(57)【要約】 【課題】  正方形に近い形状で、歪の無い大きな音響出力が得られ、人体との音響整合が良い、製造が容易な音響振動発生素子を提供する。【解決手段】  表裏面をメタライズした圧電セラミックス矩形板２を弾性板１の表裏面に張り合わせた圧電バイモルフ構造の音響振動発生素子において、前記弾性板の表裏面それぞれのほぼ等しい位置に少なくとも２枚以上の前記圧電セラミックス矩形板２を並行に並べて張り合わせたことを特徴とする音響振動発生素子。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表裏面をメタライズした圧電セラミックス矩形板を弾性板の表裏面に張り合わせた圧電バイモルフ構造の音響振動発生素子において、前記弾性板の表裏面それぞれのほぼ等しい位置に少なくとも２枚以上の前記圧電セラミックス矩形板を並行に並べて張り合わせたことを特徴とする音響振動発生素子。
【請求項２】
前記圧電セラミックス矩形板は、複数の内部電極層と圧電セラミックス層を厚さ方向に積層し、一層置きに共通の外部電極に接続した構造であることを特徴とする請求項１記載の音響振動発生素子。
【請求項３】
可撓性物質で表裏面もしくは全面を被覆したことを特徴とする請求項１もしくは２記載の音響振動発生素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音響電気信号を音響振動に変換して頭骨や腕に伝搬させ、それを聴覚神経で聴取する骨伝導スピーカー等に関し、特に骨伝導スピーカーに用いるのに好適な、音響振動発生素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、骨伝導用の電気−機械トランスデューサとしては、主に電磁式が用いられ、ダイナミックスピーカと同じ原理のコイルを流れる電流とマグネットとの相互作用で発生する駆動力を機械振動に変えるもので、いくつかの提案がなされている。しかし、電磁方式の発生力は電磁力であり、電流を必要とするが、巻線の有する抵抗でエネルギー損失を生じ、電源から供給されるエネルギーの大半はジュール熱として散失し、音響エネルギーとして使用される分はわずかに１％にすぎない。また、低音領域では低インピーダンスの為に、電流が過剰になり易く電源側の負荷が大きく、結果的に低音域では出力を制限せざるを得ない為に、低音の音響出力不足になり易いという欠点があった。
【０００３】
一方、少数ではあるが、圧電素子を用いた骨伝導用トランスデユーサの提案がある。（例えば、特許文献１及び２参照）この場合は圧電発音体として多く用いられる金属板と圧電材料を貼りあわせた圧電ユニモルフ素子構造を用いているが、実用域のサイズでは基本的に共振周波数が１ｋＨｚ以上になる為に、共振周波数より下の低音域の再生が不充分になり易い欠点があった。また、振動系の機械的品質係数Ｑｍが高い為に特定の周波数で強調されたり、逆に減衰したりするために自然な音の再生ができないという欠点もあった。
【０００４】
特に、骨伝導スピーカーは、低電圧で大きな音響出力が要求され、そのためには圧電セラミックス矩形板の厚さを薄くするか、積層構造をとり、周波数特性を維持して出力を上げるには後述のとおり振動子の幅を広げることが考えられるが、以下のような問題点が生ずる。
【０００５】
音響振動発生用のバイモルフ振動子については、その構成と音響性能の関係については基本的なところは数式的にも十分に理論付けされているため、以下に若干の数式を用いて説明する。まず、音響出力の周波数特性に関与する素子の共振周波数ｆrについて数１の関係で構成要素と関係する。
【０００６】
【数１】
2005311415.tif 000003
【０００７】
数１のＬはバイモルフ振動子の長さであり、小型化のために短くしようとすると他の要素で補正しない限り急激に共振周波数を上げて周波数特性を高域のほうに持ち上げる傾向がある。数１はバイモルフ振動子の支持形態が一端固定、一端自由の片持ち式である場合も、両端自由の場合も同形式であり、αnが異なるのみである。このように式中のαnは振動姿態で決まる定数であり、以後の説明では触れない。
【０００８】
数１のＫは、圧電材料とシム材料の厚みおよび弾性係数で決まる曲げの弾性係数である。この関係を数２に示す。
【０００９】
【数２】
2005311415.tif 000004
【００１０】
ここで、ｗは素子の幅、ＥsとＥcはシム材料と圧電材料の弾性係数であり、２ｔsとｔcはシムと圧電材料の厚みを示す。ｅは後述の圧電応力定数、εsは圧電材料の誘電率を示す。幅ｗが決まるとＫは構成材料の弾性係数と厚みに支配される。
【００１１】
ρＳは単位長さあたりの重さを示し、数３で示される。
【００１２】
（数３）
ρＳ＝２ｗ（ｔcρc＋ｔsρs）
ここで、ρc、ρsは、それぞれ圧電材料とシム材料の比重を示す。
【００１３】
次に、音響振動発生素子の駆動力の源である、電界に応じて発生する曲げモーメントＭeについて説明する。圧電バイモルフ素子に電圧を印加されたときに曲げモーメントＭeが発生して素子が屈曲変形して振動する。曲げモーメントＭeと構成要素との関係は数４で示される。
【００１４】
（数４）
Ｍe＝ｗ（ｔc＋２ｔs）ｅＶ  
ｅは圧電材料の圧電応力定数で電界に応じて発生する応力の度合いを示し、Ｖは印加する電圧を示している。
【００１５】
両端自由の支持形態における振動時の振幅は、位置の関数であり、ψ（ｘ）とすると振幅ψ（ｘ）は数５で表現される。
【００１６】
【数５】
2005311415.tif 000005
【００１７】
ここで、αは角周波数ωと構成要素できまる数６で表される。
【００１８】
【数６】
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【００１９】
また、ｘはバイモルフの長さ方向の中心点を原点とした座標上の任意の一点を示す位置のファクターである。
【００２０】
数５から、曲げモーメントＭeが大きいほど発生する変位が大きくなり、結果として、その時間微分である振動速度、振動の加速度が大きくなる。音響振動発生素子の振動方向の駆動力をＦｂと表現するとき素子の長さ方向における微小区間ｄｘの重量ρＳｄｘとその部分の加速度αの積で得られる微小区間毎に発生する慣性力を全区間について積分した値として数７で求めることができる。
【００２１】
【数７】
2005311415.tif 000007
【００２２】
数７では数５の三角関数と双曲線関数の部分はφ（α、ｘ）と略記した。ρＳ，Ｋともに幅ｗが積の形で入っており、ルートの部分ではｗの効果はキャンセルされ、数４のＭeに幅ｗが含まれる。即ち、数７の被積分関数は、前述の通り各部分での慣性力を示し、振動姿態や周波数に応じて変化するが、大きな曲げモーメントの結果として大きな振幅が得られ、大きな駆動力Ｆbの発生に寄与することが、数５および数７から説明できる。
【００２３】
前述のとおり、曲げモーメントＭeは圧電材料のｅ定数および駆動電圧Ｖ以外には厚みｔc、２ｔsと幅ｗに依存する。大きな曲げモーメントを得んとして厚みをｔcもしくは２ｔsの双方もしくはいずれかの一方を大きくすると、数２の曲げ弾性係数Ｋが急激に増大して共振周波数を引き上げるため音響出力の周波数特性に大きく影響を及ぼす。
【００２４】
また、音響特性の周波数特性を維持しながら出力パワーを拡大する方策として、数４から明らかなように、幅ｗの増大も曲げモーメントの増大に寄与できるが、一定以上の拡大を行うと幅方向の屈曲振動モードの共振と、長手方向の主振動モードとの干渉が始まり、対象周波数域内に幅方向の屈曲振動の影響が現れ、結果として音響出力の周波数特性の変化やひずみの要因となり、自然な音の再生ができなくなるという問題点がある。
【００２５】
【特許文献１】特開昭５９−１４０７９６号公報
【特許文献２】特開昭５９−１７８８９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２６】
小型で所望の周波数特性を満足し、かつ高出力（大きな駆動力）の音響振動発生素子を得ることと、人体との音響整合が良い、製造が容易な音響振動発生素子の提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
本発明によれば、表裏面をメタライズした圧電セラミックス矩形板を弾性板の表裏面に張り合わせた圧電バイモルフ構造の音響振動発生素子において、前記弾性板の表裏面それぞれのほぼ等しい位置に少なくとも２枚以上の前記圧電セラミックス矩形板を並行に並べて張り合わせたことを特徴とする音響振動発生素子が得られる。
【００２８】
また、本発明によれば、前記圧電セラミックス矩形板は、複数の内部電極層と圧電セラミックス層を厚さ方向に積層し、一層置きに共通の外部電極に接続した構造であることを特徴とする音響振動発生素子が得られる。
【００２９】
また、本発明によれば、可撓性物質で表裏面もしくは全面を被覆したことを特徴とする音響振動発生素子が得られる。
【発明の効果】
【００３０】
前述の通り、圧電セラミックス矩形板と弾性板を張り合わせた圧電バイモルフ構造において、一枚の弾性板の表裏面に複数の圧電セラミックス矩形板を張り合わせ複数の圧電バイモルフを構成することで、幅方向には圧電素子が複数の箇所で分断されていることになり、幅方向に発生する曲げモーメントは長さ方向に発生する曲げモーメントに比べると無視できる程に小さくなるために幅方向の振動モードは励起されにくい。結果として、正方形に近い形状でも一方向のみの振動モードとなり、歪の少ない大きな音響出力が得られ、同時に人体との音響整合も良く製造が容易な音響振動発生素子の提供が可能である。
【００３１】
更に、圧電セラミックス矩形板を複数の内部電極と圧電セラミックス層の積層体とすることで、内部電極間隔を狭くすることができるので、音響振動発生素子を圧電セラミックス矩形板と同じ電界強度で駆動する場合は、駆動電圧の低電圧化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下に、本発明の実施の形態について、図１〜図３を参照しながら詳細に説明する。
【００３３】
図１は、本発明の一実施の形態で、１枚の弾性板１の表裏面にそれぞれ４枚の圧電セラミックス矩形板２を張り合わせた音響振動発生素子の斜視図である。弾性板１は真鍮製で寸法が長さ３０ｍｍ、幅２５ｍｍ、厚さ０．１ｍｍである。また、圧電セラミックス矩形板２は、ＮＥＣトーキン製圧電セラミックス（商品名ネペック１０）を用い、長さ３０mm、幅８ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍの圧電セラミックス矩形板の表裏面に銀電極を焼付け、温度１００℃のシリコーンオイル中で、１５０Ｖの直流電圧を印加し分極した物を使用し、エポキシ系接着剤で張り合わせた。並行に並べたときの圧電セラミックス矩形板の間隔は０．５ｍｍとした。
【００３４】
図２は、本発明の異なる実施の形態で使用した、複数の内部電極３と圧電セラミックス層４の積層体で側面に銀電極を焼き付ける前の斜視図である。出発原料として前述の実施の形態と同じ圧電セラミックスの粉末を用い、厚さ３５μｍのグリーンシートを作製し、このグリーンシート上に、銀／パラジウム電極ペーストで所定形状の内部電極パターンを印刷し、この内部電極を印刷したグリーンシート４枚と印刷しないグリーンシートとを熱圧着し、１２００℃で焼結して、しかる後に対向する２側面に露出する内部電極に接続する銀電極を焼き付けて作製した。積層体の寸法は前述の実施の形態の圧電セラミックス矩形板２と同じとし、この積層体を前述の実施の形態と同じ弾性板の表裏面にそれぞれ０．５ｍｍ間隔で４枚、エポキシ系接着剤で張り合わせ、音響振動発生素子とした。
【００３５】
図３は、図１の音響振動発生素子の表裏面に可撓性物質としてシリコーン樹脂５を被覆した音響振動発生素子で、図３（ａ）は斜視図、図３（ｂ）はＡ−Ａ’の断面図である。シリコーン樹脂５の厚さは、ほぼ２ｍｍである。
【００３６】
比較例として、実施の形態と同じ弾性板の表裏面に、同じＮＥＣトーキン製圧電セラミックスで長さ３０ｍｍ、幅２４ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍの両面をメタライズした圧電セラミックス矩形板をエポキシ系接着剤で張り合わせ、音響振動発生素子とした。比較例の音響振動発生素子を図４に示した。
【００３７】
次に、本実施の形態の音響振動発生素子と比較例の音響振動発生素子の音響出力を定量的に確認する為に、人工内耳（Ｂ＆Ｋ社製  Artificial Mastoid Type 4930）を用いて人体の聴覚神経に相当する位置での加速度とそのひずみについて測定した。測定結果を図５（ａ）、図５（ｂ）に示した。
【００３８】
図５（ａ）、図５（ｂ）から明らかなように、本発明の一実施例と異なる実施例では４００Ｈｚから４０００Ｈｚまでほぼ平坦な加速度が測定され、骨伝導スピーカーの音響振動発生素子として十分な特性が得られているが、比較例では一定周波数間隔で幅方向と長さ方向の結合で、たくさんの不要振動が発生し、歪が多い音響出力であることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】１枚の弾性板の表裏面にそれぞれ４枚の圧電セラミックス矩形板を張り合わせた音響振動発生素子の斜視図。
【図２】複数の内部電極と圧電セラミックス層の積層体で側面に銀電極を焼き付ける前の斜視図。
【図３】図１の音響振動発生素子の表裏面に可撓性物質としてシリコーン樹脂を被覆した音響振動発生素子で、図３（ａ）は斜視図、図３（ｂ）はＡ−Ａ’の断面図。
【図４】比較例の音響振動発生素子を示す図。
【図５】音響振動発生素子の加速度およびひずみの測定結果を示す図。図５（ａ）は加速度の測定結果を示す図、図５（ｂ）はひずみの測定結果を示す図。
【符号の説明】
【００４０】
１    弾性板
２    圧電セラミックス矩形板
３    内部電極
４    圧電セラミックス層
５    シリコーン樹脂
【図１】
2005311415.tif 000008
【図２】
2005311415.tif 000009
【図３】
2005311415.tif 000010
【図４】
2005311415.tif 000011
【図５】
2005311415.tif 000012