受授
方法は普通の円板と同じく簡単である。

以下、本発明の圧電振動素子１０を適用した電
気−音響変換器の応用例につき説明する。

第８図は、最も定型的な応用例である。ドーム
形放射体１１（m₂）は、波襞形リングエツジ１
２（c₀，r₀）を介して、外筐ケース１４に揺動的
に支持され、ドーム形放射体１１と波襞形リング
エツジ１２の境界１３に圧電振動素子１０の外縁
部９が結合され、端子１５に信号電圧ｅを印加し
励振する。圧電振動素子１０の実効質量m₂を予
じめ考慮して、エツジコンプライアンス（c₀）を
設定し、ドーム形放射体１１の共振点f₀₀を200〜
300Hz付近に設定する。中口径（50〜100mm）以上
の大きい場合は、補助的に重錘８と外筐ケース１
４の底面の間に発泡弾性のパツド１６を間挿する
を可とする。これは、第６図ａのc₃，r₈に該当す
るが、低音域における重錘８m₂の過大振幅を抑
制し安定化に役立つ。

この応用例は、防滴形スピーカとして、インタ
ーホンの屋外機用、音声合成アラーム用その他に
好適である。

第９図のものは放射体がなく、直接放射の簡素
化した応用例で、主に電話用送受話器に適用す
る。電話回線の伝送帯域は、300〜3.5kHzである
から帯域形成には、例えば、圧電振動板１の金属
板３の外縁部９の円環波襞１７を付してコンプラ
イアンスc₀とし、低音共振点f₀₀を約300Hzにする
一方、圧電振動板１の凸レンズモードの第一共振
点f₀₁を3kHzに設定し、細部を背部の音響回路で
調整する。前室２０のキヤパシタンスと開孔１９
のイナータンスで、約3500Hzのローパスフイルタ
を形成し、不要の高調波歪を除去する。重錘８と
外筐底面に間挿するスポンジのパツド１６（r₃）
は、速度形駆動を調整加味するもので、耳当てが
耳介と密着度が悪い場合におきる低音劣化を防止
し、通話明瞭度を向上させる。なお、２１は背室
２２の開孔である。第９図のものを若干変形して
送話器を構成することができる。この場合、背室
２２には通話レベルに増巾するIC増巾器とサー
ジ電圧吸収素子を収容する。炭素送話器に較べ、
高信頼性で長寿命であり、雑音の少ない利点があ
る。

第１０図のものは、一般的なコーン形スピーカ
の構成例である。コーン放射体２５は、抄造紙ま
たはプラスチツクフイルムの成型品とし、波襞エ
ツジ２６を介してフレーム２７と揺動的に結合す
る。コーン放射体２５頂部とドーム２９の接合部
に圧電振動素子１０の外縁部９を接合し、端子に
信号電圧ｅを印加してコーン放射体２５を励振す
る。この場合の重錘８とフレーム２７の間に軟質
発泡のパツド２８を間挿し、コーン放射体２５の
頂部を保持してコーンの運動を安定化する。この
パツド２８の等価回路は第６図ｂに該当する。こ
のスピーカは厚さ10mm以下の軽量薄形にできるか
ら、小形ポケツトラジオカセツトテープレコーダ
等に好適であり、漏洩磁束を忌避する場合に、従
来の永久磁石形スピーカに代替することができ
る。

第１１図のものは、放射体３０に発泡スチロー
ル等の半硬質発泡平板を用いた構成例である。放
射体３０は矩形（たてよこ比４：３位）を可と
し、縁端を軟質発泡材３１を介してフレーム３２
に繋止する。圧電振動素子１０の中心Ｑは、放射
体３０の縁端までの距離Ｒが各角度方向になるべ
く異なる位置を選んで固定され、特定周波数に発
生する定在波を分散する。なお、圧電振動板１０
は放射体３０の開孔に嵌入し、周囲を接着固定す
る。この簡易形スピーカの感度音質は第１０図に
示すコーン形に較べて若干劣るが、更に軽量薄形
に構成できるので、電子楽器や玩具等の発音体の
他、自動車のサンバイザ、座席の安全枕に内装す
るスピーカ等として走行中の安全性を重視する場
合のスピーカとして好適である。

第１２図ａ，ｂに示すものは、放射体３５を発
泡材または抄造紙を円弧状に湾曲させて形成し、
その両端を圧電振動素子１０により励振駆動する
スピーカである。この場合の圧電振動素子１０は
長方形の短冊形とし、金属板３の両端３９を出力
端子とし、放射体３５の左右両端にある切込窓３
７にこの出力端子を挿入結合する。放射体３５の
両側の圧電振動素子１０が左右同相で等しい速度
v₀で励振するときは、放射体３５は曲率半径が変
化して音圧P₀を放出する。このスピーカの特長
は、振動波が縦波として放射体３５の内質部を普
通の横波の約２倍に近い速度で伝播するので、応
答生が良好である。

第１３図ａに示すものは、２枚の円板形圧電振
動素子４４，４５を外縁端でコンプライアンスリ
ング４７を介して重連結合とし、コーン４１を駆
動する複合素子の適用例である。前方の素子４４
は全帯域用で、後方の素子４５は低音専用であ
り、粘弾性を有するゴムからなるコンプライアン
スリング４７により、ローパスフイルターを形成
し、f_L以下の低音域を付勢する。これらの素子４
４，４５を励振するには、第１３図ｂの如く特別
な昇圧トランス（巻数ｎ＝１：５位）を必要と
し、昇圧トランスの１次コイルL_Pに対し、２次
コイルL₁は密結合とし、第１３図ｃの如く全帯
域e₁を素子４４に供給するが、３次コイルL₂は結
合度の悪い位置に巻かれており、漏洩インダクタ
ンスL₁と圧電振動板１の内部容量とでローパス
フイルタを形成し、後方の素子４５には（e₁＋
e₂）を印加して低音出力を増強する様に構成した
ものである。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明に係わる圧電振動
素子は、圧電振動板の重心点付近に粘弾性層を介
して重錘が結合されているので、低音域では、重
錘が慣性質量として作用し、圧電振動板の中心部
が強く拘束され、圧電振動板は凹レンズモードと
なり、外縁部は最大振巾で振動して低音域の音圧
が大となり、また、高音域では、介在する粘弾性
層のために圧電振動板の中心部の拘束が減少して
信号周波数の増加と共に凸レンズモードとなり次
第に振幅が減少して所望の定速度駆動が実現し、
粘弾性層の粘性抵抗により更に圧電板の共振点で
振巾は抑制され、もつて、低音域から高音域まで
平坦な出力音圧が得られ、さらには、回路損失が
少なく、効率よく電気−音響変換ができる等の優
れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の圧電振動素子の等価回路図、
第２図は、第１図の可変インピーダンスz₂が慣性
質量m₂と粘弾性抵抗c₂，r₂の並列要素として示さ
れる等価回路図、第３図は、本発明の圧電振動素
子を具体的基本構造を示す図、第４図は、第３図
に示す圧電振動素子の特性図、第５図ａないしｆ
は、本発明の圧電振動素子における圧電振動板に
重錘を粘弾性層７で結合させる他のそれぞれの実
施例を示す図、第６図ａおよびｂは、本発明の圧
電振動素子の重錘または圧電振動板と固定部材と
の間にパツドを間挿させたそれぞれの図、第７図
は周辺部に複数の細隙をカツトし分割した圧電板
の平面図、第８図ないし第１０図は、本発明の圧
電振動素子を適用した電気−音響変換器のそれぞ
れの応用例の断面図、第１１図ａおよびｂは、本
発明の圧電振動素子を適用した他の電気−音響変
換器の応用例の断面図と平面図、第１２図ａおよ
びｂは、さらに他の電気−音響変換器の応用例の
一部切欠き斜視図と圧電振動素子の斜視図、第１
３図ａないしｃは、さらにまた他の電気−音響変
換器の応用例の断面図と、これを駆動するための
回路図と、各圧電振動素子の入力図、第１４図
は、圧電振動板の基本動作を示す模式図、第１５
図は、第１４図の圧電振動板を用いた小型スピー
カの構造図、第１６図は、第１４図の圧電振動板
の特性を示す図、第１７図は、第１５図の小型ス
ピーカの等価回路図、第１８図は、第１５図の小
型スピーカの特性を示す図である。 １……圧電振動板、７，７ａ，７ｂ，７ｃ……
粘弾性層、８，８ａ，８ｂ，８ｃ……重錘、９…
…外縁部、１０……圧電振動素子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 圧電振動板の重心点付近に粘弾性層を介して
   重錘を結合し、前記圧電振動板の中心部に拘束負
   荷を添加し、その振動モードを、前記圧電振動板
   の外縁部が最大振幅で振動する凹レンズ状振動モ
   ードとなし、前記圧電振動板の起振力を、前記重
   錘により前記圧電振動板の中心部に与える拘束力
   によつて低音域が増強され、前記粘弾性層の粘性
   抵抗によつて高音域が抑制された起振力となし、
   この起振力を前記圧電振動板の外縁部から取り出
   すように構成したことを特徴とする圧電振動素
   子。