(57)【要約】 【課題】  圧電バイモルフ素子を応用する音響システムの構成の中で部品点数や体積の増大を伴わないで、不要な高域周波数成分を除去した音響振動発生用圧電バイモルフを提供すること。【解決手段】  圧電型バイモルフ４の自由端側に電極を削除した余白部分を設けることで、高域周波数領域の共振モードを抑制し、高域周波数成分の出力低下させることで、圧電バイモルフ４の体積や部品点数の増大なしに、ハウリング現象がおきにくい音響システムの提供を可能とする。【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た平板状の接合体であって、前記接合体の一端を固定部材により固定させた圧電バイモルフを備えた音響振動発生用圧電バイモルフ素子において、前記圧電体の両主面に形成された電極部が、前記主面の面積を１００％とした時に、２０〜３０％の面積に相当する電極面積を前記圧電体の自由端側から削減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。
【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とからなる。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、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曲率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曲率分布を示したものである。図４（ａ）は、片もち型圧電バイモルフにおける三次の共振周波数近傍の振幅分布を示す。図４（ｂ）は片もち型圧電バイモルフにおける三次の共振周波数近傍の曲率分布を示す。
【０００６】
圧電バイモルフが交流信号で駆動される場合、振動の反動力が固定端に発生する。これは圧電素子の長さ方向に直行する方向に作用し、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および三次の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、その曲率の分布は、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。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）の分布となる。三次の共振周波数近傍の領域では、図４（ａ）の振幅分布と図４（ｂ）の曲率分布となる。
【０００８】
なお、圧電アクチュエータの低駆動電圧化と大変位量変化と高安定化を目的とする電極構造を利用した特許文献３がある。しかし、上述の圧電バイモルフに関する振動発生力の周波数依存性を電極構造から調整する方法は、これまで報告されていない。
【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
【特許文献３】特開平１１−１６８２４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
音響振動を発生するスピーカー部分と音声信号を電気信号に変換するマイクロフォンが同居する通信システム（例えば補聴器や携帯電話）では、ハウリング現象という基本的な問題が発生する。これは、マイクロフォンに不要なスピーカーから発生する音声が空中や筐体を通じてマイクロフォンに伝播して一種の共振現象を生じ、スピーカーから大きな音声を発する通信システムの現象である。このハウリングは３．５ｋＨｚ以上の高音域で発生しやすい傾向がある。一般的には、低周波透過フィルターをシステムの中に取り込んで通信に不要な高域周波数成分を除去する対策が取られているが、結果として部品点数や体積の増大を伴うという問題があった。
【００１１】
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、圧電バイモルフ素子を応用する音響システムの構成の中で部品点数や体積の増大を伴わないで、有効な高域周波数成分を除去し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】
【００１２】
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た平板状の接合体であって、前記接合体の一端を固定部材により固定させた圧電バイモルフを備えた音響振動発生用圧電バイモルフ素子において、前記圧電体の両主面に形成された電極部が、前記主面の面積を１００％とした時に、２０〜３０％の面積に相当する電極面積を前記圧電体の自由端側から削減した音響振動発生用圧電バイモルフ素子である。
【発明の効果】
【００１３】
図２（ｂ）の曲率分布から、一次の共振周波数近傍およびそれ以下の周波数領域では先端部分のモーメントが小さいことがわかり、この周波数領域では振動発生力への影響は少ないと推定して電極をカットした素子について周波数特性を調べたところ、先端（自由端）より３０％近傍まで電極を削除しても、一次および二次の共振周波数の近傍まで振動発生力の性能低下なく、三次の共振周波数近傍の振動発生力を大きく減衰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。
【００１４】
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高域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にきわめて有用な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】
【００１５】
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、図面を用いて本発明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を詳細に説明する。
【００１６】
図５は、本発明の最良の形態に係る圧電バイモルフのシム材、圧電セラミックス、電極の構成を示した断面図である。図６は、本発明に係る圧電バイモルフの振動発生力に関する測定の固定方法を示した図である。
【００１７】
ＮＥＣトーキン製圧電セラミックスＮ１０材の薄板（２５ｍｍ×８ｍｍ×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。電極の銀ペーストは長さ方向において、自由端側が余白になるようにし、圧電セラミックスの主面の面積を１００％とした時に、この余白部分〔電極が削減された部分〕が、０％、１０％、２０％、２５％、３０％にした（１）、（２）、（３）、（４）、（５）の５種類の試料を用意した。次に、各々の試料について室温で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を分極の方向と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。
【００１８】
固定治具５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４を作製した。このユニットは、図６のように振動力センサー６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。
【００１９】
なお、本発明を実施するための最良の形態では、圧電セラミックスの自由端側の余白部分[電極が削減された部分]の面積は、２５％が好適であり、その面積形状は長方形であれ、円形であれかまわない。
【実施例】
【００２０】
本発明の実施例について、図面にて詳細に説明する。図７は、本発明の実施例に係る音響振動発生力の周波数依存性を示す。図８は、試作した圧電型の骨伝導スピーカーの構成を示す。図９は、ハウリング現象を測定するための実験装置の構成を示す。
【００２１】
図７の結果から、電極を削減した余白が１０％の（２）および２０％の（３）の場合は、全体の出力がわずかに減少し、電極を削減しない余白が０％の（１）の場合と大きな共振周波数依存性の差は見られなかった。電極を削減した余白が２５％の（４）の場合は、三次の共振周波数近傍で著しく出力が低下することが確認された。また、電極を削減した余白が３０％の（５）の場合は、全体の出力の低下が若干あるものの、二次の共振周波数近辺も、出力が大きく減衰することを確認した。
【００２２】
次に、図８に示すように筐体の内部に圧電バイモルフを片もち梁構造で支持した振動系を構成して骨伝導用のスピーカーを作製した。このスピーカーを用いて図９のようなアンプおよびマイクロフォンによる組み合わせの実験装置を作製して、ハウリング現象の比較を行った。マイクロフォンと試作圧電式骨伝導スピーカーを向かい合わせに距離を変えた時に、どの距離でハウリング現象が生ずるかを実験的に調べた。
【００２３】
その結果、電極を削減した余白が０％の（１）、１０％の（２）および２０％の（３）場合に比較して、電極を削減した余白が２５％の（４）および３０％の（５）の場合は、ハウリング現象の発生する距離が著しく長くなることがわかった。この結果は、ハウリング現象が起き難いことを示唆している。但し、電極を削減した余白が３０％の（５）の場合は、スピーカーの出力も他の場合と比較して、より減衰していたので、高次の出力低下のみによる効果とは言えないことがわかる。しかし、電極を削減した余白が２５％の（４）の場合は、三次の共振周波数近傍の出力が抑制されたためと推定される。
【００２４】
以上のとおり、本発明は、圧電型バイモルフ素子の自由端側に電極を削除した余白部分を設けることで、高域周波数領域の共振モードを抑制し、高域周波数成分の出力低下させることで、圧電バイモルフ素子の体積や部品点数の増大なしに、ハウリング現象がおきにくい音響システムを提供できることを確認した。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【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における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一次の共振周波数近傍の曲率分布を示す図。
【図３】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二次の共振周波数近傍の曲率分布を示す図。
【図４】片もち型圧電バイモルフにおける三次の共振周波数近傍の振幅および曲率分布を示す図。図４（ａ）は片もち型圧電バイモルフにおける三次の共振周波数近傍の振幅分布を示す図。図４（ｂ）は片もち型圧電バイモルフにおける三次の共振周波数近傍の曲率分布を示す図。
【図５】本発明の最良の形態に係る圧電バイモルフのシム材、圧電セラミックス、電極の構成を示した断面図。
【図６】本発明に係る圧電バイモルフの振動発生力に関する測定の固定方法を示す図。
【図７】本発明の実施例に係る音響振動発生力の周波数依存性を示す図。
【図８】試作した圧電型骨伝導スピーカーの構成を示す図。
【図９】ハウリング現象を測定するための実験装置の構成を示す図。
【符号の説明】
【００２６】
１    シム板
２    圧電セラミックス板
３    電極
４    圧電バイモルフ
５    固定治具
６    振動力センサー
７    筐体
８    マイクロフォン
９    骨伝導スピーカー
１０    アンプ
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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