JPWO2017217399A1 - 骨伝導装置 - Google Patents

Abstract

振動体（４）は、平板状であり、基材層と基材層上に積層された圧電層とを有し、圧電層の伸縮により撓んで振動する。筐体（２）は、振動体（４）を収容する内部空間（２Ｃ）と、振動体（４）の外縁を固定する固定部（２Ｄ）とを有し、固定部（２Ｄ）を介して振動体（４）から伝えられる振動を外部に伝達可能である。信号入力部（３）は、スマートフォンから入力された音声電圧信号を入力して圧電層に印加する。振動体（４）は、その主面（４Ａ）における、固定部（２Ｄ）から振動体（４）の中心へ向かう方向に直交する方向に関して、振動体（４）の全幅Ｗ１が固定部（２Ｄ）の全幅より大きくなっている。

Description

本発明は、骨伝導装置に関する。

従来より、鼓膜を介さずに音響振動を頭蓋骨に伝え、その振動を、頭蓋骨を介して内耳に音として伝達する骨伝導式イヤホンが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１４−１０７８２８号公報

上記特許文献１に記載の骨伝導式イヤホンでは、音を聞く際に、イヤホン自体を外耳道内に挿入する必要がある。この骨伝導式イヤホンでは、その内部で、樹脂により振動子が固定されているので、電磁的エネルギが力学的エネルギに変換される効率である電気機械結合係数が比較的小さい。このため、上述の骨伝導式イヤホンでは、筐体の振動の変位が比較的小さく、イヤホン自体を外耳道内に挿入しないと、音が内耳に伝達され難くなる。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、イヤホン自体を外耳道に挿入しなくても、音を内耳まで伝達可能な骨伝導装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る骨伝導装置は、
基板と該基板上に積層された圧電層とを有し、圧電層の伸縮により撓んで振動する平板状の振動体と、
前記振動体を収容する内部空間と、前記振動体の外縁を固定する固定部とを有し、前記固定部を介して前記振動体から伝えられる振動を外部に伝達可能な筐体と、
外部機器から入力された電圧信号を入力して前記圧電層に印加する信号入力部と、
を備え、
前記振動体は、
その主面における、前記固定部から前記振動体の中心へ向かう方向に直交する方向に関して、前記振動体の全幅が前記固定部の全幅より大きい。

前記固定部は、前記振動体の外縁の１箇所を固定する、
こととしてもよい。

この場合、前記振動体の主面の一部がくりぬかれている、
こととしてもよい。

前記振動体のくりぬかれた部分の形状が、前記固定部から前記振動体の中心へ向かう方向に沿った長辺を有する長方形である、
こととしてもよい。

前記振動体のくりぬかれた部分は、
主面の中央よりも前記固定部の逆側に偏芯して形成されている、
こととしてもよい。

前記振動体では、前記信号入力部に対向する部分が切り欠かれている、
こととしてもよい。

前記振動体は、Ｃ字状、Ｕ字状又は凹状である、
こととしてもよい。

前記固定部は、
前記信号入力部の反対側に配置されている、
こととしてもよい。

前記振動体の主面の形状は、
前記固定部の中心から前記振動体の中心を通る線分を基準にして線対称である、
こととしてもよい。

前記固定部は、
前記振動体を狭持して固定する、
こととしてもよい。

前記固定部には、前記振動体の主面に交差する方向に突出する凸状の突起が設けられ、
前記振動体には、前記突起が挿通される貫通孔が設けられている、
こととしてもよい。

前記振動体には、前記固定部に固定される外縁に、直線状に切り欠かれた直線部分が設けられ、
前記固定部には、前記直線部分と当接する当接部が設けられている、
こととしてもよい。

前記振動体には、前記固定部に挟持されて固定される被固定部が設けられており、
前記被固定部の厚み方向の側壁に凹凸が繰り返されたスカロップが形成されている、
こととしてもよい。

前記振動体の自由端に重りが設けられている、
こととしてもよい。

前記重りの厚み方向の側壁に凹凸が繰り返されたスカロップが形成されている、
こととしてもよい。

基板と該基板上に積層された圧電層とを有し、圧電層の伸縮により撓んで振動する平板状の振動体と、
前記振動体を収容する内部空間を有し、前記振動体から伝えられる振動を外部に伝達可能な筐体と、
外部機器から入力された電圧信号を入力して前記圧電層に印加する信号入力部と、
を備え、
前記振動体は、
その主面全面で両面テープにより前記筐体に固定される、
こととしてもよい。

使用者の耳にかけられた状態で前記筐体を使用者の頭蓋骨に当接するように固定するフック部を備える、
こととしてもよい。

前記振動体が複数枚設けられている、
こととしてもよい。

本発明によれば、電圧信号に従って振動する振動体の幅が、振動体を固定する固定部の幅よりも大きくなっている。これにより、電気機械結合係数を比較的大きくすることができる。このため、筐体の振動の変位が大きくなるので、筐体を頭部の外皮に接触させるだけで、頭蓋骨に振動を伝達して内耳液体を振動させることができる。この結果、イヤホン自体を外耳道に挿入しなくても、音を内耳まで伝達可能である。

本発明の実施の形態１に係る骨伝導式イヤホンが装着されたスマートフォンを用いて通話を行う様子を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る骨伝導式イヤホンの外観を示す斜視図である。 図１の骨伝導式イヤホンの内部構成を模式的に示す斜視図である。 振動体の積層構造を示す断面図である。 圧電層に正極性の電圧が印加された状態の振動体を示す断面図である。 圧電層に負極性の電圧が印加された状態の振動体を示す断面図である。 筐体へ振動が伝達される様子を示す図である。 固定部と振動体と信号入力部との関係を示す内部上面図である。 図３の振動体とカンチレバー状の振動体との比較結果を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る骨伝導式イヤホンの内部構造を示す斜視図である。 振動体を圧電層側から見た斜視図である。 振動体を、基板側から見た斜視図である。 固定部を示す部分断面図である。 固定部と振動体と信号入力部との関係を示す内部上面図である。 筐体が振動する様子を示す図である。 側壁の作用を示す図である。 振動体の変形例その１（上面）を示す図である。 振動体の変形例その１（下面）を示す図である。 振動体の変形例その２（上面）を示す図である。 振動体の変形例その２（下面）を示す図である。 振動体が複数設けられた骨伝導式イヤホンの部分断面図を示す図である。 図１６Ａの骨伝導式イヤホンの分解図である。 くりぬかれた部分の形状が異なる振動体の変形例（上面）を示す図である。 くりぬかれた部分の形状が異なる振動体の変形例（下面）を示す図である。 くりぬかれた部分の形状が異なる振動体の変形例（上面）を示す図である。 くりぬかれた部分の形状が異なる振動体の変形例（下面）を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る骨伝導式イヤホンの断面図である。 本発明の実施の形態４に係る骨伝導式イヤホンが装着されたスマートフォンを用いて通話を行う様子を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、図中、同一の構成要素には同じ符号を付すものとする。

実施の形態１．
まず、本発明の実施の形態１について説明する。

図１に示すように、本実施の形態に係る骨伝導装置としての骨伝導式イヤホン１Ａは、ハウジングである筐体２と、筐体２から突出する信号入力部３とを備えている。骨伝導式イヤホン１Ａは、信号入力部３を、音を出力可能な携帯端末機器（例えばスマートフォン）１００の音声出力端子であるイヤホンジャック１０１に差し込んで使用される。筐体２は、音響振動を伝え易い物質、また、人体が触れても問題のない物質、例えば樹脂などで構成されている。

使用者ｈは、骨伝導式イヤホン１Ａを使用する際に、骨伝導式イヤホン１Ａの筐体２を自らの頭部の外皮に当てた状態でスマートフォン１００を把持する。骨伝導式イヤホン１Ａの筐体２は、イヤホンジャック１０１から出力される音声電圧信号に従って振動する。その振動は、頭蓋骨を介して内耳へ音響振動として伝えられる。このように、骨伝導式イヤホン１Ａは、使用者ｈの外耳道に挿入することなく使用可能となっている。以下では、そのような使用を可能とする骨伝導式イヤホン１Ａの構成及び動作の詳細について説明する。

図２に示すように、筐体２は、カバー２Ａ，２Ｂに分かれており、カバー２Ａとカバー２Ｂとが嵌め合うことによって形成される。筐体２は、円筒形状の部分の側面に直方体状の部分が連結されたような形状となっており、図３に示すように、その内部には、その外形とほぼ相似な内部空間２Ｃが設けられている。信号入力部３には、係止部３Ｂが設けられている。この係止部３Ｂがカバー２Ａ，２Ｂの直方体の先端部分の側壁に挟まれた状態で筐体２と係止される。これにより、信号入力部３が筐体２に固定される。

筐体２からは、信号入力部３の一部である音声入力端子（イヤホンプラグ）３Ａが突出している。スマートフォン１００のイヤホンジャック１０１（図１参照）には、この音声入力端子３Ａが差し込まれる。信号入力部３における音声入力端子３Ａと反対側の端部であり、内部空間２Ｃに配置された端部には、出力電極３Ｃが設けられている。音声入力端子３Ａと出力電極３Ｃとは導通しており、最終的に振動体４に印加される音声電圧信号は、イヤホンジャック１０１から音声入力端子３Ａに入力され、出力電極３Ｃへ送られる。

骨伝導式イヤホン１Ａは、出力電極３Ｃから出力される音声電圧信号に従って振動する振動体４を備える。振動体４は内部空間２Ｃに収容されている。内部空間２Ｃは、振動する振動体４と接触することがないような広さを有している。また、信号入力部３も、振動体４と接触することがないように配置されている。

振動体４は、ｘｙ面に平行な円板状の部材であり、可撓性を有する。振動体４におけるｘｙ面に平行な＋ｚ側の面を主面４Ａとする。図４Ａの断面図に示すように、振動体４は、複数の層が積層された構造を有している。

振動体４の各層は、半導体製造技術であるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて製造される。振動体４の製造には、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板が用いられる。ＳＯＩ基板とは、半導体基板から成る支持基板と、支持基板上の埋込酸化膜であるＢＯＸ層と、ＢＯＸ層上の半導体層であるシリコン（ＳＯＩ）層とから成る積層構造を有する基板であり、酸化膜を内包するウエハである。

最も下（−ｚ側）の基材層４Ｂは、ＢＯＸ層上のシリコン層から成る。基材層４Ｂの上に、下部電極層４Ｃと、圧電材料層４Ｄと、上部電極層４Ｅとが、この順に積層されている。下部電極層４Ｃと、圧電材料層４Ｄと、上部電極層４Ｅとで、圧電層４０が形成される。振動体４は、基材層（基板）４Ｂと、基材層４Ｂ上に積層された圧電層４０と、を有する。

下部電極層４Ｃ及び上部電極層４Ｅは、導電性材料（例えば、アルミニウムや銅などの金属）から成り、圧電材料層４Ｄは、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などの材料（圧電特性を示す材料）から成る。圧電材料層４Ｄは、厚み方向に所定極性の電圧を印加すると、長手方向（厚み方向に直交する方向）に伸縮する性質を有する。

図４Ｂに示すように、上部電極層４Ｅが正で、下部電極層４Ｃが負となる極性（以下、正極性と呼ぶ）の電圧を印加すると、圧電層４０は長手方向に伸び、主面４Ａ側に、面方向（ｙ軸に沿った方向）に伸びる方向への応力が加わる。その結果、振動体４は、上方が凸になるように反り返る。

これに対して、図４Ｃに示すように、上部電極層４Ｅが負で、下部電極層４Ｃが正となる極性（以下、負極性と呼ぶ）の電圧を印加すると、圧電層４０は長手方向に縮み、主面４Ａ側に、面方向に縮む方向への応力が加わる。その結果、振動体４は、下方が凸になるように反り返る。

もちろん、上部電極層４Ｅ側が正、下部電極層４Ｃ側が負となるように、両電極層間に電圧を印加すると、長手方向に縮む一方で、上部電極層４Ｅ側が負、下部電極層４Ｃ側が正となるように、両電極層間に電圧を印加すると、長手方向に伸びる性質を有するような圧電材料層４Ｄを用いても構わない。この場合、正極性の電圧を印加すると、下方が凸になるように反り返り、負極性の電圧を印加すると、上方が凸になるように反り返る。このように、振動体４は、圧電層４０の伸縮により撓んで振動するものであればよい。

いずれにしても、上部電極層４Ｅと下部電極層４Ｃとの間に、所定極性の電圧を印加することにより、図４Ｂ又は図４Ｃに示す変形を生じさせることができる。変形の度合いは、印加する電圧値に応じた量になる。なお、圧電素子を構成する材料によって（例えば、バルク、薄膜によって）分極作用が異なるので、電圧の極性と伸縮の関係とが上述とは逆になる場合がある。

筐体２は、振動体４の外縁の１箇所を固定する固定部２Ｄを有する。図５に示すように、振動体４には、固定部２Ｄに挟持されて固定される被固定部４Ｆが設けられている。被固定部４Ｆの厚みは、他の部分、すなわち振動する梁の部分より厚くなっている。固定部２Ｄは、カバー２Ａ，２Ｂにそれぞれ設けられており、一対の固定部２Ｄが、被固定部４Ｆをｚ軸方向に挟んで振動体４を片持ち梁として保持する。

したがって、図４Ｂ及び図４Ｃに示すように、振動体４が変形を繰り返して振動すると、図５に示すように、固定部２Ｄ（被固定部４Ｆ）によって形成される固定端を中心に振動体４の−ｙ側の自由端が上下に反り返るようになる。

信号入力部３の出力電極３Ｃは、不図示のリード線を介して、下部電極層４Ｃ、上部電極層４Ｅに接続されている。スマートフォン１００のイヤホンジャック１０１から出力された音声電圧信号は、信号入力部３を介して、振動体４の圧電層４０に印加される。圧電層４０は音声電圧信号に従って駆動され、この駆動により、図５に示すように、振動体４が振動する。その振動は被固定部４Ｆ、固定部２Ｄを介して筐体２（カバー２Ａ，２Ｂ）に伝えられる。筐体２は、固定部２Ｄを介して振動体４から伝えられる振動を外部に伝達可能である。これにより、使用者ｈが振動による音を聞き取れるようになっている。

また、図６に示すように、内部空間２Ｃにおいて、固定部２Ｄは、信号入力部３の反対側に配置されている。すなわち、固定部２Ｄの位置は、スマートフォン１００に差し込まれた信号入力部３からできるだけ離されている。振動体４から振動が伝えられるポイントをスマートフォン１００に接続され振動の基点となる信号入力部３からできるだけ離しておいた方が、筐体２の振動の変位を大きくすることができるからである。

また、振動体４の主面４Ａの形状は、固定部２Ｄから振動体４の中心Ｏを通るｙ軸に平行な線分ＢＬを基準にして線対称となっている。このようにすれば、片持ち梁として保持された振動体４をバランス良く振動させることができる。

図７に示すように、本実施の形態に係る骨伝導式イヤホン１Ａでは、振動体４の主面４Ａにおいて、固定部２Ｄから振動体４の中心Ｏへ向かう方向に直交する方向（ｘ軸方向）に関して、振動体４の幅Ｗ１が、固定部２Ｄの幅Ｗ２よりも大きくなっている。これにより、振動体４に加えられる電磁エネルギに対する筐体２の振動の変位の大きさ（機械エネルギ）の比率である電気機械結合係数を大きくすることができる。

例えば、固定部２Ｄの幅Ｗ２と同じ幅を有し、長さが振動体４と同じＬ１であるカンチレバー形状の振動体４’と、本実施の形態に係る振動体４とを比較した場合、振動体４の方が、電気機械結合係数は大きくなり、筐体２の振動の変位が大きくなる。筐体２の振動の変位が大きくなれば、使用者ｈが音を聞き取り易くなる。

固定部２Ｄの幅Ｗ２と同じ幅のカンチレバー式の振動体で、振動体４と同じ電気機械結合係数を得るには、例えば、振動体の長さをＬ１よりも長いＬ２とする必要がある（図７の振動体４”）。このため、骨伝導式イヤホン１Ａにおいて、幅に対する長さの比が大きくなり、長さと幅とにおけるバランスが悪くなる（音が伝わり難くなり得る）。これに対し、本実施の形態に係る振動体４を用いれば、骨伝導式イヤホン１Ａにおいて、幅に対する長さの比を小さくしつつ（長さと幅とにおけるバランスを保ちつつ）、筐体２の変位を大きくし、音を伝え易くすることができる。

骨伝導式イヤホン１Ａが装着された状態でスマートフォン１００に着信があると、使用者ｈは、骨伝導式イヤホン１Ａの音声入力端子３Ａをイヤホンジャック１０１に差し込んだ後、図１に示すように、筐体２を頭部の外皮に接触させてスマートフォン１００を操作するだけで、通話が可能になる。これは、スマートフォン１００から使用者ｈが自ら発信する場合も同様である。また、通話に限らず、音楽や記録された音声データを聞く際にも、骨伝導式イヤホン１Ａを使用することができる。

以上詳細に説明したように、本実施の形態によれば、音声電圧信号に従って振動する振動体４の幅Ｗ１は、振動体４を固定する固定部２Ｄの幅Ｗ２よりも大きくなっている。これにより、電磁的エネルギが力学的エネルギに変換される効率である電気機械結合係数を比較的大きくすることができる。このため、筐体２の振動の変位が大きくなるので、筐体２を使用者ｈの頭部の外皮に接触させるだけで、頭蓋骨に振動を伝達して内耳液体を振動させることができる。この結果、イヤホン自体を外耳道に挿入しなくても、音を内耳まで伝達可能である。

また、本実施の形態によれば、振動体４を円形状にすることによって、骨伝導式イヤホン１Ａを小型化することができる。骨伝導式イヤホン１Ａの筐体２のサイズは、例えば、長さ４０ｍｍ×幅２０ｍｍ×厚み１０ｍｍ程度とすることができる。

また、本実施の形態に係る骨伝導式イヤホン１Ａによれば、外耳道内に挿入する必要がないので、使用者ｈが周囲の音を聞き取り易くすることができる。これにより、危険を回避することができるようになるうえ、周囲の音が聞こえないことによる使用者ｈのストレスも軽減される。

なお、本実施の形態では、振動体４の主面４Ａの外形を円形としたが、これには限られない。例えば、主面４Ａの外形を、四角形のような多角形としてもよい。例えば、台形、菱形としてもよい。ｘ軸方向、ｙ軸方向のサイズの比は、任意に設定することができる。

なお、骨伝導式イヤホン１Ａで、良質な音を使用者ｈに伝える重要なパラメータの１つに振動体４の共振周波数がある。振動体４の共振周波数としては、８００Ｈｚ近傍であることが望ましく、４００Ｈｚ〜１０００Ｈｚの範囲内にあるのが望ましいとされている。振動体４の共振周波数が望ましい範囲よりも高い場合には、振動体４の厚みを薄くすればよい。逆に、振動体４の共振周波数が望ましい範囲よりも低い場合には、振動体４の厚みを厚くすればよい。上述したカンチレバー形状の振動体４’、４”を用いた場合には、共振周波数が低すぎる傾向にある。その点、本実施の形態に係る振動体４を用いれば、振動体４の共振周波数を適正範囲内に収め易くなる。

実施の形態２．
次に、実施の形態２について説明する。

上記実施の形態１に係る骨伝導式イヤホン１Ａでは、振動体４の主面４Ａの形状を円板状とした。この場合、共振周波数が高くなる傾向にある。そこで、本実施の形態では、主としてその共振周波数を下げるための構成及び動作について説明する。

図８に示すように、本実施の形態に係る骨伝導式イヤホン１Ｂは、上記実施の形態１に係る振動体４の代わりに、振動体１４を備える。図９（Ａ）及び図９（Ｂ）に示すように、振動体１４において、ｘｙ面に平行な＋ｚ側の面を主面１４Ａとする。振動体１４は、その主面１４ＡがＣ字状に形成されている点が振動体４と異なる。

より詳細には、振動体１４では、主面１４Ａの中央がくりぬかれている。このようにすれば、振動体１４の共振周波数を、上記実施の形態１に係る振動体４の共振周波数よりも、低くすることができる。

また、振動体１４では、信号入力部３に対向する部分が切り欠かれている。このようにすれば、信号入力部３の出力電極３Ｃ、及び出力電極３Ｃと圧電層４０との間の配線等を、切り欠かれた部分に配置することができるので、イヤホン全体をより小型化することができる。

本実施の形態では、筐体２への振動体１４の固定方法も異なる。以下、その固定方法について説明する。

図１０に示すように、筐体２のカバー２Ａ，２Ｂにはそれぞれ、振動体１４を固定するための固定部２Ｄが設けられている。また、振動体１４の＋ｙ側の縁部には、筐体２の固定部２Ｄに固定される被固定部１４Ｄが設けられている。本実施の形態でも、カバー２Ａ側の固定部２Ｄと、カバー２Ｂ側の固定部２Ｄとで、振動体１４の被固定部１４Ｄをｚ軸方向に挟み込むことにより、振動体４が固定される。

図８、図９（Ａ）及び図９（Ｂ）に示すように、振動体１４では、被固定部１４Ｄからｘ軸方向の両側に向かってアーム部１４Ｂが円弧状に延びており、信号入力部３の近傍まで達している。また、各アーム部１４Ｂの先端には、重り１４Ｃがそれぞれ形成されている。この重り１４Ｃは、振動体１４の共振周波数を低く調整するために設けられている。

振動体１４も、上記実施の形態に係る振動体４と同様に、ＭＥＭＳ技術により製造され、図４Ａに示す振動体４と同様に積層構造となっている。すなわち、振動体１４のアーム部１４Ｂは、基材層４Ｂと基材層４Ｂ上に積層された圧電層４０とを有している。音声電圧信号が印加されると、圧電層４０が伸縮し、その伸縮により、図４Ｂ及び図４Ｃに示すように、アーム部１４Ｂが撓んで振動する。

また、被固定部１４Ｄ及び重り１４Ｃでは、基材層４Ｂと圧電層４０とが積層され、さらにその下に支持基板層４１（図９Ａ、図９Ｂ及び図１０参照）が残された状態となっている。被固定部１４Ｄ及び重り１４Ｃは、ＳＯＩ基板のＳｉ層を深掘りエッチングすることにより形成される。被固定部１４Ｄ及び重り１４Ｃの側壁には、厚み方向に凹凸が繰り返されたスカロップＳが形成されている。スカロップＳは、深掘りエッチングにおけるエッチングの繰り返しに応じて形成される深さ（厚み）方向の凹凸であり、その数は、後述のエッチング繰り返し回数に依存する。深掘りエッチングは、ボッシュプロセスとも呼ばれる。ボッシュプロセスでは、等方性エッチング、保護膜形成（パッシベーション）、異方性エッチングを複数回繰り返すことにより行われる。

また、被固定部１４Ｄには、ｚ軸方向に貫通された貫通孔１４Ｅが設けられている。一方、カバー２Ｂの固定部２Ｄ上には円柱状の突起であるボス２Ｅが設けられている。ボス２Ｅは、振動体１４の貫通孔１４Ｅに挿通される。カバー２Ａの固定部２Ｄには、円柱状の凹部２Ｆが設けられている。ボス２Ｅの先端は、貫通孔１４Ｅから突出して、凹部２Ｆに挿入される。ボス２Ｅが貫通孔１４Ｅに挿通されることにより、図１２に示すように、筐体２内における振動体１４の平行移動Ｆが規制される。すなわち、本実施の形態では、固定部２Ｄに、振動体１４の主面１４Ａに交差する方向に突出するボス２Ｅが設けられ、振動体１４には、ボス２Ｅが挿通される貫通孔１４Ｅが設けられている。これにより、振動体１４を筐体２の所望の位置により強固に固定することができる。

また、図１０に示すように、被固定部１４Ｄの＋ｙ端には、直線状に切り欠かれた切り欠き部１４Ｇが設けられている。また、カバー２Ｂには、ｘ軸方向に延びる直線状の側壁２Ｇが設けられている。側壁２Ｇは、振動体１４の切り欠き部１４Ｇと当接する。これにより、図１３に示すように、筐体２内におけるボス２Ｅを中心とする振動体１４のｘｙ面内の回転Ｒが規制される。

振動体１４の全体のサイズ（半径及び厚み）は、振動体４と同じである。図１１に示すように、振動体１４も、振動体４と同様に、その主面１４Ａにおける、ボス２Ｅ（固定部２Ｄ）から振動体１４の中心Ｏへ向かう方向に直交する方向に関して、振動体１４の全幅Ｗ１が固定部２Ｄの全幅Ｗ２より大きくなっている。これにより、振動体１４の電気機械結合係数を大きくして、筐体２の振動変位を大きくし、音を伝え易くすることができる点は、上記実施の形態１に係る骨伝導式イヤホン１Ａと同じである。

また、振動体１４の主面１４Ａの形状は、ボス２Ｅ（固定部２Ｄ）から振動体１４の中心Ｏを通るｙ軸に平行な線分ＢＬを基準にして線対称となっている。このようにすれば、片持ち梁として保持された振動体１４をバランス良く振動させることができる。

なお、本実施の形態では、振動体１４は、Ｃ字状であったが、振動体１４に代えて、図１４Ａ及び図１４Ｂに示す振動体２４を用いても良い。振動体２４は、その主面２４ＡがＵ字状となっている。具体的には、この振動体２４においても、固定部２Ｄに固定される被固定部２４Ｄが設けられており、被固定部２４Ｄに、貫通孔２４Ｅ、切り欠き部１４Ｇと同様に外縁が直線状の切り欠き部２４Ｇが設けられている。貫通孔２４Ｅには、筐体２の固定部２Ｄのボス２Ｅが挿通され、切り欠き部２４Ｇには筐体２の固定部２Ｄの側壁２Ｇが当接する。これにより、筐体２内の所望の位置に振動体２４を固定できると共に、筐体２の固定部２Ｄと振動体２４の被固定部２４Ｄとの強固な固定が実現される。

一対のアーム部２４Ｂは、被固定部２４Ｄから延びている。各アーム部２４Ｂでは、被固定部２４Ｄに接続する円弧状の部分と、−ｙ方向に直線状に延びる部分とで構成されている。各アーム部２４Ｂの先端には、重り２４Ｃが設けられており、これにより、振動体２４の共振周波数の調整が可能になる。音声電圧信号の印加により、アーム部２４Ｂが振動して、被固定部２４Ｄ及び固定部２Ｄを介して筐体２へ振動が伝えられる。

最も、振動体１４は、主面がＣ字状、Ｕ字状のものに限られない。主面の中央がくりぬかれ、信号入力部３に対向する部分が切り欠かれた凹状となっていればよい。

また、振動体１４に代えて、図１５Ａ及び図１５Ｂに示す振動体３４を用いてもよい。振動体３４の主面３４Ａは、環状となっている。具体的には、この振動体３４においても、固定部２Ｄに固定される被固定部３４Ｄが設けられており、被固定部３４Ｄに、貫通孔３４Ｅ、直線状の切り欠き部３４Ｇが設けられている。貫通孔３４Ｅには、筐体２の固定部２Ｄのボス２Ｅが挿通され、切り欠き部３４Ｇには筐体２の固定部２Ｄの側壁２Ｇが当接する。これにより、筐体２の所望の位置に振動体３４を固定できると共に、筐体２の固定部２Ｄと振動体３４の被固定部３４Ｄとの強固な固定が実現される。

振動部３４Ｂは、被固定部３４Ｄから延びて、円弧を描いて被固定部３４Ｄに戻る略円環形状となっている。振動部３４Ｂの−ｙ端には、重り３４Ｃが設けられており、これにより、振動体３４の共振周波数の調整が可能になる。音声電圧信号の印加により、振動部３４Ｂが振動して、被固定部３４Ｄ及び固定部２Ｄを介して筐体２へ振動が伝えられる。

また、図１６Ａ及び図１６Ｂに示すように、筐体２’内に同一形状の振動体３４が２枚設けられているようにしてもよい。この骨伝導式イヤホン１Ｃでは、筐体２’がカバー２Ａ’，２Ｂ’，５で構成されている。２枚の振動体３４は、内部空間２Ｃ内で主面３４Ａがｘｙ面と平行となるように、かつ、ｚ軸方向に間隔を空けて平行に配列されている。

＋ｚ側の振動体３４は、カバー２Ａ’の固定部２２Ｄと、カバー２Ｂ’の＋ｚ側の固定部２２Ｄとにスペーサ６を介して挟まれた状態で保持されており、−ｚ側の振動体３４は、カバー２Ｂ’の−ｚ側の固定部２２Ｄと、カバー５の固定部２２Ｄとにスペーサ６を介して挟まれた状態で保持されている。

また、カバー２Ｂ’の＋ｚ側の固定部２２Ｄには、＋ｚ方向に延びる円柱状のボス２２Ｅが設けられ、−ｚ側の固定部２２Ｄには、−ｚ方向に延びる円柱状のボス２２Ｅが設けられている。＋ｚ方向に延びるボス２２Ｅは、＋ｚ側の振動体３４の被固定部３４Ｄの貫通孔３４Ｅ、スペーサ６の孔部及びカバー２Ａの凹部２２Ｆに挿入されている。−ｚ方向に延びるボス２２Ｅは、−ｚ側の振動体３４の被固定部３４Ｄの貫通孔３４Ｅ、スペーサ６の孔部及びカバー５の凹部２２Ｆに挿入されている。

また、＋ｚ側の振動体３４の切り欠き部３４Ｇには、カバー２Ｂ’の＋ｚ側の側壁２２Ｇが当接している。−ｚ側の振動体３４の切り欠き部３４Ｇには、カバー２Ｂ’の−ｚ側の側壁２２Ｇが当接している。すなわち、筐体２’における個々の振動体３４の固定状態は、上記実施の形態２と同じである。

各振動体３４には、それぞれ同じ音声電圧信号が入力され、各振動体３４は同位相で振動する。これにより、１枚の振動体３４しか備えない場合に比べ、筐体２’に伝えられる振動エネルギを大きくして電気機械結合係数を大きくすることができるので、筐体２’の振動の変位をさらに大きくすることができる。

なお、図１６Ａでは、振動体３４の数は２つであったが、３つ以上であってもよい。また、骨伝導式イヤホン１Ｄは、振動体３４ではなく、同一形状の複数枚の振動体４、１４、２４を備えるようにしてもよい。

さらに、本実施の形態では、図１７Ａ及び図１７Ｂに示す振動体４４を用いることができる。振動体４４では、くりぬかれた部分、すなわち貫通孔４４Ｈの形状が、長方形となっている。この長方形は、被固定部４４Ｄ（固定部２Ｄ）から振動体４４の中心Ｏへ向かう方向（ｙ軸方向）に沿った長辺を有する。貫通孔４４Ｈの形状を長方形とすれば、振動部４４Ｂの形状がより細長になる。振動部４４Ｂが細長くなれば、振動体４４の振動の変位量が大きくなり、音量を大きくすることができる。なお、振動部４４Ｂの幅（逆に言えば、貫通孔４４Ｈの幅）は、振動周波数が低下しすぎないように適切な値に調整されている。

なお、振動体４４では、図１７Ｂに示すように、重り４４Ｃとして、シリコンより比重が大きい鉄等の金属の重りが設けられている。このようにすれば、重り４４Ｃをさらに重くして、振動体４４の振動周波数及び変位量をさらに大きくすることができる。

また、図１８Ａ及び図１８Ｂに示すように、振動体５４のくりぬかれた貫通孔５４Ｈが、主面５４Ａの中央Ｏよりも被固定部５４Ｄ（固定部２Ｄ）の逆側（中央Ｏから見て点Ｃの方向）に偏芯して形成されているようにしてもよい。このようにすれば、振動体５４の中心から重り５４Ｃの方向に対して振動部５４Ｂの幅が次第に短くなる。これにより、振動体５４の変位量を大きくし、音量をさらに大きくすることができる。

実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３について説明する。

上記各実施の形態に係る骨伝導式イヤホン１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、振動体４等を１箇所で固定するものであったが、図１９に示すように、本実施の形態に係る骨伝導式イヤホン１Ｅは、振動体７４をその主面７４Ａ全面で両面テープ７５にて筐体底部７６に固定される点に特徴を有する。

より詳細には、骨伝導式イヤホン１Ｅは、振動体７４と、筐体（筐体底部７６、ゴム枠７７、筐体側面部７８）と、信号入力部３とを備える。振動体７４の構造は、これまで述べてきた振動体の構造と同じである。すなわち振動体７４は、基板と該基板上に積層された圧電層とを有し、圧電層の伸縮により撓んで振動する平板である。

筐体２”は、振動体７４を収容する内部空間２Ｃを有し、振動体７４から伝えられる振動を外部に伝達可能である。信号入力部３は、外部機器から入力された電圧信号を入力して振動体７４の圧電層に印加する。これにより振動体７４が振動する。

より具体的には、振動体７４は、その主面７４Ａの全面で両面テープ７５により筐体底部７６に固定されるので、振動体７４の全体の振動を直接的に筐体底部７６に伝えることができる。この結果、振動体７４に生じた振動エネルギーの大部分は筐体底部７６に伝えられるので、筐体底部７６から生じる音量を大きくすることができる。なお、筐体２”では、筐体底部７６と筐体側面部７８との間にゴム枠７７が挿入されており、筐体側面部７８への振動の伝達が抑制されている。筐体底部７６から人体へ振動を効率良く伝達することができるようになっている。

なお、本実施の形態では、振動体７４を両面テープ７５で筐体底部７６に固定したが、振動体７４の筐体底部７６への固定はこれに限られず、例えば接着剤でもよい。

実施の形態４．
次に、本発明の実施の形態４について説明する。

上記各実施の形態に係る骨伝導式イヤホン１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｅは、スマートフォン１００のイヤホンジャック１０１に信号入力部３の音声入力端子３Ａを直接差し込んで用いるものであったが、図２０に示すように、本実施の形態に係る骨伝導式イヤホン１Ｄは、スマートフォン１００のイヤホンジャック１０１に直接差し込むタイプではなく、ケーブルを介してスマートフォン１００と離した状態で使用できるタイプである。

図２０に示すように、本実施の形態に係る骨伝導式イヤホン１Ｄは、耳に装着される。この骨伝導式イヤホン１Ｄは、フック部６１と、筐体６２と、コードケーブル６３と、信号入力部６４とを備える。

フック部６１は、使用者の耳にかけられ、これにより、骨伝導式イヤホン１Ｄが使用者の頭部の外皮を介して頭蓋骨に当接するように固定される。筐体６２の内部空間には振動体１４が設けられており、振動体１４は、固定部６２Ｄを介して筐体６２に固定されている。コードケーブル６３の先端には、音声入力端子（イヤホンプラグ）が設けられており、その音声入力端子はスマートフォン１００のイヤホンジャック１０１（図１参照）に接続されている。

スマートフォン１００のイヤホンジャック１０１から出力される音声電圧信号は、コードケーブル６３を介して信号入力部６４に入力され、信号入力部６４は、入力した音声電圧信号を、筐体６２内の振動体１４に印加する。これにより振動体１４が振動する。振動体１４の振動は、筐体６２に伝えられ、筐体６２が振動し、その振動が、使用者に音響振動として伝えられる。

本実施の形態に係る骨伝導式イヤホン１Ｄでは、振動体１４を備えたが、本発明はこれには限られない。例えば、骨伝導式イヤホン１Ｄの振動体は、振動体４，２４，３４のいずれかであってもよい。また、いずれかの振動体を複数枚備えていてもよい。

本実施の形態に係る骨伝導式イヤホン１Ｄは、常時耳に装着しておくことができる。このようにすれば、着信時にも直ちに受話を行うことができる。

上記実施の形態では、挟み込み、凹凸による係止、切り欠き部（当接部）の当接により、振動体を筐体に固定した。しかしながら、本発明はこれには限られない。例えば、ボス２Ｅを多角形状のボスに代えて、振動体の回転を規制するようにしてもよい。また、２つのボスを並列に配列して、振動体の回転を規制するようにしてもよい。切り欠き部（当接部）の形状も直線状には限られない。例えば、ウエハの位置合わせに用いられるようなノッチ状のものであってもよい。

いずれにしても、振動体の幅が固定部の幅より少しでも大きければよい。例えば、羽子板のような形状の振動体であってもよい。

本実施の形態に係る振動体３４には、図１５Ａ及び図１５Ｂに示すように、固定部２Ｄに固定される被固定部３４Ｄが１つ設けられていたが、本発明はこれには限られない。振動体３４において、被固定部３４Ｄを複数（例えば２つ）設けてもよい。この場合、被固定部３４Ｄは、例えば振動体３４の中心を通る直線上に配置される。また、複数の被固定部３４Ｄのそれぞれを固定できるよう、カバー２Ａ，２Ｂには、固定部２Ｄが複数（例えば２つ）設けられる。この構成は、振動体４，１４，２４およびカバー２Ａ’，２Ｂ’にも適用可能である。

上記実施の形態では、振動体４，１４，２４，３４は、半導体製造技術であるＭＥＭＳ技術を用いて製造されたが、本発明はこれには限られない。振動体４，１４，２４，３４は、以下のようにして製造されてもよい。即ち、圧電材料層４Ｄが例えば圧電セラミックスとされ、この圧電セラミックスの一方の主面に上部電極層４Ｅが貼り付けられ、圧電セラミックスの他方の主面に下部電極層４Ｃが貼り付けられることで、圧電層４０が形成される。そして、この圧電層４０の下部電極層４Ｃに、シリコン層から成る基材層４Ｂが貼り付けられることで、振動体４，１４，２４，３４が製造されてもよい。

上記実施の形態に係る骨伝導式イヤホン１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅは、スマートフォン１００等の装飾用のアクセサリとして利用することもできる。例えば、筐体２，２’，６２の形状を特定のキャラクタの形状とすることにより、その装飾性を高めることができる。

この発明は、この発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、この発明の範囲を限定するものではない。すなわち、この発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。

なお、本願については、２０１６年６月１４日に出願された日本国特許出願２０１６−１１７９５４号を基礎とする優先権を主張し、本明細書中に日本国特許出願２０１６−１１７９５４号の明細書、特許請求の範囲、図面全体を参照として取り込むものとする。

本発明は、骨伝導式イヤホン等の骨伝導装置に適用することができる。例えば、イヤホンの他、骨伝導の携帯電話等に適用することができる。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ 骨伝導式イヤホン、２，２’，２” 筐体、２Ａ，２Ｂ，２Ａ’，２Ｂ’ カバー、２Ｃ 内部空間、２Ｄ 固定部、２Ｅ ボス、２Ｆ 凹部、２Ｇ 側壁、３ 信号入力部、３Ａ 音声入力端子、３Ｂ 係止部、３Ｃ 出力電極、４，４’，４” 振動体、４Ａ 主面、４Ｂ 基材層、４Ｃ 下部電極層、４Ｄ 圧電材料層、４Ｅ 上部電極層、４Ｆ 被固定部、５ カバー、６ スペーサ、１４ 振動体、１４Ａ 主面、１４Ｂ アーム部、１４Ｃ 重り、１４Ｄ 被固定部、１４Ｅ 貫通孔、１４Ｇ 切り欠き部、２２Ｄ 固定部、２２Ｅ ボス、２２Ｆ 凹部、２２Ｇ 側壁、２４ 振動体、２４Ａ 主面、２４Ｂ アーム部、２４Ｃ 重り、２４Ｄ 被固定部、２４Ｅ 貫通孔、２４Ｇ 切り欠き部、３４ 振動体、３４Ａ 主面、３４Ｂ 振動部、３４Ｃ 重り、３４Ｄ 被固定部、３４Ｅ 貫通孔、３４Ｇ 切り欠き部、４０ 圧電層、４１ 支持基板層、４４ 振動体、４４Ａ 主面、４４Ｂ 振動部、４４Ｃ 重り、４４Ｄ 被固定部、４４Ｈ 貫通孔、５４ 振動体、５４Ａ 主面、５４Ｂ 振動部、５４Ｃ 重り、５４Ｄ 被固定部、５４Ｈ 貫通孔、６１ フック部、６２ 筐体、６２Ｄ 固定部、６３ コードケーブル、６４ 信号入力部、７４ 振動体、７４Ａ 主面、７５ 両面テープ、７６ 筐体底部、７７ ゴム枠、７８ 筐体側面部、１００ スマートフォン、１０１ イヤホンジャック、ｈ 使用者、Ｓ スカロップ

上記目的を達成するために、本発明に係る骨伝導装置は、
基板と該基板上に積層された圧電層とで構成され、圧電層の伸縮により前記基板が撓んで主面に直交する方向に振動する多層平板状の振動体と、
前記振動体を収容する内部空間と、前記振動体の外縁を固定する固定部とを有し、前記固定部を介して前記振動体から伝えられる振動を外部に伝達可能な筐体と、
外部機器から入力された電圧信号を入力して前記圧電層に印加する信号入力部と、
を備え、
前記振動体は、
その主面における、前記固定部から前記振動体の中心へ向かう方向に直交する方向に関して、前記振動体の全幅が前記固定部の全幅より大きい。

この場合、前記振動体の主面の一部がその振動方向にくりぬかれている、
こととしてもよい。

前記振動体が複数枚設けられている、
こととしてもよい。
前記振動体には、前記主面である２つの対向する面のうちの一方の面に、前記圧電層とは伸縮率が異なる層が形成されている、
こととしてもよい。
前記伸縮率が異なる層は、シリコン層である、
こととしてもよい。

図１０に示すように、筐体２のカバー２Ａ，２Ｂにはそれぞれ、振動体１４を固定するための固定部２Ｄが設けられている。また、振動体１４の＋ｙ側の縁部には、筐体２の固定部２Ｄに固定される被固定部１４Ｄが設けられている。本実施の形態でも、カバー２Ａ側の固定部２Ｄと、カバー２Ｂ側の固定部２Ｄとで、振動体１４の被固定部１４Ｄをｚ軸方向に挟み込むことにより、振動体１４が固定される。

また、カバー２Ｂ’の＋ｚ側の固定部２２Ｄには、＋ｚ方向に延びる円柱状のボス２２Ｅが設けられ、−ｚ側の固定部２２Ｄには、−ｚ方向に延びる円柱状のボス２２Ｅが設けられている。＋ｚ方向に延びるボス２２Ｅは、＋ｚ側の振動体３４の被固定部３４Ｄの貫通孔３４Ｅ、スペーサ６の孔部及びカバー２Ａ’の凹部２２Ｆに挿入されている。−ｚ方向に延びるボス２２Ｅは、−ｚ側の振動体３４の被固定部３４Ｄの貫通孔３４Ｅ、スペーサ６の孔部及びカバー５の凹部２２Ｆに挿入されている。

なお、図１６Ａでは、振動体３４の数は２つであったが、３つ以上であってもよい。また、骨伝導式イヤホン１Ｃは、振動体３４ではなく、同一形状の複数枚の振動体４、１４、２４を備えるようにしてもよい。

さらに、本実施の形態では、図１７Ａ及び図１７Ｂに示す振動体４４を用いることができる。振動体４４では、くりぬかれた部分、すなわち貫通孔４４Ｈの形状が、長方形となっている。この長方形は、被固定部４４Ｄ（固定部２Ｄ）から振動体４４の中心Ｏへ向かう方向（ｙ軸方向）に沿った長辺を有する。貫通孔４４Ｈの形状を長方形とすれば、振動部４４Ｂの形状がより細長になる。振動部４４Ｂが細長くなれば、振動体４４の振動の変位量が大きくなり、音量を大きくすることができる。なお、振動部４４Ｂの幅（逆に言えば、貫通孔４４Ｈの幅）は、共振周波数が低下しすぎないように適切な値に調整されている。

なお、振動体４４では、図１７Ｂに示すように、重り４４Ｃとして、シリコンより比重が大きい鉄等の金属の重りが設けられている。このようにすれば、重り４４Ｃをさらに重くして、振動体４４の共振周波数及び変位量をさらに大きくすることができる。

より詳細には、骨伝導式イヤホン１Ｅは、振動体７４と、筐体２”（筐体底部７６、ゴム枠７７、筐体側面部７８）と、信号入力部３とを備える。振動体７４の構造は、これまで述べてきた振動体の構造と同じである。すなわち振動体７４は、基板と該基板上に積層された圧電層とを有し、圧電層の伸縮により撓んで振動する平板である。

Claims (18)

1. 基板と該基板上に積層された圧電層とを有し、圧電層の伸縮により撓んで振動する平板状の振動体と、
   前記振動体を収容する内部空間と、前記振動体の外縁を固定する固定部とを有し、前記固定部を介して前記振動体から伝えられる振動を外部に伝達可能な筐体と、
   外部機器から入力された電圧信号を入力して前記圧電層に印加する信号入力部と、
   を備え、
   前記振動体は、
   その主面における、前記固定部から前記振動体の中心へ向かう方向に直交する方向に関して、前記振動体の全幅が前記固定部の全幅より大きい、
   骨伝導装置。
2. 前記固定部は、前記振動体の外縁の１箇所を固定する、
   請求項１に記載の骨伝導装置。
3. 前記振動体の主面の一部がくりぬかれている、
   請求項１または２に記載の骨伝導装置。
4. 前記振動体のくりぬかれた部分の形状が、前記固定部から前記振動体の中心へ向かう方向に沿った長辺を有する長方形である、
   請求項３に記載の骨伝導装置。
5. 前記振動体のくりぬかれた部分は、
   主面の中央よりも前記固定部の逆側に偏芯して形成されている、
   請求項３に記載の骨伝導装置。
6. 前記振動体では、前記信号入力部に対向する部分が切り欠かれている、
   請求項３に記載の骨伝導装置。
7. 前記振動体は、Ｃ字状、Ｕ字状又は凹状である、
   請求項５に記載の骨伝導装置。
8. 前記固定部は、
   前記信号入力部の反対側に配置されている、
   請求項１から７のいずれか一項に記載の骨伝導装置。
9. 前記振動体の主面の形状は、
   前記固定部の中心から前記振動体の中心を通る線分を基準にして線対称である、
   請求項８に記載の骨伝導装置。
10. 前記固定部は、
    前記振動体を狭持して固定する、
    請求項１から９のいずれか一項に記載の骨伝導装置。
11. 前記固定部には、前記振動体の主面に交差する方向に突出する凸状の突起が設けられ、
    前記振動体には、前記突起が挿通される貫通孔が設けられている、
    請求項１０に記載の骨伝導装置。
12. 前記振動体には、前記固定部に固定される外縁に、直線状に切り欠かれた直線部分が設けられ、
    前記固定部には、前記直線部分と当接する当接部が設けられている、
    請求項１０又は１１に記載の骨伝導装置。
13. 前記振動体には、前記固定部に挟持されて固定される被固定部が設けられており、
    前記被固定部の厚み方向の側壁に凹凸が繰り返されたスカロップが形成されている、
    請求項１０から１２のいずれか一項に記載の骨伝導装置。
14. 前記振動体の自由端に重りが設けられている、
    請求項１から１３のいずれか一項に記載の骨伝導装置。
15. 前記重りの厚み方向の側壁に凹凸が繰り返されたスカロップが形成されている、
    請求項１３に記載の骨伝導装置。
16. 基板と該基板上に積層された圧電層とを有し、圧電層の伸縮により撓んで振動する平板状の振動体と、
    前記振動体を収容する内部空間を有し、前記振動体から伝えられる振動を外部に伝達可能な筐体と、
    外部機器から入力された電圧信号を入力して前記圧電層に印加する信号入力部と、
    を備え、
    前記振動体は、
    その主面全面で両面テープにより前記筐体に固定される、
    骨伝導装置。
17. 使用者の耳にかけられた状態で前記筐体を使用者の頭蓋骨に当接するように固定するフック部を備える、
    請求項１から１６のいずれか一項に記載の骨伝導装置。
18. 前記振動体が複数枚設けられている、
    請求項１から１７のいずれか一項に記載の骨伝導装置。

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