JPH11500294A - 圧電変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 この発明は、圧電材料、基板又はスペーサ及び配線ハーネス又はその他の電気的接続のための電気的コネクタ手段からなることのできる音響放射ダイヤフラムのための一体変換器である。基板は、圧電素子をダイヤフラムから間隔をあけることによって圧電素子の運動を増強するのに用いられる。基板は、圧電素子より面積が大きい。変換器システムは、ダイヤフラムに運動を与える作用をする。変換器は、加えられた電圧によって変位を受け、上側、下側及び外側周辺を備える圧電素子と、圧電素子の下側に接合される基板と、圧電素子に電圧を加える手段を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】 圧電変換器 背景技術 ダイヤフラムを駆動するために表面音波を伝搬できる圧電変換器を用いるスピ ーカが可動コイルスピーカに代るものとして提案されてきた。そのような装置が 米国特許第４，３６８，４０１号においてマーチン（Ｍａｒｔｉｎ）によって、 及び米国特許第４，４３９，６４０号においてタカヤ（Ｔａｋａｙａ）によって 記載された。三つの発明ともダイヤフラムにデイスク形圧電素子を取付けること 扱っている。マーチンの装置は、支持板と圧電セラミックの間に厚い接着剤層（ 支持板の厚さの１０〜５０％）を用いた。接着剤層は、共鳴を減衰するのに役立 った。圧電素子内のどんな変位も加えられた電圧に直接に関係している。 圧電素子を用いる変換器を利用することの一つの不都合な点は、この種の材料 が非常に高価であり、大きなダイヤフラムを駆動するのに十分な大きさの圧電材 料を利用するためにはかなりの費用を必要とするであろうことである。もう一つ の不都合点は、一般に、比較的脆く、容易に変形しないことである。したがって 、圧電材料を不規則な形のダイヤフラムの湾曲部に一致させようと思えば、圧電 材料は、粉砕又は破壊する可能性があり、避けられない費用を生ずる。 それゆえ、変換器に圧電素子を用いることの費用を減らし、圧電素子を損傷さ れる可能性を減らすような方法で圧電素子をダイヤフラムに適用させようとする ことが有益であろう。 発明の簡単な説明 本発明は、ダイヤフラム、特に比較的大きいダイヤフラムを駆動するのに用い られる変換器を含んでいる。この変換器は、曲げ音波を伝搬できる圧電層、（又 は圧電材料の層で覆われた何か他の材料の層）からなり、圧電材料は、普通は、 圧電材料として本質的に同じ剛性度（ヤング係数と厚さによって測定した）を持 つ基板層の上に置かれた平坦な層であるが、基板材料が圧電材料の運動によって ゆがめられるとき、ダイヤフラムがそれに応じて動くようにダイヤフラム材料よ り大きい剛性率を持っている。この点に関しては、基板の厚さを圧電材料の性質 に最もよく合うようにできる。基板は、ダイヤフラムのより大きな面積に運動を 加えるために圧電素子より表面積で大きい。本発明はまた、周波数範囲を広げる ために単一ダイヤフラム上に多変換器を用いることを含んでいる。この場合に、 大形の変換器を用いて低周波振動を発生し、小形の変換器を用いてさらに高い周 波数の振動を発生するだろう。多変換器の使用は、ダイヤフラムに加えられた運 動、従って音量を大きくする働きをする。 図面の説明 図１は、本発明による変換器の１実施形態を示している。 図２は、本発明において用いられた圧電素子の可能な形を示している。 図３は、圧電素子が運動カプラと共同して用いられている本発明の変換器のも う一つの実施形態を示している。 図４は、圧電素子がもう一つの方法で運動カプラと共同して用いられていると して示されている本発明の変換器のさらに別の実施形態を示している。 図５は、二つの変換器が互いに機械的接続を介して接続されている本発明のも う一つの実施形態を示している。 発明の詳細な説明 図１は、本発明の変換器１０の設計の一実施形態である。圧電素子１１が圧電 層より大きい表面積を持っている基板１２の上に置かれている。圧電層は、任意 の適当な材料によって基板に貼り付けられてよい。 基板は、基板だけをダイヤフラムに取付けていた場合よりダイヤフラムの大き な面積に運動を加えるために圧電素子より大きな表面を持つことになる。これは 、高価な圧電材料の使用必要量を少なくするので、費用節約になる。基板は、圧 電素子の剛性とほとんど同じであるが基板を取付けるダイヤフラムの剛性より大 きい剛性を持っている。 都合のよいことに、多くの材料を基板に使用できる。これらの材料には、鋼、 アルミニューム、黄銅、銅及びその他の金属、プラスチック、合成材料などがあ る。低コスト、環境耐性、結合性の容易さのため、及び弾性のヤング係数がＰＺ Ｔ（鉛−ジルコンーチタン酸塩）などのある種の圧電材料のヤング係数と類似な ために黄銅が好ましい材料である。変換器にはまた、圧電素子に電圧を与える手 段があり、これは図示の実施形態では基板１２の縁１４に選択的に取付けられて 、そこから伸びている配線ハーネスのためのコネクタ１３を備えている。図１は また、圧電素子１１からコネクタ１３に至る電気導線１５を示している。 基板１２は圧電素子が取付けられている側の反対の側でダイヤフラム（図示な し）直接に取付けられる。基板及び多分圧電素子を基板が取付けられている音響 放射ダイヤフラムの湾曲又はその他形に一致させるように予形成するか又は形作 ることができる。好ましい実施形態において、最大効率と最小ゆがみを得るため に、変換器の機械的及び電気的両方のインピーダンスを整合させる必要がある。 すなわち、変換器の機械的インピーダンスは、音響放射ダイヤフラムのインピー ダンスに整合される必要があり、一方、変換器を駆動する増幅器のインピーダン スは、変換器が音響を放射するとき、変換器のインピーダンスに整合される必要 がある。もう一つの実施形態において、変換器は、電気的絶縁及び環境抵抗を与 えるために同形被覆で被われている。なお、圧電素子は、互いの上に配置され、 圧電素子の運動を強めるために交番式で電気的に接続された二つ以上の層から成 っていてもよい。 図２は、圧電素子のための可能な形の例を示している。圧電素子は、方形、矩 形および丸形のようなさまざまな形に作ることができる。不規則な形もまた、変 換器自体についての共鳴を最小にするため及び周波数範囲を広げるための両方又 はどちらか一方に用いられることがある。後者の目的を達成するために、楕円、 半楕円、斜切頭矩形及び斜切頭方形を用いてもよい。 図３は、図では矩形である（この実施形態に任意の他の形の圧電素子を用いる ことができるが）圧電素子２０が、最も好ましくは、すべての辺２１、２２、２ ３及び２４で運動カプラ２５，２６，２７及び２８と結合されて、圧電素子の運 動を基板２９への結合を圧電素子２０が上に貼り付けられて位置決めされている 基板に結合の転移を運動のすべての方向に与えることによって確実にする。所望 の場合には、運動カプラを圧電素子のある辺にだけ取付けてもよい。基板へ結合 を転移させることによって圧電素子の運動を音響放射ダイヤフラム（図示なし） に結合することをさらに保証する。これは、好ましくは、圧電素子の横運動及び 側面運動の両方を先ず運動カプラに堅く結合し、その最終結果としてそのあとで 運動を基板を介して音響放射ダイヤフラムに通すことによって達成される。運動 カプラはまた基板に取付けられることになる。運動カプラを用いることが音響放 射ダイヤフラムによって発生される音量を大きくし、発生されたバス音をさらに 低い周波数に広げることが発見された。 図４は、圧電素子４１が別の方法で運動カプラと共同して用いられるとして示 されている本発明の変換器のさらに別の実施形態を例示している。この実施形態 においては、圧電素子４１の外周辺４２を単一結合板４３によって完全に囲んで いる。運動結合板４３には、図示の実施形態では中心にあるが、圧電素子４１の 存在に適応させるために切取られている穴がある。圧電素子４１は、圧電素子４ １を結合板４３にある穴の縁に圧電素子の縁４２において接合されるように、運 動結合板にある穴に極めてぴったり嵌まらなければならない。一般に、運動結合 板４３は、圧電素子４１と同じ厚さのものである必要がある。圧電素子４１及び 運動結合板４３は、両方とも下にある基板４５に貼り付けられている。運動結合 板４３及び基板４５の材料は、同じ材料又は圧電素子４１の運動が著しく拘束さ れないような異なる材料のものであってもよい。この考え方の一つの利点は、含 まれる部品が少なく、従って、変換器が大量生産にさらに容易に適応できること である。 本発明の変換器は、もちろん、ダイヤフラムに取付けられると、スピーカを形 成する。図５は、本発明のもう一つの実施形態を示しており、この実施形態にお いては、二つ以上の一体変換器（この場合には本発明に従って構成されている１ 対の変換器５１と５２）が同じダイヤフラム５３に取付けられている。二つ以上 の変換器を同じダイヤフラムと共同して用いることは、立体音響像を作り出し、 音量を増大するのと、周波数範囲を広げるのと両方又はどちらか一方を達成する ことが発見された。変換器どうしを離すべき好ましい距離は、スピーカの寸法、 構成材料及び形状によって変るであろう。図５は、本発明の別の実施形態を示し ており、その実施形態においては、変換器５１と５２が互いに機械的コネクタ５ ４を介して接続されている。そのような機械的接続部を用いるとき、生ずる立体 効果の質を高め、音の総合的質と音量を改良することが示された。試験した一つ の実施形態において、機械的コネクタは０．５ｍｍ厚の薄鋼板の金属ビームであ り、２．５４ｃｍ幅であった。機械的コネクタの長さは、何らかの外力を一体変 換器に加えるようなものである必要がある。もちろん、その他の構成材料及びそ の他の寸法の機械的コネクタ５４又はそれらのうちのいずれかを用いることがで きる。もう一つの実施形態においては、二つ以上の変換器を特定のダイヤフラム と共同して用いるとき、機械的コネクタは、各変換器の一体部分であってもよい 。例えば、機械的接続を形成するために基板を変換器間に連続にすることができ る。代りに、上述の運動カプラを一体機械的接続部に形成してもよい。さらに大 きなダイヤフラムの場合には、三つ以上の変換器を用いてもよい。三つ以上の変 換器を用いるとき、変換器を複数対で、好ましくは、各対における変換器を機械 的コネクタによって互いに接続して用いるのが好ましい。 前述のように、圧電材料は、普通は、圧電材料と本質的に同じ剛性度（ヤング 係数と厚さによって測定した）を有する基板の上に置かれる板の形になっている 。これに関して、Ｋ＝ＥＡ／Ｌ＝Ｅｗｔ／ｌ （こゝでＥ＝弾性のヤング係数、 Ａ＝板の断面積、ｌ＝板の長さ、ｗ＝板の幅、ｔ＝板の厚さ）で表された引張り こわさ（Ｋ）に注意を払う必要がある。板が単位長さと単位幅の場合は、引張り こわさはＫ＝Ｅｔになる。 したがって、圧電材料のこわさすなわち剛性を基板と運動カプラの層のこわさ と整合させるために用いられる二つのパラメータ、Ｅ＝弾性のヤング係数及びｔ ＝層の厚さ、がある。圧電材料の運動を基板と運動カプラの層に結合するために は、すべての層（又は運動カプラを用いないとき、まさに圧電素子と基板）のこ わさは、ほとんど同じで確実には大きさの桁について同じである必要がある。す なわち、電気的刺戟を受けている圧電材料の引張りこわさは、基板の引張りこわ さ及び（用いられているとき）運動カプラの引張りこわさにほぼ等しい必要があ る。 前述のことは、本発明の原理を例示しているだけと考えられる。さらに、多く の改変態様及び変化態様が当業者に容易に思いつくであろうので、本発明を図示 し説明した精密な構成と動作に限ることを望まず、したがってすべての改変態様 及び等価態様は、再分類でき、本発明の範囲内に入る。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９７年１０月１４日 【補正内容】 請求の範囲（補正） １．ある機械的インピーダンスを有する音響放射ダイヤフラムに運動を与え る変換器システムであり、 加えられた電圧によって変位を受け、上面、下面及び外周辺を有する圧 電素子と、 前記圧電素子から音響放射ダイヤフラムに運動を与える基板と、 電圧を前記圧電素子に加える手段とを有し、 前記基板は、上側及び下側を有し、前記基板の上側が前記圧電素子の下 側に直接に接合され、前記基板は、前記圧電素子より大きな表面積を有し、前記 圧電素子と同じ剛性率であるが前記基板の下側を取付けられるダイヤフラムより 大きい剛性率を有し、 前記変換器システムは前記音響効果ダイヤフラムの機械的インピーダン スに整合されている機械的インピーダンスを有することを特徴とする音響放射ダ イヤフラムに運動を加える変換器。 ２．前記基板が黄銅である請求項１に記載の変換器。 ３．上側、下側及び外側縁を有する少なくとも一つの運動カプラをさらに備 え、前記運動カプラがそれの外側縁の一部分によって前記圧電素子の外側周辺の 少なくとも一部分に及び前記基板の上側に前記運動カプラの下側で取付けられて いる請求項１に記載の変換器。 ４．前記少なくとも一つの運動カプラが黄銅である請求項１に記載の変換器 。 ５．前記少なくとも一つの運動カプラが前記圧電素子を完全に囲む一体部材 になっている請求項３に記載の変換器。 ６．前記一つの運動カプラが黄銅である請求項５に記載の変換器。 ７．前記少なくとも一つの運動カプラが前記基板と同じ材料からなる請求項 ３に記載の変換器。 ８．前記少なくとも一つの運動カプラと前記基板の両方が黄銅である請求項 ６に記載の変換器。 ９．加えられた電圧によって変位を受け、上面、下面及び外周辺を有する圧 電素子と、 前記圧電素子から音響放射タイヤフラムに運動を与える基板と、 電圧を前記圧電素子に加える手段と、 前記変換器によって駆動される音響放射ダイアフラムとを備え、 前記基板は、上側及び下側を有し、前記基板の上側が前記圧電素子の下 側に直接に接合され、前記基板は、前記圧電素子より大きな表面積を有し、前記 圧電素子と同じ剛性率であるが前記基板の下側を取付けられるダイヤフラムより 大きい剛性率を有し、 前記圧電素子、前記基板及び前記電圧を加える手段が組み合わさって変 換器を形成し、 前記ダイヤフラムは、ある機械的インピーダンス及び下側と上側を有し 、前記基板の下側が前記ダイヤフラムの前記上側に取付けられ、 前記変換器システムは前記音響放射ダイヤフラムの機械的インピーダン スに整合されている機械的インピーダンスを有することを特徴とするスピーカシ ステム。 １０．三つ以上の変換器がダイヤフラムに取付けられている請求項９に記載の スピーカ。 １１．前記三つ以上の変換器が多対の変換器である請求項１０に記載のスピー カ。 １２．各対にある前記変換器が互いに機械的コネクタによって取付けられてい る請求項１１に記載のスピーカ。 １３．前記機械的コネクタが前記変換器の一体部分である請求項１２に記載の スピーカ。 １４．前記機械的コネクタが前記基板から形成されている請求項１３に記載の スピーカ。 １５．上側、下側及び外側縁を有する少なくとも一つの運動カプラをさらに備 え、前記運動カプラがそれの外側縁の一部分によって前記圧電素子の外側周辺の 少なくとも一部分に及び前記基板の上側に前記運動カプラの下側で取付けられて いる請求項１３に記載のスピーカ。 １６．前記機械的コネクタが少なくとも一つの運動カプラから形成されている 請求項１５に記載のスピーカ。 １７．この変換器が前記ダイヤフラムに取付けられている請求項９に記載のス ピーカ。 １８．前記二つの変換器が互いに機械的コネクタによって取付けられている請 求項１７に記載のスピーカ。 １９．前記機械的コネクタが前記変換器の一体部分である請求項１８に記載の スピーカ。 ２０．前記機械的コネクタが前記基板から形成されている請求項１３に記載の スピーカ。 ２１．前記機械的コネクタと前記基板が黄銅である請求項２０に記載のスピー カ。 ２２．上側、下側及び外側縁を有する少なくとも一つの運動カプラをさらに備 え、前記運動カプラがそれの外側縁の一部分によって圧電素子の外側周辺の少な くとも一部分に及び前記基板の上側に運動カプラの下側で取付けられている請求 項１９に記載のスピーカ。 ２３．前記機械的コネクタが少なくとも一つの運動カプラから形成されている 請求項２２に記載のスピーカ。 ２４．前記少なくとも一つの運動カプラが黄銅である請求項２２に記載のスピ ーカ。 ２５．変換器手段によって駆動されるダイヤフラムを備え、前記変換器手段が 前記ダイヤフラムに取付けられ、前記二つの変換器の各々が互いに十分な距離だ け互いに離され、それによって立体音響効果を作り出しているスピーカシステム 。 ２６．二つの変換器が前記ダイヤフラムに取付けられている請求項２５に記載 のスピーカ。 ２７．前記二つの変換器が互いに機械的コネクタによって取付けられている請 求項２５に記載のスピーカ。 ２８．前記機械的コネクタが黄銅である請求項２７に記載のスピーカ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ダイヤフラムに運動を与える変換器システムであり、 加えられた電圧によって変位を受け、上面、下面及び外周辺を有する圧 電素子と、 上側及び下側を有し、前記上側が前記圧電素子の下側に接合されている 基板と、 電圧を前記圧電素子に加える手段とを有し、 前記基板が前記圧電素子より大きな表面積を有し、圧電素子と同じ剛性 率であるが前記基板の下側を取付けられるダイヤフラムより大きい剛性率を有す ることを特徴とするダイヤフラムに運動を加える変換器。 ２．前記基板が黄銅である請求項１に記載の変換器。 ３．上側、下側及び外側縁を有する少なくとも一つの運動カプラをさらに備 え、前記運動カプラがそれの外側縁の一部分によって前記圧電素子の外側周辺の 少なくとも一部分に及び前記基板の上側に前記運動カプラの下側で取付けられて いる請求項１に記載の変換器。 ４．前記少なくとも一つの運動カプラが黄銅である請求項１に記載の変換器 。 ５．前記少なくとも一つの運動カプラが前記圧電素子を完全に囲む一体部材 になっている請求項３に記載の変換器。 ６．前記一つの運動カプラが黄銅である請求項５に記載の変換器。 ７．前記少なくとも一つの運動カプラが前記基板と同じ材料からなる請求項 ３に記載の変換器。 ８．前記少なくとも一つの運動カプラと前記基板の両方が黄銅である請求項 ６に記載の変換器。 ９．加えられた電圧によって変位を受け、上面、下面及び外周辺を有する圧 電素子と、 上側及び下側を有し、前記上側が前記圧電素子の下側に接合されている 基板と、 電圧を前記圧電素子に加える手段とを有し、 前記基板が前記圧電素子より大きな表面積を有し、前記圧電素子と同じ 剛性率であるが前記基板の下側を取付けられるダイヤフラムより大きい剛性率を 有し、前記圧電素子、前記基板及び前記電圧を加える手段が組み合わさって変換 器を形成し、前記変換器によって駆動されるダイヤフラムを備え、前記ダイヤフ ラムが下側と上側を有し、前記基板の下側が前記ダイヤフラムの前記上側に取付 けられているスピーカシステム。 １０．三つ以上の変換器がダイヤフラムに取付けられている請求項９に記載の スピーカ。 １１．前記三つ以上の変換器が多対の変換器である請求項１０に記載のスピー カ。 １２．各対にある前記変換器が互いに機械的コネクタによって取付けられてい る請求項１１に記載のスピーカ。 １３．前記機械的コネクタが前記変換器の一体部分である請求項１２に記載の スピーカ。 １４．前記機械的コネクタが前記基板から形成されている請求項１３に記載の スピーカ。 １５．上側、下側及び外側縁を有する少なくとも一つの運動カプラをさらに備 え、前記運動カプラがそれの外側縁の一部分によって前記圧電素子の外側周辺の 少なくとも一部分に及び前記基板の上側に前記運動カプラの下側で取付けられて いる請求項１３に記載のスピーカ。 １６．前記機械的コネクタが少なくとも一つの運動カプラから形成されている 請求項１５に記載のスピーカ。 １７．この変換器が前記ダイヤフラムに取付けられている請求項９に記載のス ピーカ。 １８．前記二つの変換器が互いに機械的コネクタによって取付けられている請 求項１７に記載のスピーカ。 １９．前記機械的コネクタが前記変換器の一体部分である請求項１８に記載の スピーカ。 ２０．前記機械的コネクタが前記基板から形成されている請求項１３に記載の スピーカ。 ２１．前記機械的コネクタが前記基板が黄銅である請求項２０に記載のスピー カ。 ２２．上側、下側及び外側縁を有する少なくとも一つの運動カプラをさらに備 え、前記運動カプラがそれの外側縁の一部分によって前記圧電素子の外側周辺の 少なくとも一部分に及び前記基板の上側に前記運動カプラの下側で取付けられて いる請求項１９に記載のスピーカ。 ２３．前記機械的コネクタが少なくとも一つの運動カプラから形成されている 請求項２２に記載のスピーカ。 ２４．前記少なくとも一つの運動カプラが黄銅である請求項２２に記載のスピ ーカ。 ２５．変換器手段によって駆動されるダイヤフラムを備え、前記変換器手段が 前記ダイヤフラムに取付けられ、それによって立体音響効果を作り出しているス ピーカシステム。 ２６．二つの変換器が前記ダイヤフラムに取付けられている請求項２５に記載 のスピーカ。 ２７．前記二つの変換器が互いに機械的コネクタによって取付けられている請 求項２５に記載のスピーカ。 ２８．前記機械的コネクタが黄銅である請求項２７に記載のスピーカ。