JPS6165600A - 圧電振動素子 - 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、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。

Ｃ従来技術の説明〕 セラミックには、新素材として割目されるものが多いが
、中でもピエゾ効果による強圧電性磁器を用いた圧電振
動板は、電気−機械系の相互変換作用が注目される。ピ
エゾ圧電振動板は、一般にジルコニウムチタン酸鉛等の
強圧電性セラミックの直径２０〜３０ｒｒｍ　前後の円
形薄片に電極面を付した圧電板を１枚の薄い金属板の片
面もしくは両面に重ね、２枚乃至３枚構成に貼り合わせ
たものが多い。第１４図は、３枚構成のバイモルフと称
する圧電振動板１の基本動作を示す構成図であるが、圧
電板２ａ、２ｂの電極面と金属板３との間に信号電圧ｅ
ｆ印加すると、各圧電板２ａ、２ｂには半径方向の伸縮
力が生じ、相加して、金属板３との間に剪断応力がおき
、沿直方向の起振力Ｆとなり、外縁部を支点４で支持す
れば、第１４図の破線の如く中央部を最犬撮巾とする凸
レンズ状の規準振動を行う。そして、この起振力Ｆによ
り発生する音響出力を、圧電ブザー、チャイム、リンガ
−等の発音器として利用し、あるいは第１５図の如く、
圧電振動板１をケース６に収容し、その中央にコーン放
射体５の頂点を結合して、これを励振し、小形スピーカ
等を構成する。

周知の通り、圧電セラミックの弾性率（Ｅ中８３Ｘ　１
０９（Ｎ／ｍ２））ハ、水晶ニ匹敵スル位に大きく、そ
の薄片を金属板３に積層してなる圧電振動板１の物性と
しては、内部損失が小さくＱ（共振感度）が高いために
、鋭い共ノ辰峰をもち、かつその共振周波数ｆ。は概ね
２〜５　ｋＨｚ付近の高音域に鉛る。５．しかしながら
セラミックは脆くて薄片にしに（いために、そのｆ。を
低下することは実際に可成り困難である。

この圧電−振動板１の共振点付近における振動現象は、
一般に第１６図の如く、共振ｌ。１を中心に分けられ、
低音側はスチフネス動作領域で、定振巾性（ｄｌ）であ
り、高音側は慣性動作領域で定速度性（ｖｌ）として振
舞う。従って、前述の第１５図に示した小型スピーカの
動作を１−第１７図の等価回路図により推定するならば
、圧電振動板１の機械的インピーダンスＺ１（以下ｚ１
と記す）とコーン放射体５の機械的インピーダンス２゜
（以下Ｚｃ）と記す）は直列回路をなし、しかもｚｌが
２゜より遥るかに大きいため、回路に流入する速度Ｖ。

は、殆んどｚｏによって支配を受けるので、コーン放射
体５の運動は第１６図の傾向と相似的で殆んど変らない
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

音響理論によれば、放射体が自由空間においである帯域
内に、一定の音圧を放射せんとする場合は、原則として
その放射体は定速度で振動しなければならない。従って
、第１５図の従来の小型スピーカの放射音圧特性は第１
８図ｐ。の如く、共振点ｆ。以上の高音域では、ジグザ
グを大きく描き乍ら音圧がえられるが、共恨点ｆ。以下
の低音域でば、出力音圧は急降下して激減する。前述の
如く、圧電振動板１の共振点ｆ。、は３　ｋＨｚ付近に
あるので、その再生音としては、高音部が強調され、低
音部が欠如した貧弱な音質しかえられないことになる。

しかも、圧電板２ａ、２ｂのＱが高いために、共振点ｆ
。の鋭いピークに続いて寄生振動によるレスポンスの凹
凸を生じ、高調波歪が多く、中低音で、出力音圧レベル
が低いなどスピーカとして汎用性に欠けるものであった
。この欠点を改善すべ〈従来は圧電板２ａ、２ｂの表面
や支点４となる部分に粘弾性樹脂を塗布するなどしてい
るが、飽くまでも消極的な手段に過ぎず、その効果は余
り期待できるものではなかった。その過大理由はｚｏが
余りにも犬きく、シかも、共振点ｆ。□が可聴帯域の上
限付近（３〜５　ｋＨｚ　）にあるためであるから、こ
れを意のま＼に制御することは、従来の手段をもってし
ては側底不可能に近い状態であった。

本発明は上述のごとき事情に鑑みてなされたもので、低
音部の出力音圧を増大させて、出力音圧が平坦になるよ
うにした圧電振動素子を提供することを目的とする。

〔問題を解決するための手段〕

かかる目的を達成するために、本発明は、圧電振動板の
重心点付近に粘弾性層を介して重錘を結合することによ
り、前記圧電振動板の振動モードを変化せしめ起振力を
前記圧電振動板の外縁部から取り出すように構成されて
いる。

〔作用〕

低音域では、重錘を支持する粘弾性の機械インピーダン
スが減少し、専ら慣性質量として作用し、圧電振動板の
中心部を強く拘束して、圧電振動板は凹レンズモードと
なり、外縁部が最大振巾で振動し、低音域の音圧を増大
することができる。また、高音域では、粘弾性層の動作
が活発になり、圧電振動板の中心部の拘束が減少して凸
レンズモードへ移行する一方、粘弾性層の粘性抵抗によ
り共振点’０１の振巾は適度に抑制される。したがって
、低音域が増強され、高音域が抑制されて、動作帯域が
拡張され、出力音圧は平坦な特性となる。

〔実施例の説明〕

以下、本発明の実施例を第１図ないし第４図を参照して
説明する。第１図は、本発明の圧電振動素子の等価回路
図であり、第２図は、第１図の可変インピーダンスｚ２
が慣性質量ｍ２と粘弾性抵抗Ｃｚ、ｒｚの並列要素とし
て示される等価回路図であり、第３図は、本発明の圧電
振動素子の具体的基本構造を示す図であり、第４図は、
第３図に示す圧電振動素子の特性図である。

まず、本発明は、圧電振動板１の振動モード（姿態）に
着目してなされたものである。すなわち、圧電振動板１
の外縁部における速度ならびに振巾は、凸レンズモード
のとき最小値であり、凹レンズモードにおいて最大値を
とる。この振動モ　　□−ドは、重心点に負荷する可変
インピーダンス、Ｚ２（以下ｚ２と記す）により、比較
的容易にｊｔｄ制御できることを実験的に確認した。

本発明におけるｚ２を導入した振動系の等価回路図を第
１図に示す。すなわちｚ２ばｚｌと負荷となる２　の中
間点ａ−ｂ間に挿入し、振動周波数に対応して順次リア
クタンス分が変化して印加信号電圧ｅに比例して誘起す
る起振力Ｆ１による２゜に流入する速度Ｖ。を可及的に
一定ならしめようとする。

２　は第２図の如く、慣性質量ｍ２と粘弾性抵抗ｃｒ　
　の並列要素として示され、そのインビー２　ν　　　
２ ダンスは動作帯域、変換感度等要求される条件によって
異るも概ねｚ、　＞＞　Ｚｏ≦２２　　の範囲に構成す
るを可とする。

これを具体化したものを第３図に示す。本発明の圧電振
動素子１０は、原則として圧電振動板１は金属板３の両
面に圧電板２ａ、２ｂを積重した謂所バイモルフまたは
片面のみに積重したモノそルフと称する円板形で構成さ
れ、この圧電振動板１の重心点（円板の場合は中心に一
致する）もしくはその近傍に、慣性質量ｍ２を有する重
錘８（ｍｉ）を粘弾性層７　（Ｃｚ　ｔ　　ｒ２）を介
して接合した極めて単純な構成によるものである。

ここで、圧電板２ａ、２ｂの電極面と金属板３の間に信
号電圧ｅを印加し、外縁部９の運動に着目すれば、低音
域（＜３００Ｈｚ）ではｚ２は質量リアクタンス（第２
図の〜２）として振舞うので圧市′振動板１は中心部を
強く拘束され、凹レンズモードをとり、外縁部９が最大
振巾になる一方、中音域（８００〜１　ｋＨｚ　）では
、粘弾性抵抗Ｃ２，ｒ２と慣性質量ｍ２の各リアクタン
スが等量に近づき、Ｚｏ　　は相対的に増加して拘束性
が徐々に減少し、振動節線は次第に外周へ移動して中程
度の振巾となる。更に、高音域（〉３〜５　ｋＨｚ　）
ではｚ２は主として弾性Ｃ２と粘性抵抗ｒ２として撮ト
ｒい一段と拘束性が減少して凸レンズモードへ移行する
。

このとき共振点ｆ。、では粘性抵抗ｒ２が制動効果を発
揮して共振ピークの発生を効果的に抑制する。

第４図は３つの特異点ｆ。Ｏｆ　　”ＯｌＦ　　’０１
について振動モードの模様と２２の変化を示したもので
あるが、ここに、ｆｏｏは放射体の共振点’　　”０１
はｚ２を構成する〜２が圧電振動板１のｍｌに添加し移
行したための共振点（約１　ｋＨｚ付近）、またｆ。□
は圧電振動板１自体の共振点である。また、第４図の曲
線２゜は一般的な放射体の駆動点におけるインピーダン
ス曲線を示すが、中音からｆ。０にかけて著しく降下し
ている。その結果、放射体は励振が容易になり、振動速
度Ｖ。を付勢するのに役立つことになる。以上説明した
動作状況から、圧電振動素子１０は重心点付近に付設し
た可変インピーダンスｚ２の作用により振動モードが制
御され、外縁部９に負荷される放射体の振動速度Ｖ。並
びに放射音圧Ｐ。が概ね第４図の如く、平坦特性に改善
されることになる。

更に１本発明の圧電振動素子１０の他の大きな特長とし
ては、振動回路に大きな抵抗損失を挿入して共振ピーク
を鎮静化する従来の方法と異り、インピーダンス容素ｚ
２の機械リアクタンスの作用により周波数に対応して振
動モードを制御するのであるから、回路損失が極めて少
ないものであって変換器としての効率を著しく向上する
大きな効果を有している。

第３図において、重錘８は概ね重量１〜５　ｇｒ程度の
飴玉でよく、破線の如く圧電振動板１の両面に２分割し
て設けてもよく、また、粘弾性層７（Ｃ２ｒｚ　）には
、動作中の重錘８を安定に支持するに足る不変性粘着力
を持続する粘着性樹脂例えば天然ゴム系ブチルゴム、ウ
レタンコ１ム、シリコンゴム系等の粘着性変性物質また
はこれらの粘性樹脂を発泡シートまたは不織布等のペー
スに塗布もしくは浸潤させたものを可とする。現在のと
ころ、これらの材料の粘弾性を定量的に計測することは
、実際上困難の状況であるから実験的に５３否を判定す
るが、いづれも温度依存性の少々いものを重点に選択す
る。

第５図（ａ）ないしくｂ）は、本発明の圧電振動素子１
０における圧電振動板１に重錘８を粘弾性層７で結合さ
せる他の実施例である。第５［Ｊ（ａ）は、動作の安定
化と密着性を考慮して重錘８を扁平紡７：、ｉニー型と
し、モノモルフの全局板側に設けたものである。

第５図（ｂ）は、重錘８を円鉢形としたもので、粘弾性
層７の有効接融面積を拡大し、がっ重錘８の安定性を大
きくしたものである。同様に、重錘８を円錐台または半
円球としてもよい。第５図（Ｃ）は、円板状の重錘８ｔ
−’Ｊソング状粘弾性層７で結合させたものである。第
５図（ｄ）は、円環状の重錘８ａと円柱状の重錘８ｂに
分けて、同心円状に粘弾性Ｅ７ａｔ７ｂで結合したもの
である。第５図（ｅ）は、重錘８と粘弾性層７とを交互
に二重に積み重ねたもので、質量リアクタンスの効果が
緩没となり、動作帯域の拡張が図られる。第５図（ｆ）
は、金属板３に細い管柱３ａを植立し、管状の粘弾性１
ｄ７ｃを内挿した管状の重錘８ｃを管柱３ａに嵌入させ
てすべ）応力を利用するようにしたものである。

さらに、重錘８または圧電振動板１と、スピーカーフレ
ーム等の固定部材１８との間に第６図（ａ）。

（ｂ）の如く、単泡性ウレタン７オーム等からなるパッ
ト１６．２８を間挿してもよい。

更に、圧電振動板１の形状は、一般に円板を可とするが
、本発明においては、第３図の如くに、凹レンズ状の基
本振動モードで湾曲振動するのであるから、主としてそ
の外縁部において、円周方向の微れな伸縮歪応力が発生
して、変形を邪げ、ｚ１１ｃ増大する原因になっている
。そこで、その振動共振周波数ｆ。□を低下させ、機械
インピーダンスｚ１を低下する手段として、第７図の如
くに、円板の中心部２３を残し、周辺部を複数（６〜１
２個）の細隙２４を放射状にカットし、均等な細片に分
割する方法が有効である。これは、本発明を適用してマ
イクロホンや小形受話器等の小形機器を構成する場合に
、Ｚｌを極力低下させ、それに付随する重錘８　（ｍｚ
　）ならびに粘弾性抵抗層７（Ｃ２ｒｚ）の定数を微小
化することができ、変換感度の向上と動作帯域を拡張す
るうえで効果−的である。

この場合、各細片の電極面は中心部２３で互に連結し、
１体であるから、信号電圧ｅの受授方法は普通の円板と
同じく簡単である。

以下、本発明の圧電振動素子１０を適用した電気−音響
変換器の応用例につき説明する。

第８図は、最も定型的な応用例である。ドーム形放射体
１１　（ｔｎ２）　　は、波襞形リングエツジ１２（Ｃ
ｏ　ｒｏ　）を介して、外筺ケース１４に揺動的に支持
され、ドーム形放射体１１と波襞形リングエツジ１２の
境界１３に圧電振動素子旦の外縁部９が結合され、端子
１５に信号電圧ｅを印加し励振する。圧電振動素子１ｏ
の実効質ｆｉｔｍ２′ｌｃ予じめ考慮して、エツジコン
プライアンス（Ｃ（１）ｔ−設定し、ドーム形放射体１
１の共振点ｆ。０を２００〜３００　Ｈｚ　付近に設定
する。中口径（５０〜１００　ｒｒｍ　）　　以上の大
きい場合は、補助的に重錘８と外筺ケース１４の底面の
間に発泡弾性のパッド１６を間挿するを可とする。これ
は、第６図（ａ）のＣ３ｒｓに該当するが、低音域にお
ける重錘８ｍ２の過大振幅を抑制し安定化に役立つ。

この応用例は、防滴形スピーカとして、インターホンの
屋外機用、音声合成アラーム用その他に好適である。

第９図のものは放射体がなく、直接放射の簡素化した応
用例で、主に電話用送受話器に適用する。

電話回線の伝送帯域は、３００〜３．５　ｋｌ（ｚであ
るから帯域形成には、例えば、圧電振動板１の金属板３
の外縁部９に円環波襞１７を付してコンプライアンスＣ
８とじ、低音共振点ｆ０゜を約３００　Ｈｚにする一方
、圧電振動板１の凸レンズモードの第一共振点ｆ。、を
３　ｋＨｚに設定し、細部を背部の音響回路で調腔する
。前室２０のキャパシタンスと開孔１９のイナータンス
で、約３．５００　Ｈｚ　　のローパスフィルタを形成
し、不要の高調波歪を除去する。重錘８と外筺底面に間
挿するスポンジのパッド１６（ｒ、）は、速度形駆動を
調整加味するもので、耳当てが耳介と密着度が悪い場合
におきる低音劣化を防止し、通話、明瞭度を向上させる
。なお、２１は背室２２の開孔である。第９図のものを
若干変形して送話器を構成することができる。

この場合、背室２２には通話レベルに増巾する工Ｃ増巾
器とサージ慣、圧吸収素子を収容する。炭素送話器に較
べ、高信頼性で長寿命であり、雑音の少ない利点がある
。

第１０図のものは、一般的なコーン形スビーカの構成例
である。コーン放射体２５は、抄造紙またはプラスチッ
クフィルムの成型品とし、波襞エツジ２６を介してフレ
ーム２７と揺動的に結合する。コーン放射体２５頂部と
ドーム２９の接合部に圧電振動素子り旦の外縁部９を接
合し、端子に信号電圧ｅを印加してコーン放射体２５を
励振する。この場合の重錘８とフレーム２７の間に軟質
発泡のパッド２８を間挿し、コーン放射体２５頂部を保
持してコーンの運動を安定化する。このパッド２８の等
価回路は第６図（ｂ）に該当する。このスピーカは厚さ
１０ｍｎ以下の軽量薄形にできるから、小形ポケットラ
ジオカセットテープレコーダ等に好適であり、漏洩磁束
を忌避する場合に、従来の永久磁石形スピーカに代替す
ることができる。

第１１図のものは、放射体３０に発泡スチロール等の半
硬質発泡平板を用いた構成例である。放射体３０は矩形
（たてよこ比４：３位）を可とし、縁端を軟質発泡材３
１を介してフレーム３２に繋止する。圧電振動素子１０
の中心Ｑは、放射体３゜の縁端１での距Ｑｉ　ｌ（、が
各角度方向になるべく具なる位置を選んで固定され、／
庁定周波ζりに発生する定在波を分散する。なお、圧電
振動板１０は放射体３０の開孔に嵌入し、周囲を接着固
定する。この簡易形スピーカの感度音質は第１０図に示
すコーン形に較べて若干劣るが、更に軽量薄形に↑；Ｘ
Ｇ成できるので、電子楽器や玩具等の発音体の他、自動
車のサンバイザ、座席の安全枕に内装するスピーカ等と
して走行中の安全性を重視する場合のスピーカとして好
適である。

第１２図（ａ）、　（ｂ）に示すものは、放射体３５を
発泡材または抄造紙を円弧状に湾曲させて形成し、その
両端を圧’ｌ！ｉ動素子１０により励振駆動するスピー
カである。この場合の圧電振動素子１０は長方形の短冊
形とし、金属板３の両端３９ｔ−出力端子とし、放射体
３５の左右両端にある切込窓３７にこの出力端子を挿入
結合する。放射体３５の両側の圧電振動素子１０が左右
同相で等しい速度Ｖ。

で励振するときは、放射体３５は曲率半径が変化して音
圧Ｐ。を放出す′る。このスピーカの特長は、振動波が
縦波として放射体３５の内質部を普通の横波の約２倍に
近い高い速度で伝播するので、応答性が良好である。

第１３図（ａ）に示すものは、２枚の円板形圧電振動素
子４４．４５を外縁端でコンプライアンスリング４７を
介して重連結合とし、コーン４１を駆動する複合素子の
適用例である。前方の素子４４は全帯域用で、後方の素
子４５は低音響用であシ、粘弾性を有するゴムからなる
コンプライアンスリング４７により、ローパスフィルタ
ーを形成し、ｆＬ以下の低音域を付勢する。これらの素
子４４゜４５を励振するには、第１３図（ｂ）の如く特
別な昇圧トランス（巻数比ｎ＝１　：　５位）を必要と
し、昇圧トランスの１次コイルＬＰに対し、２次コイル
Ｌ０は密結合とし、第１３図（Ｃ）の如く全帯域ａｌ　
を素子４４に供給するが、３次コイルＬ２は結合度の恕
い位置に巻かれておシ、漏洩インダクタンスＬｌ　　と
圧電振動板１の内部容量とでローバ名フィルタを形成し
、後方の素子４５には（ｅ１＋０２）を印加して低音出
力を増強する様に４ＪｆＱしたものである。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明に係わる圧電振動素子は、
圧電振動板の重心点付近に粘弾性層を介して重錘が結合
されているので、低音域では、重錘が慣性質量として作
用し、圧電振動板の中心部が強く拘束され、圧電振動板
は凹レンズモードとなり、外縁部は最大振巾で振動して
低音域の音圧が犬となり、また、高音域では、介在する
粘弾性層のために圧電振動板の中心部の拘束が減少して
信号周波数の増加と共に凸レンズモードとなり次第に振
幅が減少して所望の定速度駆動が実現し、粘弾性層の粘
性抵抗により更に圧電板の共振点で振巾は抑制され、も
って、低音域から高音域まで平坦な出力音圧が得られ、
さらには、回路損失が少なく、効率よく電気−音響変換
ができる等の優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の圧電振動素子の等価回路図、第２図は
、第１図の可変インピーダンスｚ２が慣性質量ｍ２と粘
弾性抵抗Ｃ２Ｆ　　ｒ２の並列要素として示される等価
回路図、第３図は、本発明の圧電振動素子の具体的基本
構造を示す図、第４図は、第３図に示す圧電振動素子の
特性図、第５図（ａ）ないしくｆ）は、本発明の圧電振
動素子における圧電振動板に重錘を粘弾性層７で結合さ
せる他のそれぞれの実施例を示す図、第６図（ａ）およ
び（ｂ）は、本発明の圧電撮動素子の重錘または圧電振
動板と固定部材との間にパッドを間挿させたそれぞれの
図、第７図は周辺部に複数の細隙をカットし分割した圧
電板の平面図、第８図ないし第１０図は、本発明の圧電
振動素子を適用した電気−音響変換器のそれぞれの応用
例の断面図、第１１図（ａ）および（ｂ）は、本発明の
圧電振動素子を適用した他の電気−音響変換器の応用例
の断面図と平面図、第１２図ｆａ）および（ｂ）は、さ
らに他の電気−音響変換器の応用例の一部切欠き斜視図
と圧電振動素子の斜視図、第１３図（ａ）ないしくＣ）
は、さらにまた他のち；気−音響変換器の応用例の断面
図と、これを駆動するための回路図と、各圧電振動素子
の入力図、第１４図は、圧電振動板の基本動作を示す模
式図、第１５図は、第１４図の圧電振動板を用いた小型
スピーカの構造図、第１６図は、第１４図の圧電振動板
の特性を示す図、第１７図は、第１５図の小型スピーカ
の等価回路図、第１８図は、第１５図の小型スピーカの
特性を示す図である。 １・・・圧電振動板、７．　７．ａ、　　７　ｂ、　　
７　ｃ　−−−粘弾性層、８，８ａ、８ｂ、８ｃ・・・
Ｍ踵、９・・・・外縁部、１０・・・圧電振動素子。 特許出願人　サワ７ジ・ダイナメカ株式会社（外１名）
代理人　島　１）　　登、ｒ’ｊｊｌ ！ミ°！。 ＼＼−一 第１図 第２図 第３図 匹 第４図 第５図 ＋（＋ 第６図 第７図 第８図 第９図 第１０図 第１２図 （ｏ）（ｂ） 第１３＠ （Ｃ） 第１４図 第１５図 第１６図 第１７図 第１８図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 圧電振動板の重心点付近に粘弾性層を介して重錘を結合
   し、前記圧電振動板の起振力を前記圧電振動板の外縁部
   から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。