(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口部を有するケース本体および前記開口部を塞ぐように設けられた底板を備えたケースと、該ケースの前記底板を振動させるように前記ケースに収容された積層型圧電素子とを備え、
前記底板と前記積層型圧電素子との間にはスペーサが介在されており、前記積層型圧電素子の積層方向から見て、前記スペーサにおける前記底板と接する側の面の外縁が前記積層型圧電素子の端面の外縁よりも外側に位置していることを特徴とする音響発生器。
【請求項２】
前記積層型圧電素子の積層方向から見て、前記スペーサにおける前記底板と接する側の面の外縁が前記積層型圧電素子と接する側の面の外縁よりも外側に位置していることを特徴とする請求項１に記載の音響発生器。
【請求項３】
前記積層型圧電素子の積層方向から見て、前記スペーサにおける前記積層型圧電素子と接する側の面の外縁が前記積層型圧電素子の端面の外縁よりも外側に位置し、かつ前記スペーサにおける前記底板と接する側の面の外縁が前記積層型圧電素子と接する側の面の外縁よりも外側に位置していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の音響発生器。
【請求項４】
前記スペーサは、前記底板と接する側の面に開口した凹部を有しており、前記積層型圧電素子の積層方向から見て、前記凹部は少なくとも前記積層型圧電素子の端面と重なる領域に設けられ、かつ前記凹部の外縁が前記積層型圧電素子の端面の外縁よりも外側に位置していることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちのいずれかに記載の音響発生器。
【請求項５】
前記スペーサが金属からなることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちのいずれかに記載の音響発生器。
【請求項６】
前記スペーサが樹脂からなることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちのいずれかに記載の音響発生器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば振動板に貼り付けて音を出す音響発生器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えばパネルのような振動板に貼り付けて音を出す音響発生器として、振動板に圧電素子を貼り付け、当該圧電素子を主に振動板と平行な方向に伸縮するように駆動させて振動板を振動させる、いわゆるｄ３１モードを利用した音響発生器が知られている（例えば特許文献１を参照）。
【０００３】
また、積層型の圧電素子を備え、主に積層方向に伸縮する圧電アクチュエータが知られており（例えば特許文献２を参照）、この圧電アクチュエータを音響発生器として振動板に貼り付け、当該圧電アクチュエータを主に振動板と垂直な方向に伸縮するように駆動させて振動板を振動させる、いわゆるｄ３３モードを利用した音響発生器が考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００２−５３９６９９号公報
【特許文献２】特開平０６−２８３７７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、ｄ３１モードを利用した音響発生器に比べて、ｄ３３モードを利用した音響発生器のほうが圧電素子の発生力が大きく、音圧レベルを向上させることができる。
【０００６】
しかしながら、ｄ３３モードにおいては、中周波数帯域および高周波数帯域の音圧レベルに比べて、低周波数帯域の音圧レベルが低く、低周波数帯域の音圧レベルの向上が求められている。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、低周波数帯域も含む全帯域における音圧レベルを向上させることのできる音響発生器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の音響発生器は、開口部を有するケース本体および前記開口部を塞ぐように設けられた底板を備えたケースと、該ケースの前記底板を振動させるように前記ケースに収容された積層型圧電素子とを備え、前記底板と前記積層型圧電素子との間にはスペーサが介在されており、前記積層型圧電素子の積層方向から見て、前記スペーサにおける前記底板と接する側の面の外縁が前記積層型圧電素子の端面の外縁よりも外側に位置している。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の音響発生器によれば、低周波数帯域も含む全帯域における音圧レベルを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】（ａ）は本実施形態の音響発生器の一例を示す概略斜視透過図、（ｂ）は（ａ）に示す音響発生器の概略縦断面図である。
【図２】図１に示す積層型圧電素子の概略斜視図である。
【図３】本実施形態の音響発生器の他の例を示す概略縦断面図である。
【図４】本実施形態の音響発生器の他の例を示す概略縦断面図である。
【図５】本実施形態の音響発生器の他の例を示す概略縦断面図である。
【図６】本実施形態の音響発生器の他の例を示す概略縦断面図である。
【図７】本実施形態の音響発生器を用いた音響発生装置の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照して、本実施形態の音響発生器について詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１２】
図１（ａ）は本実施形態の音響発生器の一例を示す概略斜視透過図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す音響発生器の概略縦断面図である。図１に示す本実施形態の音響発生器１は、開口部を有するケース本体２１および開口部を塞ぐように設けられた底板２２を備えたケース２と、ケース２の底板２２を振動させるようにケース２に収容された積層型圧電素子３とを含み、底板２２と積層型圧電素子３との間にはスペーサ４が介在されており、積層型圧電素子３の積層方向から見て、スペーサ４における底板と接する側の面４１の外縁が積層型圧電素子３の端面（第１の端面３０）の外縁よりも外側に位置している。
【００１３】
図１に示すケース本体２１は、鉛直方向に延びる円筒状の筒状部２１１の一端（上端）に天板部２１２を有し、他端（下端）は開口している形状（いわゆる有底筒状）のもので、少なくとも積層型圧電素子３およびスペーサ４が収容される内部空間を有している。ケース本体２１（筒状部２１１および天板部２１２）は、後述する積層型圧電素子３の駆動力を底板２２へ十分に伝えるために変形の少ないものであるのが好ましく、例えばステンレス、アルミニウム、黄銅などの金属、ＡＢＳ樹脂、ポリアセタール、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレンなどの樹脂で形成される。筒状部２１１および天板部２１２の厚みは例えば１ｍｍ〜２０ｍｍに設定される。
【００１４】
筒状部２１１を天板部２１２に対して平行に切断したときの断面形状および天板部２１２の形状としては、例えば円形、楕円形あるいは多角形などが挙げられる。例えば円形であれば、後述する底板２２の外縁にほぼ均等に力が伝わって振動するので、発生する振動の周波数の乱れを少なくすることができる。
【００１５】
筒状部２１１の長さは、例えば６ｍｍ〜５５ｍｍに設定される。また、筒状部２１１が円筒状の場合の筒状部２１１の内径は、例えば３０ｍｍ〜５０ｍｍに設定される。ここで、後述する積層型圧電素子３の幅（例えば２ｍｍ〜３ｍｍ）に対して筒状部２１１の内径が大きいのは、底板２２の面積を大きくして、低周波数帯域の音圧を上げるためである。
【００１６】
なお、後述する底板２２の振動を妨げず、底板２２の変形に対して十分に小さい変形となる範囲内で、筒状部２１１または天板部２１２が変形するようになっていてもよい。例えば、筒状部２１１の厚みよりも天板部２１２の厚みが薄くなっていたり、筒状部２１１がベローズ状（蛇腹状）に形成されていたり、筒状部２１１の少なくとも一部がバネ形状になっていたりしてもよい。
【００１７】
そして、ケース本体２１の筒状部２１１の他端（下端）である開口部を塞ぐように底板２２が設けられている。底板２２は、ケース本体２１の筒状部２１１の形状に合わせて、平面視したときの形状が例えば円形、楕円形あるいは多角形に形成されている。そして、ボルト締め、両面テープによる接着などでケース本体２１の筒状部２１１の他端（下端）である開口部に固定される。この底板２２はケース本体２１と同様の材質からなり、例えばステンレス、アルミニウム、黄銅などの金属、ＡＢＳ樹脂、ポリアセタール、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレンなどの樹脂で形成される。底板２２は天板部２１２
よりも変形しやすくなっており、例えば天板部２１２の厚みの５０％以下の厚みに設定され、例えば０．５ｍｍ〜２ｍｍに設定される。
【００１８】
ケース本体２１および底板２２は、切削加工や、金属の場合は鋳造、樹脂の場合はインジェクション成型などにより作製される。
【００１９】
ケース２の内部には、底板２２を振動させるように積層型圧電素子３が収容されている。より詳しくは、積層型圧電素子３は、筒状部２１１に平行であって底板２２の主面に垂直な方向（図の鉛直方向）と、当該積層型圧電素子３の積層方向とが同じ方向となるようにケース２の内部に収容されている。このように配置することで、いわゆるｄ３３モードを利用した音響発生器１とすることができ、積層型圧電素子３の発生力が大きく、底板２２および当該底板２２を貼り付けた振動板を大きく変形させることが可能となり、音圧レベルを向上させることができる。
【００２０】
ここで用いられる積層型圧電素子３は、図２に示すように、例えば、圧電体層３１および内部電極層３２が交互に積層された積層体３３と、積層体３３の側面に積層方向に長く被着されて内部電極層３２の一つの側面へ導出された端部に電気的に接続された外部電極層３４と、外部電極層３４に沿って導電性接合材３５によって接合された外部電極板３６とを備えている。なお、図には表れていないが、外部電極層３４および外部電極板３６が設けられた一つの側面と対向する反対側の側面にも、外部電極層３４および外部電極板３６が設けられている。
【００２１】
積層体３３は、圧電体層３１および内部電極層３２が交互に積層されて、例えば縦２〜３ｍｍ、横２〜３ｍｍ、高さ５〜３０ｍｍの四角柱状に形成されたもので、内部電極層３２の端部が交互に積層体３３の互いに反対側となる側面（対向する側面）に導出されている。
【００２２】
圧電体層３１は、圧電特性を有するセラミックスで形成されたもので、このようなセラミックスとして、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３）からなるペロブスカイト型酸化物、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）などを用いることができる。
【００２３】
内部電極層３２は、圧電体層３１を形成するセラミックスと同時焼成により形成されたもので、この形成材料として、例えば圧電磁器との反応性が低い銀−パラジウム合金を主成分とする導体、あるいは銅、白金などを含む導体を用いることができる。
【００２４】
外部電極層３４は、例えば銀とガラスからなるペーストを塗布して焼き付けて形成されたもので、積層体３３の側面に積層方向に長く被着されている。そして、外部電極層３４は、内部電極層３２の側面へ導出された端部に電気的に接続されている。
【００２５】
外部電極板３６は外部電極層３４に沿って設けられていて、導電性接合材３５によって接合されている。外部電極板３６は、例えばステンレスなどの金属板からなり、図２に示すように幅方向にスリットや孔が形成されていてもよい。また、導電性接合材３５は、例えばポリイミド樹脂などの熱硬化性樹脂中に例えば銀などのフィラーがほぼ均一に分散してなるものである。
【００２６】
また、外部電極板３６の表面には、はんだ３７を介してリード部材３８が接続されている。製造時にはリード部材３８に０．１〜３ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加することで、積層体３３を構成する圧電体層３１が分極される。また使用時には、リード部材３８を外部電源に接続して電圧を印加することで、逆圧電効果により積層型圧電素子３が伸縮するよ
うになる。
【００２７】
また、ケース２の内部にはスペーサ４も収容されていて、積層型圧電素子３とスペーサ４とが同軸上に配置され、底板２２と積層型圧電素子３との間にスペーサ４が介在された状態になっている。このスペーサ４の厚みは、例えば２ｍｍ〜２５ｍｍに設定される。
【００２８】
このとき、積層型圧電素子３の第１の端面３０（図に示す下側の端面）はスペーサ４に当接し、積層型圧電素子３の第２の端面（第１の端面と対向する面、図１においては上面。）はケース本体２１の天板部２１２に当接している。ここで、積層型圧電素子３の第１の端面３０はスペーサ４に接着剤などで接着されていてもよく、積層型圧電素子３の第２の端面はケース本体２１の天板部２１２に接着剤などで接着されていてもよい。また、接着剤を用いて接着せずに、積層型圧電素子３およびスペーサ４が天板部２１２および底板２２の面内方向にずれたり傾いたりするのを制限するように、筒状部２１１に突起を設けるなどしてもよい。また、スペーサ４と底板２２とは通常接着されなくてもよいが、接着されていてもよい。なお、天板部２１２と積層型圧電素子３とが直接接触しておらず、これらの間に介在するものが設けられていてもよい。
【００２９】
ここで、スペーサ４として、ステンレス、アルミニウム、黄銅などの金属からなるものを採用することができる。金属は弾性変形領域が広いので、変形の反力を積層型圧電素子３自身が底板２２を押す力に付加することができる。また、金属はバネ性があるので変形した際のエネルギーが熱に変換されにくいため、押す力がロスされず高い力を維持して、底板をより変形させることができる。したがって、全体の音圧レベルを向上させることができる。一方、スペーサ４として、ＡＢＳ樹脂、ポリアセタール、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレンなどの樹脂からなるものを採用することもできる。樹脂は振動の減衰率が高いので、高周波数帯域に見られるピークとディップとの音圧レベル差を小さくして、音質を向上させることに寄与させることができる。なお、スペーサ４は、切削加工や、金属の場合は鋳造、樹脂の場合はインジェクション成型などにより作製され、積層型圧電素子３の積層方向に垂直な方向に切断した断面で見て、例えば円形、四角形あるいは多角形などに形成される。
【００３０】
そして、積層型圧電素子３の積層方向から見て、スペーサ４における底板と接する側の面４１の外縁が積層型圧電素子３の端面（第１の端面３０）の外縁よりも外側に位置している。スペーサ４が円柱状の場合の断面の外径は、積層型圧電素子３の幅よりも長く、筒状部２１１の内径よりも短く、例えば５ｍｍ〜４５ｍｍに設定される。
【００３１】
積層型圧電素子３が底板２２に直接接触して積層型圧電素子３の伸縮による力が直接底板２２に伝わるのではなく、上記構造のスペーサ４を介して積層型圧電素子３の伸縮による力が底板２２に伝えられることで、底板２２を押す領域の面積が大きくなる。したがって、底板２２の振動の波長が長くなり、低周波数帯域の音圧レベルを含む全帯域における音圧レベルを向上させることができる。また、高周波数帯域に見られるピークとディップとの音圧レベル差を小さくすることもでき、これによる音質の向上の効果も得られる。
【００３２】
ここで、図３〜図５に示すように、積層型圧電素子３の積層方向から見て、スペーサ４における底板２２と接する側の面の外縁が、積層型圧電素子３と接する側の面の外縁よりも外側に位置している構成であってもよい。スペーサ４が断面円形の場合、底板２２と接する側の面の外縁の内径に対して、積層型圧電素子３と接する側の面の外縁の内径は例えば５０〜８０％の長さに設定される。
【００３３】
この構成によれば、積層型圧電素子３の駆動力が底板２２に向かってよく伝わるので、底板２２を効果的に変形させることができる。また、スペーサ４における底板２２と接す
る側が積層型圧電素子３と接する側よりも広くなっているので、底板２２と接する側の外縁付近が底板２２の変形に沿って変形して追従するようになる。また、底板２２が大きく変形したときのスペーサ４における底板２２と接する側の外縁付近の底板２２との接触部が線接触から面接触となって接触面積が増えるようになる。これらによって、高周波帯域に見られるピークとディップとの音圧レベル差をより小さくすることができる。また、接触面積の増加によって、底板２２に積層型圧電素子３の駆動力が伝わりやすくなり、低周波数帯域の音圧レベルを含む全帯域における音圧レベルを向上させることができる。
【００３４】
さらに、図４および図５に示すように、積層型圧電素子３の積層方向から見て、スペーサ４における積層型圧電素子３と接する側の面の外縁が積層型圧電素子３の端面（第１の端面３０）の外縁よりも外側に位置し、かつスペーサ４における底板２２と接する側の面の外縁が積層型圧電素子３と接する側の面の外縁よりも外側に位置していてもよい。なお、図４はスペーサ４の断面積が積層型圧電素子３と接する側の面から底板２２と接する側の面に向かって徐々に増加する形状（例えば円錐台、角錐台などの錐台形状）であり、図５はスペーサの断面積が積層型圧電素子３と接する側の面から底板２２と接する側の面に向かって段階的に増加する形状（例えば凸型の円板、矩形板などの形状）である。
【００３５】
スペーサ４における積層型圧電素子３と接する側の面の外縁が積層型圧電素子３の端面（第１の端面３０）の外縁よりも外側に位置していることで、スペーサ４における積層型圧電素子３と接する側の面の外縁が積層型圧電素子３の端面（第１の端面３０）の外縁よりも内側に位置している構成と比べて、積層型圧電素子３の端面（第１の端面３０）の全面でスペーサ４に接触するので、積層型圧電素子３の駆動力を確実にスペーサ４に伝えることができる。また、積層型圧電素子３の端面（第１の端面３０）に部分的にスペーサ４が当たることによる部分的な応力負荷がなくなって、積層型圧電素子３の破損などに対する長期信頼性が向上する。
【００３６】
また、図６に示すように、スペーサ４は、底板２２と接する側の面に開口した凹部４１を有しており、積層型圧電素子３の積層方向から見て、凹部４１は少なくとも積層型圧電素子３の端面と重なる領域に設けられ、かつ凹部４１の外縁が積層型圧電素子３の端面（第１の端面３０）の外縁よりも外側に位置している構成であってもよい。ここで、スペーサ４がちょうど円柱をくり抜いたように凹部４１が形成されている場合、外径が例えば５ｍｍ〜４５ｍｍのとき、内径は外形の例えば５０〜９５％の長さに設定される。そして、天面の厚さは例えば１ｍｍ〜２０ｍｍとされ、側壁の厚みは例えば１．２ｍｍ〜１１．２ｍｍとされる。なお、図６に示すスペーサ４は、図１に示すスペーサ４に凹部４１を設けたような形状であるが、図３〜図５に示す形状のスペーサ４に凹部を設けてもよい。
【００３７】
この構成によれば、積層型圧電素子３の端面よりも外側の底板２２の領域に対して積層型圧電素子３の伸縮による力を伝えられるので、底板２２の振動の波長が長くなり、低周波数帯域の音圧レベルを含む全帯域における音圧レベルを向上させることができる。また、スペーサ４の積層型圧電素子３の直下にある領域がたわむので、高周波帯域での振動を減衰させ、高周波数帯域に見られるピークとディップとの音圧レベル差をより小さくすることもでき、これによる音質の向上の効果も得られる。
【００３８】
これまで述べた音響発生器１は、図７に示すように、音響発生器１の底板２２を振動板５に貼り付けて、積層型圧電素子３の駆動によって底板２２とともに振動板５を振動させる音響発生装置とすることができる。音響発生装置は、音響発生器１で振動を発生させ、それによって設置対象物を振動させることで音響を発生させるものである。
【００３９】
具体的には、増幅器によって増幅された電気信号が音響発生器１を構成する積層型圧電素子３に入力されて、底板２２とともに振動板５が振動する。例えば、１Ｖ程度の電気信
号が±５０Ｖ程度まで増幅されて入力される。
【００４０】
音響発生器１は、例えば接着剤や両面テープを用いて振動板５に貼り付けられる。例えば屋内設備の天板や壁を振動板５として利用することができ、これらに音響発生器１を設置して、設置された天板全体や壁全体を音響発生器１が振動させることで、天板や壁から音や音楽を発生させることができる。天板や壁は、石膏ボード、アクリル樹脂、建設用木材などでもよく、音響発生装置として機能する所望の厚さになっていればよい。
【実施例】
【００４１】
以下、音響発生器の具体例について説明する。
【００４２】
積層型圧電素子は縦が２ｍｍ、横が２ｍｍ、長さが２０ｍｍの四角柱状に作製した。
【００４３】
スペーサは材質の異なる２種類を作製した。スペーサ（Ａ）としてＳＵＳ３０４（引張弾性率１９７ＧＰａ）にて作製し、スペーサ（Ｂ）としてＡＢＳ樹脂（引張り弾性率１．９ＧＰａ）にて作製した。スペーサ（Ａ）およびスペーサ（Ｂ）は、ともに円柱形状で横断面の直径がφ３０ｍｍ、厚み１０ｍｍに成形した。
【００４４】
また、ケースも２種類を作製した。ケース本体（Ｃ）として、外径が５５ｍｍ、高さが３５ｍｍの円柱形状に切削加工によりくり貫きを設けた形状とし、くり貫き部の寸法を直径３５ｍｍ、深さ３０ｍｍとした。ケース本体（Ｄ）として、外径がφ５５ｍｍ、高さが２５ｍｍの円柱形状に切削加工によりくり貫きを設けた形状とし、くり貫き部の寸法を直径３５ｍｍ、深さ２０ｍｍとした。材質はともにＳＵＳ３０４とし、また天板部の厚みを５ｍｍとした。
【００４５】
底板は円板形状で直径５５ｍｍ、厚み１ｍｍとした。
【００４６】
そして、音響発生器の試料を３つ用意した（試料１〜３）。試料１（比較例）は、積層型圧電素子、ケース本体（Ｄ）および底板を用いて作製し、スペーサを備えない音響発生器とした。試料２（実施例）は、積層型圧電素子、スペーサ（Ａ）、ケース本体（Ｃ）および底板を用いて作製した。試料３（実施例）は、積層型圧電素子、スペーサ（Ｂ）、ケース本体（Ｃ）および底板を用いて作製した。
【００４７】
作製した各試料について音圧特性を比較した。駆動条件はサインスイープで、振幅は±１５Ｖで、周波数を１００Ｈｚから２０，０００Ｈｚまで連続的に変更させた。測定に際し、無響室内にてマイクロフォンを１ｍの下方に設置し、集音した。集音したデータは周波数ごとの音圧レベル値に変換し、比較を行った。
【００４８】
測定した結果、全周波数（１００から２０ｋＨｚ）での平均音圧レベルは、試料１が７２ｄＢ、試料２が７８ｄＢ、試料３が７９ｄＢとなった。また、低周波数帯域（１００Ｈｚから１ｋＨｚ）での平均音圧レベルは、試料１が６０ｄＢ、試料２が６７．５ｄＢ、試料３が６６ｄＢとなり、スペーサありの試料２および試料３が、スペーサなしの試料１よりも高い音圧レベルを示した。したがって、本発明のスペーサを入れることで低周波数での音圧レベルが向上することがわかる。
【００４９】
また、高周波数帯域である３ｋＨｚから８ｋＨｚ付近に見られるピークとディップとの音圧レベル差は、試料２が１６ｄＢ、試料３が１１ｄＢで、スペーサの材質を金属（ＳＵＳ３０４）から樹脂（ＡＢＳ樹脂）に変更することで、低減されることが確認された。
【符号の説明】
【００５０】
１    音響発生器
２    ケース
２１    ケース本体
２１１    筒状部
２１２    天板部
２２    底板
３    積層型圧電素子
３１    圧電体層
３２    内部電極層
３３    積層体
３４    外部電極層
３５    導電性接合材
３６    外部電極板
３７    はんだ
３８    リード部材
４    スペーサ
５    振動板
【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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