(57)【要約】  イヤホン装置１０では、圧電振動板４１の自由端に錘４５を設けることによって、圧電振動板４１の共振点を低周波数帯域に作られるようにした。これにより、圧電振動板４１は、低周波数帯域であっても振動を発生されることができ、錘４５を設けていない圧電振動板に比べて、低周波数帯域の音を大きく発生させることが可能となる。【選択図】      図１
2009141912.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気信号を機械振動に変換する圧電振動板と、
前記圧電振動板を、その一部が固定端、他の部分が自由端となるように支持して内部空間内に収納するハウジングと、
前記ハウジングの内部空間に連通し、前記圧電振動板が発する空気振動を外部に導く音導管と、
前記圧電振動板の自由端に設けられる錘と、を具備した
ことを特徴とするイヤホン装置。
【請求項２】
請求項１記載のイヤホン装置において、
前記圧電振動板は平面が長方形状の板体として形成され、
前記ハウジングの内部空間は前記圧電振動板の長手方向に沿って細長く形成され、前記圧電振動板の自由端は前記ハウジングと前記音導管の接合部付近に位置するように形成されている
ことを特徴とするイヤホン装置。
【請求項３】
請求項２記載のイヤホン装置において、
前記音導管の前記接合部付近の内部空間に、前記錘が振動可能な状態で配置される
ことを特徴とするイヤホン装置。
【請求項４】
前記圧電振動板の固有周波数ｆは、以下の数式によって設定される
ことを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載のイヤホン装置。
【数１】
2009141912.tif 000005
但し、
ｅ：ヤング率 (Ｎ／ｍ２)
ｂ：幅（ｍ）
ｌ：長さ（ｍ）
ｄ：厚さ（ｍ）
ｍ：錘の質量（ｋｇ）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電体による振動を、例えば外耳を介して蝸牛器官に伝達するイヤホン装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般、イヤホン装置には、電磁型のスピーカが多く用いられている。この種の電磁型のスピーカは、磁界を発生するコイルと、永久磁石が貼着された振動板と、を具備する。この電磁型のスピーカは、外部から供給される音声信号によって発生するコイルの磁界と、固定磁石と磁界との作用によって振動板が振動し、この振動が空気振動となって人間の鼓膜へ伝わる。【０００３】
一方、この電磁型のスピーカにあっては、発生する磁界の人体への影響が昨今懸念されるようになってきており、磁界を発生させることなく音を伝えることのできる骨伝導型のスピーカを備えたイヤホン装置が注目されてきている。【０００４】
この骨伝導型のスピーカは、外部から供給される音声信号により振動部を振動させ、頭部の骨格等の硬い部分に、この振動部の振動を直接伝達させるものである。伝達された振動は、骨格を通して鼓膜に伝えられる。【０００５】
この骨伝導型のスピーカは、板状に形成した振動部を片持ち支持する構造のものがある（特許文献１および２等）。【０００６】
特許文献１には、シリコン基板にエッチング処理を施して、片持梁構造となる板状の振動部を形成し、この振動部に圧電体層と、この圧電体層を挟み込む一対の導電層を積層する構造のアクチュエータが開示されている。【０００７】
また、特許文献２には、筐体内に片持ち支持された圧電振動子と、この圧電振動子と筐体との間に異なる硬さを有する弾性体を配置した圧電式スピーカが開示されている。
【特許文献１】特開２００６−１００９５４号公報
【特許文献２】特開２００７−２７５８１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、骨伝導型のスピーカにおいては、圧電素子（セラミック）の特性上、周波数が低くなるほどインピーダンスが高くなってしまい、電流が流れにくくなる。つまり、周波数が低くなるに伴って、圧電振動子の振動が小さくなり、音が小さくなる。【０００９】
このため、骨伝導型のスピーカを用いたイヤホンは、会話等を聴く場合においては適しているものの、音楽等を聴く場合においては適しているものとはいえないのが実情である。【００１０】
本発明は、上述した課題に鑑なみてなされたもので、その目的は、可聴周波数における低周波数帯域においても、他の周波数帯域と同様の大きさの音を発生することが可能なイヤホン装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明が採用するイヤホン装置の構成は、電気信号を機械振動に変換する圧電振動板と、前記圧電振動板を、その一部が固定端、他の部分が自由端となるように支持して内部空間内に収納するハウジングと、前記ハウジングの内部空間に連通し、前記圧電振動板が発する空気振動を外部に導く音導管と、前記圧電振動板の自由端に設けられる錘と、を具備したことを特徴とする
上記イヤホン装置において、前記圧電振動板は平面が長方形状の板体として形成され、前記ハウジングの内部空間は前記圧電振動板の長手方向に沿って細長く形成され、前記圧電振動板の自由端は前記ハウジングと前記音導管の接合部付近に位置するように形成されていることが好ましい。【００１２】
上記イヤホン装置において、前記音導管の前記接合部付近の内部空間に、前記錘が振動可能な状態で配置されることが好ましい。【００１３】
上記イヤホン装置において、前記圧電振動板の固有周波数ｆは、以下の数式によって設定されることが好ましい。【００１４】
【数２】
2009141912.tif 000003
【００１５】
但し、
ｅ：ヤング率 (Ｎ／ｍ２)
ｂ：幅（ｍ）
ｌ：長さ（ｍ）
ｄ：厚さ（ｍ）
ｍ：錘の質量（ｋｇ）
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、圧電振動板の自由端に錘を設けることにより、低周波数帯域においても振動し易くすることで、圧電振動板の低周波数帯域におけるインピーダンスを擬似的に低くする。これにより、可聴周波数の低周波数帯域においても、他の周波数帯域と同様の大きさの音を発生することが可能となり、音楽等を聴くのに適したスピーカ装置を実現する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係るイヤホン装置を示す断面図である。
【図２】同実施形態に係る振動発生源を示す分解斜視図である。
【図３】同実施形態に係る圧電振動板の動作を示す説明図である。
【図４】イヤホン装置の周波数特性を示す図である。
【図５】変形例による圧電振動板に対する錘の取付構造を示す図である。
【符号の説明】
【００１８】
１０…イヤホン装置、１１…ハウジング、１４…内部空間、１６…イヤー挿入部、１７…音導管、２９…イヤーパット、３１…振動発生源、３２…基板、３３…電子素子、４１…圧電振動板、４２…電極、４５…錘。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
＜イヤホン装置の構成＞
本発明の好適な実施の形態について図面を参照して説明する。【００２０】
図１及び図２は、本実施形態によるカナル型のイヤホン装置の外観を示す図である。【００２１】
イヤホン装置１０は、樹脂材料（例えば、ＡＢＳ,ＰＥ,ＰＰ,ＰＶＣなどの合成樹脂）により中空の断面長円状に形成されたハウジング１１と、このハウジング１１のイヤー挿入部１６に着脱可能に取り付けられ、ゴム製の筒状体からなるイヤーパッド２９と、ハウジング１１の内部空間１４内に収容される振動発生源３１と、を具備する。
＜ハウジングの構成＞
ハウジング１１は、底側ハウジング１２と、この底側ハウジング１２に嵌合機構（図示せず）を介して固着される蓋側ハウジング１３と、底側ハウジング１２に蓋側ハウジング１３を合わせることにより両者間に画成される内部空間１４と、を具備する。【００２２】
また、ハウジング１１の一端には、リード線３９を外部に延在させるコードカバー１５が設けられ、このリード線３９の一端には、図２に示すように、基板３２のパターン端子３５が接続され、他端には外部機器に連結されるコネクタ（図示せず）が接続される。【００２３】
一方、蓋側ハウジング１３の他端側には、段付筒状のイヤー挿入部１６が突出形成される。このイヤー挿入部１６の外周面には環状の段部が形成され、イヤーパッド２９の抜け止めを図る。【００２４】
また、イヤー挿入部１６の内周が、前記内部空間１４を外部に連通させる音導管１７となり、この音導管１７は、前記圧電振動板が発する音を外部に放音する。【００２５】
イヤー挿入部１６は、このイヤー挿入部１６と蓋側ハウジング１３とが接合する部分が大径な起端部１６Ａとなり、この起端部１６Ａの外側が当該音導管１７において最も小径となる絞り部１６Ｂとなり、この絞り部１６Ｂの外側が外部に開口する先端部１６Ｃとなる。これにより、音導管１７は、その穴径が異なる形状となる。この音導管１７は、圧電振動板４１の振動によって内部空間１４内に発生する空気振動を外部に伝える。【００２６】
錘４５は、音導管１７内にその一部が内在するように、当該振動発生源３１が内部空間１４内に配置される。特に、錘４５の先端部がイヤー挿入部１６の起端部１６Ａ内に空間を介在させた状態で内在されるため、圧電振動板４１が振動した際の錘４５の移動距離が確保される。
＜振動発生源の構成＞
ハウジング１１の内部空間１４内に収容される振動発生源３１は、図２に示すように、矩形状の基板３２と、前記基板３２と略平行に離間した状態で、その一部がスペーサ３６を介して基板３２に支持される圧電振動板４１と、圧電振動板４１の自由端に設けられる錘４５と、を有する。【００２７】
基板３２の表面には、駆動信号を生成するための増幅回路等を構成する電子素子３３が実装される。また、基板３２の一側には、配線パターン３４から引き出されたパターン端子３５，３５…が形成される。一方、基板３２の裏面は、固定部位３７，３７を介して底側ハウジング１２側の壁面に固定される。【００２８】
圧電振動板４１は、長方形状をなす圧電体と金属板とを交互に積層した積層構造（例えば、３０ｍｍ×５ｍｍ×０．４ｍｍ）となる。例えば、圧電振動板４１は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の板状圧電体と金属板と交互に積層して９層構造をなし、複数のバイモルフ構造を構成する。さらに、圧電振動板４１には、その長手方向の左右位置に、略「コ」字状の電極４２，４２…が合計４個設けられる。これらの電極４２は、圧電振動板４１の間に位置した板状圧電体に対しても電気的に接触しているため、各電極４２に駆動信号を供給することにより、各圧電体に振動を発生させる。【００２９】
ここで、圧電振動板４１における振動の発生原理について、図３に基づいて説明する。【００３０】
図３は、圧電振動板４１を構成する１枚の板状圧電体を示している。この圧電体では、上段の右側に示すように、各電極４２に強磁界を与えて分極処理を施す。これにより、圧電体の長手方向に分極方向と電界方向が揃い、歪み方向がこれに直交する圧電定数ｄ３１の圧電体が形成される。【００３１】
このため、中段のように、駆動信号のうち正の部分を印加した場合には、例えば圧電体の中心が上側に撓み、下段のように、負の部分を印加した場合には、圧電体の中心が下側に撓み、交互に繰り返すことにより圧電振動板４１に横振動を発生させる。
＜イヤホン装置の動作＞
次に、イヤホン装置１０の動作について説明する。【００３２】
外部から供給される音声信号は、リード線３９を介して基板３２に送信され、基板３２に実装された電子素子３３によって増幅された駆動信号を生成し、圧電振動板４１の各電極４２に供給される。供給された駆動信号を受けた圧電振動板４１は横振動を開始する。圧電振動板４１の振動は、スペーサ３６を介して基板３２にも伝達され、当該振動発生源３１全体を振動させ、ハウジング１１に機械振動を生じさせる。【００３３】
このハウジング１１の振動は、使用者の外耳に伝達され、外耳を介して蝸牛器官・聴神経を介して音声信号に変換されて脳に伝達される。【００３４】
一方、圧電振動板４１の振動は、内部空間１４内の空気を振動させ、気導音として音導管１７を介して鼓膜に達し、蝸牛器官・聴覚神経を経由して脳に伝達される。【００３５】
以上が基本的なイヤホン装置の動作である。【００３６】
ここで、図４の周波数特性に基づいて説明する。この図４に示す特性線図では、横軸が周波数、縦軸がインピーダンスとなり、両軸を対数表示したものです。【００３７】
実線で示す特性線Ａは、圧電体（大きさ：３０ｍｍ×５ｍｍ×０．４ｍｍ、ヤング率：６．６７×１０１０についての周波数特性を示している。この特性線Ａに示すように、圧電体は、その特性から低周波数になるほどインピーダンスが高くなる。このため、圧電体は、低周波数帯域において電流を流れにくくし、駆動信号の振幅が同じであっても、振動が小さくなって音が小さくなる。【００３８】
そこで、本実施形態によるイヤホン装置１０では、圧電振動板４１の自由端（スペーサ３６からの距離が２７ｍｍの位置）に錘４５（φ５×５ｍｍ：０．８ｇ）を設ける。これにより、圧電振動板４１には、錘４５によって機械的な共振点が１００Ｈｚ近辺に発生する。つまり、錘４５が圧電振動板４１に対して、低周波数域（１００Ｈｚ近辺）で振動し易い状態を作ることになる。【００３９】
これにより、図４中の点線で示す特性線Ａ´のように、１００Ｈｚ近辺でインピーダンスが擬似的に下がることになる。この結果、駆動信号が低周波数域であっても、圧電振動板４を大きく振動させることができ、発生する音を大きくすることが可能となる。
＜イヤホン装置の効果＞
本実施形態によるイヤホン装置１０では、圧電振動板４１の自由端に錘４５を設けることによって、圧電振動板４１の共振点を低周波数帯域に作られるようにした。これにより、圧電振動板４１は、低周波数帯域であっても振動を発生されることができ、錘４５を設けていない圧電振動板に比べて、低周波数の音を大きく発生させることが可能となる。【００４０】
また、イヤホン装置１０では、音導管１７を有するイヤー挿入部１６を備えている。これにより、可聴周波数帯域の音は、圧電振動板４１の振動が内部空間１４内の空気を振動させ、この空気振動が音導管１７を介して使用者の外耳道に伝達する。一方、比較的低い周波帯域の音については、圧電振動体４１の振動がハウジング１１に伝達され、イヤー挿入部１６およびイヤーパッド２９を介して、この機械振動が外耳を介して伝達される。【００４１】
これにより、イヤホン装置１０は、発生周波数の領域を広く確保することが可能となり、音の明瞭度が著しく向上することになる。【００４２】
しかも、前述した如く、圧電振動板４１に錘４５を設けているから、錘のない圧電振動板に比べ、低周波数帯域において振動を大きくでき、低周波数帯域の音も大きく発生させることができる。【００４３】
さらに、振動発生源３１は、基板３２に圧電振動板４１を離間した状態で重ねるように配置しているため、基板と圧電振動板とを一平面上に配置する特許文献１に比べ、占有面積を狭くすることが可能となり、イヤホン装置１０の小型化が可能となる。【００４４】
しかも、振動発生源３１では、基板３２に対して圧電振動板４１を片持ちで支持する構造となっているため、駆動信号の供給を受けた圧電振動板４１の振動を効率良く発生させることができる。
＜変形例＞
（１）
本発明においては、発明者は、鋭利実験した結果、圧電振動板４１の大きさにおいて、ヤング率が６．６７×１０１０Ｎ／ｍ２の場合、錘の重さｍを約０．０５〜１．００ｇに設定することで、固有周波数ｆを８０〜４００Ｈｚに設定でき、顕著な効果が得られることが検証されている。【００４５】
具体的には、数３に基づいて、錘の質量ｍを可変することで圧電振動板４１の固有周波数ｆが得られる。【００４６】
【数３】
2009141912.tif 000004
【００４７】
但し、
ｅ：ヤング率 (Ｎ／ｍ２)
ｂ：幅（ｍ）
ｌ：長さ（ｍ）
ｄ：厚さ（ｍ）
ｍ：錘の質量（ｋｇ）
上記数３に基づいて、錘の重さｍを決めることで、所望の固有周波数ｆを圧電振動板４１に発生させることが可能となる。
（２）
前記実施形態では、圧電振動板４１の自由端に円柱状の錘４５を設ける構成としたが、圧電振動板に対する錘の取付構造はこれに限るものではなく、種々の対応が可能である。【００４８】
図５は、圧電振動板に対する錘の取付構造の一例を示している。【００４９】
図５（ａ）は、圧電振動板４１の裏面（音導管１７から見て反対側）に円柱状の錘４５を取り付けた状態を示している。図５（ｂ）は、圧電振動板４１の表裏面に円柱状の錘４５ａ、４５ｂを取り付けた状態を示している。図５（ｃ）は、圧電振動板４１の表面に小径の円柱状の錘４５ｃ、４５ｄを取り付けた状態を示している。図５（ｄ）は、圧電振動板４１の表面に板状の錘４５ｅを取り付けた状態を示している。図５（ｅ）は、圧電振動板４１の表裏面に板状の錘４５ｆ，４５ｇを取り付けた状態を示している。【００５０】
上記取付構造に限らず、圧電振動板４１の自由端側に錘を設ける構造であればよい。【００５１】
また、圧電振動板４１の自由端に設ける錘の形状によって、内部空間１４に発生する空気の振動状態が異なるため、音導管１７から放音される音が変化することになる。そこで、錘は、その形状および取付位置を適宜選択することで、ユーザのニーズに応じてイヤホン装置１０を提供することが可能となる。
（３）
前記実施形態では、圧電振動板４１をスペーサ３６で片持ち支持する構造としたが、本発明はこれに限らず、圧電振動板４１の両端をスペーサで両持ち支持して中間部分を自由端として振動させる構造であってもよい。この際、中間部分に錘を取り付けるようにすればよい。
（４）
本発明は、前記実施形態では、カナル型のイヤホン装置１０について説明したが、これに限らず、ハウジング１１の一端に耳の後ろに回る略「Ｃ」字状のクリップを設けるようにしてもよい。
（５）
前記実施形態の圧電振動板４１は、圧電体を９層に積層して形成し、長辺の左右位置には４個の略「コ」字状の電極４２，４２…を設ける構成としたが、圧電振動板４１の積層枚数や材質はこれに限るものではなく、供給された駆動信号によって圧電振動板４１が厚さ方向に振動するものであれば、他の圧電定数の圧電体であってもよい。
（６）
前記実施形態では、イヤホン装置１０のイヤー挿入部１６は、使用者の耳介と外耳道との境目位の位置に挿入されるようにしたが、イヤー挿入部１６の先端側をテーパー形状にして、使用者の外耳道に積極的に挿入する構造としてもよい。
（７）
前記実施形態では、ハウジング１１を樹脂材料によって底側ハウジング１２と蓋側ハウジング１３の２部材から構成するものを例に挙げたが、一体に形成されたものでもよい。
（８）
前記実施形態によるイヤホン装置１０の振動源には、音を磁界によって発生させる電磁発生源がないため、ＭＲＩなど強磁場が発生する場所での使用が可能となる。
【図１】
2009141912.tif 000006
【図２】
2009141912.tif 000007
【図３】
2009141912.tif 000008
【図４】
2009141912.tif 000009
【図５】
2009141912.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成21年1月30日(2009.1.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気信号を機械振動に変換する圧電振動版と、
前記圧電振動板の自由端に設けられる錘と、
固定部位を有し、前記圧電振動版を、その一部が固定端、他の部分が自由端となるように支持して内部空間に収納するとともに、前記固定部位を介して、前記圧電振動版により発生した機械振動を伝播するハウジングと、
前記ハウジングの内部空間に連通し、前記圧電振動板が発する空気振動を外部に導く音導管と、
前記ハウジングおよび前記音導管と連結され、ユーザーの耳に挿入されるイヤーパッドであって、前記音導管から伝播される空気振動を前記ユーザーの外耳道を介して鼓膜へ導くとともに、前記ハウジングを伝播してくる機械振動を前記ユーザーの外耳を介して骨伝導により頭内部へ伝播させるイヤーパッドと
を具備するイヤホン装置。
【請求項２】
請求項１記載のイヤホン装置において、
前記圧電振動板は平面が長方形状の板体として形成され、
前記ハウジングの内部空間は前記圧電振動板の長手方向に沿って細長く形成され、前記圧電振動板の自由端は前記ハウジングと前記音導管の接合部付近に位置するように形成されている
ことを特徴とするイヤホン装置。
【請求項３】
請求項２記載のイヤホン装置において、
前記音導管の接合部付近の内部空間に、前記錘が振動可能な状態で配置される
ことを特徴とするイヤホン装置。
【請求項４】
前記圧電振動板の固有周波数ｆは、以下の数式によって設定される
ことを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載のイヤホン装置。
【数１】
2009141912.tif 000011
但し、
ｅ：ヤング率（Ｎ／ｍ２）
ｂ：幅（ｍ）
ｌ：長さ（ｍ）
ｄ：厚さ（ｍ）
ｍ：錘の質量（ｋｇ）
【国際調査報告】
2009141912.tif 000012
2009141912.tif 000013
2009141912.tif 000014
2009141912.tif 000015