(57)【要約】 【課題】  圧電バイモルフの体積増大や、振動発生力の性能低下なしに振動発生力の周波数特性を制御可能として、圧電バイモルフの振動駆動源とする音響システムの性能改善の有用な手段を備えた音響振動発生用圧電バイモルフ素子を提供すること。【解決手段】  二次の共振周波数の振幅ピーク部分となる長さ方向の位置で、長さ方向と直交する方向に棒状の錘４を付加するために、弾性のあるゴム系の接着剤で圧電型バイモルフ素子表面層に複数の棒状の錘を固定した圧電バイモルフとすることで、一次の共振周波数の低下と共振部分での振動発生力のピークを緩和し、特に二次の共振周波数部分を平坦化できる音響振動発生用圧電バイモルフ素子を提供する。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
分極が施され、両主面に電極が形成された平板状の圧電体を平板状の弾性部材の両面に接着し、一端を固定部材により固定されて、前記平板状の圧電体の両主面に重力が垂直方向に付加されるように配置される圧電バイモルフを有する音響振動発生用圧電バイモルフ素子において、前記平板状の弾性部材の上側に接着された前記平板状の圧電体の表面層に、二次の共振周波数の振幅ピーク部分となる長さ方向の位置で、長さ方向と直交する方向に棒状の錘を付加したことを特徴とする音響振動発生用圧電バイモルフ素子。
【請求項２】
前記棒状の錘は、複数個配置されたことを特徴とする請求項１記載の音響振動発生用圧電バイモルフ素子。
【請求項３】
前記棒状の錘は、弾性を有する接着剤で接合されたことを特徴とする請求項１または２記載の音響振動発生用圧電バイモルフ素子。
【請求項４】
前記弾性を有する接着剤は、ゴム系の接着剤であることを特徴とする請求項３記載の音響振動発生用圧電バイモルフ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電振動体を用いたスピーカーに関し、特に、小型スピーカーや骨伝導応用に好適な圧電型の音響振動発生用圧電バイモルフ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気音響機器は、一般に電気的な量の変化を機械的・音響的振動に変え、逆に音響的および機械的な振動系とその振動を電気的な量の変化に変える機構からなる。このエネルギー変換には、電磁気の作用、もしくは圧電効果の作用が重要な役割を担ってきた。音響信号を発生する側に限定すると、圧電方式は一般的に振動系のスティフィネスが高い構成になる。また、低音域の出力を確保する目的で大振幅を発生する機構を求めると高価な装置になる。
【０００３】
従って、中低音域は圧電方式では苦手な領域であったが、近年は種々の工夫により大面積のパネルを圧電の力で効率的に励振する方式が考案されたことで、比較的低域の音響出力も得ることができるようになり、応用範囲が拡大しつつある。圧電振動子は超音波領域では、単一周波数での音源として比較的容易に設計できるが、可聴音の領域で音響振動を得る手段は概ね限定されており、圧電バイモルフ（本発明では圧電ユニモルフも含める）を利用する場合が殆どである。
【０００４】
これは圧電バイモルフのスティフィネスが構造上小さく、共振周波数を可聴音の領域に持ち込むことが容易である理由による。圧電バイモルフを利用する音響発生の方式は、大きくは二つに分類することが可能で、一つは圧電バイモルフ素子単体もしくは簡単な共鳴振動体を伴った構造を有し、特定の周波数のみの信号音や、高域専門のスピーカ（ツィータ）としての応用である。他の一つは、圧電バイモルフとパネルや筐体を組み合わせた振動系で音響発生システムを構成する方式である。後者は、比較的中低域までの音響出力が可能である。後者の分野で応用される圧電バイモルフの形状は、円板型が主流であったが（特許文献１）、必要に応じて矩形の圧電バイモルフも利用されている（特許文献２）。この圧電バイモルフを駆動源とする音響システムでは、その音響特性と圧電バイモルフ素子の持つ発生振動力の周波数特性が密接に関連するため、目的とする音響特性を得るためには圧電バイモルフの発生振動力の周波数特性について制御手段が出来る限り多いことが望まれる。
【０００５】
次に、片もち式の圧電バイモルフの振動発生力に関して若干の説明を加える。図１は、片もち型圧電バイモルフの発生する振動力の基本的な周波数特性を示したものである。図２（ａ）は片もち型圧電バイモルフにおける一次の共振周波数近傍の振幅分布を示したものである。図２（ｂ）は同バイモルフにおける曲率の分布を示したものである。図３（ａ）は片もち型圧電バイモルフにおける二次の共振周波数近傍の振幅分布を示したものである。図３（ｂ）は同バイモルフにおける曲率の分布を示したものである。
【０００６】
圧電バイモルフが交流信号で駆動される場合には、振動の反動力が固定端に発生する。この反動力は、圧電素子の長さ方向に直交する方向に作用し、図１のような基本的周波数特性を持つ。圧電バイモルフの長さ方向をｘ軸、それと直交する方向をｙ軸とすると、長さ方向の個々の質点ρSｄｘにその部分の加速度を掛けた値がその部分のｙ方向に生ずる慣性力である。ｘ＝０から長さLまでρSαｄｘを積分したものが圧電バイモルフの発生する振動発生力で、固定部のｙ方向に作用する。これが、図１に示した圧電バイモルフの振動発生力である。
【０００７】
図に示されている三つのピークは、それぞれ、一次、二次および三次の共振周波数である。ここでは、駆動する周波数域を一次の共振周波数近傍と二次共振周波数の近傍に分けて説明する。一次の共振周波数近傍の領域では、固定端で０、自由端で最大の振幅となる図２（ａ）の分布を示し、その曲率は、固定端近傍で最大、自由端で０となる図２（ｂ）の分布を示す。この曲率の分布は、バイモルフ素子に対する曲げモーメントの分布と一致する。
【０００８】
二次の共振周波数近傍の領域では、振幅の分布は中央と先端の中間域において向きが変わる図３（ａ）の分布を示し、その曲率は、図３（ｂ）の分布を示す。図３（ａ）の振幅の分布から、中央部近傍が二次の共振の最大振幅、最大速度および最大加速度になる。
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−２１５５８４号公報
【特許文献２】特開２０００−２０１３９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
音響システムの低音域を重視する場合は、圧電バイモルフ素子の共振周波数をできるだけ低くする必要がある。圧電バイモルフ素子の共振周波数は、矩形の場合、式１で表わされ、構造的には長さＬ、曲げ弾性係数Ｋ、単位長さ当たりの重さρＳに支配される。なお、αは加速度である。
【００１１】
ｆ=(αn)2／２π(Ｌ)2・(Ｋ／ρＳ)1/2    ・・・・・・・・（１）
【００１２】
共振周波数を低下させる手段としては、振動を決める素子の長さＬを大きく取る、素子の曲げ弾性係数Ｋを下げる、質量を付加する等の方法が考えられる。しかし、圧電バイモルフ素子のデバイス応用では素子の寸法を大きくする（素子の長さを大きくとる）のは設計上の制約があった。
【００１３】
また、圧電セラミックスもしくは中央に挟まれる金属板（シム板）の厚さを薄くすることで、曲げ弾性係数を下げることができる。しかし、厚さを薄くすることは、同時に機械的な強度を下げることとなり、それ自身の重量が軽くなり、結果として共振周波数が上がり、実質的な効果が伴わないという問題があった。
【００１４】
また、弾性係数の小さな有機物系の材料をシム板に選んだ場合には、ある程度曲げの弾性係数を下げられるが、比重が小さいので、結果として振動子全体の重量が下がり、共振周波数が上がるという問題があった。
【００１５】
本発明は、上述した問題点を解決すべくなされたもので、その技術課題は、圧電バイモルフの体積増大や、振動発生力の性能低下なしに振動発生力の周波数特性を制御可能とし、圧電バイモルフの振動駆動源とする音響システムの性能改善の有用な手段を備えた音響振動発生用圧電バイモルフ素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するための第１の発明は、分極が施され、両主面に電極が形成された平板状の圧電体を平板状の弾性部材の両面に接着し、一端を固定部材により固定されて、前記平板状の圧電体の両主面に重力が垂直方向に付加されるように配置される圧電バイモルフを有する音響振動発生用圧電バイモルフ素子において、前記平板状の弾性部材の上側に接着された前記平板状の圧電体の表面層に、二次の共振周波数の振幅ピーク部分となる長さ方向の位置で、長さ方向と直交する方向に棒状の錘を付加したことを特徴とする音響振動発生用圧電バイモルフ素子である。
【００１７】
上記目的を達成するための第２の発明は、前記棒状の錘は、複数個配置された音響振動発生用圧電バイモルフ素子である。
【００１８】
上記目的を達成するための第３の発明は、前記棒状の錘は、弾性を有する接着剤で接合された音響振動発生用圧電バイモルフ素子である。
【００１９】
上記目的を達成するための第４の発明は、前記弾性を有する接着剤は、ゴム系の接着剤である音響振動発生用圧電バイモルフ素子である。
【発明の効果】
【００２０】
二次の共振周波数の振幅ピーク部分となる長さ方向の位置で、長さ方向と直交する方向に一定荷重を付加するための複数の棒状の錘を弾性のあるゴム系の接着剤で圧電型バイモルフ素子表面層に固定し、圧電バイモルフ素子とすることで、一次の共振周波数の低下と共振部分での振動発生力のピークを緩和し、特に二次の共振周波数部分の平坦化ができることを実験的に確認し、音響振動発生用の圧電バイモルフに適用したところ高域の出力を、きわめて有効に制御できることを実験的に確認した。
【００２１】
その結果、圧電バイモルフの体積増大や、振動発生力の性能低下なしに振動発生力の周波数特性を制御可能として、必要のない高域周波数の振動発生力を除去した音響振動発生用圧電バイモルフ素子の構成手段を提供することが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明を実施するための最良の形態に係る音響振動発生用圧電バイモルフ素子は、以下の製造方法で作製する。以下、図面を用いて最良の形態に係る音響振動発生用圧電バイモルフ素子を詳細に説明する。図４は、振動発生力の測定系のブロックダイヤグラムを示す。図５は、試作した圧電バイモルフでの実験状態の斜視図である。
【００２３】
ＮＥＣトーキン製圧電セラミックスのＮ１０材の薄板（２５ｍｍ×８ｍｍ×厚さ０．３ｍｍ）の両面に銀ペースト印刷する。その後、大気中で４００〜５００℃の温度で２０〜４０分の条件で銀電極の焼付けを行なう。次に、室温で６００Ｖの直流電圧を１０分間印加する分極処理を行なう。２枚の圧電セラミックスの分極方向を同じ方向に合わせる。その後、押し付け治具を使って、４２アロイ材で構成されたシム板（３０ｍｍ×８ｍｍ×０．２ｍｍ）の両面に圧電セラミックス板を熱硬化型のエポキシ系接着剤を用いて強固に接着し、圧電バイモルフ素子を作製する。
【００２４】
固定部治具２により一端を固定した片もち梁構造のユニットである圧電バイモルフ１を作成する。このユニットは、図４のように振動力センサー３に固定する。その後、両面の電極を同電位に結線し、シム側との間に実効値３０Ｖの交流電圧を与え、周波数を１００Ｈｚ〜１０ｋＨｚに変えて振動発生力の周波数依存性を測定する。
【００２５】
次に、圧電バイモルフ１に錘４を付加しない状態で、上記条件のもとで振動発生力の周波数依存性を測定する。その後、測定した二次の共振周波数の振幅ピークと重なる長さ方向の位置で長さ方向と直交する方向に、３ヶの真鍮製の丸棒（直径１ｍｍφ、長さ８ｍｍ、重量５０ｍｇ）の錘を圧電型バイモルフ素子表面層にゴム系の接着剤で貼り付け、本発明の最良の形態に係る圧電バイモルフを作製する。なお、真鍮製の丸棒は、比重が大きければ、金属製、セラミック製の丸棒を用いても良い。
【００２６】
また、ここでは丸棒の錘を使用したが、一定の荷重を付加できるものであれば角柱状のものでもかまわない。共振周波数に影響を与えない範囲で、錘の重量および数を選定し、錘の付加にかかる歪分布を考慮して貼り付け間隔を決定すれば良い。
【実施例】
【００２７】
本発明の実施例について、図面にて詳細に説明する。図６は、本発明の実施例に係る圧電バイモルフの振動発生力の周波数依存性を示す。測定した二次の共振周波数の振幅ピークと重なる長さ方向の位置である圧電バイモルフ素子の中央部に、直径１ｍｍφ、長さ８〜１５ｍｍの真鍮製の丸棒をゴム系の接着剤で１ヶから１０ヶまで貼り付け、そのときの振動発生力について測定した。その結果は、図６に示した。
【００２８】
表１は、実験条件と一次の共振周波数の低下と二次共振周波数ピークの平坦化の相関を示す。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
表１の実験結果から、長さが８ｍｍの荷重が３ヶ（≒５０ｍｇ）以上載ると、いずれの条件でも共振周波数の低下と二次共振のピークの平坦化が確認された。長さが１５ｍｍの荷重が２ヶ（＞５０ｍｇ）以上載ると、いずれの条件でも共振周波数の低下と二次共振のピークの平坦化が確認された。
【００３１】
図６に示す０ｍｇ、１７ｍｇ、３０ｍｇ、５０ｍｇの荷重を置いた圧電バイモルフ素子に関する振動発生力の周波数依存性より、共振周波数の低下と二次共振ピークの平坦化の効果がわかる。ここに示した荷重５０ｍｇの実験結果が、圧電バイモルフの振動駆動源とする音響システムの性能改善にきわめて顕著な効果がある目安とした。表１の十分な効果ありの判断は、この荷重５０ｍｇの性能改善結果以上の効果があるか否かで○、×を決定した。
【００３２】
なお、弾性係数に影響を与えるゴム系でない接着剤で固定した場合とか、錘が長さ方向の位置で、長さ方向と直交する方向に一定に係らない場合には、このような大きな効果を確認できなかった。
【００３３】
以上の実験結果より、二次の共振周波数の最大振幅となる中央部近傍で、曲げの弾性係数に影響が無いように錘が付加された場合には、この部分の運動は、付加した錘により振幅が抑制され、振幅の減少、速度、加速度の減少となり、周波数近傍での振動発生力のピークが抑制されたと推定される。
【００３４】
以上のとおり、本発明は、圧電型バイモルフ素子表面層に、二次の共振周波数の振幅ピーク部分となる長さ方向の位置で、長さ方向と直交する方向に、曲げ弾性係数の変化が生じないように棒状の錘を付加することで、高域の共振モードを抑制し、周波数特性を平坦化させる。また、比重のより大きな物質からなる棒状の錘を圧電バイモルフの長さ方向と直交するように弾性を有する接着剤で接合することも、その効果に寄与することを確認した。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】片もち型圧電バイモルフの発生する振動力の基本的な周波数特性を示す図。
【図２】片もち型圧電バイモルフの一次の共振周波数近傍の振幅および曲率分布を示す図。図２（ａ）は、片もち型圧電バイモルフにおける一次の共振周波数近傍の振幅分布を示す図、図２（ｂ）は、片もち型圧電バイモルフにおける曲率の分布を示す図。
【図３】片もち型圧電バイモルフの二次の共振周波数近傍の振幅および曲率分布を示す図。図３（ａ）は片もち型圧電バイモルフにおける二次の共振周波数近傍の振幅分布を示す図。図３（ｂ）は片もち型圧電バイモルフにおける曲率の分布を示す図。
【図４】振動発生力の測定系のブロックダイヤグラム。
【図５】試作した圧電バイモルフでの実験状態の斜視図。
【図６】本発明の実施例に係る圧電バイモルフの振動発生力の周波数依存性を示す図。
【符号の説明】
【００３６】
１    圧電バイモルフ
２    固定部治具
３    振動力センサー
４    錘
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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