JPS6058639B2 - 圧電バイモルフ又はモノモルフ彎曲振動体構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、一般的には、印加した電子信号に応じて変形
し得る素子をもつ変換器に関する。

特に、本発明は、彎曲振動体型の改良された変換器に関
するＯ、に ４１ＬＬ を！ＬＣＩ＆ １１■ｌ■
をι一 ↓ッ ｎ■１９−ば、音響変換器として使
用することを目的とし、拡声器コーンの先端に取りつけ
た圧電振動体は、ＨｕｇｏＷ、Ｓｃｂａｆｆｔによる米
国特許第３５４８１１６号に記載され、本発明の譲受人
に譲渡されたものである。

バイモルフ変換器素子は、２個の圧電ウェハから成るも
のとして記載され、それらのウェハは、バイモルフ構造
を強化しそれらの２個のウェハ間の電極を構成する１個
の詰め金によつて固定されている。上記と同一の発明者
に対して与えられ、上記と同一の譲受人に譲渡された第
２の米国特許第３６２９６２５号は、圧電素子の表面に
セメント付けされたひだの頂点を具える波形ひだを有す
る中心羽根を説明している。中心羽根の波形部分は、圧
電素子が互に相対的に運動できるようになつている固定
蝶番として作用する。先行技術における彎曲振動体の圧
電素子は、圧電気材料でつくられた薄い円板を利用する
が、その各円板は平らな対向する主表面を有し、その表
面には非常に薄い電極が配置されている。

圧電円・板素子は、対向する表面の間に適当な分極電位
を印加すると分極する。これらの素子の分極は、好まし
い方向に材料中の電気双極子を一列に並べる。作動させ
る場合には、電位を圧電素子板の間に印加するが、これ
によつて材料の分極は促進さ、れるか、又は妨げられる
。印加した電位が分極を促進する場合には、薄いウェハ
の厚さ寸法をや）増し、その半径寸法をや）減少する傾
向を示す。これとは逆に、圧電素子の分極を妨げる電圧
電位を印加すると、素子の厚さ寸法を僅か減少し、その
半径寸法をや）増加する傾向を示す。このようにして、
圧電素子の厚さは、外部から印加する制御電位によつて
制御することができる。単一圧電素子彎曲振動体に用い
る場合には、圧電円板は、圧電気的に不活動の部分との
関係においては固定関係に保持される。

圧電円板がそこに印加される電圧によつて膨脹および収
縮すると、圧電円板および圧電気的に不活動の円板は、
印加された信号電圧に応動して彎曲し、音圧波を発生す
る。同様に、彎曲振動体素子に音響エネルギーが加わる
と、その結果として圧電円板導電面の間に信号電位が生
じる。多数の先行技術の応用例においては、２個の圧電
ウェハを利用した２層の（Ｂｉｌａｙｅｒ）彎曲振動体
装置があり、各ウェハの両面上には蒸着した薄い導電電
極が配置されている。

圧電ウェハをまとめてしつかりと固定し、圧電ウェハの
内側表面の間に電極をつけるために、導電性の中心羽根
が用意されている。ウェハは分極され、電気的に接続さ
れ、各ウェハの電極間に一定の電位を加えるとそれに応
じて一方のウェハは、半径方向に外方へ膨脹するが、他
方のウェハは、半径方向に内方へ収縮するようになつて
いる。このためこの組立体（Ａｓｓｅｍｂｌｙ）はバイ
モルフ作用を有し、ウェハの直径に沿つて軸方向に彎曲
し、その結果一方の素子が膨脹し他方の素子が収縮する
につれて、ウェハは皿状になる。これとは逆に、音響エ
ネルギーを２層の彎曲振動体に加えると、圧電電圧が生
じる。２個の圧電ウェハ間の、或いは１個の圧電ウェハ
と圧電気的に不活動の部分との間に中心羽根として用い
られている固体金属板は、素子を半径方向において素子
間の良好な結合を与えるが、彎曲方向に対しては非常に
曲がりにくいものとなり、その結果非常に多くの電気エ
ネルギーを浪費する非効率的な構造になつている。

先行技術の波形ひだの中心羽根は、型打物の金属部品で
あつたので、正確な寸法制御と高価な機械設備を必要と
した。圧電彎曲振動体構造および振動板コーン （ＤｉａｐｈｒａｍｃＯｒｌｅ）を支持する先行技術の
方法は、振動板コーンの頂点を、圧電円板素子のうちの
１個の中心に固定することに限定されていた。

圧電彎曲振動体構造の質量は振動板コーンの質量及び振
動板コーンにより駆動される空気質量負荷より遥かに大
であり、周波数が一層高い音響エネルギーが発射され、
又は受信され、周波数が高ければ高いほど効率は良くな
る。これは、質量×速度に比例する彎曲振動体の運動量
が、オーディオ”周波数が低くなるにつれて小さくなる
からであり、オーディオ周波数が速度を決定する。従つ
て、本発明の目的は改良された彎曲振動体変換器を提供
することである。

本発明の他の目的は、電気信号によつて付勢され、半径
方向には剛性を与え彎曲方向へは可撓性を与える１個又
はそれ以上の電気機械的変換器を有する彎曲振動体用の
中間スペーサを提供することである。

本発明の他の目的は、製作、組立が容易な電気機械的変
換器用中心羽根を提供することである。

本発明を実施する場合に、第１、第２素子を持つ改良さ
れた彎曲振動体変換器が与えられるが、それらの各素子
は導電性のインターフェース表面部分を有する。本発明
の１局面によると、素子のうちの１個は、印加した電子
信号に応動して変形しうるものであり、もう一方の素子
は第１の素子と殆んど同じ寸法である。導電的に被覆し
た剛性あるフィラメントの編組メッシュ（ＷＯｖｅｎｍ
ｅｓｈ）が、第１素子と第２素子のインターフェース部
分の間に取り付けられるようになつており、そうすると
導電性のメッシュはそれらの素子と接触し素子は１つに
結合される。本発明の１局面によると、電気機械的変換
器および電歪変換器からなるグループから選ばれる。本
発明の他の局面によると、第２素子は、第１素子と同じ
電気機械的特性を有する。本発明の他の局面によると、
変換器は、薄い圧電円板である第１素子と第２素子で形
成されており、各素子は、軸方向に対向する第１と第２
の面をもち、その面の上には導電性の電極が付いている
。本発明の他の局面によると、彎曲振動体素子を取り付
けるため、メッシュの周辺方向に延びている部分が具え
られる。彎曲振動体変換器をつくる方法が開示されてお
り、その方法には、剛性あるフィラメントの編組メツシ
ユを未硬化（Ｕｒｌｃｕｒ′Ｅｄ）の固体エポキシで被
覆する手段が含まれているが、そのメッシュ上には導電
層が蒸着されている。ついでメッシュは、１対の圧電素
子の間に組み立てられるが、それらの各素子は平らな対
向面を持ち、その面上には蒸着電極が付けてある。その
結合体に対して熱と圧力を加えてエポキシを融かし、導
電性のメッシュのフィラメントを圧電素子の面に接触さ
せる。持続的に熱と圧力を加えると、エポキシが硬化し
、圧電素子をかたく結合させる。本発明をより完全に理
解するために、図面が参照される。

第１図を参照するに、拡声器組立体（アセンブリ）１０
が、彎曲振動体の構造１１を用いて示されている。

第２図は、取付リング１２に取り付けて組立てた彎曲振
動体構造を示す。好ましい実施例における彎曲振動体構
造１１は、１対の薄いセラミックの圧電円板２０を含み
、各円板は１対の平らな対向面２１，２２，２３，２４
を有する。

各円板は圧電磁器材料でつくられ、直径１．２５インチ
、厚さ０．００５インチである。非常に薄い導電層２５
，２６，２８が、円板面２１，２２，２３，２４のそれ
ぞれの上に形成されており、各円板の両面の間に電圧電
位（図示されていない）を加えるための手段が与えられ
ている。この好ましい実施例は、圧電形の電気機械的変
換器素子を有するが、磁歪および電歪特性をもつ適当な
電気機械的変換器素子を使用してもよい。また注目され
ることは、円板の１方２０は、この技術において周知の
ように、単一の電気機械的に活動的な装置を支持する電
気機械的に不活動の装置であつてもよいことである。一
般的に言つて、より効率的な変換器彎曲振動体素子は、
この好ましい実施例において記述されているように、２
個の活動的な変換器素子を使用するが、本発明はそれに
限るものではない。圧電円板２０とほＳ゛同じ寸法でほ
Ｓ゛円形をしている編組メッシュ部分３０が、圧電円板
２０の間に第１図に示されている。

編組メッシュ３０の本体からは３個の取付用タブ３１，
３２，３３が延びており、これらのタブは、彎曲振動体
構造１１を取付リング１２に取り付けるために用いられ
る。第３図は、彎曲振動体１１の構成部分を拡大して示
したものである。編組メッシュ３０の構造３４の詳細な
図を第４図に示す。その構造は、第４図の平面図および
第３図の側断面図に示されているように、織り合わせた
単一フィラメントのポリエステル糸３５で構成されてい
る。そのポリエステル●フィラメント●メッシュ上に、
一様なニッケル被覆がほどこされている。このフィラメ
ントは比較的硬いポリエステル糸であり、金属被覆工程
により金属中にポリエステル糸を埋めこんであり、交差
点でその糸を少し融解してある。ニューヨーク州、エル
ムスフオードにあるテトコ社では、Ｍ−８５と称する金
属化したポリエステル・スクリーン材料を生産している
が、このＭ−８５は厚さ０．００４８インチあり、圧電
彎曲振動体の中心羽根メッシュ材料として用いるのに適
している。第３図は、組み立てた彎曲振動体構造の詳細
な分解横断面図を示す。編組メッシュ３０を圧電円板２
０と一緒に組み立てると、金属化された繊維３５は、円
板２０の内表面上の薄い導電層２６，２７と接触し、そ
れによつて電気的接続が行なわれる。エポキシ樹脂は、
編組メッシュ３０を円板２０に接着させる。メッシュは
円板面の導電層に直接に接触しているので、エポキシ樹
脂が導電性材料を含有している必要はない。このように
して編組メッシュ３０と円板２０によつて構成されるこ
の全体的構造物は、ポリエステル・フィラメントの強さ
のために、比較的かたく、半径方向の運動に対しては抵
抗性がある。彎曲方向に対しては、彎曲振動体構造１１
が非常に薄いために、たわみ又は彎曲運動が非常に容易
にえられる。これらの特性は彎曲振動体変換器において
極めて望ましいものであり、１個又は複数の円板が半径
方向にはしつかりと結合されているが、効率的な変換器
作用のために彎曲が許容されることは好ましい。第１図
を参照するに、１対の導電性の薄い箔４０が具えられ、
それは圧電円板２０の外側面２１，２４の周辺部分に導
電性接着手段により固着されている。

この導電性の箔の材料は、例えばアルミニウム、銅など
の適当な導体材料ならばどんなものでもよい。外部の回
路と適当な接続を行なうために、導電性の箔４０にはタ
ブ部分４１，４２が設けられている。第３図は、導電性
箔４０を含めて組みたてた彎曲振動体構造１１の拡大横
断面図である。拡声器組立体（アセンブリ）１０には、
や）平たくなつている先端部分４４と周辺のヘリの部分
４５をもつ振動板コーン４３が具えられる。

この特定の実施例においては、先端部分４４は、円板面
２４のうちの１つの中心に固定されている。彎曲振動体
構造１１は、この特定の実施例においては拡声器組立体
（アセンブリ）の一部分となつているコーン４３を励振
させる。こ）に示され記述された構造は、この彎曲振動
体構造１１を拡声器アセンブリの一部として使用するこ
とを意図しているが、この彎曲振動体構造１１は、この
技術において周知のように、例えばマイクロホン素子と
して、又はその他の変換器応用例に使用するのに適して
おり、この明細書は、本発明を或る特定の実施例又は応
用例に限定することを意図するものではない点に注意す
べきである。環状部分４６は、コーン４３の共振をや）
減衰させるために用いられている。

この環状部分４６は、取付リング１２の内側の穴１３の
なかに収められている。取付リング１２は、成形可能な
合成プラスチックなどの適当な材料でつくられている。
外部回路と適当な電気接続をするために、取付リング１
２には端子４７，４８が設けられている。取付リング１
２の上方の表面には、中心の穴１３に隣接して３個の浅
いくぼみがあり、編組メッシュ３０の取り付け用タブ３
１，３２，３３部分の運動用隙間（クリアランス）とな
つている。取付リングには、位置決めピン５１およびね
じ込み隙間孔５２をもつている。取付リング１２の下方
の表面には、中心の穴のふちの周りに位置する．ヘリ５
３がついている。コーン４３の周辺のふち４５（ま、そ
のヘリ５３に載せられ、そのなかに含まれている。分流
加減器５４は、コーン４３の周辺のふち４５に合致した
環状部分を内側に有し、取付リング１２と分流加減器５
４とを一緒に組み一立てると、取付リング１２のヘリ５
３と結合して、コーン４３の周辺のふちを係留（Ｃａｐ
ｔＩｖａｔｅ）する。

分流加減器５４と取付リング１２とアテインメントを得
るために、取付リング１２のくぼみ（図示されていない
）に一致する案・内ピンがある。直列負荷抵抗器４９も
取付リング内に含まれている。第２図を参照するに、拡
声器組立体（アセンブリ）１０は、そこに接続されたイ
ンピーダンス整合ホーン６０の一部分ガスケット６１、
裏カバー・プレート６２、及び複数のしめつけねじ用ね
じ６３と共に示されている。

編組メッシュ３０を具える彎曲振動体構造１１、１対の
圧電円板２、及び導電性の箔４０はすべて一緒に結合さ
れて１つの完全な単位を構成し、メッシュ取り付け用タ
ブ３１，３２，３３によつて、取付リング１２の上方の
表面１４において取付リング１２に取り付けられており
、それらのタブは、例えば浅いくぼｌみ５０に近接した
位置にクランプされる。該位置は取付リング１２の中心
の穴からは離れて配置されている。この浅いくぼみ５０
は、彎曲振動体構造が印加した励振電圧に応じて運動す
る場合、取り付け用タブ３１，３２，３３の部分に対し
て隙間（クリアランス）を与える。組み立てた構成体に
おいては、弾力性のある環状支持部分４６が、コーン４
３の外表面に隣接して配置され、コーン４３に関して彎
曲振動体構造１１を少し減衰せしめる。導電性箔４０の
タブ４１，４２は、端子４７にはんだ付けされており、
圧電円板２０の外側の面２１，２４の間の、およびそれ
らの面への電気的接触を与える。タブ３３は、延長部分
を有し、抵抗器４９のリード線へはんだ付け接続するた
めにその延長部分に穴を具える。抵抗器４９のもう一方
のリード線は、端子４８へはんだ付けされている。彎曲
振動体構造１１は、下記に記述するように取付リング１
２の上表面１４にクランプされる取り付け用タブ３１，
３２，３３によつて支持されている。彎曲振動体構造１
１は、またコーン４３の頂点４４に固着されることによ
つて支持され、コーン４３の周辺のふち４５は、分流加
減器５４の環状部５５と取付リング１２のヘリ５３の間
にクランプされている（第１図）。取り付け用タブ３１
，３２，３３は、特に彎曲振動体構造１１の運動量が減
少し、変換器効率が低下して周波数がより低くなつた時
に、彎曲振動体構造１１を付加的に支持する。このよう
にタブを使用すると、より低い周波数における拡声器組
立体の効率を増大する。環状ガスケット６１は、取り付
リング１２の上表面１４と、４個の締め付け用ねじ６３
で取付リング１２に締め付けられている裏カバー・プレ
ート６２との間の密封を与える。第１図に示され、第３
図に更に詳しく示されている彎曲振動体構造１１は、編
組メッシュ（第４図に詳細に図示）をエポキシによつて
被覆する工程を含む方法により製造される。編組メッシ
ュは、ニッケルめつきされたポリエステル・フィラメン
トでつくられ、厚さは正確に保たれており、本発明の好
ましい実施例では、メッシュの厚さは０．００４８イン
チである。ついでメッシュ材料は、両面をナイロンポリ
ミドベースエポキシ液で被覆すると、その液は、乾燥し
メッシュ材料の両表面上で濃縮して中間の形を形成する
。ついで円板２０は、メッシュ材料と接触するように置
かれ、その組立体は、熱と圧力を加えて硬化させると、
エポキシは幾分溶けて流れるが、最悟には硬化してメッ
シュの尖端が円板２０の内側の面に蒸着されている電極
と接触して保持されるようになる。基礎となるメッシュ
材料は、ロールの形につくられ、押抜き作業て編組メッ
シュ中心羽根３０の本体から延びている３個の周辺タブ
３１，３２，３３を具えるようにつくられる。環状の導
電性箔４０は、適当な導電性の接着剤によつて、円板２
０の外縁に固定される。ガラス繊維フィラメントの如き
、ポリエステル・フィラメント以外の材料も、彎曲振動
体構造の半径方向へ力を与えるのに必要な硬さをもつて
いるものであれば使用して差支えない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による拡声器組立体の分解透視図であ
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 印加された電子信号に応答して変形可能であり、導
   電性インターフェース部分を有する第１圧電素子、第１
   圧電素子と実質的に同一の寸法を有し、導電性インター
   フェース部分を具える第２圧電素子、第１圧電素子、第
   ２圧電素子のインターフェース部分間に取付けられ、導
   電的に被覆れた、半径方向に剛性を有し、彎曲方向には
   可撓性を与える非金属フィラメントを具え、前記圧電素
   子と非金属フィラメントを１体に結合させ、第１、第２
   圧電素子と接触する編組メッシュ、を具備する圧電彎曲
   振動体。 ２ 前記編組メッシュは、その外方に延びている複数個
   の取付用タブを具え、前記取付用タブは、圧電彎曲振動
   体を取付リング内部に柔軟に取付ける役目をする前記特
   許請求の範囲第１項記載の圧電彎曲振動体。