JPS58202698A - 圧電形電気音響変換器の支持構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、２枚の圧電セラミックスから形成されるバイ
モルフ振動子を用いた圧電形電気音響変換器の支持構造
に関するものである。

第１図（Ａ）、第１図（Ｂ）は従来の圧電形電気音響変
換器の平面図および側面図、第２図は、第１図の動作原
理を示す圧電形電気音響変換器の作動図である。

２はチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ　）系磁器等からな
る圧電セラミックス、３はチタン、ステンレスあるいは
黄銅等からなる薄い金属板であって、金属板乙に圧電セ
ラミックス２を同心円上に貼りつけることにより、非対
称円形バイモルフとし、圧電形電気音響変換器１が構成
されている。

一般に薄い円板状の圧電セラミックスに交流電圧を印加
すると、最低時の共振現象は径方向振動で起こり、この
時円板状の圧電セシミノクスの直径はわずかに伸びたり
、縮んだりする。しかしながら、圧電セラミックス２の
伸び縮みは第１図の様に金属板乙に接着されているため
、歪曲振動になる。すなわち、金属板６の周辺が固定さ
れている場合、第２図（Ａ）の様に端子４．５に正電圧
が印加されると、圧電セラミックス２が伸び、圧電セラ
ミックス２側に円錐状に歪曲し、端子４．５に負電圧が
印加されると、第２図（Ｂ）の様に圧電セラミックス２
は縮み、圧電セラミックス２側が皿鉢状に歪曲する。従
って、端子４の極性を（１→←）交互に、連続的に変え
ると、つまり交流信刊を可聴周波数範囲内で印加すると
、金属板乙の歪曲振動か起り、可聴音を発生できる様に
なっている。

この峰に、従来の圧電形電気音響変換器１は、圧電セラ
ミックス２の直径方向の単純な伸び縮みを振動板である
金属板乙の歪曲振動に変換することによって可聴音を発
生させていたため、圧電セラミックス２の振動を直接会
ｂｉ板乙の振動に変換することができず、エネルギー変
換効率の悪い電気音響変換器となっていた。又、振動板
として金へ板６を使用していたために、圧電形電気音響
変換器１の再生周波数帯域を決定する最低共振周波数ｆ
ｏが高くなってしまい、低音をＦＪ生ずることができな
いという欠点を有していた。

」−記のイノｒ来の圧電形電気損゛響変換器１の欠点の
ビ、・１１ 一つであるエイ、ルギー変換効率□の悪さは、圧電セラ
ミックス２自体が（径方向振動するのでなく）歪曲振動
するとどができれは良くなることが期待できるが、この
考えを実現する一手段に、圧電セラミックス２のかわり
にバイモルフ振動子を採用する方法が考えられる。

第３図は、バイモルフ振動子の構成図であって、第３図
（Ａ、　）は直列型バイモルフ、第３図（１３）は並列
型バイモルフを表わしている。

バイモルフ振動子とは、簡単に説明すると、例えば長さ
方向に伸び縮みする圧電セラミックスを２枚貼り合わせ
、一方が伸びる時に他方が縮み、全体と１〜て屈曲振動
を起とすもの（Ｊ…曲型バイモルフ）で、圧電セラミッ
クスの形状が第１図の様な円板状であると、バイモルフ
振動子単体で第２図の様な歪曲振動を行なわせることが
できるものである。

第３図（Ａ）の直列型バイモルフ１０は電極をつけて貼
り合わせた２枚の圧電セラミックス板１２ａ、１２１）
の分極方向を逆にして（並列に分極する；矢印１６ａ、
１６ｂは分極方向を示す）、外側の電極を電気信号入力
端子としたもの、第３図（１〕）の並列型バイモルフ１
１は２枚の圧電セラミックス１３ａ、１６１）の分極方
向を揃え（直列に分・険する；矢印１７ａ、１７ｂは分
極方向を示す）、外側電極を短絡して、この外側電極と
中央電極とを電気信号入力端子としたものである。

この様に、バイモルフ振動子はその電気信号入力端子の
取り出し方により直列型と並列型に分けられるが、いず
れの場合も電気信号入力端子１４．１５に交流信号を加
えることにより、屈曲振動（あるいは歪曲振動）を行な
わせることができる様になっている。

第４図（Ａ）、第４図（Ｂ）は圧電セラミックスの振動
エネルギーを有効に利用する目的で構成された電気音響
変換器の平面図および断面図であって、第１図の圧電セ
ラミックス２のかわりに、第３図に示したバイモルフ振
動子の円板状のものを金属板に接着して構成した電気音
響変換器を示している。

２２は２枚の圧電セラミックス２２ａ、２２１）を貼り
合わせてバイモルフ構造を形成したバイモルフ振動子で
あって、本実施例では直列型バイモルフどなっている。

２６は第１図と同様な薄い金属板であって、金属板２６
にバイモルフ振動子２２を同心円上に貼りつけることに
より電気音響変換器２１が構成されている。以上の様に
構成された電気音響変換器２１は、バイモルフ振動子２
２に交流信号を印加することによりバイモルフ振動子２
２を歪曲振動させ、バイモルフ振動子２２の接着された
金属板２３をバイモルフ振動子２２により直接歪曲振動
させて可聴音を発生させようとしたものである。

第５図は、第４図の部分断面図で、第４図の電気音響変
換器２１の動作を解析したものである。

２４．２５は電気信号入力端子であって、バイモルフ振
動子２２は、電気信号入力端子２４と２５の極性がそれ
ぞれ（＋）と（ハ）の時は圧電セラミックス２２ａ側が
伸び、圧電上ラミノクス２２１〕側が縮むように形成さ
れているものとする（もちろん、伸び縮みの方向は反対
でも良い）。この条件で電気信号入力端子２４と２５の
極性がそれぞれ（」→と（＝）になった時（第５図（Ａ
））の電気音響変換器２１の動作について第５図を使っ
て痒（析してみる。

この状態でバイモルフ振動子２２が単体で動作したとす
ると、圧′重上うミノクス２２　ａ　（ｔｌ！ｌが伸び
、圧電セラミックス２２１）側が縮むから、第５図（Ｂ
）の様に圧電セラミックス２２　ａ　ＩＴＩＩに円錐状
に歪曲する。同様に、金属板２６と該金属板２６」二に
貼りつけられた圧電セラミックス２２ｂが動作したとす
ると、圧電セラミックス２２１〕は縮むから、第５図（
Ｃ）の様に圧電セラミックス２２１］仰］か４宙鉢状に
歪曲する。

従って、上気音響変換器２１の動作は第５図（■３）と
第５図（］の様に相反する方向へ歪曲しようとするため
、全体としての歪曲は小さくなり、第５図（■））の様
になることがわかる。

この峠に、バイモルフ振動子２１の単体での歪曲振動を
直接有効に利用する可曲で構成された電、、′１ 気音響変換器２１ばその目的に反し、効率の悪いものと
なっていたことがわかる。

第６図（Ａ、　）、第６図（Ｂ　）は、以上の様な欠点
を除去するために構成された圧電形電気音響変換器の平
面図および断面図、第６図（Ｃ）は第６図（Ｂ）の部分
拡大断面図である。

３２は２枚の圧電セラミックス３２ａ、３２ｂを貼り合
わせてバイモルフ構造を形成したバイモルフ振動子であ
って、３２１．３２２は圧電セラミックス３２ａにつげ
た電極、６２６．６２４は圧電セラミックス３２ｂにつ
げた電極を示す。本実施例ではバイモルフ振動子６２は
電極３２１と電Ｈｉｄ＜　３２４を電気信号入力端子と
した直列型バイモルフとなっている。６６は芳香族ポリ
エステル系ボリアリレーＩ・、ポリサルホン、ポリカー
ボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテル
ザルホン、ポリプロピレン等の高分子材料フィルムから
なる振動板であって、該振動板３３の片側の面のほぼ全
面には膜技術−すなわち、蒸着あるいは化学メッキによ
って１模を形成後、前記膜をエツチングにより所望の形
状の膜に形成する技術、あるいはマスク蒸着、マスクメ
ッキにより所望の形状の膜を形成する技術−により電極
６４が一体に形成されており、振動板３６の電極６４上
には、振動板６６がバイモルフ振動子６２の一方の電極
部６２４の全面を８５ようにバイモルフ振動子６２が接
濁され、バイモルフ振動子６２の電極６２１と振動板６
６の電極６４を電気信号入力端子とした圧電形電気音響
変換器６１が構成されている。

以上の様に、第６図の圧電形電気音響変換器６１は、高
分子材料フィルムからなる振動板３６を使用しているた
め、第４図の様な金属板の振動板２６と比較してヤング
率が非常に小さく、振動板６３は、バイモルフ振動子３
２の歪曲振動に応じた伸縮が容易となり、バイモルフ振
動子６２の歪曲がそのまま振動板６３の歪曲に変換され
ろ様になっている。

従って、バイモルフ振動子６２を歪曲振動させれば、す
なわち、電気信号入力端子である電極６２１と電極３４
に交流４ｇ号を印加すれは、バイモルフ振動子６２が接
置されている振動板３６もそのまま歪曲振動し、可聴音
を発生させることができるというエネルギー変換効率の
良い圧電形電気音響変換：畳６１が構成されることにな
る。

第７図と第８図は、共にある同じ時計ケースに組み込ん
だ状態で測定した圧電形電気音響変換器　　”の出力音
圧周波数特性図で、第７図は第１図に示した様な従来の
圧電形電気音響変換器の出力音圧周波数特性図、第８図
は第６図の圧電形電気音響変換器６１の出力音圧周波数
特性図である。

第７図と第８図を比較してみると、第６図の圧電形電気
音響変換器６１の方が最低共振周波数ｆｏ（以後ｆｏと
省略して記載する）が低く、しかも第７図にみられる４
７．４８の様な鋭い音圧のピークが出ていないのがわか
る。これは、第６図の圧電形電気音響変換器６１が高分
子材料フィルムからなる振動板を使用しているためで、
従来の第１図の様な金属板の振動板と比較してヤング率
が小さく、しかも振動板としてのＱ値を小さくすること
ができるからである。

以上の様に、第６図の様に圧電形電気音響変換器を構成
すれば、ｆｏの低い、しかも出力音圧周波数特性の平担
な圧電形電気音響変換器を提供することができる。又、
前記圧電形電気音響変換器のｆｏは、同じ口径の動電形
スピーカ並にすることが可能で、しかも動電形スピーカ
の様な磁気回路が不用となるから、同口径の動電形スピ
ーカと比較して製造コストが安く、しかも非常に島＜シ
た上に、動電形スピーカ並の特性をもたせた圧電形電気
音響変換器を提供できる。さらに動電形スピーカが電流
駆動であるのに対し、第６図の様に圧電形電気音響変換
器を構成ずれは電圧駆動と７．ｒ。

す、エネルギーの供給量も非常に少なくてすむという９
寺徴をもっている。

本発明は、以上の１虫な２枚の圧電セラミックスを貼り
合わせてバイモルフ構造を形成したバイモルフ振動子と
、高分子材料フィルムからなる振動板から構成され、前
記バイモルフ振動子の一方の電極面の全面を前記振動板
が怜、つ様に、前記パイ□ モルフ振動子と前記振動板とを□接着した圧電形電気音
響変換器において、該圧電形電気音響変換器は、一端を
時計の裏ブターヒに固定した伸お）１自在の部材の他端
と結合し、弾力的に支持されることを特徴とし、その目
的は前記圧電形電気音響変換器の耐衝撃性の向上にある
。

以下図面に基づいて詳細に説明する。

第９図は、本発明の一実施例を示す時計の断面図で、第
６図の圧電形電気音響変換器６１を時泪のケースに組み
込んだ状態を示している。

６３′は時計スース４０の中に納まる様に第６図の振動
板６３を熱成形した高分子材料フィルムからなる振動板
で、バイモルフ振動子６２と共に圧電形電気音響変換器
４１を構成している。３０は時計のモジュール（本発明
には重要な意味を持たないので想像線で示しである）、
６８．６９はバネで、バネ３８は図示されていないバイ
モルフ振動子６２の電極とモジー−ルミ０間の電気的接
続を行ない、バネ３９は図示されていない振動板６６′
の電極とモジー−ルミ０間の電気的接続を行なう。すな
わち、バネ６８．６９を介して時計のモ）　−−／ｌ／
　３０　Ｋ　ヨ’）　＜４３力される電気信号は圧電形
電気音響変換器４１に伝逢七れ、可聴音全発生ずる様に
なっている。

４２は胴、４６は裏ブタで、ガラス４６と共に時計ケー
ス４０を構成している。４４はモジ・−−ル支持枠、４
５はパツキンで、前記振動板６３′は、モンーール支持
枠４４と裏ブタ４６０間に設けたパツキン４５を圧縮す
ることにより固定され、防水構造も同時に形成される。

４３ａは緊ブタｚｔ　３に設けた放音孔であって、圧電
形電気音響変換器４１の発生ずる可聴音は放音孔４３ａ
から放音される様になっている。

以−」−の様に、第９図の圧電形電気音響変換器４１は
、従来の圧電形電気音響変換器と同じ様に防水構造を形
成しながら時計ケース４０に組み込むことができる。し
かしながら、時計ケース４０に組み込んだ場合は、携帯
中の急激な運動および着脱時の落下などによる側部を受
ける機会が多く、これらの衝撃に耐える品質が保証され
なければならない。これらの衝撃力は１０００〜４００
０Ｇ位で、従来の圧電形電気音響変換器の様に振動板の
ヤング率が大きい場合は問題とならないが、第６図や第
９図に示した様な圧電形電気音響変換器３１．４１の場
合は、ヤング率の小さい高分子材料フィルムからなる振
動板６３あるいは３６′を使用しているため、裏ブタ４
６や時計のモジー−ル６０との衝突が起りやす（なり、
バイモルフ振動子６２を構成する圧電セラミックス３２
ａ、３２１）の割れが間踊となる。

６５．６６は以上の様、な問題点を除去するために時計
ターフ４０内に設けられた伸縮自在の部材、例えばゴム
、スポンジ、スプリング、発泡スチロール等からなるダ
ンパー材である。伸縮自在の部材６５は、接着等により
その一端３５ａを裏ブタに固定し、他端６５１〕を圧電
形電気音響変換器４１の振動板３６′と結合することに
よって、圧電形電気音響変換器４１を弾力的に支持して
いる。

伸縮自在の部材３６は、その一端を時計のモジュール６
０に固定し、他端３６ｂを電気音響変換器４１のバイモ
ルフ振動子６２と結合することにより、圧電形電気音響
変換器４１を弾力的に支持して（・る。

以上の様に、圧電形電気音響変換器４１は伸縮自在の部
材３５．６６によって弾力的に支ｂ−されるため、衝撃
によって裏ブタ４６や時計のモジュール３０とぶつかる
ことがなくなり、衝撃に血・］える品質が保証されてい
る。同時に、伸縮自在の部月３５．６６はダンパ材とし
て作用するため、圧電形電気音響変換器４１の見かけの
Ｑ　ｊＣ’−ｒを小さくすることができ、出力音圧周波
数特性をより平１．ｊにすることができろという効果を
もっている。

以下に、さらに具体的な実施例をあげて説明を加える。

第１０図は、不発ψ１の他の実施例を示すｌ］ｉ’ｊ４
計の裏フリの断面図で、本発明に使用する第６図や第９
図と同様に構成された圧電形電気音響変換器を時計の裏
ブタに固着し、一体化を図った場合の一実施例を示す。

５２は２枚の圧電セラミ７．り、、１１ニス５２ａ、５
２１゜を貼り合わせてバイモルフ構造を形成したバイモ
ルフ振動子、５６は芳香族ポリエステル系ボリアリレー
ト等の高分子材料フィルムからなる振動板で、該振動板
５乙には熱成形等によりコルゲーション５３ａ、５６１
）が設けられ、振動板５６の上に同心円状にバイモルフ
振動子５２をＪｕｉりつげることにより圧電形電気音響
変換器５１が構成されている。コルゲーション５３ａ、
５６Ｉ）は振動板５６の外周部（いわゆるエツジ）をや
わらかくし、振動板５６をピストン運動しやすくし、合
力音圧周波数特性をより平担にするために設けられてい
る。

５４は時計の裏蓋で、該裏ブタ５４に設けた固着面５４
ａに振動板５３の最外周部５３ｃを接着剤等により固着
することにより、圧電形電気音響変換器５１は裏ブタ５
４に固着され、図示されていない時計ケースの胴に裏ブ
タ５４をはめ込むと発音体が時制ケース内に簡単に装着
できる様になっている。

４９は一端４９’ａを時計の裏ブタ５４上に固定した伸
縮自在の部油゛で、伸縮自在の部材４９０曲端４９１〕
は振動板５６と結合され、圧電形電気音響変換器５１を
弾力的に支持し、耐衝撃性の向上がはかられている。

第１１図（Ａ、　）は、第１０図の圧電形電気音響変換
器５１を使って構成した圧電形スピーカの断面図、第１
２図は本発明さらに他の実施例を示す圧電形スピーカと
表ブタとの組み立て断面図で。

第１１図の圧電形スピーカを裏ブタに組み込んだ実施例
を示す。

５５は黄銅等の金属、あるいは合成樹脂等から構成され
たフレームで、本実施例においてはフレーム５５は金属
材料から構成されている。フレーム５５に設けた固着面
５５ａには、振動板５６の最外周部５３ｃが接着３ｉｌ
Ｊにより固着されるが、その固着面５５ａを利用して図
示されていフ３仁い振動板５６の電極面とフレーム５５
が電気的に接続され、フレーム５５が電気信号入力端子
の一つになる様に圧電形電気音響変換器５１はフレーム
５５に固着される。５６はフレーム５５にと電気的に絶
縁され、フレーム５５上に同着された端子板であって、
バイモルフ振動子５２を構成する圧電セラミックス５２
ａの図示されていない電極と端子板５６の電極５６ａと
はリード線等を１更って電気的に接続され、端子板５６
はもう一つの電気信号入力端子となる。この様にフレー
ム５５上に２つの電気信号入力端子が形成され、圧電形
スピーカ５０が形成されている。

５７ば、一端５７ａをフレーム５５上に固定した伸縮自
在の部材で、伸縮自在の部材５７の他端５７１）はバイ
モルフ振動子５２と結合され、圧電形電気音響変換器５
１を弾性的に支持し、衝撃によってフレーム５７にバイ
モルフ振動子５２がぶつかって圧電セラミックス５２ａ
、５２１〕が割れるのを防ぐ役目をはたしている。

以−ｈの様な圧電形スピーカ５ｏを時計の裏ブタに組み
込んだ例が第１２図である。

５９は裏ブタであって、該裏ブタ５９を裏ブタ５９に設
けたネジ部５９ａを使って図示されていない時計ケース
の胴に固定すると、裏ブタ５９とフレーム５５との間に
設けたパツキン７０を圧縮して固定される。そしてパツ
キン７ｏを圧縮することにより防水構造が形成される様
になっている。

５８は一端を裏ブタ５９−ヒに固定した伸縮自在の部拐
であって、伸縮自在の部月５７と共に圧電形′電気音響
変換器５１を弾力的に支持している。

以上の様に、本発明によればエネルギー変換効率が良く
、ｆｏが低くて、しかも出力音圧周波数特性の半相な圧
電形電気音響変換器を時計が受ける衝撃から守ることか
できるから、時計用の発音体として時計のケース内に組
み込むことができる。

さらに、時計の発音体としてのＱ飴を下ける効果がある
ため、出力音圧周波数特性をより平」）、Ｌにし、動電
形スピーカに匹敵する覗、性をａ４）ることか可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ、　）、（Ｂ）は従来の圧電形電気音響変換
器の平面図および側面図、第２図（Ａ）、（１３）は第
１図の動作原理を示す圧電形電気音響変換器の作動図、
第３図（Ａ）、（Ｂ）はバイモルフ振動子のセ・−成図
、第４図（Ａ、　）、（Ｂ）はバイモルフ振動子を金属
板に接着して構成した電気音響変倶ｎ：）の平面図およ
び１１４１面図、第５図（Ａ）〜（１））は、第４図の
動作を示す第４図の部分［（〕ＩＩｒｔｉ　ｌ□ごイｊ
、第６図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は従来の欠点を除去す
るために構成された圧電形電気音響変換器の平面図およ
び断面図、第７図は従来の圧′酸形７１Ｌ気音響変換器
の出力音圧周波数特性図、第８図は第６図の圧電形電気
音響変換器の出力音圧周波数！ｔ？性図、第９図は本発
明の一実施例を示す時開の断面図、第１０図は本発明の
他の実施例を示す時計の裏ブタの断面図、第１１図（Ａ
、　）、（Ｂ　）は第１０図の圧電形電気音響変換器を
使って構成した圧電形スピーカの断面図および平面図、
第１２図は本づも明のさらに他の実施例を示す圧電形ス
ピーカと裏ブタとの組立て断面図である。 ６２．５２・・・バイモルフ振動子、　　６６．６３′
、５６・・高分子材旧フィルムからなる振動板、６１．
４１、ｂｌ・・・圧電形電気音響変換器、３５．３６，
４９．５７．５８・・・伸縮自在の部利。 特許出願人　シチズン時計株式会社 第１図 第３図 （Ａ） 第６図 （Ａ） 第１０図 第１２図 ／Ｕ　　　ｂソ閤　　ｂｂ 第１１図 （Ａ”） （Ｂ） ｂｕ　　　　ｂｂ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ２枚の圧電セラミックスを貼り合わぜてバイモルフ構造
   を形成したバイモルフ振動子と、高分子材料フィルムか
   らなる振動板から１１４成され、Ａｉｔ記バイモルフ振
   動子の一方の電極面の全面を前記振動板が覆うように前
   記バイモルフ振動子と前記振動板とを接着した圧電形電
   気音響変換器において、該圧電形電気音響変換器は、一
   端を時開の史ブタ上に固定した伸縮自在の部材の他端と
   結合し、弾力的に支持されることを特徴とする圧電形電
   気音響変換器の支持構造。