JPH0332960B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、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。

〔従来の技術〕

近年、各方面において、圧電振動素子に利用さ
れるジルコニウムチタン酸鉛を主体とする強圧電
性セラミツクが開発された。そして、この強圧電
性セラミツクの薄片に電極面を付けたものを金属
板ベースの片面（ユニモルフ形）又は両面（バイ
モルフ形）に貼り合わせた圧電振動板が多量に生
産されており、この圧電振動板はコストが著しく
低減されるようになつたので、上記した強圧電性
セラミツクは電気−音響変換器に広く用いられて
いる。

従来、この種の圧電振動板は支点を外縁端部に
設け、両電極間に信号電圧を印加することによつ
て、中央部分が最大振幅となるような凸レンズ形
振動モードの振動を生起して、圧電ブザー、電話
器用リンガー、その他の各種音響機器に広く使わ
れている。

ところで、普通多く用いられる直径約30mm前後
の圧電振動板の場合、外縁端部を支点とする凸レ
ンズ形振動モードの１次基本共振周波数f₀は、約
３〜5KHzが最低限度で、これ以下に引き下げる
ことは、圧電性セラミツクの脆弱性により薄片加
工が困難であるために経済的でない。

さて、音響振動工学によれば、一般に振動体は
物性に関して基本共振周波数f₀を境に、このf₀以
上の周波数帯域は定速度領域として、また、上記
f₀以下の帯域は定振幅領域として働く。通常スピ
ーカ等の音響放射体が自由空間内に一定の強さの
音圧を放射するには、振動板は、その振動帯域内
において一定速度をもつて運動しなければならな
い。したがつて、上記した凸レンズ形振動モード
による圧電振動板を利用してスピーカ等を構成し
ようとすれば、f₀３〜5KHz以上の定速度領域
にある高音用スピーカは極めて容易に作られる
が、f₀以下の定振幅領域の中低音用スピーカは、
音響放射出力が激減して実用に供し得るスピーカ
はほとんど実現が不可能に近い。

この発明の出願人は、さきに圧電振動板の中央
部付近に粘弾性層を介して重錘を結合し、圧電振
動板の中央部付近を拘束して、この圧電振動板の
外縁端部から起振力を取り出すように構成した圧
電振動素子を提案した（特願昭59−186979号）。
このような構成の圧電振動素子では、凹レンズ形
振動モードの振動を生起させ、相当広帯域にわた
り近似的に定速度振動特性を得ることができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記のように構成された圧電振動素子では、圧
電振動板の中央部付近に重錘を結合する場合に用
いる粘弾性層は、動的粘弾性定数が外部気温の変
化に敏感に反応して変動しやすいため、これを用
いたスピーカ等音響製品の再生音質に微妙な影響
を与えて好ましくなく、音響特性が低下するとい
う問題点があつた。

この発明は、かかる問題点を解決するためにな
されたもので、外部気温の変化に対しても振動の
安定化を計り、かつ製品の信頼性を向上できる圧
電振動素子を得ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る圧電振動素子は、圧電振動板の
中央部付近に設けた小開孔の両面に、この小開孔
を貫通する結合軸により２つの重錘を、それぞれ
粘弾性部材を介在して一体的に結合し、圧電振動
板の中央部付近を拘束するようにしたものであ
る。

〔作用〕 この発明の圧電振動素子においては、圧電振動
板の中央部付近に設けた小開孔を貫通する結合軸
により２つの重錘を、それぞれ粘弾性部材を両面
に介在して結合し、圧電振動板の中央部付近を拘
束することにより、凹レンズ形振動モードを形成
し、圧電振動板の外縁端部から起振力を取り出す
ようにし、これにより、充分な結合強度がえら
れ、外部気温の変化に対しても振動の安定化が得
られる。

〔実施例〕

第１図、第２図及び第３図は、それぞれこの発
明の一実施例である圧電振動素子を構成する部品
を示す斜視図及び断面図である。第１図はユニモ
ルフ形の圧電振動板１の一例を示しており、この
圧電振動板１は金属薄板２の片面に電極付きの圧
電板４を貼り合わせて構成されている。また、圧
電振動板１には中央部付近に小開孔３を開設し、
さらに、圧電振動板１の外周部５ａと同様に小開
孔３に近接する圧電振動板１の内周部５ｂにも電
極面を施さない細い絶縁部分を設けて、信号電圧
による沿面放電の発生を防止するようにしてあ
る。次に、第２図は粘弾性部材としての間座６を
示し、この間座６は中心部に小開孔７を設け、か
つ粘弾性材料で作られ、厚さ約0.8〜1.0mm程度の
ウレタンゴム等のゴム発泡材から成り、その両面
に被膜８（発泡過程で生ずるスキン）が形成され
ている。また、第３図は亜鈴形の重錘９を示し、
この重錘９は等重量の饅頭形（半球形）の重錘１
０ａ，１０ｂを結合軸１１で一体的に結合して亜
鈴形状としたもので、例えば全重量が約２ｇ前後
の鉛玉で作られる。

次に、第４図はこの発明の一実施例である圧電
振動素子を示す断面図であり、上記第１図〜第３
図に示す各部品を組み立てることにより構成され
る。その組立て順序としては、まず、圧電振動板
１の中央部付近に設けた小開孔３に位置合わせし
た２個の間座６をそれぞれ圧電振動板１の両面に
置き、分割した一方の重錘１０ａを結合した結合
軸１１を各間座６の中心部の小開孔７を貫通さ
せ、他方の重錘１０ｂを差し込み、結合軸１１に
より両重錘１０ａ，１０ｂをゆるみなく一体的に
結合させる。この場合、各接合面はあらかじめ液
状RTVシリコンゴム接着材を塗布してガタを防
止し、また、結合軸１１が小開孔３に接触しない
ように留意するものとする。

次に、上記第４図に示す圧電振動素子の動作に
ついて説明する。今、金属薄板２と圧電板４との
間に外部より信号電圧ｅを印加すると、圧電板４
はピエゾ効果により印加された信号電圧ｅに対応
する伸縮力を生じ、金属薄板２との間に剪断応力
による湾曲変形を生起する。ところで、この発明
では、圧電振動板１の中央部付近には重錘９と粘
弾性材料の各間座６で構成された機械的インピー
ダンスが付加されているため、圧電振動板１の中
央部付近は拘束され、この結果、圧電振動板１は
図の破線で示すような凹レンズ形振動モードで変
形する基準振動を生起し、その最大振幅である圧
電振動板１の外縁端部１２より起振力F₁を取り
出し、振動系を速度v₁で励振駆動を行うことがで
きる。

このような振動系の動作は、第５図及び第６図
に示す等価回路図によりさらに明確に説明でき
る。すなわち、圧電振動板１であるインピーダン
スZ₁（m₁c₁r₁）は重錘９（m₂）と粘弾性材料の間
座６（c₂r₂）より成る拘束インピーダンスZ₂
（m₂c₂r₂）と直列回路を形成し、Z₁の起振力F₁に
伴う流入する速度v₁はZ₂により制御される。Z₂の
内部要素は、第６図に示すように質量m₂とコン
プライアンスc₂と粘弾抵抗r₂の並列素子から成る
ので、低音域では、主として質量リアクタンスが
関与して圧電振動板１の中央部付近を強く拘束
し、その外縁端部１２の振幅を増大するが、中音
から高音域にかけては、主としてコンプライアン
スc₂が関与して上記の拘束を減少する結果、外縁
端部１２の振幅が減少する。したがつて、速度v₁
は作動周波数に応じて制御され、Z₂の端子ｘ−ｙ
に接続される負荷Z₀を近似的に定速度v₀をもつて
励振が可能になる。

上記したような圧電振動素子を用いて構成した
圧電形コーンスピーカを、第７図に断面図で示し
ている。図に示す圧電形コーンスピーカは、適当
なサイズのコーン形振動板１３（m₀）の頂端部
の折返し部に圧電振動板１の外縁端部１２を結合
し、コーン形振動板１３の外縁端部は弾性エツジ
１４（c₀r₀）を介して固定部１５に結合して構成
されている。ここで、コーン形振動板１３が定速
度v₀で励振されれば、原則として一定音圧P₀を前
方向へ放射することができる。なお、第５図に示
す等価回路図では、コーン形振動板１３のインピ
ーダンスZ₀（m₀c₀r₀）は拘束インピーダンスZ₂
（m₂c₂r₂）のｘ，ｙ端子に接続することになる。

第８図は、第４図の圧電振動素子の振動態様を
説明するための断面図である。図に示す圧電振動
素子において、圧電振動板１は圧電板４と金属薄
板２とを貼り合わせた積層体であることから、い
わゆる共振感度Ｑが大であるために、基準振動以
外に定在波振動が発生する。例えば、第８図に破
線で示すf₁〜f₃のような複数の節円振動が低音域
に生起し、圧電振動板１の外縁端部１２の速度v₁
の周波数レスポンスは、第９図に実線で示すよう
になり、主として低音域に顕著な山谷特性となつ
て極大、極小を持つ結果、特にスピーカ等に応用
した場合に、周波数レスポンスが乱れ、音質を劣
化して好ましくない場合がある。一方において、
上記した節円の定在波振動は圧電振動板１の動的
インピーダンスを軽減し、変換感度を増強する上
で重要な効果があることも見逃すことはできない
ので、一概には上記節円振動を抑制してはならな
い。この発明においては、第４図に示すように２
枚の間座６の粘性抵抗r₂の制動作用に依存して定
在波振動を吸収するようにしている。したがつ
て、間座６の材質の選択は難しく、その材質とし
ては、動的粘性抵抗が適当であり、しかも、その
温度係数が小さく、外界の温度変化に対して影響
が少ないものでなければならない。ところが、粘
弾性定数の安定な材料は極めて少なく、この発明
の出願人が試験的に検討した結果、粘弾性部材と
して、厚さ約0.8〜1.0mm程度で、内質部に気泡細
粒を含有するブチルゴム系合成ゴムの発泡材から
成り、表面に表皮（スキンという）のあるもの
は、実用上はかなり満足できるものであることが
確認された。ところが、上記ブチルゴム発泡材と
いえども過酷な温度条件に対しては、粘弾性特性
が充分とは云えない傾向がある。

第１０図はこの発明の他の実施例である圧電振
動素子を示す断面図である。図に示す圧電振動板
１は上記第４図に示すものと同様に構成されてい
る。また、この圧電振動板１の中央部付近に設け
た小開孔３の両面には、２枚の椀形ゴム質の間座
１５ａ，１５ｂを対抗して貼り合わせて２つの小
室１７ａ，１７ｂを形成し、この各小室１７ａ，
１７ｂは２つの重錘を一体に結合した結合軸１６
と小開孔３の周囲とで形成される狭い間隙１９を
通じて相互に連結されている。また、各小室１７
ａ，１７ｂ内には粘性油であるシリコン油１８
（動粘度約1000Cst（センチストークス）程度のも
の）が封入されている。このため、動作時には、
シリコン油１８は狭い間隙１９を通過して上下の
各小室１７ａ，１７ｂ間を交互に流動するので、
この実施例では、このようなシリコン油１８が流
動する際の粘性抵抗を利用するようにしたもので
ある。そして、シリコン油１８の粘度と上記狭い
間隙１９を任意に調節することにより、自由に所
要の粘性抵抗を広範囲に得ることができる。ま
た、シリコン油１８の動粘度は温度依存性が純水
に匹敵するほどに安定な物質であるので、上記ブ
チルゴム発泡材の粘性よりもはるかに安定してい
て、過酷な外部の温度条件にも充分に耐えられ得
る。

〔発明の効果〕

この発明は以上説明したとおり、圧電振動素子
において、圧電振動板の中央部付近に設けた小開
孔を貫通する結合軸により２つの重錘を、それぞ
れ粘弾性部材を介在して結合し、圧電振動板の中
央部付近を拘束するように構成したので、外部気
温の変化に対しても振動の安定性が得られ、ま
た、組立て加工が容易で、信頼性の高い製品を安
価に供給することができるという優れた効果を奏
するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図及び第３図は、それぞれこの発
明の一実施例である圧電振動素子を構成する部品
を示す斜視図及び断面図、第４図はこの発明の一
実施例である圧電振動素子を示す断面図、第５図
及び第６図は、第４図の圧電振動素子とその一部
の各等価回路図、第７図は、第４図の圧電振動素
子を用いて構成した圧電形コーンスピーカを示す
断面図、第８図及び第９図は、それぞれ第４図の
圧電振動素子の振動態様を説明するための断面
図、及び周波数レスポンスを示す図、第１０図は
この発明の他の実施例である圧電振動素子を示す
断面図である。 図において、１……圧電振動板、２……金属薄
板、３，７……小開孔、４……圧電板、５ａ……
圧電振動板１の外周部、５ｂ……圧電振動板１の
内周部、６，１５ａ，１５ｂ……間座、８……被
膜、９，１０ａ，１０ｂ……重錘、１１，１６…
…結合軸、１２……外縁端部、１３……コーン形
振動板、１４……弾性エツジ、１５……固定部、
１７ａ，１７ｂ……小室、１８……シリコン油、
１９……間隙である。なお、各図中、同一符号は
同一、又は相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 圧電振動板の中央部付近に設けた小開孔を貫
   通する結合軸により２つの重錘を、それぞれ粘弾
   性部材を介在して一体的に結合し、前記圧電振動
   板の中央部付近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端部が最大振幅で
   振動する凹レンズ状振動モードとなし、前記圧電
   振動板の外縁端部から起振力を取り出すように構
   成したことを特徴とする圧電振動素子。 ２ 前記粘弾性部材として、内質部に気泡細粒を
   含有する合成ゴム発泡材から成る部材を用いるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の圧電
   振動素子。 ３ 前記粘弾性部材として、２枚の椀形ゴム質の
   間座を前記圧電振動板の小開孔の両面に対抗して
   貼り合わせて２つの小室を形成し、この各小室に
   封入した粘性油を、前記圧電振動板の小開孔と前
   記結合軸との間隙を通して流動させ、その流動の
   際の粘性抵抗を利用した部材を用いることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の圧電振動素
   子。