JPH0884396A - 圧電スピーカ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡易かつ低廉に構成可能ながら、音量を増大
可能な圧電スピーカを提供する。 【構成】 厚み方向に分極形成された平板状の圧電素子
１と、上面中央部２ａ１に無数の微小径の貫通した孔５
を設けた金属製の平板状のダイヤフラム２とを具備し、
前記ダイヤフラム２の上面中央部２ａ１に，前記圧電素
子１の底面１ｂを貼着して構成されたことを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電効果を用いた比較
的小型の電気−音響変換素子である圧電スピーカ（クリ
スタルスピーカ）に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、圧電素子の圧電効果を利用し
た電気−音響変換素子たる圧電スピーカが存在してお
り、動電スピーカ（ダイナミックスピーカ）と比較し
て、小型・薄型・軽量・安価・磁気回路が不要・高駆動
インピーダンス・低駆動電力・共振周波数を任意に設定
可能といった数多くの特徴を生かして、主に小型の電子
機器の発音体として広く採用されている。

【０００３】従来の圧電スピーカを図面を用いて説明す
る。図５（ａ）は従来の圧電スピーカの全体斜視図、図
５（ｂ）は同・構成概念図、図５（ｃ）は正断面図であ
る。図６（ａ）は同・圧電素子からの評価モデルの切り
出し方法を示す平面図、図６（ｂ）は同・評価モデルの
全体斜視図である。図７は同・評価モデルの各部寸法説
明図である。

【０００４】図中、Ａは圧電スピーカ、１は圧電素子、
１ａは圧電素子上面、１ｂは圧電素子底面、２はダイヤ
フラム、２ａはダイヤフラム上面、２ｂはダイヤフラム
底面、３は導電性接着剤、４ａ，４ｂは導線である。

【０００５】図５（ａ）乃至（ｃ）に示す従来の圧電ス
ピーカＡは、素子面に対して鉛直方向に予め電気分極が
付与された、ＢａＴｉＯ₃（チタン酸バリウム）や、Ｐ
ｂＺｒＯ₃とＰｂＴｉＯ₃の固溶体等の材質からなる平板
状の圧電素子１底面１ｂを、導電性接着剤３を介して金
属等の導体からなる平板状のダイヤフラム２上面２ａに
貼着し、圧電素子１上面１ａとダイヤフラム２底面２ｂ
とに導線４ａ，４ｂのそれぞれ一端をハンダ付け接続し
て引出すことにより構成されている。

【０００６】これら導線４ａ，４ｂのそれぞれ他端を図
示しない発振器に接続し、可聴周波数の交流駆動電圧を
印加すると、圧電効果に基づき圧電素子１が当該圧電素
子１上面１ａと底面１ｂとで互いに相補的に当該周波数
で周期的に伸縮動する。当該圧電素子１の伸縮動を受け
て、当該圧電素子１底面１ｂに貼着されたダイヤフラム
２が厚み方向に撓み振動し、当該ダイヤフラム２近傍の
空気の密度が変化し、これが周囲空間の空気を伝導する
事によって音波が放射される。

【０００７】このような圧電スピーカＡについて、各部
寸法と放射される音量との関係式を説明する。ここでは
計算を簡略化する為に図６（ａ），（ｂ）に示す様に、
圧電スピーカＡから微小幅ｂの個片を切り取り、自由空
間に置かれた、評価モデルを仮想する。

【０００８】ここでは計算の簡略化の為に、導電性接着
剤３は厚みが無視できる程薄いものと仮定し、図示しな
い。圧電素子１に所定の駆動電圧を印加した結果、圧電
素子１が水平方向に伸長し、ダイヤフラム２に曲げモー
メントＭが加わり、図７に示す様に圧電素子１底面１ｂ
が駆動電圧の無印加時の底面１ｂに対し鉛直方向に変位
λだけ撓んだものとすると、底面１ｂの曲率半径Ｒは、
ヤング率Ｅ，ダイヤフラム２の断面二次モーメントＩ及
び曲げモーメントＭから、 Ｒ＝Ｅ・Ｉ／Ｍ ……（式１） ダイヤフラム２の断面二次モーメントＩは、ダイヤフラ
ム２の幅ｂ及び厚さｈから、 Ｉ＝ｂ・ｈ³／１２ ……（式２） なる関係式が得られる。

【０００９】又、圧電素子１底面１ｂの撓み変位量λ
は、曲率半径Ｒ及び角度θから、 λ＝Ｒ｛１−cos（θ／２）｝ ……（式３） 圧電素子１の全長Ｌは、曲率半径Ｒ及び角度θから、 Ｌ＝Ｒ・θ ……（式４） （θ：曲率半径Ｒの中心点から圧電素子１の両端を臨む
角度（rad）） 以上（式１）乃至（式４）の４式が得られる。

【００１０】圧電スピーカＡから所定距離だけ離れた場
所における音量Ｐと、ダイヤフラム２の撓み変位量λと
は相互に比例関係にあり、その比例係数をαと定義す
る。（式１），（式２），（式４）と（式３）をマクロ
ーリン展開で近似した式から、音量Ｐについて解くと Ｐ＝３α・Ｍ・Ｌ²／（２Ｅ・ｂ・ｈ³） ……（式５） が得られる。

【００１１】音量Ｐを増大させるには、当該（式５）か
ら、曲げモーメントＭ，圧電素子１の全長Ｌを大きくす
るか、ダイヤフラム２のヤング率Ｅ，幅ｂ，厚さｈを小
さくすれば良い。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来の圧電スピーカＡは、動電スピーカと比較すると、
電気的・機械的な駆動インピーダンスが高い為、音圧は
低く、得られる音量が小さい欠点を有していた。

【００１３】この為、一般的には、当該圧電スピーカＡ
を図示しない装置筐体へ貼着して実質的にダイヤフラム
２の面積を増大させたり、或いは当該圧電スピーカＡを
図示しない共鳴箱に一体内蔵構成して特定周波数付近の
周波数特性を増強する等、音量を増大させる手段が用い
られているが、その用途は、専ら設置スペースが制限さ
れる各種の小型電子機器において、前記動電スピーカの
代替部品として使用される程度に制限されていた。

【００１４】用途を拡大する為に音量を増大させようと
しても、前記（式１）乃至（式５）の圧電スピーカの関
係式に示した通り、曲げモーメントＭは圧電素子１の材
質及び形状から、全長Ｌは圧電素子１の直径から、ヤン
グ率Ｅはダイヤフラム２の材質から、幅ｂ及び厚さｈは
ダイヤフラム２の直径及び厚さからそれぞれ決定され、
これら材質固有の特性値に依存するところが大きく、適
切な材質を選択したとしても、原理的な音量の増大は殆
ど見込めなかった。

【００１５】又、ダイヤフラム２の材質には、圧電素子
１底面１ｂと導線４ｂとを電気的に接続して駆動電圧を
印加すべく、導体たる金属が採用されている。しかしな
がら、金属は曲げ剛性が高い為、圧電素子１の水平方向
の伸縮動の変位は小さく、ダイヤフラム２の垂直方向の
撓みによる変位は小さく、結果的に音量が小さいことが
克服されていなかった。

【００１６】ここにおいて本発明は、簡易かつ低廉に構
成可能ながら、音量を増大可能な圧電スピーカを提供す
る。

【００１７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決する為
に、本発明は次に列挙する具体的技術手段を採用する。
則ち、本発明の第１の特徴は、厚み方向に分極形成され
た平板状の圧電素子と、上面中央部に無数の微小径の貫
通した孔を設けた金属製の平板状のダイヤフラムとを具
備し、前記ダイヤフラムの上面中央部に，前記圧電素子
の底面を貼着して構成された圧電スピーカである。

【００１８】本発明の第２の特徴は、厚み方向に分極形
成された平板状の圧電素子と、上面の中央部に無数の微
小径の貫通した孔を設けると共に，上面の中央部以外に
無数の微小径の貫通しない孔を設けた金属製の平板状の
ダイヤフラムとを具備し、前記ダイヤフラムの上面中央
部に，前記圧電素子の底面を貼着して構成された圧電ス
ピーカである。

【００１９】本発明の第３の特徴は、厚み方向に分極形
成された平板状の圧電素子と、上面全体に亙って無数の
微小径の貫通した孔を設けた金属製の平板状のダイヤフ
ラムとを具備し、前記ダイヤフラムの上面中央部には，
前記圧電素子の底面を貼着すると共に、前記ダイヤフラ
ムの上面中央部以外には，非通気性を有するフィルムを
貼着して構成された圧電スピーカである。

【００２０】

【実施例】本発明は、上記の様な具体的実施態様を呈
し、次に本発明の実施例を図面を用いて説明する。図１
（ａ）は本発明の第１実施例の圧電スピーカの全体斜視
図、（ｂ）は構成概念図、（ｃ）は正断面図である。図
２（ａ）は同・圧電スピーカの原理的モデルの平面図、
（ｂ）は同・全体斜視図である。

【００２１】図中、Ｂ１は圧電スピーカ、１は圧電素
子、１ａは圧電スピーカ上面、１ｂは圧電スピーカ底
面、２はダイヤフラム、２ａはダイヤフラム上面、２ｂ
はダイヤフラム底面、３は導電性接着剤、４ａ，４ｂは
導線、５は貫通孔である。尚、以下の説明において、貫
通孔とは表裏面間を突き抜けた孔を、穿設孔とは表裏面
間を突き抜けないいわゆる盲孔を指すものとし、貫設・
穿設の用語の定義もそれぞれこれらに準ずるものとす
る。

【００２２】図１（ａ）乃至（ｃ）に示す第１実施例の
圧電スピーカＢ１の、前記従来例との圧電スピーカＡと
の構成上の共通点は、素子面に対して鉛直方向に予め電
気分極が付与された、ＢａＴｉＯ₃（チタン酸バリウ
ム）やＰｂＺｒＯ₃とＰｂＴｉＯ₃の固溶体等を焼結し磨
き上げて作成された平板状の圧電素子１底面１ｂを、導
電性接着剤３を介して金属等の導体からなる平板状のダ
イヤフラム２上面２ａに貼着し、圧電素子１上面１ａと
ダイヤフラム２底面２ｂとに導線４ａ，４ｂのそれぞれ
一端をハンダ付け接続して引き出し構成した点である。

【００２３】本実施例の圧電スピーカＢ１と、従来例の
圧電スピーカＡとの構成上の相違点は、本実施例の圧電
スピーカＢ１が、圧電素子１とのダイヤフラム２上面２
ａ中央部２ａ１全体に亙って、無数の微小径の貫通孔５
を貫設しており、前記従来例の圧電スピーカＡには当該
貫通孔５を貫設していない点にある。貫通孔５を貫設し
た事は、巨視的に見ると、則ち実質的にダイヤフラム２
の幅ｂを小さくした事と等価である。

【００２４】例えば、ダイヤフラム２ａの任意の断面を
示すた図２の様に、直径Ｄの貫通孔５をｎ個貫設してお
くと、ダイヤフラム２ａを撓まそうとする力は、当該ダ
イヤフラム２ａにおいて、貫通孔５が貫設されていない
部分のみにしか働かない為、実質的に当該ダイヤフラム
２ａの幅（ｂ−Ｄ・ｎ）に減少したものと見做す事が出
来る。

【００２５】この場合の音量Ｐxは前記（式５）より、 Ｐx＝３α・Ｍ・Ｌ²／｛２Ｅ（ｂ−Ｄ・ｎ）ｈ³｝ ……（式６） となる。

【００２６】貫通孔５を設けた場合と設けていない場合
に放射される音量の比は、（式５）乃至（式６）から、 Ｐx／Ｐ＝ｂ／（ｂ−Ｄ・ｎ） ……（式７） と算出される。

【００２７】音量の相対レベルをデシベル表示すると、 Ｄ（ｄＢ）＝１０log（Ｐx／Ｐ） ＝１０log｛ｂ／（ｂ−Ｄ・ｎ）｝ ……（式８） と算出される。当該（式８）から、貫通孔５の径Ｄの増
加及び貫通孔５の総数ｎの増加に伴い、音量が増大する
ことが原理的に示される。

【００２８】尤も、ここで単純に貫通孔５の径Ｄのみを
増大すると、当該貫通孔５の中心部分に駆動電圧が印加
されなくなる結果、駆動効率の低下を誘起してしまう。
本実施例ではこの問題を回避する為、無数の微小径Ｄの
貫通孔５を貫設する構造を採用したものである。

【００２９】本実施例は、このような具体的実施態様を
呈する結果、前記従来例と比較してダイヤフラムの撓み
変位量が増加するので、圧電スピーカから放射される音
量を増大する事が可能となる。

【００３０】本発明の第２実施例を図面を用いて説明す
る。図３（ａ）は本実施例の圧電スピーカの全体斜視
図、図３（ｂ）は同・構成概念図、図３（ｃ）は同・正
断面図である。図中、Ｂ２は圧電スピーカ、６は穿設孔
である。尚、前記第１実施例と同一部材には同一記号を
付与した。

【００３１】本実施例の圧電スピーカＢ２の構造を、前
記第１実施例の圧電スピーカＢ１との相違点につき説明
する。本実施例の圧電スピーカＢ２は、前記第１実施例
の圧電スピーカＢ１のダイヤフラム２上面２ａにおい
て、前記圧電素子１底面１ｂと貼着される中央部２ａ１
には無数の微小径の貫通孔５を、貼着されない上面２ａ
中央部２ａ１以外の周囲部２ａ２には、ダイヤフラム２
上面２ａから底面２ｂ迄貫通しない無数の微小径の穿設
孔６が穿設されている。

【００３２】当該穿設孔６は、貫通孔５とは異なり、ダ
イヤフラム２の上面２ａ及び底面２ｂ相互間で貫通して
おらず、空気の流通を防止している。

【００３３】当該穿設孔６は、ダイヤフラム２ｂの表裏
何れの面から穿設しても構わない。又、当該穿設孔６の
穿設深さは、出来る限り深い方が、ダイヤフラム２ｂの
撓み変位量λが増加する為好ましいと言えるが、当該ダ
イヤフラム２ｂの強度との兼ね合いもあり、両者を勘案
しつつ、適宜の穿設深さを選択する事が望ましい。

【００３４】本実施例は、このような具体的実施態様を
呈する結果、前記従来例と比較してダイヤフラムの撓み
変位量が増加するので、前記第１実施例に示す（式６）
乃至（式８）に基づき、圧電スピーカから放射される音
量を増大する事が可能となる。

【００３５】本発明の第３実施例を図面を用いて説明す
る。図４（ａ）は本実施例の圧電スピーカの全体斜視
図、図４（ｂ）は同・構成概念図、図４（ｃ）は同・正
断面図である。図中、Ｂ３は圧電スピーカ、７はフィル
ム、８は接着剤である。尚、前記第１乃至第２実施例と
同一部材には同一記号を付与した。

【００３６】本実施例の圧電スピーカＢ３の構造を、前
記第１実施例の圧電スピーカＢ１との相違点につき説明
する。ダイヤフラム２ｃは、無数の微小径の貫通孔５を
全面に亙って表裏面間に貫設し、圧電素子１に導電性接
着剤３を介して貼着されており、当該ダイヤフラム２ｃ
が前記圧電素子１へ貼着されない上面２ａの中央部２ａ
１以外の周囲部２ａ２には、略ドーナツ状の非通気性の
フィルム７が貼着されており、ダイヤフラム２上面２ａ
及び底面２ｂ相互間で空気が流通しない様になってい
る。

【００３７】当該フィルム７の材質としては、非通気
性、軽量であることが要求されるので、ポリエチレン、
ＰＶＣ（ポリ塩化ビニール）、マイラー等が使用でき
る。ここでダイヤフラム２とフィルム７との貼着に用い
られる接着剤８の材質は、導電性・非導電性の如何を問
わない。

【００３８】本実施例は、このような具体的実施態様を
呈する結果、前記従来例と比較してダイヤフラムの撓み
変位量が増加するので、前記第１実施例に示す（式６）
乃至（式８）に基づき、圧電スピーカから放射される音
量を増大する事が可能となる。

【００３９】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明の圧電スピー
カは、従来の圧電スピーカと比較して、同一外形寸法の
圧電素子及びダイヤフラムを用い、同一の駆動電圧が印
加された場合では、より高い電気−音響変換効率、高い
音圧、大音量を得る事が出来る。

【００４０】従来の圧電スピーカと構造を比較すると、
主にダイヤフラムの加工のみで実現可能であり、イニシ
ャルコストの上昇を排除して実現可能であり、高い経済
性を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の第１実施例の圧電スピーカの
全体斜視図、（ｂ）は同・構成概念図、（ｃ）は同・正
断面図である。

【図２】（ａ）は同上・圧電スピーカの原理的モデルの
平面図、（ｂ）は同・全体斜視図である。

【図３】（ａ）は本発明の第２実施例の圧電スピーカの
全体斜視図、（ｂ）は同・構成概念図、（ｃ）は同・正
断面図である。

【図４】（ａ）は本発明の第３実施例の圧電スピーカの
全体斜視図、（ｂ）は同・構成概念図、（ｃ）は同・正
断面図である。

【図５】（ａ）は従来の圧電スピーカの全体斜視図、
（ｂ）は同・構成概念図、（ｃ）は同・正断面図であ
る。

【図６】（ａ）は同上・圧電素子からの評価モデルの切
り出し方法を示す平面図、（ｂ）は同・評価モデルの全
体斜視図である。

【図７】同上・評価モデルの各部寸法説明図である。

【符号の説明】

Ｒ 圧電素子１底面１ｂの曲率半径 Ｍ 圧電素子１底面１ｂ両端に加わる曲げモーメント λ 圧電素子１底面１ｂの撓み変位量 Ｌ 圧電素子１の全長 ｂ ダイヤフラム２の幅 ｈ ダイヤフラム２の厚さ θ 曲率半径Ｒの中心点から圧電素子１両端を臨んだ角
度 ｎ ダイヤフラム２の任意断面における貫通孔５及び穿
設孔６の総数 Ｄ 貫通孔５径及び穿設孔６径 Ｐ 圧電スピーカＡから放射される音量 Ｐx 圧電スピーカＢ１〜Ｂ３から放射される音量 α 撓み変位量λと音量Ｐ，Ｐxとの比例定数 Ａ，Ｂ１〜Ｂ３ 圧電スピーカ １ 圧電素子 １ａ 圧電素子上面 １ｂ 圧電素子底面 ２ ダイヤフラム ２ａ ダイヤフラム上面 ２ａ１ ダイヤフラム上面中央部 ２ａ２ ダイヤフラム上面周囲部 ２ｂ ダイヤフラム底面 ３ 導電性接着剤 ４ａ，４ｂ 導線 ５ 貫通孔 ６ 穿設孔 ７ フィルム ８ 接着剤

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 厚み方向に分極形成された平板状の圧電
   素子と、 上面中央部に無数の微小径の貫通した孔を設けた金属製
   の平板状のダイヤフラムとを具備し、 前記ダイヤフラムの上面中央部に，前記圧電素子の底面
   を貼着して構成されたことを特徴とする圧電スピーカ。
2. 【請求項２】 厚み方向に分極形成された平板状の圧電
   素子と、 上面の中央部に無数の微小径の貫通した孔を設けると共
   に，上面の中央部以外に無数の微小径の貫通しない孔を
   設けた金属製の平板状のダイヤフラムとを具備し、 前記ダイヤフラムの上面中央部に，前記圧電素子の底面
   を貼着して構成されたことを特徴とする圧電スピーカ。
3. 【請求項３】 厚み方向に分極形成された平板状の圧電
   素子と、 上面全体に亙って無数の微小径の貫通した孔を設けた金
   属製の平板状のダイヤフラムとを具備し、 前記ダイヤフラムの上面中央部には，前記圧電素子の底
   面を貼着すると共に、 前記ダイヤフラムの上面中央部以外には，非通気性を有
   するフィルムを貼着して構成されたことを特徴とする圧
   電スピーカ。