JP5647358B2 - 音響アクチュエータおよび音響アクチュエータシステム - Google Patents

Description

本発明は圧電ユニットにメンブレンユニットを接合したアクチュエータ素子を用いた音響アクチュエータに係り、より詳しくは、アクチュエータ素子、支持部材、およびエッジ部材を有し、幅広い周波数帯域の音を発生させるようにアクチュエータ素子がウェーブ運動するようにする音響アクチュエータに関する。

一般に音（Ｓｏｕｎｄ）とは媒質で伝播する波動を示し、音波とも言い、媒質を通して伝播する振動現象である。人だけでなく動物も聴覚器官を有しているので動物も音が感知できるが、それぞれの種によって人が聞く音と周波数領域が異なる。一般に人々が聞ける周波数領域である可聴周波数は２０Ｈｚ〜２０，０００Ｈｚと知られている。

通常のスピーカは通常コーン（ｃｏｎｅ）と呼ぶ振動板を往復運動させることによって、即ち、振動板を前後に前／後進させることによって音を発生させる。低音を発生させるウーファを例として挙げれば、ウーファの振動板が前に前進する瞬間には振動板の直ぐ前方には空気が圧縮され、振動板が後進すれば直前の空気は瞬間的に希薄になって振動板の前の空気圧が低くなる。即ち、振動板が前進すれば振動板前方は“＋”音圧が発生し、振動板が後進すれば振動板前方は“−”音圧が発生し、これによって波動が発生し、周波数の範囲が約２０Ｈｚ〜２０，０００Ｈｚ程度である時に音として人間の耳で感知できる。

一般に音響アクチュエータ（ａｃｏｕｓｔｉｃ ａｃｔｕａｔｏｒ）とはスピーカやレシーバーなどを言い、圧電スピーカは既存のＶＣＭ（Ｖｏｉｃｅ Ｃｏｉｌ Ｍｏｔｏｒ）スピーカに比べて薄くて軽く電力消耗が少ない長所があり、携帯用端末器、ＰＤＡのような携帯電子機器への応用のための研究が行われている。圧電スピーカはピエゾブザー（ｂｕｚｚｅｒ）とも呼ばれ、これは圧電素子の逆圧電現象を利用したものである。

しかし、従来の圧電スピーカは、黄銅、ステンレススチール、ニッケル合金など金属からなる円形の振動板の上面に圧電素子を付け加えて製作した。

ヘルムホルツ共振（Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ'ｓ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）原理を利用してさらに大きい音圧を出すようにする技術が提案されたこともあるが、これによれば１００Ｈｚ程度の低周波を実現するためにもスピーカ全体の外径が非常に大きくなり非現実的であることが明らかになった。

このような構成として、円形の圧電素子の縁付近を固定させ、共振のための空いた空間を中間に形成する方式が用いられた。しかし、これは特定の周波数のみを増幅することができ、低周波や広い周波数範囲に対して良い特性を示さなかった。即ち、全体周波数帯域幅での平滑度（ｆｌａｔｎｅｓｓ）が低くなり、これは特定周波数を有する音は再生が可能であるが、他の周波数を有する音はうまく再生されないことを意味する。言い換えると、多様な周波数を有する音源がうまく再現できないことを意味する。このような理由で、このような構成はブザー用としてのみ使用されてきた。

その他に、従来は音圧が高くなくて、オーディオ用スピーカとして使用するには音が小さすぎた。

一方、圧電素子を振動体とし、発生した振動を支持部材を用いてパネル（Ｐａｎｅｌ）に伝達する方式によって低周波特性を改善しようとする試みがあった。しかし、このような方式は別途のパネルを設計しなければならず、パネルが他の部品などに結合されるので、その振動が妨害になったりその振動が他の部品の電気的あるいは機械的特性を低下させる短所があった。

ここに、本発明は前記のような従来の問題点を解決するために案出されたものであって、低周波音響特性を改善し、周波数帯域幅での平滑度を改善すると同時に音圧を向上することを目的とする。また、十分な音圧のために必要な付帯構成要素の最少化を目的とする。また、厚さを形成することができるようにすることによって小型化を達成することを目的とする。

本発明の一実施形態による音響アクチュエータは、印加電気信号に対応する音響を発生するアクチュエータ素子（ａｃｔｕａｔｏｒ ｅｌｅｍｅｎｔ）と、前記アクチュエータ素子の運動軸を形成するように前記アクチュエータ素子を支持する支持部材（ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｍｅｍｂｅｒ）と、前記アクチュエータ素子に連結されるエッジ部材（ｅｄｇｅ ｍｅｍｂｅｒ）とを含む。

前記圧電ユニットは、同一平面上に幅方向に平行に配置された複数の圧電部材を含む。

前記メンブレンユニットは、前記メンブレン部材の長さ方向に前記メンブレンユニットが延長されるように前記メンブレン部材に接着されて、前記メンブレン部材のウェーブ運動を増幅する被動部材をさらに含むことができる。

前記支持部材は、前記アクチュエータ素子を非対称に分割する位置に形成できる。

前記支持部材は前記メンブレンユニットに付着され、前記圧電ユニットは前記支持部材から圧電ユニットの長さ方向に離隔して形成できる。

前記メンブレンユニットは、前記複数の圧電部材と同一な数のメンブレン部材を含み、それぞれの圧電部材がそれぞれのメンブレン部材に接着され得る。

この場合、前記メンブレンユニットは、前記複数のメンブレン部材の長さ方向に前記メンブレンユニットが延長されるように前記複数のメンブレン部材の端を互いに連結して、前記複数のメンブレン部材のウェーブ運動を増幅する被動部材をさらに含むことができる。

前記圧電ユニットは、メンブレンユニットの上面および下面に接着され得る。

本発明の実施形態による音響アクチュエータは、前記アクチュエータ素子の表面振動を許容するように前記アクチュエータ素子と支持部材の間に介される弾力部材をさらに含むことができる。

本発明の実施形態による音響アクチュエータシステムは、このような本発明の実施形態による第１音響アクチュエータと、本発明の実施形態による第２音響アクチュエータと、前記第１、第２音響アクチュエータを共に駆動する圧電ユニットドライバーとを含むことができる。

前記第１音響アクチュエータと第２音響アクチュエータのそれぞれは、その支持部材を基準に非対称であり得る。

前記第１音響アクチュエータと第２音響アクチュエータが互いに異なる規格であって、前記第１音響アクチュエータと第２音響アクチュエータのそれぞれはその支持部材を基準に対称であり得る。

前記第１音響アクチュエータと第２音響アクチュエータが互いに異なる規格であって、前記第１音響アクチュエータはその支持部材を基準に対称であり、前記第２音響アクチュエータはその支持部材を基準に非対称であり得る。

前記第１音響アクチュエータは片持ち梁形式で形成され、前記第２音響アクチュエータは両持ち梁形式で形成され得る。

本発明の実施形態によれば、圧電部材を長さ方向に長く形成し、アクチュエータ素子を圧電部材の長さ方向に線形にデザインすることによって、低い周波数の音響が小さい大きさでも実現できる。また、メンブレン部材を圧電部材からその長さ方向に延長することによって音圧が向上できる。したがって、別途の共鳴装置を導入しなくても優れた音圧を得ることができる。

また、メンブレンユニット自体で音響周波数が低くなり音圧も増幅されるので、アクチュエータ素子（いわゆる圧電素子）に別途にパネルなどを連結しなくても良い。したがって、構造が簡単になり生産性が増加される。

また、圧電部材とメンブレン部材など採用される構成要素がほぼ同一平面上に平面的に形成されるので、これらを立体的に組み合わせる従来の方式に比べて高さを減らすことができる。

一方、圧電部材を複数とすることによって、より音圧を増加させることができ、より広いメンブレン部材を使用してもただ付着する圧電部材の数を増加させることができて生産性／生産費用が向上する。

メンブレン部材の長さ方向に前記メンブレンユニットが延長されるように被動部材を接着してメンブレン部材のウェーブ運動を増幅することができ、したがって音圧が向上できる。

アクチュエータ素子が非対称に分割される位置に支持部材を配置することによって、音響の平滑度が向上できる。

本発明の実施形態によるアクチュエータ素子を示した斜視図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線による断面図である。 本発明の実施形態によるアクチュエータ素子の動作を説明するための図である。 本発明の実施形態によるアクチュエータ素子の断面図であって、メンブレン部材の上面と下面にそれぞれ圧電部材が接着されたことを示した図である。 図４に示された本発明の実施形態によるアクチュエータ素子の動作を説明するための図である。 本発明の実施形態による被動部材が含まれているアクチュエータ素子の断面図である。 本発明の実施形態による片持ち梁および両持ち梁方式のアクチュエータ素子とその動作を示した断面図である。 本発明の実施形態による片持ち梁式音響アクチュエータの分解斜視図である。 本発明の実施形態による両持ち梁式音響アクチュエータの分解斜視図である。 は圧電部材とメンブレン部材の数、被動部材の有無に関する多様な変形例を示した図面である。 本発明の実施形態による支持部材の多様な変形例を示す図面である。 支持部材とアクチュエータ素子の結合に関する多様な変形例を示す図である。 本発明の実施形態による音響アクチュエータの動作を示す概略的な断面図である。 本発明の実施形態による音響アクチュエータシステムであって、第１音響アクチュエータと第２音響アクチュエータの多様な組み合わせを示す平面図である。 通常の円形の圧電ブザーで実現される共振周波数を示す図である。 ピエゾ素子によって２０Ｈｚを出すための薄板／片持ち梁の大きさを対比するための図である。

以下、添付した図面を参照して、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように本発明の実施形態を説明する。このような実施形態は一例に過ぎず、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が様々な相違した形態に実現できるので、本発明の保護範囲はここで説明する実施形態に限定されると解釈されてはいけない。

図８および図９は本発明の実施形態による音響アクチュエータを示した斜視図であって、図８は本発明の実施形態による片持ち梁式音響アクチュエータを示した斜視図であり、図９は本発明の実施形態による両持ち梁式音響アクチュエータを示した斜視図である。

図８および図９に示されているように、本発明の実施形態による音響アクチュエータは、印加電気信号に対応する音響を発生するアクチュエータ素子１７５と、前記アクチュエータ素子１７５の運動軸を形成するように前記アクチュエータ素子を支持する支持部材３００と、前記アクチュエータ素子１７５に連結されるエッジ部材４００とを含む。前記エッジ部材４００は、前記アクチュエータ素子１７５とフレーム部材５００とを連結する。

図８および図９で支持部材３００はアクチュエータ素子１７５の幅方向に形成された一つの部材と示しているが、本発明の保護範囲が必ずしもこれに限定されると理解されてはいけない。これに関する多様な変形が可能であり、これについては後に詳しく説明する。

一方、図８および図９に示されているように、本発明の実施形態による音響アクチュエータにおいて、前記メンブレンユニット２９０は、前記メンブレン部材２００の長さ方向に前記メンブレンユニット２９０が延長されるように前記メンブレン部材２００に接着されて、前記メンブレン部材２００のウェーブ運動を増幅する被動部材２５０をさらに含むことができる。前記メンブレンユニット２９０が複数のメンブレン部材２００を含む場合、前記被動部材２５０は前記複数のメンブレン部材２００の端を互いに連結して、これら複数のメンブレン部材２００が一体に動作するようにすることができる。

図８および図９では、本発明の実施形態による圧電ユニット１９０が複数の圧電部材１００を含み、本発明の実施形態によるメンブレンユニット２９０が複数のメンブレン部材２００を含むと示しているが、本発明の保護範囲が必ずしもこれに限定されると理解されてはいけない。参考例として圧電ユニット１９０は単一の（ｓｉｎｇｌｅ）圧電部材１００で形成でき、また、実施形態によってメンブレンユニット２９０は単一のメンブレン部材２００で形成できる。

以下、本発明の実施形態によるアクチュエータ素子１７５の基本的な構成について図１および図２を参照して説明する。

図１は本発明の実施形態によるアクチュエータ素子１７５を示した斜視図であり、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線による断面図である。

図１に示したように、本発明の実施形態によるアクチュエータ素子１７５は圧電部材１００とメンブレン部材２００が接着されている。この圧電部材１００は、圧電ユニット１９０が参考例として単一の圧電部材で形成される場合、その圧電部材であり得、圧電ユニット１９０が複数の圧電部材を含む場合、その複数の圧電部材のうちのいずれか一つであり得る。また、このメンブレン部材２００は、メンブレンユニット２９０が単一のメンブレン部材で形成される場合、そのメンブレン部材であり得、メンブレンユニット２９０が複数のメンブレン部材を含む場合、その複数のメンブレン部材のうちのいずれか一つであり得る。

図２に示されているように、圧電部材１００は圧電体１１０を含み、この圧電体１１０の上下両面に電極１０１、１０２が形成されて、外部の駆動回路から電気信号の印加を受ける。圧電体１１０はＰＺＴ（ｌｅａｄ ｚｉｒｃｏｎａｔｅ ｔｉｔａｎａｔｅ）、ＰＶＤＦ（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ ｄｉｆｌｕｏｒｉｄｅ）などの通常の圧電物質からなり、エッジ部材４００は硬度（ｈａｒｄｎｅｓｓ）が低く物質のヤング率（Ｙｏｕｎｇ'ｓ ｍｏｄｕｌｕｓ）が低くて不必要な振動をよく吸収し弾性が高いゴム、コーティング布、発泡ポリウレタン、エラストマー、シリコンなどの弾性物質からなり得る。電極１０１、１０２の材質として金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）などを用いることができるが、本発明では圧電体１１０の上下面に銀粉を熔かして表面に塗布して形成した。

このような圧電部材１００は接着剤２０１によってメンブレン部材２００に接着される。また、メンブレン部材２００は弾性があって圧電部材１００のウェーブ運動によって振動できる全ての部材を用いることができるが、メンブレン部材２００を電極として使用しようとする場合には電気伝導性の高い素材として黄銅板、ニッケル合金板、ステンレス鋼板のうちの一つ以上にすることができる。前記接着剤２０１として、通常圧電ブザー（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｂｕｚｚｅｒ）に使用する接着剤を用いることができ、このような接着剤は当業者に自明である。

このような本発明の実施形態によれば、メンブレン部材２００と接着剤２０１が導電性材質で形成されなくても、圧電体１１０の上下両面に形成された電極に電線を連結して駆動することができる。

一方、メンブレン部材２００を導電性材質で形成すれば、メンブレン部材２００を電極として活用することができる。この場合、圧電体１１０がメンブレン部材２００に接着される面に形成された電極の一部がメンブレン部材２００と接触するなどで電気的に連結できる。

これに加えて、接着剤２０１も導電性材質で形成されれば、図面上圧電体１１０の下面に電極を形成しなくてもメンブレン部材２００を電極として活用することができる。この場合、圧電部材１００とメンブレン部材２００の狭い隙間に電線を連結する労を省くことができる。

以下、本発明の実施形態によるアクチュエータ素子１７５が電気信号によって音響を発現する原理について説明する。

図３は本発明の実施形態によるアクチュエータ素子１７５の動作を説明するための図である。

本発明の実施形態によるアクチュエータ素子１７５は、圧電部材１００とメンブレン部材２００の電気膨張率の差によって曲げ運動する。ここで電気膨張率とは、ある物質に電気を印加した時に収縮または膨張する程度を意味する。

図３（ａ）は第１、第２電極１０１、１０２に電気を印加していない状態のアクチュエータ素子１７５の断面図である。図３（ｂ）は圧電部材１００とメンブレン部材２００の電気膨脹率が同一である場合のアクチュエータ素子１７５の断面図である。図３（ｃ）および図３（ｄ）は圧電部材１００とメンブレン部材２００の電気膨脹率が異なる場合、第１、第２電極１０１、１０２に電気を印加してメンブレン部材２００がウェーブ運動をするアクチュエータ素子１７５の断面図である。

圧電部材１００とメンブレン部材２００の電気膨脹率が同一である場合、圧電部材１００が膨張しても同一な比率でメンブレン部材２００も膨張するので、図３（ｂ）に示されているように、圧電部材１００とメンブレン部材２００はウェーブ運動をしない。

圧電部材１００とメンブレン部材２００の電気膨脹率が異なる場合、つまり、メンブレン部材２００の電気膨張率が圧電部材１００に比べて低い場合、これらに電気が印加されると、圧電部材１００は膨張するか収縮するが、メンブレン部材２００は膨張するか収縮する比率が非常に低くて、図３（ｃ）および図３（ｄ）に示されているように、圧電部材１００に接着されたメンブレン部材２００がウェーブ運動をする。これはバイメタルの原理と類似している。

圧電部材１００に比較的低い周波数の電気的音響信号が入力される場合には圧電部材１００が比較的に徐々に収縮または膨張をし、前記圧電部材１００の収縮または膨張運動によって前記圧電部材１００とメンブレン部材２００が長い波長のウェーブ運動をする。つまり、メンブレン部材２００の共振周波数（即ち、１次共振周波数）程度の低い周波数の音響が発生できる。

一方、圧電部材１００に比較的に高い周波数の電気的音響信号が入力される場合には圧電部材１００が比較的にはやく収縮または膨張をし、前記圧電部材１００の収縮または膨張運動によって前記圧電部材１００とメンブレン部材２００が短い波長のウェーブ運動をする。つまり、メンブレン部材２００の表面振動が形成され、これによって高い周波数の音響（例えば、２次および３次またはそれ以上次数の共振周波数）が発生できる。

図１乃至図３を参照した以上の説明では圧電部材１００がメンブレン部材２００の上側に付着されたものを例示して説明したが、圧電部材１００がメンブレン部材２００の下側に付着する実施形態の構成および作用はこのような説明を参照すれば容易に理解できる。

一方、再び図８および図９を参照して、本発明の実施形態では、圧電部材１００がメンブレン部材２００の一側面（即ち、図面上上側面）にのみ付着されなければならないのではなく（このような方式を以下ではユニモルフ式と呼ぶことにする）、図示されているように下側を含んで両側面に付着できる（このような方式を以下ではバイモルフ式と呼ぶことにする）。

以下、メンブレン部材２００の上面と下面にそれぞれ圧電部材１００、１００’が接着されたバイモルフ式アクチュエータ素子の実施形態についてその構成と作用を図４および図５を参照して説明する。

図４は本発明の実施形態によるアクチュエータ素子の断面図であって、メンブレン部材２００の上面と下面にそれぞれ圧電部材１００、１００’が接着されたものを示した図である。図５は図４に示された本発明の実施形態によるアクチュエータ素子の動作を説明するための図面である。

メンブレン部材２００の下面に付着される圧電部材１００’は上面に付着される圧電部材１００と同様に、圧電体１５０の上面および下面に電極１５１、１５２が形成され、接着剤２０１によってメンブレン部材２００に付着される。この電極１５１、１５２は電極１０１、１０２と同一な材質で同一な方式によって形成できる。

このようなバイモルフ式の場合には、上面に接着された圧電部材１００の収縮または膨張と下面に接着された圧電部材１００’の収縮または膨張が互いに反対になるようにする。これは上下圧電部材１００、１００’の極性またはこれらに印加される電源の極性によってこれらの収縮／膨張が反対になるようにすることができ、これは当業者が容易に理解できる。

このようなアクチュエータ素子１７５に特定の極性の電気を印加すれば、図５（ａ）に示されているように、メンブレン部材２００の上側圧電部材１００は膨張し下側圧電部材１００’は収縮する。一方、これと反対極性の電気を印加すれば、図５（ｂ）に示されているように、メンブレン部材２００の上側圧電部材１００は収縮し下側圧電部材１００’は膨張する。交流を印加する場合、このような動作が交番することによってアクチュエータ素子１７５はウェーブ運動する。

一方、メンブレン部材２００の上側にのみ圧電部材１００を接着した場合と同様に、メンブレン部材２００を導電体で形成し接着剤２０１を導電材質で形成する場合、電極１０２、１５２を省略しメンブレン部材２００を電極として活用することができる。この時、メンブレン部材２００の下側の圧電部材１００’と上側の圧電部材１００はメンブレン部材２００に付着される面を基準に極性を異にして付着することによって、圧電部材１００が膨張する場合に圧電部材１００’が収縮し、圧電部材１００が収縮する場合に圧電部材１００’が膨張するように付着することができる。このような場合、図５（ｃ）のように回路を構成して電源を印加することによってアクチュエータ素子１７５のウェーブ運動を実現することができる。

アクチュエータ素子１７５をバイモルフ式で構成する場合、上下二つの圧電部材１００、１００’によってウェーブ運動が調節されるので、同一面積のメンブレン部材２００の振幅が増加される。メンブレン部材２００（または、これに付着された被動部材２５０）の振幅は音圧に換算されるので、結局音圧が増加する。

前述で図８および図９を参照して、本発明の実施形態による音響アクチュエータのメンブレンユニット２９０は被動部材２５０を含むと説明したことがある。以下の説明では被動部材を採用する実施形態の構成と作用について説明する。

図６はこのように被動部材２５０が含まれているアクチュエータ素子１７５の断面図を示している。

図６に示されているように、本発明の実施形態によれば、メンブレンユニット２９０のメンブレン部材２００には被動部材２５０が接着剤２５１によって付着される。したがって、前記メンブレンユニット２９０が前記メンブレン部材２００の長さ方向に延長され、前記メンブレン部材２００のウェーブ運動が増幅される。図６では被動部材２５０がメンブレン部材２００の端に付着されたことを示しているが、本発明の保護範囲が必ずしもこれに限定されると理解されてはいけない。比較的に広い面積でメンブレンユニット２９０に付着できる。また、図６ではメンブレンユニット２９０の両端に被動部材２５０がそれぞれ付着されたことを示しているが、本発明の保護範囲が必ずしもこれに限定されると理解されてはいけない。メンブレンユニット２９０と上下圧電ユニット１９０の間で、メンブレンユニット２９０の両端をつなぐように一つの被動部材２５０が付着できる。

被動部材２５０と接着剤２５１は導電性材質である必要はなく、この場合、電源は圧電部材１００、１００’の電極またはメンブレン部材２００を通じて供給できる。

このような本発明の実施形態で、メンブレン部材２００が黄銅板、ニッケル合金板、白青銅（ｗｈｉｔｅ ｂｒｏｎｚｅ）、燐青銅、ステンレス鋼のように導電性物質や多少重い場合（より正確に表現すれば、材質特性上共振周波数が高く形成される場合）、被動部材２５０が効果的に活用できる。つまり、メンブレン部材２００より共振周波数が低い被動部材２５０を使用することによって、アクチュエータ素子１７５の全体共振周波数を低め、これによってより低音の音響を効果的に発揮することができるためである。このための被動部材２５０として厚さが薄かったり長さが長かったりなど、当業者は必要な共振周波数を考慮して被動部材２５０の材質（ｍａｔｅｒｉａｌ）と諸元（ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）を決めることができる。一例として、本発明の実施形態で被動部材２５０はアルミニウム、ベリリウム、マグネシウム、チタニウム、パルプ、ポリマー材料のうちの一つ以上の材質にすることができる。

再び図８および図９を参照して、本発明の実施形態による音響アクチュエータは片持ち梁方式（図８参照）でも、両持ち梁方式（図９参照）でも実現できる。以下、片持ち梁方式と両持ち梁方式の各実施形態に関し、これらの作用について図７（ａ）および図７（ｂ）を参照して詳しく説明する。図７では支持部材３００の例としてボルト３５１とナット３５２を示している。

図７（ａ）は支持部材３００としてのボルト３５１とナット３５２の一方向にのみアクチュエータ素子１７５が形成された片持ち梁（Ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ）を示したものであり、図７（ｂ）は支持部材３００としてのボルト３５１とナット３５２の対向側両側にアクチュエータ素子１７５が形成された両持ち梁を示したものである。

本発明の実施形態による片持ち梁または両持ち梁方式の両方ともに上記式（１）が同一に適用される。つまり、共振周波数はメンブレンユニット２９０の長さおよび厚さと関係する。

この時、前記圧電部材１００が支持部材３００を基準に非対称に形成されていれば、支持部材３００を基準に左右側にある圧電ユニット１９０の共振周波数および振幅は異なるのが分かる。

したがって、図７（ｂ）に示されているように本発明の実施形態による両持ち梁方式のアクチュエータ素子１７５によれば、両持ち梁の両側にはそれぞれの長さおよび厚さが異なる圧電部材１００およびメンブレン部材２００が形成できる。この場合、支持部材３００の両側は互いに異なる共振周波数と振幅を有する。したがって、このような非対称のアクチュエータ素子１７５によれば周波数帯域幅の平滑度を向上することができる。

例えば、図７（ｂ）に示された支持部材３００の右側のアクチュエータ素子は低い１次共振周波数を有すれば、この右側部分は高い周波数に関しては音圧が低く形成できる。これはこの右側部分で２次、３次およびさらに高い次数の共振周波数が形成されるが、次数が高くなるほど共振の強さが急激に減少するためである。したがって、支持部材３００の左側部分の長さを短くしたり厚さを大きくするなどの方法でこの左側部分の共振周波数を右側部分より高いようにすることによって高い周波数の音圧を補償することができ、これによって左右側全体の音圧はより広い周波数帯域で平滑度が向上する。

再び図８と図９を参照して、本発明の実施形態による圧電ユニット１９０が複数の圧電部材１００を含み、本発明の実施形態によるメンブレンユニット２９０が複数のメンブレン部材２００を含むと示しているが、本発明の保護範囲が必ずしもこれに限定されると理解されてはいけない。参考例として圧電ユニット１９０は単一の（ｓｉｎｇｌｅ）圧電部材１００で形成でき、また、実施形態によってメンブレンユニット２９０は単一のメンブレン部材２００で形成できる。

また、図８と図９を参照して、本発明の実施形態によるメンブレンユニット２９０は被動部材２５０を含むと示している。しかし、本発明の保護範囲が必ずしもこれに限定されると理解されてはいけない。実施形態によって被動部材２５０を採用しなくてもよい。

図１０はこのような多様な変形例を説明するための平面図である。

図１０（ａ）は参考例であって、圧電ユニット１９０は単一の圧電部材１００で形成され、メンブレンユニット２９０は被動部材２５０を採用せず単一のメンブレン部材２００で形成されることを示している。

図１０（ｂ）は参考例であって、圧電ユニット１９０は単一の圧電部材１００で形成され、メンブレンユニット２９０は単一のメンブレン部材２００で形成され、そのメンブレン部材２００の端に被動部材２５０が付着されることを示している。

図１０（ｃ）は、圧電ユニット１９０は複数の圧電部材１００を含み、メンブレンユニット２９０は被動部材２５０を採用せず単一のメンブレン部材２００で形成されることを示している。つまり、単一のメンブレン部材２００上の同一平面上に複数の圧電部材１００が並列に配置（即ち、幅方向に配列）される。

図１０（ｄ）は、圧電ユニット１９０は複数の圧電部材１００を含み、メンブレンユニット２９０は単一のメンブレン部材２００で形成され、そのメンブレン部材２００の端に被動部材２５０が付着されることを示している。

図１０（ｅ）は、圧電ユニット１９０は複数の圧電部材１００を含み、メンブレンユニット２９０は複数のメンブレン部材２００で形成され、そのメンブレン部材２００の端を連結して被動部材２５０が付着されることを示している。この場合、圧電部材１００とメンブレン部材２００は同一な数で形成されて、圧電部材１００それぞれがメンブレン部材２００それぞれに接着される。このような状態でメンブレン部材２００の端を被動部材２５０が互いに連結する。

圧電ユニット１９０が複数の圧電部材１００を含む構成によって多様な長所を得ることができる。

まず、同一な幅と長さのメンブレン部材２００上に圧電部材１００を付着する場合、一つの圧電部材１００を付着することに比べて、並列に配置された複数の圧電部材１００を付着することが圧電部材１００の長さ対幅の比率を増加させる。これは圧電部材１００の幅方向曲げがさらに無視すべきものになるようにし、結果的に長さ方向ウェーブ運動がさらに鮮明に増幅されることを意味する。

また、多様な諸元の音響アクチュエータを便利に生産することができる。メンブレンユニット２９０の幅を増加させると周波数特性に影響を与えずに音圧を増加させることができる。つまり、同一な周波数特性の様々な異なる音圧の音響アクチュエータを作る必要がある場合には様々な幅のメンブレンユニットを使用するようになる。この時、単一の圧電部材を使用する場合、メンブレンユニットの幅によって圧電部材の幅も異にして形成しなければならない。しかし、複数の圧電部材を使用すれば、基本になる圧電部材をただ幅方向に配列することによって様々な異なる幅のメンブレンユニットに対処することができる。これは生産過程で様々な幅の圧電部材を生産する必要なく、いくつかの基本になる諸元の圧電部材のみを生産すれば良いことを意味するので、生産費用を減らすことができる。

再び図８および図９を参照して、支持部材３００はアクチュエータ素子１７５の幅方向に形成された一つの部材と示されているが、本発明の保護範囲が必ずしもこれに限定されると理解されてはいけない。これに関する多様な変形が可能である。以下、支持部材３００の多様な変形例とこれらがアクチュエータ素子１７５と結合する多様な変形例について図１１乃至図１３を参照して詳しく説明する。

図１１は支持部材３００の多様な変形例を示す図である。

支持部材３００は、図８および図９に示されているように、アクチュエータ素子１７５の幅方向に形成された一つの部材で形成できる。これは、図１１（ａ）に示されているように、アクチュエータ素子１７５の下側でこれに結合するものであり得る。また、図１１（ｂ）に示されているように、支持部材３００はアクチュエータ素子１７５の上側でこれに結合するものであり得る。その他に、図１１（ｃ）に示されているように、支持部材３００がアクチュエータ素子１７５の上側と下側にそれぞれ形成されてこれに結合するものであり得る。

また、支持部材３００は図８および図９に示された板型の部材であり得、図１１（ｄ）に示されているようにボルト３５１とナット３５２を含むものであり得る。このようなボルト／ナット方式の支持部材３００は図７（ａ）および図７（ｂ）を参照して既に説明したことがある。

また支持部材３００は、必ずしもアクチュエータ素子１７５を線形に支持しなければならないのではなく、図１１（ｅ）に示されているように、アクチュエータ素子１７５の一地点を支持するものであり得る。

図１２と図１３は、ボルト３５１とナット３５２を支持部材３００の例にして、支持部材３００とアクチュエータ素子１７５の結合に関する多様な変形例を示す図である。

図１２は支持部材３００としてのボルト３５１とナット３５２がアクチュエータ素子１７５の圧電ユニット１９０およびメンブレンユニット２９０の両方ともに結合することを示している。このうちの図１２（ａ）は支持部材３００が圧電ユニット１９０の一端に結合することによって片持ち梁形式の音響アクチュエータを実現することを示し、図１２（ｂ）は支持部材３００が圧電ユニット１９０の中間位置（ｉｎｔｅｒｉｏｒ ｌｏｃａｔｉｏｎ）に結合することによって両持ち梁形式の音響アクチュエータを実現することを示している。

図１３は支持部材３００としてのボルト３５１とナット３５２がアクチュエータ素子１７５の中のメンブレンユニット２９０にのみ結合することを示している。

図１３（ａ）は圧電ユニット１９０が支持部材３００の一方向にのみ密着して形成されることを示している。図１３（ｂ）は圧電ユニット１９０が支持部材３００の一方向にのみ離隔して形成されることを示している。

図１３（ｄ）は圧電ユニット１９０が支持部材３００の両側方向に密着して形成されることを示している。図１３（ｃ）は圧電ユニット１９０が支持部材３００の両側方向に離隔して形成されることを示している。

つまり、図８乃至図１０を参照した説明ではアクチュエータ素子１７５に圧電ユニット１９０が長さ方向には一つのみ配置されたことを示して説明したが、本発明の保護範囲が必ずしもこれに限定されると理解されてはいけない。本発明の実施形態によるアクチュエータユニット１７５は長さ方向に配列された複数の圧電ユニット１９０を含むことができ、その間で支持部材３００がメンブレンユニット２９０に結合するものであり得る。

一方、支持部材３００とアクチュエータ素子１７５とのこのような多様な結合方式で、支持部材はアクチュエータ素子１７５と直接当接して結合するものであり得、図１２および図１３に示されているように弾力部材３６０を介して結合するものであり得る。

例えば、低周波の音響のみが必要な場合には、表面振動が多く必要でないので、表面振動を抑制するために支持部材３００をねじまたはハードロックのような強度が高い接着剤を用いて堅く結合することができる。

高周波の音響が多く必要な場合には、表面振動が多く必要であるので、支持部材３００と圧電部材１００の間にゴム、コーティング布、発泡ポリウレタン、エラストマー、シリコンなどの弾力部材３６０を挿入することができる。ねじ結合でない接着方式で結合する支持部材３００の場合、軟質の接着剤が前記弾力部材３６０として使用され得る。

以下、本発明の実施形態による音響アクチュエータの動作と作用を図１４を参照して詳しく説明する。

図１４は本発明の実施形態による音響アクチュエータの動作を示す概略的な断面図である。

周波数が低い場合には、図１４（ａ）に示されているように、圧電ユニット１９０の収縮と膨張の反復によってメンブレンユニット２９０に全般的な曲げ運動（ｏｖｅｒａｌｌ ｂｅｎｄｉｎｇ）が起こる。

図面ではメンブレンユニット２９０が圧電ユニット１９０から延長された部分が圧電ユニット１９０の端から直線で延長されて振動すると示されているが、これは理解の便宜のために極度に低い周波数（即ち、ほぼ直流に近い周波数）に対してこのように示したのである。音響アクチュエータが正常的な音響を発揮するメンブレンユニット２９０の共振周波数程度の交流では、メンブレンユニット２９０の振動が非常に活発になって圧電ユニット１９０の曲げ運動に対比してはるかに大きい振幅で振動し、これは全般的にウェーブ運動で表現される。

メンブレンユニット２９０の共振周波数をはるかに超過する高い周波数の信号が印加される場合には、図１４（ｂ）に示されているように、メンブレンユニット２９０に表面振動が起こって高周波音響が発生する。

したがって、メンブレンユニット２９０の共振周波数程度の低い周波数からそれ以上の高い周波数までの広い周波数帯域の周波数が混じった合成された信号が印加される場合には、図１４（ｃ）に示されているように、メンブレンユニット２９０には曲げ運動と表面振動が組み合わせられたウェーブ運動が起こって、音響アクチュエータでは低周波音響と高周波音響を同時に発現する。

図１４（ｂ）と図１４（ｃ）ではメンブレンユニット２９０が一つの周波数と振幅のサイン波で振動するように示したが、これは理解の便宜のためのものであって、印加される信号によって様々な周波数と振幅でメンブレンユニット２９０が振動できるのは当業者に自明である。

このようなアクチュエータ素子１７５に特定の極性の電気が印加されると前述のように曲げ運動が発生し、反対極性の電気が印加されると反対方向に曲げ運動が発生する。この曲げ運動が繰り返されることによってウェーブ運動が形成される。

以下では、円形に形成される公知の圧電スピーカに対比して、本発明の実施形態による線形のアクチュエータ素子１７５が非常に低い共振周波数を有し、したがって非常に小さい大きさでも十分に低い周波数帯域を実現することができるのを説明する。

通常の円形の圧電ブザーで実現される共振周波数は図１７のように整理される。通常の円形の圧電ブザーに対比して、本発明の実施形態によるアクチュエータ素子の共振周波数は下記のように計算される。

上記のような共振周波数および共振定数を参考に、２０Ｈｚを出すための薄板／片持ち梁の大きさは図１８に示された通りである。即ち、２０Ｈｚの音を出すためにノード支持方式では圧電ブザーの直径が３０７ｍｍで非常に大きく形成されなければならず、角支持方式によっては直径が２３１ｍｍにならなければならず、中心支持方式によっても１９８ｍｍにならなければならない。しかし、本発明の実施形態による片持ち梁方式のアクチュエータ素子によっては、長さが約９６ｍｍだけで形成されても２０Ｈｚの音響を発現することができる。これは円形の圧電スピーカに対比して、線形に形成されること自体でも非常に小さい大きさで実現されるのであり、その長さも通常の圧電ブザーの半径にもならないのが分かる。

一方、圧電部材１００の長さ方向にメンブレン部材２００が延長されて形成される場合、圧電部材とメンブレン部材２００の付着部分に比べてメンブレン部材のみで形成された部分（即ち、延長された部分）は振動に敏感であるようになるのは自明である。これは交流が印加される場合、延長された部分が圧電部材部分より大きい幅で振動するようになるのを意味する。つまり、結局メンブレン部材全体に圧電部材を付着するより、その一部に圧電部材を付着するのがさらに活発な振動を通して音圧を向上することができるのを意味する。

以上の説明では本発明の実施形態による単独の音響アクチュエータおよびその作用について詳しく説明した。しかし、このような２つ以上の音響アクチュエータが同時に使用されて広い音域帯の音を発生させることができる。以下では、本発明の実施形態による複数の音響アクチュエータを採用する音響アクチュエータシステムについて図１５および図１６を参照して詳しく説明する。

図１５および図１６は本発明の実施形態による音響アクチュエータシステムであって、第１音響アクチュエータ６１０、７１０、８１０、９１０と第２音響アクチュエータ６２０、７２０、８２０、９２０の多様な組み合わせを示す平面図である。

図１５（ａ）は第１、第２音響アクチュエータ６１０、６２０それぞれは支持部材３００を基準に左右非対称である音響アクチュエータの例として第１、第２音響アクチュエータ６１０、６２０が互いに同一な規格で形成されることを示したが、本発明の保護範囲が必ずしもこれに限定されると理解されてはいけない。これら第１、第２音響アクチュエータ６１０、６２０が互いに異なる規格で形成でき、この場合、さらに多い共振周波数の実現が可能で、平滑度がより向上する。

図１６（ｂ）は第１、第２音響アクチュエータ９１０、９２０が互いに異なる規格（ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）で形成され、第１音響アクチュエータ９１０を片持ち梁式音響アクチュエータと示しており、第２音響アクチュエータ９２０は両持ち梁式音響アクチュエータと示している。このような実施形態によれば、同一な大きさの両持ち梁式音響アクチュエータに比べて低い共振周波数を有することができる片持ち梁式音響アクチュエータが採用されるので、音響アクチュエータシステムが実現できる低音の周波数帯域を拡大することができる。

前記各第１、第２音響アクチュエータ組み合わせ６１０、６２０、７１０、７２０、８１０、８２０、９１０、９２０はそれぞれ共有された圧電ユニットドライバー７５０によって連結されて共に駆動されながら音響を発生させる。

１００：圧電部材
１０１：第１電極
１０２：第２電極
１１０：圧電体
１５０：補助圧電部材
１５１：第３電極
１５２：第４電極
１６０：電気供給源
１７５：アクチュエータ素子
１９０：圧電ユニット
２００：メンブレン部材
２０１、２５１：接着剤
２５０：被動部材
２９０：メンブレンユニット
３００：支持部材
３５１：ボルト
３５２：ナット
３６０：弾力部材
４００：エッジ部材
５００：フレーム
６００：音響アクチュエータシステム
６１０：第１音響アクチュエータ
６２０：第２音響アクチュエータ
７００：音響アクチュエータシステム
７１０：第１音響アクチュエータ
７２０：第２音響アクチュエータ
７５０：圧電ユニットドライバー
８００：音響アクチュエータシステム
８１０：第１音響アクチュエータ
８２０：第２音響アクチュエータ
９００：音響アクチュエータシステム
９１０：第１音響アクチュエータ
９２０：第２音響アクチュエータ

Claims (13)

1. 印加電気信号に対応する音響を発生するアクチュエータ素子（ａｃｔｕａｔｏｒ ｅｌｅｍｅｎｔ）と、
   前記アクチュエータ素子の運動軸を形成するように前記アクチュエータ素子を支持する支持部材（ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｍｅｍｂｅｒ）と、
   前記アクチュエータ素子に連結されるエッジ部材（ｅｄｇｅ ｍｅｍｂｅｒ）と、
   を含む音響アクチュエータであって、
   前記アクチュエータ素子は、
   長さが幅の√２倍以上である一つ以上の圧電部材（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｅｍｂｅｒ）を含む圧電ユニット（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｕｎｉｔ）と、
   前記一つ以上の圧電部材の長さ方向に前記圧電ユニットから延長されるように前記圧電ユニットに固定接着されて、前記圧電ユニットに電流が印加されることによってその延長方向にウェーブ運動（ｗａｖｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔ）して前記印加電気信号に対応する音響を発生する一つ以上のメンブレン部材を含むメンブレンユニット（ｍｅｍｂｒａｎｅ ｕｎｉｔ）と、
   を含み、
   前記圧電ユニットは、同一平面上に幅方向に平行に配置された複数の圧電部材を含むことを特徴とする音響アクチュエータ。
2. 前記メンブレンユニットは、
   前記メンブレン部材の長さ方向に前記メンブレンユニットが延長されるように前記メンブレン部材に接着されて、前記メンブレン部材のウェーブ運動を増幅する被動部材をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の音響アクチュエータ。
3. 前記支持部材は、
   前記アクチュエータ素子を非対称に分割する位置に形成されたことを特徴とする請求項１又は２記載の音響アクチュエータ。
4. 前記支持部材は前記メンブレンユニットに付着され、前記圧電ユニットは前記支持部材から圧電ユニットの長さ方向に離隔して形成されることを特徴とする請求項１又は３記載の音響アクチュエータ。
5. 前記メンブレンユニットは、
   前記複数の圧電部材と同一な数のメンブレン部材を含み、それぞれの圧電部材がそれぞれのメンブレン部材に接着されたことを特徴とする請求項１に記載の音響アクチュエータ。
6. 前記メンブレンユニットは、
   前記複数のメンブレン部材の長さ方向に前記メンブレンユニットが延長されるように前記複数のメンブレン部材の端を互いに連結して、前記複数のメンブレン部材のウェーブ運動を増幅する被動部材をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の音響アクチュエータ。
7. 前記圧電ユニットは、メンブレンユニットの上面および下面に接着されたことを特徴とする請求項１乃至６のうちのいずれか一項に記載の音響アクチュエータ。
8. 前記アクチュエータ素子の表面振動を許容するように前記アクチュエータ素子と支持部材の間に介される弾力部材をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至６のうちのいずれか一項に記載の音響アクチュエータ。
9. 請求項１乃至８のうちのいずれか一項による第１音響アクチュエータと、
   請求項１乃至８のうちのいずれか一項による第２音響アクチュエータと、
   前記第１、第２音響アクチュエータを共に駆動する圧電ユニットドライバーと、
   を含むことを特徴とする音響アクチュエータシステム。
10. 前記第１音響アクチュエータと第２音響アクチュエータのそれぞれは、その支持部材を基準に非対称であることを特徴とする請求項９に記載の音響アクチュエータシステム。
11. 前記第１音響アクチュエータと第２音響アクチュエータが互いに異なる規格であって、
    前記第１音響アクチュエータと第２音響アクチュエータのそれぞれは、その支持部材を基準に対称であることを特徴とする請求項９に記載の音響アクチュエータシステム。
12. 前記第１音響アクチュエータと第２音響アクチュエータが互いに異なる規格であって、
    前記第１音響アクチュエータはその支持部材を基準に対称であり、前記第２音響アクチュエータはその支持部材を基準に非対称であることを特徴とする請求項９に記載の音響アクチュエータシステム。
13. 前記第１音響アクチュエータは片持ち梁形式で形成され、
    前記第２音響アクチュエータは両持ち梁形式で形成されることを特徴とする請求項９に記載の音響アクチュエータシステム。

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