JP5304492B2 - 音響トランスデューサ - Google Patents
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Description
また、図10(a)、(b)に示す円筒型トランスデューサ111は、円筒型振動子112の外周面に音響放射板114が設けられている。そして、円筒型振動子112自体の径方向の呼吸振動モード、すなわち円筒の円周長上に1波長の縦振動が形成されるモードを用いて音響放射板114から音響放射している。
また、特許文献1によれば、図12に示す屈曲円板型トランスデューサ131は、円板状の振動子132を屈曲音響放射板134に接着し、屈曲音響放射板134のたわみ共振を使用するなどして、振動子132の発生する変位を音響放射している。
これらの音響トランスデューサ121、131は、縦振動よりも低周波数での共振周波数が得やすい屈曲振動を利用した屈曲音響放射板124、134を用いることにより、多くの媒質を排除することができる。
空気への音響放射においては、音響放射インピーダンスが小さいので、紙など軽量の材質で大きな媒質排除体積を確保することが可能である。
図9に示すボルト締めランジュバントランスデューサ101、図10に示す円筒型トランスデューサ111において媒質排除体積を大きくするためには、振動子の長さや径を大きくして音響放射板の変位を大きくする必要があり、音響トランスデューサ自体の寸法が大きくなると共に重量が重くなってしまうという問題があった。そこで、これらの音響トランスデューサは寸法などの制限から概ね1kHz以上の周波数で使用されているのが現状である。
特に、屈曲振動板に質量が大きな圧電セラミックが使用されている場合には、振幅の大きい場所に大きな質量を有する構造になることとなり、低い共振周波数が得られるが、重量が重くなると共に共振周波数の先鋭度が高くなり、広帯域での音響放射には適さないという問題があった。
また、空中で使用されている動電型のスピーカも、媒質排除体積を増大させるためには、より大きなコーン紙を用いることが行われ、結果としてスピーカの寸法が大きくなってしまう。また、圧電スピーカのように圧電振動子を振動板に張り合わせて音響放射する方式の場合においても、媒質排除体積を増大させるためには、振動板の直径を大きくする必要があった。
図1(a)に示すように、第一の実施の形態による音響トランスデューサ1aは、中心部に延在するシャフト(軸部材)2の周囲に軸方向を同じくして8本のチャネル3が配設されている。シャフト2はチャネル3よりも軸方向に長く形成されて、シャフト2の先端部2aと各チャネル3の先端部3aとは連結部材4によって連結されている。
シャフト2を中心に周方向に隣り合うチャネル3間には、第一および第二の音響放射板5、6が交互に配設されている。
第一、第二、第三、第四の音響放射板5、6、5a、5bは、合成樹脂または合成樹脂を含む材料で形成され、ハニカム構造の部材である。
屈曲振動板7はチャネル3を介して第一および第二の音響放射板5、6に連結されている。
チャネル3および屈曲振動板7は合成樹脂や合成樹脂を含む材料で形成され、ハニカム構造または積層構造の部材とする。なお、チャネル3は金属やセラミックなどの密度の高い材料によって形成されていてもよい。
このように構成された音響トランスデューサ1aの全体は、図示しない合成樹脂などによってモールドされており、周囲の水などの媒質Mから電気的に絶縁されている。なお、モールドの材料は合成樹脂に限らず、所要の耐水圧性により、モールドの材料や厚さを最適に設定すればよい。
図2(a)、(b)に示すように、圧電振動子8は所定の印加電圧を受けると伸縮しようとする変位が発生する。圧電振動子8が屈曲振動板7に接着されているので、圧電振動子8の変位によって屈曲振動板7は屈曲する変位を発生する。
そして、屈曲振動板7が変位することによってチャネル3が変位し、チャネル3と連結された第一および第二の音響放射板5、6が変位する。また、連結部材4間に配設された第三および第四の音響放射板5a、6bも連結部材4を介して伝達するチャネル3の変位にあわせて変位する。
隣り合う第一および第二の音響放射板5、6は、それぞれ湾曲した形状をしており、隣り合うチャネル3の間隔が大きくなると湾曲の曲率(撓み)が小さくなる変位をし、隣り合うチャネル3の間隔が小さくなると湾曲の曲率(撓み)が大きくなる変位をする。
ここで、第一の音響放射板5は、チャネル3の間隔が大きくなると、図2(b)に示すように湾曲の曲率が減り媒質排除が減る内側方向への変位となり、チャネル3の間隔が狭くなると、図2(a)に示すように湾曲の曲率が増え媒質排除が増す外側方向への変位となる。
一方、第二の音響放射板6は、チャネル3の間隔が大きくなると、図2(a)に示すように湾曲の曲率が減り媒質排除の増える外側方向への変位となり、チャネル3の間隔が狭くなると、図2(b)に示すように湾曲の曲率が増え媒質排除の減る内側方向への変位となる。
このとき、連結部材4間に配設された第三および第四の音響放射板5a、6bも連結部材4を介して伝達するチャネル3の変位にあわせて変位し、第一および第二の音響放射板5、6と同様に変位することとなる。
例えば、図3(a)に示すように、シャフト2を中心とする周方向において、隣り合う圧電振動子8の分極方向を逆向きとし、各屈曲振動板7に対して圧電振動子8を接着する面を交互に変える。
また、例えば、図3(b)に示すように、シャフト2を中心とする周方向において、隣り合う圧電振動子8の分極方向を逆向きとし、各屈曲振動板7に対して圧電振動子8を接着する面を同じとする。
また、例えば、図3(c)に示すように、シャフト2を中心とする周方向において、隣り合う圧電振動子8の分極方向を同じ向きとし、各圧電振動子8を交互に接続する。
このように圧電振動子8を配設することによって、ある2つの隣り合う屈曲振動板7が離れる変位をして、これらの屈曲振動板7と連結したチャネル3間の間隔が広くなると、これらの屈曲振動板7は、もう一方の隣に配設された屈曲振動板7とは近づく変位をし、これらの屈曲振動板7と連結したチャネル3間の間隔が狭くなる。
このとき、シャフト2に対して回転対称となるように同じ構造の屈曲振動モジュール9を放射状に複数配置することにより変位のバランスを保つことができる。 そして、この変位が駆動電圧により繰り返し発生することから、シャフト2を中心として周囲に均一に音響放射することが可能となる。
なお、第一および第二の音響放射板5、6は使用する周波数に基づく音響負荷等を勘案して最適な屈曲率に設定する。
また、屈曲振動モジュール9の屈曲振動の共振周波数を第一および第二の音響放射板5、6の共振周波数と一致させることにより、第一および第二の音響放射板5、6の変位と屈曲振動板7の変位とを重畳させることができ、より電気音響変換効率をあげることができる。
また、放射する音響周波数すなわち駆動電圧の周波数に、屈曲振動モジュール9と第一および第二の音響放射板5、6の共振周波数を一致させる構造とすることによりさらに電気音響変換効率をあげることができる。
第一の実施の形態による音響トランスデューサ1aは、外側に湾曲した第一および第三の音響放射板5、5aと内側に湾曲した第二および第四の音響放射板6、6aとが交互に配設されて、その曲率を変化させて音響放射をすることから、平面的な音響放射板を使用した従来の音響トランスデューサと比べて変位を拡大できて、大きな音響排除体積が確保でき、低周波数の音響放射を実現できる作用効果を奏する。
また、屈曲振動板7に圧電振動子8を接着することにより、屈曲振動板7が屈曲振動するので、縦振動よりも共振周波数を低くすることができ、出力周波数を低くすることができる。
また、第一および第二の音響放射板5、6が湾曲し、これらが交互に配列されていて、その曲率を変化させて効率的に媒質排除を行っているので、圧電振動子8や第一および第二の音響放射板5、6の形状を大きくする必要がなく、音響トランスデューサ1aの軽量化を図ることができる。
また、チャネル3および屈曲振動板7を合成樹脂または合成樹脂を含む材料をハニカム構造や積層構造に形成した部材とすることにより軽量でかつ強度が確保された部材とすることができ、音響トランスデューサ1aの軽量化を図ることができる。
なお、第一及び第二の音響放射板5、6、屈曲振動板7およびチャネル3は、金属など他の材料を用いてもよいことはいうまでもない。
図4に示すように、第二の実施の形態による音響トランスデューサ1bは、各屈曲振動板17の両側に圧電振動子18が接着されている、この屈曲振動板17と圧電振動子18とで屈曲振動モジュール19が構成されている。
このとき、シャフト12中心として周方向に隣り合う屈曲振動板17の変位方向が逆方向となるように、圧電振動子18の分極方向および接続を調整する。
例えば、図5(a)に示すように。屈曲振動板17の両面に同じ分極方向の圧電振動子を配設し、隣り合う屈曲振動板17では圧電振動子18の分極方向が逆となるようにする。
また、例えば、図5(b)に示すように、屈曲振動板17の両面に逆の分極方向の圧電振動子18を配設し、これらの圧電振動子18の接続方向を逆にし、隣り合う屈曲振動板17では圧電振動子18の分極方向が逆となるようにする。
圧電振動子スタック28は、板状の圧電振動子が積層された構造で、ある圧電振動子スタック28の一方が伸長すると、その圧電振動子スタック28と隣り合う圧電振動子スタック28が縮小するように、圧電振動子スタックを構成する圧電振動子の接続線の極性を交互に反転させる、あるいは圧電振動子の分極方向を逆にするなどして調整する。そして、この伸長する圧電振動子スタック28と縮小する圧電振動子スタック28とを交互に各変位拡大板27間に配設する。
また、圧電振動子スタック28が変位し縮小する場合も、圧電振動子スタック28の変位が第一および第二の音響放射板25、26に拡大して伝達される。
このとき、変位拡大板27の屈曲振動の共振周波数を第一および第二の音響放射板25、26の共振周波数と一致させることにより、より電気音響変換効率をあげることができる。また、放射する音響周波数すなわち駆動電圧の周波数に、変位拡大板27と第一および第二の音響放射板25、26の共振周波数を一致させる構造とすることによりさらに電気音響変換効率をあげることができる。
このとき、所要の耐水圧性により緩衝材42の硬軟や厚さ、モールドの材料や厚さを最適に設定する。
第四の実施の形態による音響トランスデューサ1dによれば、第一の実施の形態と同様の効果を奏する。
第五の実施の形態によれば、チャネル53と第一および第二の音響放射板55、56で筒部を構成し、その内部の水(媒質M)の水柱共振を利用することや、この筒部の内部に、小さな貫流孔を備える容器を設けてヘルムホルツの共鳴構造とすることができる。
例えば、上述した実施の形態では、シャフトを中心に8本のチャネルを配設しているが、チャネルの数はそのほかの数としてもよい。
例えば、上述した実施の形態では、第一及び第二の音響放射板は合成樹脂または合成樹脂を含む材料で形成されていて、この材料をハニカム構造の部材としているが、そのほかの材料で形成されてもよい。
また、上記の実施の形態ではチャネル3および屈曲振動板7は合成樹脂や合成樹脂を含む材料で形成し、ハニカム構造や積層構造の部材としているが、このほかの材料で形成されてもよく、ハニカム構造や積層構造の部材でなくてもよい。
また、上記の第三の実施の形態では変位拡大板27は合成樹脂や合成樹脂を含む材料で形成し、ハニカム構造や積層構造としているが、このほかの材料で形成されてもよく、ハニカム構造や積層構造でなくてもよい。
2、12、22、32、 シャフト(軸部材)
3、13、23、33、53 チャネル
4 連結部材
5、15、25、35、55 第一の音響放射板
5a 第三の音響放射板
6、16、26、36、56 第二の音響放射板
6a 第四の音響放射板
7、17 屈曲振動板
8、18圧電振動子(振動子)
41 エンドプレート
42 緩衝材
d 隙間
M 媒質
Claims (17)
- 空中または水中などの媒質に音波を放射する音響トランスデューサにおいて、
前記音響トランスデューサの中心部に延在する軸部材と、
前記軸部材を中心軸とし、周方向に間隔をあけて配設されたチャネルと、
周方向に隣り合う前記チャネル間に交互に配設された第一および第二の音響放射板と
前記軸部材および前記チャネルと連結し振動子を備える複数の板部材とを備え、前記第一の音響放射板は前記軸部材の軸に交差する平面における断面形状が外側に湾曲し、前記第二の音響放射板は前記軸部材の軸に交差する平面における断面形状が内側に湾曲していることを特徴とする音響トランスデューサ。 - 前記振動子は隣り合う前記屈曲振動板を互いに逆方向に変位させることを特徴とする請求項1に記載の音響トランスデューサ。
- 前記軸部材は前記チャネルよりも長く形成され、前記軸部材の先端部と複数の前記チャネルの先端部とをそれぞれ連結する複数の連結部材が設けられていて、周方向に隣り合うの連結部材間に、前記第一の音響放射板と底面の曲率半径を同じくする部分円錐面をなす第三の音響放射板と、前記第二の音響放射板と底面の曲率半径を同じくする部分円錐面をなす第四の音響放射板とが配設されていることを特徴とする請求項1または2に記載の音響トランスデューサ。
- 前記第三および第四の音響放射板は合成樹脂または合成樹脂を含む材料で形成されていることを特徴とする請求項3に記載の音響トランスデューサ。
- 前記第三および第四の音響放射板はハニカム構造の材料で形成されていることを特徴とする請求項3または4に記載の音響トランスデューサ。
- 前記軸部材の両端部にはエンドプレートが設けられていて、前記チャネルおよび前記音響放射板と前記エンドプレートとの間には緩衝材が設けられ、前記板部材と前記エンドプレートとは離間していることを特徴とする請求項1または2に記載の音響トランスデューサ。
- 前記板部材は前記振動子を片面に備える屈曲振動板であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の音響トランスデューサ。
- 前記板部材は前記振動子を両面に備える屈曲振動板であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の音響トランスデューサ。
- 隣り合う前記板部材の間には前記板部材を連結する振動子を備えることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の音響トランスデューサ。
- 前記振動子の変位による前記板部材の共振周波数と、前記音響放射板の共振周波数とが等しいことを特徴とする請求項1乃至9のいずれかに記載の音響トランスデューサ。
- 前記第一および第二の音響放射板は合成樹脂または合成樹脂を含む材料で形成されていることを特徴とする請求項1乃至10のいずれかに記載の音響トランスデューサ。
- 前記第一および第二の音響放射板はハニカム構造の材料で形成されていることを特徴とする請求項1乃至11のいずれかに記載の音響トランスデューサ。
- 前記板部材は、合成樹脂または合成樹脂を含む材料で形成されていることを特徴とする請求項1乃至12のいずれかに記載の音響トランスデューサ。
- 前記板部材は、ハニカム構造または積層構造の材料で形成されていることを特徴とする請求項1乃至13のいずれかに記載の音響トランスデューサ。
- 前記チャネルは、合成樹脂または合成樹脂を含む材料で形成されていることを特徴とする請求項1乃至14のいずれかに記載の音響トランスデューサ。
- 前記チャネルは、ハニカム構造または積層構造の材料で形成されていることを特徴とする請求項1乃至15のいずれかに記載の音響トランスデューサ。
- 前記チャネルは、金属またはセラミックによって形成されていることを特徴とする請求項1乃至14のいずれかに記載の音響トランスデューサ。
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