JPS61252799A - 電気・音響変換器 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明はバイモルフ構造を有する圧電シートを振動板に
使用し几電気・音響変換器に関するものである。

（従来の技術） 圧電材料を貼り合わせて形成した、いわゆるバイモルフ
構造とした圧電型の電気・音響変換器の振動板では、そ
の基本波共振周波数以上の周波数帯域において、振動数
が部分的に共振し、発生電圧の大きさ、位相に様々゛な
変化を生じるため、周波数応答特性曲線上に複雑な山や
谷を生じることが知られている。

しかしながら、基本波共振周波数以下の周波数帯域で振
動板が単一のモードで振動すると考えられている場合で
あっても、振動板の厚みが直径に比して比較的に厚い場
合において、振動板の外周部全クランプした場合に、若
干具なった様相を呈する。

これを図について説明すれば、第５図において、１．２
は振動板である圧電シートであって、２枚が重ね合わさ
れたものであり、表面と中間部、および裏面に電極５．
４．５が設けられたものである。第６図において、■は
変曲線であり、■、■は分極方向を示す。圧電シート１
．２と電極３．４．５は外周部においてクランプリング
６によシフランプされている。

このような構造の電気・音響変換器において、いま第５
図における上方から音圧（音場）が作用すると、第６図
で示すように変形することになる。この場合、外周部全
クランプされたバイモルフ構造の２枚の圧電シートのう
ち、下側の圧電シート２はクランプ近傍位置において圧
縮方向の応力全受け、電極５側に正電位を、電極４側に
負電位全発生する。同じ部分の上側に位置する圧電シー
ト１は伸長方向の応力全受け、電極４側に正電位を、電
極３側に負電位を発生する。

一方、中心部では、これと逆に、下側の圧電シート２は
伸長方向の応力金受けるので電極５側に負電位音生じ、
電極４側に正電位を生じる、同様に、上側の圧電シート
１では電極５側に正電位が電極４側に負電位が生じるこ
とになる。

この場合、各圧電シート１．２の分極方向は、第６図に
■、ｅの符号を付したように、互いに逆方向になってい
る。図中の矢印は圧電シート１．２に加わる応力の方向
を示す。

（発明が解決しようとする問題点） 上述のように電圧が発生するとき、第５図および第６図
で示すように、圧電シート１．２の全面に亘って電極３
．４．５が設けられていると、クランプ近傍部と中心部
のそれぞれの発生電圧は互いに相殺され、出力電圧が減
少されることになるという問題点があった、 本発明は上記問題点を解決し、両部会の出力電圧が直列
に重畳して取り出せるように電極形状を変えた電気・音
響変換器を提供するものである、 （問題点を解決するための手段） 本発明は上記問題点を解決するための手段として、電気
・音響変換器を構成するにあたり、バイモルフ構造全盲
する圧電振動板に配設する電極を、前記圧電振動板の変
曲線に対して内外に分けて配設したものである。

（作　　　用） 本発明は上記構成により、圧電振動板の変曲線の内側と
外側に分れた部分に発生する電位が相殺されることがな
くなり、直列に重畳して取り出せるようになる、 （実　施　例） 以下１本考案の一実施例’Ｉｋ＠１図および第２図につ
いて述べる。第５図および第６図と同一部材には同一の
符号上付して説明すると、この実施例の場合には上部の
電極３が中央部の電極３ａと外側の電極６ｂとに分けて
設けられており、また接合部の電極４も同様に４ａ、４
ｂに分けて設けられている、これらの分かれ目は変曲線
■の内側と外側になっている。７．８は出力端子である
。この出力端子７．８は、第１図に示すように電極３ａ
、３ｂに接続されることにより、発生電圧全直列に重畳
して取り出すようにしである。電極の形状が第２図に示
すように円形であるときには、適当箇所にリード線を溶
着することになるが、第５図で示すような形状として端
子接続位置を定めても良い。

上記電極の分かれ目の基準となる変曲線■は、変位Ｕ、
音圧ＰＴ、材料の剛性率りおよびヤング率Ｅ１振動板の
厚み２ｈ、密度ρ、角周波数ω＝２πｔ、ポアソン比Ｖ
％未定積分係数Ａとすると、振動板の運動方程式は （Ｖ’−に’）　Ｕ＝ＰＴ／Ｄ　　　　　−（１）ここ
に　１）＝（２／３）・ＪＥｈ３／　（１−１／号・・
・（２）ｋ’＝ａ、ｏｈ／Ｄ・Ｊ２−（３） ’１７”＝＝　ａ２／ａｒ”−１−１／ｒ−Ｄ／８ｒこ
れを積分すると、 Ｕ　＝　Ａｔ　ＪＱ　（ｋｒ）　＋Ａ２１ｑ　（ｋｒ）
　−ＰＴ／　（Ｄ−ｋ　）＝（４）この境界条件は周囲
が固定されているから、振動板のクランプ半径ａ１円柱
座標の位置ｒ１曲率半径ＲとしてＪでベッセル関数を、
■で変形ベッセル関数を表わすことにすると、ｒ　＝ａ
の位置において、変位はＵ＝０、傾きは３１１／１Ｆｒ
＝０であって、 ａｕ／２１ｒ＝−ｋＡｔＪ＋　（ｋｒ）　＋ｋＡ２Ｌ　
（ｋｒ）　　　　　−（５）故に、 Ｊｏ　（ｋａ）　Ａ１＋　Ｉ。（ｋ　ａ）　Ａ２＝　Ｐ
Ｔ／　（Ｄ−ｋ）　’　　　・＝　（６）−ｋ　Ｊｔ　
（ｋａ）　ＡＩ＋　ｋＩｔ　（ｋａ）Ａｚ＝　０　　　
　−　（７）上記（６）　、　（７）の２式？解くこと
により、未定積分係数Ａ１．Ａ２が求まる。このように
して求められた係数Ａｘ＋Ａｚｔ”用いて、変曲線の位
置ｒは、振動板の傾きの極点、すなわち、 Ｍ＝”ｐ＝−ｋ”　Ａｔ　（ＪＱ　（ｋｒ）　−Ｊ＋　
（ｋｒ）／ｋｒ　）＋ｋ”Ａｚ　（Ｉｑ　（ｋｒ）　−
Ｉｔ（ｋｒ）／ｋｒ　）＝０を解くことにより求まる。

たとえば、クランプ半径ａが１０ミリメートル（顛）、
厚みｈ＝α２ミリメートル（ｇＩｌ）、ヤング率５ｘ１
０　　ニュートンパースクエアメートル（Ｎ／ｍ）　　
ボアンン比ｙ＝ｒＬ５３、密度ρ＝４５００キログラム
パーキュービックメートル（ｋｇ／　ｍ”　）のバイモ
ルフ構造圧電振動板の場合で、周波数Ｆ＝２０ヘルツ（
Ｉｌｚ）　、　Ｆ＝３２０ヘルツ（Ｈｚ）　、Ｆ＝６４
０ヘルツ（１’（ｚ）　、Ｆ＝１２８０ヘルツ（Ｈｚ）
の音圧に対しては、それぞれ変曲線の位置はｒ＝　５．
７９ミリメートル（＃ｍ）、ｙ＝５．７３　　　ミ　　
リ　　メ　−　　ト　ル　　（朋）　　　、　　　ｒ＝
ｓ、　　６　　ミ　　リメ　−　　ト　ル　　（＋＋＋
ｍ）　　　、　　　ｒ　　＝　　ｓ、　　　１　　　ミ
　　リ　　メ　−　　ト　ル　　（Ｗ）となる。この結
果全第４図に示す。従って使用周波数帯域における変曲
線■の位置を環状にあけて各電極３ａ、３ｂあるい１ｄ
４ａ、４ｂＴｈ配設することにより目的の形状を有する
バイモルフ構造の圧電振動板全備えた電気・音響変換器
を形成できる、 このように構成された本実施例では、同心状に隔離され
た電極３ａ、５ｂおよび電極４ａ、　４ｂＫより、両部
分には別個の電圧が発生し、かつ全面に取り付けられた
電極５により正電位部と負電位部が接続されることにな
るので、両部分の発生電圧を直列に重畳して表面の分離
された電極３　ａ　＊　３ｂ間から取り出すことができ
ることになり、出力の損失がなくなる。

以上説明した実施例は、２楔の圧電シートの出力全直列
にして、両外側面から取り出す構成の、いわゆる直列型
バイモルフについてのものであったが、本発明はこれに
限定する、ものではなく、並列型バイモルフについても
適用することができる。この場合の構造としては、たと
えば圧電シート１．２の表面（上面と下面）に同形の電
極（たとえば３ａ、３ｂからなるもの）をめよれ 取り付け、圧電シート１．２の間に〆１１電極をこれと
は異なったもの（たとえば電極５）として、上下の同種
電極どおし全接続し、その上で電極３　ａ　＊　３ｂ間
に端子全接続すれば良い。用途としては、直列型は機械
−電気変換用（たとえばマイクロホン）として、また並
列型は電気−機械変換用（たとえばイヤホン）として適
当である。

（発明の効果） 以上のように本発明は、圧電振動板の変曲線の内側と外
側に分けて電極全配設したため、従来型のように発生電
圧全無駄にすることがなく、高感度にすることができる
上に、出力端子を同一面から取り出せることになるので
使用性が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る電気・音響変換器の作動を示す断
面説明図、 第２図は第１図中で用いられる電極形状を足間 す表裏面図、 第３図は第２図で示す電極の変形例を示す表↓ 裏面図、 第４図は変曲線の位ｔａｔ−求める圧電振動板の変形状
態の計算例を示すグラフ、 第５図は従来の電気・音響変換器の断面図、第６図は従
来の電気・音響変換器の作動状態を示す断面図である。 １．２・・・圧電シート ３ａ＊　３ｂ＋　’　ａ＋　４ｂ＋　５　・・’電極６
・・・クランブリング ７．８・・・端子 特許出願人　　日本圧電気株式会社 代理人　弁理士　　萼　　　優　美　　　°１、パ； （外１名）　　゛

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）バイモルフ構造を有する圧電振動板に配設する電
   極を、前記圧電振動板の変曲線に対して内外に分けて配
   設したことを特徴とする電気・音響変換器。