JP4511437B2

JP4511437B2 - 音響信号発生用圧電装置

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Publication number: JP4511437B2
Application number: JP2005262400A
Authority: JP
Inventors: 英幸川瀬; 祐二新渡戸
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2005-09-09
Filing date: 2005-09-09
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2025-09-09
Also published as: CN1929700B; EP1763283A2; US20070057601A1; CN1929700A; JP2007074663A; US7382079B2; EP1763283A3; EP1763283B1

Description

本発明は、音響振動を空中に発生するスピーカーや直接耳にあてて聴取するヘッドホン、或いは、音響振動を頭骨に伝搬させ、それを聴覚神経で聴取する骨伝導スピーカー等に利用される音響信号発生装置に関し、より詳細には、圧電素子を利用した音響信号発生用圧電装置に関する。

従来、圧電素子を用いた音響信号発生用圧電装置としては、圧電ユニモルフ素子や圧電バイモルフ素子が主に使用されている。図１は圧電ユニモルフ素子を示す図であり、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は側面図である。前記圧電ユニモルフ素子は、例えば、直径３０ｍｍ前後、厚みが０．１ｍｍ前後の薄い、円形の金属板２２の片面に、直径２０ｍｍ前後で、０．１〜０．３ｍｍ程度の薄い円形の圧電セラミックス板２１を張り合わせた構造をしている。図２は圧電バイモルフ素子を示す図であり、図２（ａ）は斜視図、図２（ｂ）は側面図である。前記圧電バイモルフ素子は、前記金属板２２の両面に、前記圧電セラミックス板２１を張り合わせた構造をしている。

前記圧電ユニモルフ素子や前記圧電バイモルフ素子の音響性能である、音圧の周波数特性は、前記圧電ユニモルフ素子や前記圧電バイモルフ素子の持つ、数ｋＨｚにある共振周波数で大きな音圧が発生する一方、周波数が共振周波数から外れると急激に音圧が減少する。そのため、特定の周波数での音響信号を発生する圧電発音体という分野での利用が主となっている。また、圧電セラミックス板の厚みをさらに薄くし、例えば０．１ｍｍ以下にして、振動板の外形を５０ｍｍφにすると１ｋＨｚ以上の高域周波数を受け持つスピーカーであるツィータとしての利用が可能となる。

さらに、音圧や周波数特性を向上させる為の提案もなされている。図３は従来の音響信号発生用圧電装置を示す側面図である。この音響信号発生用圧電装置は、円形の圧電バイモルフ素子２３の中心部を支柱２５で保持し、一端を筐体２４に固定した構成になっている。この構成は、圧電バイモルフ素子２３の中央部に発生する振動の反動力が、支柱２５を経由して筐体２４に伝搬することで、筐体２４自体が振動面となるので、振動面の面積が拡大し、音圧が増大する効果がある。さらに、圧電バイモルフ素子２３自体の振動モードと、筐体２４が持つ振動モードとが合成され、一体となった振動モードからなる音響特性を持つために、発生可能な音域が広がった、実用的なスピーカーとしての機能を有する。このような音響信号発生用圧電装置は特許文献１及び２に開示されている。

特開２０００−２０９６９７号公報特開２０００−２０１３９８号公報

これらの音響信号発生用圧電装置を携帯電話機や携帯端末機器等に使用する場合には、出来る限りの小型化と高出力が要求される。円形の圧電バイモルフ素子の場合、直径は共振周波数と関連し、小さくすると共振周波数が増大して、低域の音響出力が減少する。また、矩形の圧電バイモルフ素子の場合では、長さは共振周波数と関連し、短くすると共振周波数が増大して、低域の音響出力が減少する。さらに、その幅は音響出力の大きさに関連し、幅の減少がそのまま出力の低下につながる。従って、必要な音響振動を得るためには、それに応じた圧電素子によって発生する機械振動の変位が必要であり、機械振動の変位は圧電素子の形状で決まる為、要求される音響出力を維持しての小型化には限界があるという問題点がある。

また、携帯電話機や携帯端末機器等の携帯機器は落下衝撃に対する配慮が必要である。しかしながら、小さな曲げ弾性係数を持つことで共振周波数を低周波域に設定するためには、前記圧電ユニモルフ素子や前記圧電バイモルフ素子は、非常に薄い圧電セラミックス板と金属板を使用しなければならない。これらの素子は機械的な強度が弱く、落下衝撃に弱いという問題点がある。

さらに、従来の圧電ユニモルフ素子や圧電バイモルフ素子を使用した音響信号発生用圧電装置を携帯電話機や携帯端末機器等に使用する場合にはケースや筐体等に組み込まれるのが通常である。しかしながら、この場合、音響を出力したい部分以外のケースや筐体をも振動させる、いわゆる音漏れという現象を引き起こし、使用者以外の周囲にも音が聞こえてしまい、秘話性を必要とする音響信号発生用圧電装置には使用できないという問題点もある。また、骨伝導スピーカーとして使用する場合には、振動を頭骨などに伝達する部分以外に生じる振動、気道音の発生は不要である。特に、同一筐体内にマイクロホンを内蔵して使用する場合、この音漏れをマイクロホンが拾ってしまい、音響結合によるエコーを引き起こすという問題点もある。

従って、本発明は、上記従来技術の問題点を解決することを課題とする。具体的には、小型であり、耐落下衝撃性に優れ、音漏れが少ない音響性能の向上した、音響信号発生用圧電装置を提供することを課題とする。

本発明は、かかる事情に鑑みて従来の圧電バイモルフ素子やユニモルフ素子とは異なる音響信号発生手段を提案することで、小型化、耐落下衝撃性能、音漏れ等の音響性能を向上させるものである。

本発明によれば、電気信号を機械振動に変換する圧電素子と、前記圧電素子が発生した機械振動の変位を拡大する拡大機構部と、前記拡大機構部が拡大した機械振動の変位を音響振動として伝達するための音響振動部からなる音響信号発生用圧電装置であって、前記拡大機構部がベース部材と弾性部材と振動出力部材とからなり、該ベース部材と該振動出力部材とは該弾性部材より高い剛性を有する板状をなし、該ベース部材は該振動出力部材より大きな質量を有し、該ベース部材と該振動出力部材とは前記圧電素子を挟むように互いに対向し、該ベース部材と該振動出力部材の対向する一端部が該弾性部材により結合し、且つ、該弾性部材により該ベース部材と結合している側の該振動出力部材の一端部と該振動出力部材の中央との間に前記圧電素子を配置してなることを特徴とする音響信号発生用圧電装置が得られる。

本発明は、従来の音響信号発生用圧電装置における、圧電ユニモルフ素子や圧電バイモルフ素子等が発生する機械振動の変位を直接筐体に伝達して、振動の面積を拡大し、必要な音響振動を得るものとは違い、振動の駆動源として、小型で発生力の大きな積層型圧電アクチュエータ等の圧電素子を使用できるようにし、小型化を可能にするものである。具体的には該積層型圧電アクチュエータ等の圧電素子が発生する音響周波数域での長さ方向の伸縮による変位を、拡大機構にて拡大することで、大きな振幅が得られるように構成したものである。また、ベース部材部分の重量を振動出力部材部分の重量より重くすることで、圧電素子の振動の変位を拡大する際に、その振動がベース部材に伝播することを抑制し、振動出力部材へ振動を集中させ変位をより効率良く拡大し、さらにベース部材の振動による音漏れ現象を大幅に抑制する構造とした。

加えて、従来の圧電ユニモルフ素子或いは圧電バイモルフ素子のように屈曲変形を利用するものではないため、使用する圧電素子の形状に左右されること無く、前記積層型圧電アクチュエータ等の圧電素子は、非常に小型で、強固な構造を採用できる。また、拡大機構を含む振動系の設計により共振周波数を利用することで、より大きな音響出力を取り出すことも可能となる。

また、本発明によれば、前記拡大機構部が梁構造を成していることを特徴とする音響信号発生用圧電装置が得られる。

本発明においては、積層型圧電アクチュエータが発生する音響周波数域での長さ方向の伸縮による変位を拡大する拡大機構には、両持ち梁や片持ち梁等の梁構造が適している。梁構造は、全て金属材料で構成できるので、落下衝撃に対して強い構造を取ることが可能である。また、最適な設計を行うことで、小型ながら共振周波数を低周波域に設ける事ができる。通常、拡大機構にて変位を拡大すると、その分、力は減少するが、積層型圧電アクチュエータの発生力は元々が大きいので変位を拡大しても、その発生力は、圧電バイモルフ素子が発生する力より、大きな力を取り出すことが可能であり、より大きな音響出力を取り出すことが可能になる。よって、積層型圧電アクチュエータを含む振動系の振動出力部を、被振動体であるパネルや、筐体あるいは人体の頭部の一部に接合されることにより音響出力を取り出す事が可能になる。

また、本発明によれば、前記拡大機構部の少なくとも一部分が金属板のプレス加工により成形して成ることを特徴とする音響信号発生用圧電装置が得られる。拡大機構部を金属板のプレス加工により成形することで安価に拡大機構部が製造できる。

また、本発明によれば、前記圧電素子が柱状体であって、且つ前記拡大機構部が、前記圧電素子の長手方向に対して圧縮力を付与する与圧部を有することを特徴とする音響信号発生用圧電装置が得られる。

積層型圧電アクチュエータ等の柱状の圧電素子は長手方向の引張に対しては強度的に弱いことが知られているが、非動作時に圧縮力が作用している与圧を付与する構造とすることで、高周波で高入力時に発生する圧電素子に掛かる引張力の軽減が図れる。

また、本発明によれば、前記圧電素子が柱状体であって、且つ前記拡大機構部が、前記圧電素子の長手方向に対して螺子の締め付け力で調整可能な圧縮力を付与する螺子部を有することを特徴とする音響信号発生用圧電装置が得られる。前記与圧を付与する構造を螺子の締め付け力を利用することで、与圧の付与、調整が容易となり、組み立ても容易な構造となる。

また、本発明によれば、前記圧電素子の端部を除く全周囲を粘性体あるいは弾性体で覆ったことを特徴とする、音響信号発生用圧電装置が得られる。柱状の圧電素子では、圧電素子の端部を除く全周囲を粘性体あるいは弾性体で覆うことで、長手方向振動以外の振動を抑制し、音漏れを抑制することが可能となる。

また、本発明によれば、弾性部材と振動出力部材とベース部材とからなる拡大機構部と、該拡大機構部と圧電素子と位置決め板とベース錘と第１の雄螺子と第２の雄螺子とからなる振動サブユニットと、該振動サブユニットと一対の支持部材とシール部材とパッドとからなる振動ユニットと、該振動ユニットとケースとコイルとからなる音響信号発生用圧電装置であって、該振動サブユニットにおいては、該弾性部材は、弾性を有する矩形板であって、該振動出力部材は、該弾性部材より高い剛性を有する矩形板であって、該ベース部材は、該振動出力部材より質量が大きく、該弾性部材より高い剛性を有する矩形板であって、前記圧電素子が配される位置に雌螺子を有し、該ベース部材と該振動出力部材とは、前記圧電素子を挟むように互いに対向し、該ベース部材と該振動出力部材の対向する一端部が該弾性部材により結合し、前記圧電素子は、該振動出力部材の中央と該ベース部材と結合している側一端部との間で該位置決め板により決められた位置で該ベース部材と該振動出力部材に挟持され、該ベース錘は、少なくとも一つの面には雌螺子を有し、該第１の雄螺子は、該ベース部材の雌螺子に螺合し締め付けることにより前記圧電素子に与圧を付与し、該ベース錘は該ベース部材に固定され、該振動ユニットにおいては、一対の該支持部材は、該振動出力部材とベース部材の両側の長手方向側面と当接するように該振動サブユニットを挟持し、該パッドは該振動出力部材とほぼ相似形を成すシート状を成し、該シール部材を介して該振動出力部材の上面に配置され、該振動ユニットを該ケースに収納して成ることを特徴とする音響信号発生用圧電装置が得られる。

前述した如く、本発明によれば、小型であり、耐落下衝撃性に優れ、音漏れが少ない音響性能の向上した、音響信号発生用圧電装置の提供が可能となる。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図４は本発明の音響信号発生用圧電装置の基本構成を示す模式図である。本発明の音響信号発生用圧電装置は、圧電素子である積層型圧電アクチュエータ３１と拡大機構部３２及び音響振動部３７とから成る。例えば、積層型圧電アクチュエータ３１は柱状であって、一端を拡大機構部３２に設けられた固定部３３に固定し、他端を拡大機構部３２に設けられた作用点３６に固定してある。拡大機構部３２は、一部分を凹状に切り欠いたヒンジ部３５を有し、該ヒンジ部３５と前記作用点３６との延長線上に厚みを持たせた音響振動部３７を有す。また、拡大機構部３２の固定部３３は被振動体３４に接合してある。なお、電気的な結線類は図示しない。

積層型圧電アクチュエータ３１は電圧が印加されると、その電圧に比例した変位が、図４の矢印Ａで示した方向に発生するように処理してある。従って、音響電気信号を積層型圧電アクチュエータ３１に入力することで、前記音響電気信号に応じた音響振動が積層型圧電アクチュエータ３１に発生する。前記音響振動の変位は作用点３６を変位させ、ヒンジ部３５を支点として、梃子の原理で拡大され、音響振動部３７を振動させる。この音響振動部３７の振動の変位は、支点となるヒンジ部３５と作用点３６との距離（Ｃ−Ｐ間距離）ｒａと、ヒンジ部３５と音響振動部３７との距離（Ｃ−Ｆ間距離）ｒｆの比で決まる拡大率で拡大された変位となる。音響振動部３７の振動は、さらに、拡大機構部３２の固定部３３を介して被振動体３４に伝わり、被振動体３４を振動させる。或いは、音響振動部３７自体の振動の振幅を直接被振動体に当接することで利用することも可能である。この場合は、固定部３３部分の質量を音響振動部３７の質量よりも十分に大きくすることで、固定部３３部分の振動が抑制され、音響振動部３７に振動が集中し、振幅がより大きくなる。

これにより、従来、圧電ユニモルフ素子や圧電バイモルフ素子を利用していた音響信号発生用圧電装置とは違い、積層型圧電アクチュエータ３１が発生する変位がわずかであっても、その変位を拡大することで、大きな変位を得られるため、積層型圧電アクチュエータ３１そのものを小さくすることが可能となる。また、圧電ユニモルフ素子や圧電バイモルフ素子の様に数十から数百μｍと薄い板状の圧電セラミックス板を使用せずとも、柱状の、強度がある積層型圧電アクチュエータの使用が可能となるので、耐落下衝撃性も向上する。さらに、積層型圧電アクチュエータ３１を拡大機構部３２に固定することで、積層型圧電アクチュエータに一定の圧縮応力を付加すると共に、積層型圧電アクチュエータ３１を保護する外枠となり、機械的に強固な構成となる。

本発明に使用する積層型圧電アクチュエータ素子３１は、縦効果を使用して長さ方向（図４に示す矢印Ａの方向）の変位を発生するものである。積層型圧電アクチュエータ３１の形状は、特に限定されるものではなく、設計の容易性から、角柱や円柱等の柱状体が良い。また、積層型圧電アクチュエータは、駆動電圧を下げて、消費電力を低減する効果を有する。厚み方向に積層した構成で、一層毎に電極を二つのグループに分けて層毎に分極と電圧印加が出来る構成を取ることで駆動電圧を大幅に低減出来る利点がある。

図４では、拡大機構部３２は、片持ち梁構造を成しているが、両持ち梁構造、或いは、ヒンジ部を多数設け多段にした構造でも良い。また、ヒンジ部を設けずとも、支持部３８に弾性を持たせ、音響振動部３７と固定部３３部分に高い剛性を持たせても同様の変位拡大効果が得られる。拡大機構部３２にはステンレス鋼や真鍮等の金属、或いは剛性のあるプラスチックを用いると良い。特にステンレス鋼は適度の弾性と、比重を持ち音響振動系を構成するには都合の良い材料である。ヒンジ部、音響振動部、積層型圧電アクチュエータの固定部は一体品で構成されることが、部品点数が減り、小型化には好ましい。

拡大機構部３２で拡大された音響振動部３７の音響振動に伴う慣性力は、支持部３８を経由して、支持部３８の下部に固定された被振動体３４に伝搬する。これにより、被振動体３４が振動し、スピーカーとして機能させることが出来る。また、前述した通り、音響振動部３７に被振動体を当接して、音響振動部３７自体の振動の振幅を直接利用することも可能である。特に、骨伝導スピーカーのように、振幅を必要とする場合には音響振動部３７の振幅を利用するのがより好ましい。

図５は、従来の音響信号発生用圧電装置の音響特性を示すグラフである。圧電バイモルフ素子からなる片持ち梁の振動に伴う支持部に発生する慣性力を振動センサで計測した結果を示している。一次共振周波数を３００Ｈｚに設定した場合、一次と高次の共振の部分でピークを持つことが分かる。共振の存在は振動の振幅を大きくすることに寄与し、出力の増大や、周波数特性の形成に有効に活用されるが、その反面、特定の周波数のみで突出した振動の振幅はスピーカーとしては音響特性上好ましい事ではなく、共振周波数近辺では振動が適度に抑制されることが望ましい。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら詳細に説明する。この実施形態は、本発明の一実施態様を示すものであり、本発明はこれらに限定されるものではなく、種々の改変を加えることができる。

図６は、本発明による実施例を示す分解立体図である。本実施例における、音響信号発生用圧電装置は、弾性部材１ａと振動出力部材１ｂとベース部材１ｃとからなる拡大機構部１と、該拡大機構部１と圧電素子２と位置決め板１０とベース錘３と第１の雄螺子５と第２の雄螺子４とからなる振動サブユニット１４と、該振動サブユニット１４と一対の支持部材８及び支持部材９と、シール部材７と、パッド６とからなる振動ユニット１５と、該振動ユニット１５とケース１２とＴコイル１３とで構成される。

まず、図６を参照しながら前記振動サブユニット１４の構成の詳細について説明する。前記振動サブユニット１４において、拡大機構部１を構成する弾性部材１ａと振動出力部材１ｂとベース部材１ｃとは、厚さ１ｍｍのステンレス板をプレス加工によって一体成型した、略コの字形状を成し、振動出力部材１ｂとベース部材１ｃとは弾性部材１ａを介して対向する位置関係になっている。振動出力部材１ｂは略矩形状を成し、長手方向の両側には下方に向かうリブ１ｄが前記プレス加工時に形成され、ベース部材１ｃも同様に、略矩形状を成し、長手方向の両側には下方に向かうリブ１ｈが前記プレス加工時に形成されている。前記リブ１ｄ及び１ｈは振動出力部材１ｂ及びベース部材１ｃの剛性を向上させるために設けたものである。ベース部材１ｃは、前記リブ１ｈを有することにより弾性部材１ａよりも高い剛性を有することとなる。また、ベース部材１ｃは振動出力部材１ｂより質量を大きくしてある。

図７は、本実施例に係る圧電素子を示す斜視図である。本実施例において使用した圧電素子２は、内部電極１７と圧電セラミックス１６を一体焼成してなる積層型圧電アクチュエータであって、内部電極１７に電気的に接続された一対の外部電極１８（底面部の外部電極１８は図示せず）が配されており、入力線２ａが接続してある。本実施例においては、前記圧電素子２に、ＮＥＣトーキン（株）の外形２ｍｍ×２ｍｍ×９ｍｍの柱状の積層型圧電アクチュエータ素子を用いた。この積層型圧電アクチュエータ素子は、内部電極１７と圧電セラミックス１６を長手方向に、交互に積層し、内部電極１７で挟まれた圧電セラミックス１６が３０層になるようにして、一体焼成したものである。この積層型圧電アクチュエータ素子は、入力線２ａから音響電気信号を入力することで、入力された信号の電圧と周波数に応じた機械振動を長手方向に生ずる圧電素子である。

図６において、圧電素子２は、位置決め板１０に予め開けられた異型孔１０ａに一端を挿入し、圧電素子２と位置決め板１０とを一緒に前記拡大機構部１の弾性部材１ａと対向する側の開口部側から挿入して、振動出力部材１ｂとベース部材１ｃとの間に配置することで、振動出力部材１ｂの短手方向中央部で、且つ長手方向中心より弾性部材１ａの方向寄りに配置されるように設計した。圧電素子２の他端は振動出力部材１ｂに当接させ、エポキシ系の接着材にて固定した。

また、圧電素子２の位置決め板１０の異型孔１０ａに挿入した一端は、ベース部材１ｃに開けられた雌螺子１ｅの真上に配置される。ここで、第１の雄螺子５をベース部材１ｃに開けられた雌螺子１ｅに螺合させて、締め付けることにより圧電素子２には与圧が付与される。

単純な振動動作では積層型圧電アクチュエータ素子等の柱状の圧電素子は長手方向にほぼ同じ程度の圧縮力と引張力が交互に働くことになる。この力は振動部の慣性質量に比例し、また、振動数の２乗に比例するものであり、特に振動数が高くなるとその力は急激に増大する。一方積層型圧電アクチュエータ素子等の柱状の圧電素子は長手方向に対する圧縮力には強いが、引張力には弱いため、小さな素子を効率よく使用するためには動作時に働く引張力を軽減する必要がある。このために、非動作時に既に圧縮力が働いているようにする与圧の付与が有効となる。

この与圧を組立て時に圧電素子２である圧電アクチュエータ素子に付与する方法についてさらに詳しく説明する。拡大機構部１の振動出力部材１ｂとベース部材１ｃの間の設置位置に挿入された圧電素子２は、その上端面を振動出力部材１ｂの内側面に当接配置されると、必然的にその下端面とベース部材１ｃの上面との間に隙間を生ずることになる。この隙間を調整するように埋める機能と、更に押し上げて拡大機構部１の弾性部材１ａの主に曲げ変形による反力で圧電素子２に圧縮力を掛ける機能を成すのが第１の雄螺子５である。この圧縮力は第１の雄螺子５のねじ込み量に比例して増加するので、振動出力部材１ｂとベース部材１ｃとの先端部の相互距離の変化を観測しながら、実測結果から求めた所定の与圧がかかる変位量になるまで第１の雄螺子５をねじ込み、その後、第１の雄螺子５とベース部材１ｃ、さらに位置決め板１０の異形孔部１０ａと共に圧電素子２の下端部を接着剤で固め固定する。これで非動作時に圧電素子２に圧縮の与圧が掛かった状態が実現される。

与圧を掛けない場合には、圧電素子２には圧縮力とほぼ同じ大きさの引張力が作用するが、非動作時に既に掛かっている圧縮力で、動作時に作用する力は圧縮側にシフトして圧縮力は増加するが、その引張力は軽減されることになる。与圧力を適切に与えることにより、動作時にかかる圧縮力と引っ張り力の動作範囲を、圧縮許容力と引張許容力の範囲の中央部に持ってくることが可能となる。

圧電素子２の上端面は、振動出力部材１ｂの内側面と当接する時に、振動出力部材１ｂに明けた小さな穴よりエポキシ系の接着剤を注入して、端面部および周辺部を固めるようにした。使用する接着剤は与圧付与作業後に時間を掛けて硬化する性質のもの、あるいは温度を上げた時に硬化するものが望ましい。また、与圧付与作業時に圧電素子２が第１の雄螺子５の回転力を受けて必要な位置および姿勢からずれないように、位置決め板１０の異形穴１０ａは圧電素子２の４側面を規制している。

ベース錘３は亜鉛ダイカスト材を使用した直方体を成し、両側面に凸部３ａ（一方は陰に隠れている為、図示しない）を有し、また下面まで貫通した雌螺子３ｂを有している。第２の雄螺子４がベース部材１ｃに開けた貫通穴１ｇを通り前記雌螺子３ｂに螺合することで、ベース錘３はベース部材１ｃに固定されている。ベース錘３は、このベース錘３と位置決め板１０とベース部材１ｃとの合計質量が振動出力部１ｂおよび後述するパッド６の合計質量に比べ約５倍の質量となるように設定した。ベース部材１ｃ部分の重量を振動出力部材１ｂ部分の重量より重くすることで、圧電素子２の振動の変位を拡大する際に、その振動がベース部材１ｃに伝播することを抑制し、振動出力部材１ｂへ振動を集中させ、ベース部材１ｃが振動することによる音漏れ現象は大幅に抑制されることになる。このベース部材１ｃ部分の質量は、振動出力部材１ｂ部分の質量に対し２倍以上であれば前記効果が得られる。また、ベース錘３と位置決め板１０は一体にして１つの部品としてもよい。本実施例では、ベース錘３に亜鉛ダイカスト材を使用したが、その他の金属でも上記の質量が確保できれば良い。

ベース錘３の上面と振動出力部材１ｂの下部面との間は０．３ｍｍ程度の僅かな隙間しか無いように形成した。その理由は小さな空間で出来る限りベース錘３の質量を確保するためと、与圧付与作業時にベース部材１ｃと振動出力部材１ｂの先端部の開き量を拡大して観測し易いようにしている。即ちベース部材１ｃと一体のベース錘３の縁と振動出力部材１ｂの先端部とを開き量観測の対象にして、その観測距離を１ｍｍ以下の寸法にすることにより開き量の変化量比率を大きくするためである。

図８は、本実施例に係る振動サブユニット１４を示す斜視図である。図８（ａ）は前記までの構成による振動サブユニット１４を示す斜視図であるが、本実施例では、さらに、弾性部材１ａの内側で振動出力部材１ｂとベース部材１ｃとに囲まれた図示していないが、圧電素子２の周囲にゴム状部材１１を注型した。図８の（ｂ）はゴム状部材１１を注型した後の振動サブユニット１４を示す斜視図である。振動サブユニット１４の外形の寸法は約、長さ１８ｍｍ、幅８ｍｍ、高さ１３ｍｍと非常に小型となっている。

本発明の構造は、共振点を持ち、音声周波数帯域に現れ易い。共振点はその近傍の振動出力を大きくするが、同時に不要な音漏れも増大する。そこで、適当な減衰調整要素が必要となる。前記ゴム状部材１１は減衰要素の役目を成す。その減衰性能を調整することにより、より適切な振動特性を得ることが出来、また不要な音漏れの増加も防げる。また湿度に弱い圧電素子２を保護するための、防水や湿気のシーリングの機能も有している。

前記振動サブユニット１４においては、圧電素子２に交流電圧を印加することにより、これが長手軸方向に伸縮振動の変位をするが、この変位に従って拡大機構部１の振動出力部材１ｂとベース部材１ｃが押され弾性部材１ａの主に湾曲変形を伴って相互に振動変位する。テコの構造をした本構造では、圧電素子２の伸縮の量は２から３μｍ程度でも、振動出力部の中央部での変位は３から５倍程度に拡大するため、十分な音量を得られる振幅の振動となる。

次に、図６を参照しながら前記振動ユニット１５の構成の詳細について説明する。前記振動ユニット１５は、前記振動サブユニット１４の両側面に、前記一対のシリコーンゴムシートから成る支持部材８及び支持部材９を配置し、矩形の環形状をしたスポンジから成るシール部材７を介して樹脂成型によるパッド６を振動サブユニット１４の振動出力部材１ｂの上面に配置して成る。支持部材８及び支持部材９は、角穴８ａ及び角穴９ａをそれぞれに有し、該振動サブユニット１４のベース錘３の凸部３ａに該角穴８ａ及び該角穴９ａをそれぞれ嵌合させ固定される。

支持部材８及び支持部材９は、振動サブユニット１４の振動出力部材１ｂが発する振動以外の振動を吸収し、他に伝えない役目を果たし、いわゆる音漏れの原因となる振動を抑制する機能を有する。本実施例では、前記支持部材８及び支持部材９にはシリコーンゴムシートを使用したが、粘性と弾性を共に持った部材であって、例えば、いわゆる防振ゴムといわれる素材や、硬度５度以下のシリコーンを基材とするゲル状の材料等でも良い。

前記パッド６は、前記振動出力部材１ｂの上面の形状とほぼ相似形の板状を成す。パッド６には熱伝導率が低い材質を使用することが望ましい。理由は、例えば冬季に振動出力部材１ｂの金属部が冷えている場合、直接肌に冷えた金属部が当り冷たく感じるのを軽減するためである。また、比重が小さくかつ剛性が高い材質にすることが好ましい。理由は、振動部の質量が増加するのを抑え、剛性を確保し振動出力部材１ｂ内部で副次的な振動が発生しないようにする為である。

以上が振動ユニット１５の構造である。図９は、本実施例に係る振動ユニット１５を示す斜視図である。また、図１０は、図９における矢印Ｙ方向から見た、本実施例に係る振動ユニット１５を示す正面図であり、図１１は、図１０に示すＢ−Ｂの断面図である。

次に、図６を参照しながら本実施例における音響信号発生用圧電装置の詳細について説明する。本実施例における音響信号発生用圧電装置は、前記振動ユニット１５を、ポリカーボネート樹脂を成型した筒状のケース１２の中空部に挿入してなる。ケース１２は前記支持部材８と支持部材９をリブ等で規制保持している。図示はしていないがケース１２の下方の開放部を別のケース部材で塞ぎ、支持部材８と９の端面を抑えることにより本音響信号発生用圧電装置がケース１２に弾性支持される構造とした。

また、ケース１２には骨伝導スピーカー部を囲む形で角型リング状のＴコイル１３が配置されている。Ｔコイル１３は音声信号を併用される別の音響機器や補聴器等へ電磁波として出力するための発振器の機能を持ち、本音響信号発生用圧電装置を使用せずに、Ｔコイルの発信した電磁波を捕らえて音声信号に戻す機能を持つ別の音響機器や補聴器等との組み合わせで使用するときに使われる発信素子である。

尚、前記振動出力部材１ｂ、あるいはパッド６の周囲のケース１２との隙間は、防塵をし、かつ振動をケース１２に伝えないために、前記シール部材７で塞いでいる。シール部材７は超軟質の部材でも良いが、これが振動を受けて音を発せすることを避けるために、軟質でかつ空気を容易に透過するスポンジ等の材質がより好適である。

また、動作時には振動出力部材１ｂとベース部材１ｃは相互に先端側が開閉する方向の変位振動動作をするが、振動出力部材１ｂの質量よりも位置決め板１０とベース錘３と一体固定されているベース部材１ｃ、即ちベース部材１ｃ部分の質量の方が十分大きいので、主に振動出力部１ｂが振動変位することになる。言い換えれば支持される側のベース部材１ｃ部分は振動が少ないので、支持する部分へ伝わる振動も少なく、更には支持部材８と９の特性による振動遮断機能も作用して、音漏れの主な原因となるケースへの振動伝達量を大幅に低減している。この効果の程度はベース部材１ｃ部分の質量が大きいほどあるが、部品としての重さ、大きさも考慮され設定されるものとなる。

図１２は、本実施例を示す斜視図である。また、図１３は、本実施例を示す側面図である。さらに図１４は、図１３に示すＧ−Ｇの断面図である。

図１５は、本実施例に係る音響出力特性を示すグラフである。横軸は周波数を示し、縦軸は音響出力を示している。図１５のグラフには、前記ベース錘３がある場合とベース錘３が無い場合の両方の特性を示している。グラフからも解るように、ベース錘３がある方の音響出力は、ベース錘３が無い場合と比べて広い周波数範囲で音響出力が大きい。これは、本実施例による音響信号発生用圧電装置において、ベース錘３をベース部材１ｃに固定してベース部材１ｃ部分を振動出力部材１ｂ部分より質量が重い状態としたことで、音響振動が振動出力部材１ｂ側に集中したことによる効果である。

図１６は、本実施例に係る音漏れの音圧レベルを示すグラフである。横軸は周波数を示し、縦軸は音漏れの音圧レベルを示している。図１５のグラフには前記ベース錘３がある場合とベース錘３が無い場合の両方の特性を示している。グラフからも解るように、ベース錘３がある方の音漏れの音圧レベルは、ベース錘３が無い場合と比べて、全体的に低下している。これは、本実施例による音響信号発生用圧電装置において、ベース錘３をベース部材１ｃに固定してベース部材１ｃ部分を振動出力部材１ｂ部分より質量が重い状態としたことで、ケース１２に固定されるベース部材１ｃ部分の振動が抑制されたことに加えて、前記支持部材８及び支持部材９とシール部材７とゴム状部材１１とが振動の吸収・抑制に大きく寄与した効果といえる。

上記の如く、本実施例によれば、小型であり、耐落下衝撃性に優れ、音漏れが少ない音響性能の向上した、音響信号発生用圧電装置の提供が可能となる。

本発明による音響振動発生素子は、携帯電話機や携帯端末機等に搭載する音響振動発生素子やスピーカー或いは、音響機器としてのヘッドホンや骨伝導を利用した音響機器等に利用できる。

圧電ユニモルフを示す図。図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は側面図。圧電バイモルフを示す図。図２（ａ）は斜視図、図２（ｂ）は側面図。従来の音響信号発生用圧電装置を示す側面図。本発明に係る音響信号発生用圧電装置の基本構成を示す模式図。従来の音響信号発生用圧電装置の音響特性を示すグラフ。本発明による実施例を示す分解立体図。実施例に係る圧電素子を示す斜視図。実施例に係る振動サブユニットを示す斜視図。図８（ａ）は振動サブユニットを示す斜視図、図８（ｂ）はゴム状部材を注型した後の振動サブユニットを示す斜視図。実施例に係る振動ユニットを示す斜視図。図９における矢印Ｙ方向から見た、本実施例に係る振動ユニットを示す正面図。図１０に示すＢ−Ｂの断面図。実施例を示す斜視図。実施例を示す側面図。図１３に示すＧ−Ｇの断面図。実施例に係る音響出力特性を示すグラフ。実施例に係る音漏れの音圧レベルを示すグラフ。

符号の説明

１拡大機構部
１ａ弾性部材
１ｂ振動出力部材
１ｃベース部材
１ｄ，１ｈリブ
１ｅ雌螺子
１ｆ，１ｇ，１０ｂ貫通穴
２圧電素子
２ａ入力線
３ベース錘
３ａ凸部
３ｂ雌螺子
４第２の雄螺子
５第１の雄螺子
６パッド
７シール部材
８，９支持部材
８ａ，９ａ角穴
１０位置決め板
１０ａ異型孔
１１ゴム状部材
１２ケース
１３Ｔコイル
１４振動サブユニット
１５振動ユニット
１６圧電セラミックス
１７内部電極
１８外部電極
２１圧電セラミックス板
２２金属板
２３圧電バイモルフ素子
２４筐体
２５支柱
３１積層型圧電アクチュエータ
３２拡大機構部
３３固定部
３４被振動体
３５ヒンジ部
３６作用点
３７音響振動部
３８支持部

Claims

電気信号を機械振動に変換する圧電素子と、前記圧電素子が発生した機械振動の変位を拡大する拡大機構部と、前記拡大機構部が拡大した機械振動の変位を音響振動として伝達するための音響振動部からなる音響信号発生用圧電装置であって、前記拡大機構部がベース部材と弾性部材と振動出力部材とからなり、該ベース部材と該振動出力部材とは該弾性部材より高い剛性を有する板状をなし、該ベース部材は該振動出力部材より大きな質量を有し、該ベース部材と該振動出力部材とは前記圧電素子を挟むように互いに対向し、該ベース部材と該振動出力部材の対向する一端部が該弾性部材により結合し、且つ、該弾性部材により該ベース部材と結合している側の該振動出力部材の一端部と該振動出力部材の中央との間に前記圧電素子を配置してなることを特徴とする音響信号発生用圧電装置。
前記拡大機構部が梁構造を成していることを特徴とする請求項１記載の音響信号発生用圧電装置。
前記拡大機構部の少なくとも一部分が金属板のプレス加工により成形して成ることを特徴とする請求項１乃至請求項２のいずれかに記載の音響信号発生用圧電装置。
前記圧電素子が柱状体であって、且つ前記拡大機構部が、前記圧電素子の長手方向に対して圧縮力を付与する与圧部を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の音響信号発生用圧電装置。
前記圧電素子が柱状体であって、且つ前記拡大機構部が、前記圧電素子の長手方向に対して螺子の締め付け力で調整可能な圧縮力を付与する螺子部を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の音響信号発生用圧電装置。
前記圧電素子の端部を除く全周囲を粘性体あるいは弾性体で覆ったことを特徴とする、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の音響信号発生用圧電装置。
弾性部材と振動出力部材とベース部材とからなる拡大機構部と、該拡大機構部と圧電素子と位置決め板とベース錘と第１の雄螺子と第２の雄螺子とからなる振動サブユニットと、該振動サブユニットと一対の支持部材とシール部材とパッドとからなる振動ユニットと、該振動ユニットとケースとコイルとからなる音響信号発生用圧電装置であって、該振動サブユニットにおいては、該弾性部材は、弾性を有する矩形板であって、該振動出力部材は、該弾性部材より高い剛性を有する矩形板であって、該ベース部材は、該振動出力部材より質量が大きく、該弾性部材より高い剛性を有する矩形板であって、前記圧電素子が配される位置に雌螺子を有し、該ベース部材と該振動出力部材とは、前記圧電素子を挟むように互いに対向し、該ベース部材と該振動出力部材の対向する一端部が該弾性部材により結合し、前記圧電素子は、該振動出力部材の中央と該ベース部材と結合している側一端部との間で該位置決め板により決められた位置で該ベース部材と該振動出力部材に挟持され、該ベース錘は、少なくとも一つの面には雌螺子を有し、該第１の雄螺子は、該ベース部材の雌螺子に螺合し締め付けることにより前記圧電素子に与圧を付与し、該ベース錘は該ベース部材に固定され、該振動ユニットにおいては、一対の該支持部材は、該振動出力部材とベース部材の両側の長手方向側面と当接するように該振動サブユニットを挟持し、該パッドは該振動出力部材とほぼ相似形を成すシート状を成し、該シール部材を介して該振動出力部材の上面に配置され、該振動ユニットを該ケースに収納して成ることを特徴とする音響信号発生用圧電装置。