(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一枚以上の圧電素子（１２）を有し、この圧電素子（１２）の長さあるいは径方向の振動を屈曲振動に変換する圧電振動子（１）を有する圧電音響装置において、圧電振動子（１）の圧電素子（１２）からその周辺方向に接続されていく部材の密度が次第に小さくなっていくことを特徴とする圧電音響装置。
【請求項２】
振動板（１１）に圧電素子（１２）を貼り付けた圧電振動子（１）の周辺部が周辺部材（３）で支持された圧電音響装置において、前記圧電振動子（１）の周辺部が支持部材（２）を介して周辺部材（３）に支持されており、圧電素子（１２）、振動板（１１）、支持部材（２）及び周辺部材（３）を構成する材料の密度が、圧電素子（１２）、振動板（１１）、支持部材（２）及び周辺部材（３）の順で大きいことを特徴とする圧電音響装置。
【請求項３】
圧電素子（１２）の要部が圧電セラミクス、振動板（１１）が金属板からなり、支持部材（２）は、樹脂、硬質ゴムまたはカーボンの何れかであり、周辺部材（３）が発泡樹脂または低密度カーボンからなることを特徴とする請求項２に記載の圧電音響装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、圧電振動子を用い、音を発する圧電音響装置に関し、特に音圧レベルが高い圧電スピーカと呼ばれるタイプのものであって、音圧レベル及び音質が向上し、ダイナミックタイプスピーカに匹敵する高い音質が得られる圧電音響装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来における圧電音響装置は、円板状の圧電セラミクス板の両面に電極を施してなる圧電素子を金属円板からなる振動板に貼り付けた圧電振動子を使用する。前記圧電素子の電極間に駆動電圧を印加し、この駆動電圧方向と直交する方向の変位を径方向の伸縮として取り出し、かつその伸縮により振動板に撓みを起こすことで圧電振動子を振動させることにより、音響的に有効な振動を取り出す。
【０００３】
一般的に発音体の音響インピーダンスＺａは発音体の密度ρとその音の伝達速度ｖ（音速）の積で表される。発音体の振動は波として空気などの媒体を介して我々の耳に到達する。
この際、空気の音響インピーダンスＺａｉｒも上記の関係で表され、振動体からの振動エネルギの受理が行われる訳である。従って振動エネルギの伝達効率はＺａ＝Ｚａｉｒの状態の時に最大となる。
【０００４】
ところが、空気の音響インピーダンスＺａｉｒは、およそ４００（Ｋｇ／ｍ2・ｓ）と低い値で表される。それに対して圧電振動子のＺａは、４．３×１０6（Ｋｇ/ｍ2・ｓ）と極めて高く、振動エネルギの伝達が非効率的になるのが理解できる。
一方、ダイナミック方式の発音体は振動板に樹脂や紙などを用いていることから、Ｚａは圧電発音体に比較して低く、エネルギの伝達効率が良くなる。
【０００５】
【発明が解決しようとしている課題】
このような観点から考慮すると、圧電振動子の振動エネルギの伝達効率を向上させるためには、主として次のような手段が容易に考えられる。
・圧電振動子の密度を小さくする。
・圧電振動子の弾性係数を小さくして音速を下げる。
【０００６】
しかしながら、圧電素子の主要部は焼成されたセラミクス材料でり、これを貼り付けた振動板は金属からなること等から、圧電振動子の密度を小さくしたり、圧電振動子の弾性係数を小さくするには自ずと限度があり。このため従来において、この点の大幅な改善はなされていなかったのが実状である。
【０００７】
本発明は前記のような従来の圧電音響装置における課題に鑑み、圧電素子の出す振動エネルギを、その周囲にある部材を介して空気に効率よく伝達し、さらにこの空気を媒介として効率的に伝達することが出来るようにし、これにより圧電音響装置の音質の向上を図ることを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明では、前記の目的を達成するため、少なくとも一枚以上の圧電素子１２を有し、この圧電素子１２の長さあるいは径方向の振動を屈曲振動に変換する圧電振動子１を有する圧電音響装置において、圧電振動子１の圧電素子１２からその周辺方向に接続されていく部材の密度が次第に小さくなっていくように圧電音響装置を構成した。
【０００９】
より具体的に述べると、本発明による圧電音響装置は、振動板１１に圧電素子１２を貼り付けた圧電振動子１の周辺部が周辺部材３で支持されたものであって、前記圧電振動子１の周辺部が支持部材２を介して周辺部材３に支持されており、圧電素子１２、振動板１１、支持部材２及び周辺部材３を構成する材質の密度が、圧電素子１２、振動板１１、支持部材２及び周辺部材３の順で大きいことを特徴とするものである。
【００１０】
より具体的な材料の組み合わせをあげれば、例えば圧電素子１２の要部が圧電セラミクス、振動板１１が金属板からなるとき、支持部材２は、樹脂、硬質ゴムまたはカーボンの何れかであり、周辺部材３が発泡樹脂または低密度カーボンからなる。
【００１１】
圧電素子１２は基本的に何らかの部材で支持されている。全ての物質が原則的に音響インピーダンスを持つと考えると、圧電素子１２を支持する振動板１１や支持部材２も同様に音響インピーダンスを持つ。さらにこの支持部材２を支持している周辺部材３も同様とすると、振動は圧電素子１２、振動板１１、支持部材２及び周辺部材３へと順次伝わっていく。
【００１２】
この場合おいて、振動を変位として考えると、音響インピーダンスの特性上、低いインピーダンスから高いインピーダンスヘの振動エネルギの伝達効率は逆の場合よりも悪化する。従って、周辺部材３まで振動エネルギを伝達しようとする場合、振動エネルギの発生源である圧電素子１２から次第に音響インピーダンスを低下させていくことが望ましい。こうすることで圧電素子１２を含めて振動板１１、支持部材２及び周辺部材３を効率的に振動することが出来る。また圧電素子１２から周辺部材３に至る間の音響インピーダンスの低減に伴い、周辺部材３の音響インピーダンスがその周囲の空気に近くなるようにすると、周辺部材３が空気に効率的に振動を伝えてくれるようになる。
【００１３】
音響インピーダンスは上述のように、物質の密度と音速の積で示される。音速ｃと密度ρの関係は次の数１で表され、音響インピーダンスＺａは、数２の通りとなる。よって音響インピーダンスをさげるためには、圧電素子１２に比べて、その周囲の支持部材２や周辺部材３の密度を小さくすればよいことになる。
【００１４】
【数１】
0003830728.tif 000002
【００１５】
【数２】
0003830728.tif 000003
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について、具体的且つ詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態による圧電音響装置の基本的な構成部材を示し、図２は同圧電音響装置における圧電振動子の周辺部の支持構造を示す要部縦断側面図である。この圧電音響装置は、圧電振動子と支持部材２と周辺部材３とからなる。
【００１７】
圧電振動子１は、円形フィルム状の圧電セラミクスの両面をメタライズして電極とした圧電素子１２と、金属円板からなる振動板１１とを有し、この振動板１１に前記の圧電素子１２の片面の電極を導通状態で貼り付けたものである。圧電素子１２は、厚さ方向に分極されている。圧電セラミクスとしては、チタン酸ジルコン酸鉛等が使用される。
【００１８】
この圧電素子１２を振動板１１の片主面に貼り付けたものがユニモルフ型圧電振動子であり、圧電素子１２を振動板１１の両主面に貼り付けたものがバイモルフ型圧電振動子である。図１と図２では、ユニモルフ型圧電振動子を使用しているが、バイモルフ型圧電振動子１を使用することもできる。
【００１９】
支持部材２は、板状であって、且つリング状のものであり、例えば、プラスチック、カーボン等の成型品からなるものが好ましい。この支持部材２の内径は、圧電振動子１の振動板１１の径より小さく、その外径は、後述する周辺部材３の内径より大きい。
周辺部材３は、リング状の部材であって、発泡樹脂や低密度カーボン等の成形体からなる。この周辺部材３の内周には、取付溝３３が形成されている。
【００２０】
このような構成部材を有する圧電音響装置は、まず支持部材２の内周部の上に圧電振動子１の振動板１１の外周部を載せ、シリコーン接着剤等の弾性接着剤で接着する。さらに、このようにして圧電振動子１とこれを搭載した支持部材２を周辺部材３に挿入し、支持部材２の外周部を周辺部材３の内周の取付溝３３に嵌め込む。或いはこの逆に、支持部材２を周辺部材３の中に挿入し、支持部材２の外周部を周辺部材３の内周の取付溝３３に嵌め込んだ後、支持部材２の内周部に圧電振動子１の振動板１１の外周部を接着してもよい。
【００２１】
さらに周辺部材３は、適当な手段で緩衝作用のある音響箱等の中に取り付けられる。周辺部材３を支持する緩衝部材を図２において符号４で示した。
このような圧電音響装置においては、圧電素子１２、振動板１１、支持部材２及び周辺部材３の密度を、圧電素子１２、振動板１１、支持部材２及び周辺部材３の順で小さくする。すなわち、圧電素子１２よりは振動板１１の密度が、振動板１１よりは支持部材２の密度が、支持部材２よりは周辺部材３の密度をそれぞれ小さくする。
これら圧電素子１２、振動板１１、支持部材２及び周辺部材３の具体的な材料の選択の例を表１〜表４に示す。
【００２２】
【表１】
0003830728.tif 000004
【００２３】
【表２】
0003830728.tif 000005
【００２４】
【表３】
0003830728.tif 000006
【００２５】
【表４】
0003830728.tif 000007
【００２６】
これらの表から明らかな通り、圧電振動子１の圧電素子１２の主要部となる圧電セラミクスの密度は、７．９×１０3kg/m3であり、圧電振動子１の振動板１１の密度は、アルミニウムが約７．７×１０3kg/m3、ステンレスが約７．８×１０3kg/m3である。これに対し、その周辺部にある支持部材２の密度は、カーボンが４．３×１０3kg/m3、樹脂が１．１×１０3kg/m3、硬質ゴムが１．５２×１０3kg/m3である。さらに、周辺部材３の密度は、発泡スチロールが０．８×１０3kg/m3、低密度カーボンが２．４×１０3kg/m3である。従って、支持部材２の材料として硬質ゴムを選択した場合、周辺部材３としては、低密度カーボンではなく、発泡スチロールを選択することになる。
【００２７】
例えば、表１に示された材質の組み合わせにおいて、より具体的な圧電音響装置の例をあげる。
チタン酸ジルコン酸鉛からなる直径１５ｍｍ、厚み０．０５ｍｍの円板状の圧電セラミクスの両面をメタライズして電極を施した圧電素子１２を用意し、この圧電素子１２を直径１７ｍｍ、厚み０．０２ｍｍの円板状のアルミニウム板からなる振動板１１に貼り付けて、圧電振動子１を構成する。
【００２８】
この圧電振動子１の振動板１１の外周部を内径１６ｍｍ、外径１９ｍｍ、厚み０．５５ｍｍの硬質ゴム製のリング状の支持部材２で支持し、この支持部材２の外周を厚み２ｍｍ外径１００ｍｍのリング状の発泡スチロールからなる周辺部材３に取り付けた。
【００２９】
このように構成された圧電音響装置を、厚み２０ｍｍ、５００ｍｍ四方のバッフル板に取り付け、音源から１０ｃｍの場所にマイクを設置し、圧電素子１２の両面の電極に１Ｖｒｍｓの正弦波信号を印加した場合の音圧の周波数依存特性を測定した。これを実施例とし、図３において、実線でその測定結果を示した。
参考までに周辺部材に密度がおよそ６．９の亜鉛合金を用いて構成した圧電音響装置を比較例とし、同様にして測定した音圧の周波数依存特性を図３に破線で示した。
【００３０】
前者の実施例では、後者の比較例に比べて明らかに周波数特性に改善の効果が見られる。これは、特に低域の振動が圧電振動子１から支持部材２を介して周辺部材３に伝わり、そこから空気へと振動が伝わったためである。
さらに、表２〜表４に示された材質の組み合わせにおいても、前記実施例と同様に音圧の周波数依存特性を測定したが、何れも比較例に比べて、周波数特性に大きな改善がみられた。
【００３１】
【発明の効果】
前述した通り、本発明による圧電音響装置では、圧電素子１２から振動板１１、支持部材２を介して周辺部材３へと、密度の大きな部材で発生した振動を、密度が大きな部材から密度が小さな部材へ振動エネルギを次第に伝えて行けるため、圧電素子１２から周辺部材３に至るすべての部材が一つの振動発音体として扱えるようになり、微少な圧電素子１２で大きな振動発音体を駆動することが可能になる。これにより、ダイナミックタイプスピーカに匹敵する音質が得られる圧電音響装置を提供できることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による圧電音響装置の構成部材を示す半断面分解斜視図である。
【図２】同実施形態による圧電音響装置の圧電振動子の周辺部の支持構造を示す要部縦断側面図である。
【図３】本発明の実施例による圧電音響装置とそれと対比すべき比較例の周波数−音圧特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１    圧電振動子
２    支持部材
３    周辺部材
１１  振動板
１２  圧電振動子
【図１】
0003830728.tif 000008
【図２】
0003830728.tif 000009
【図３】
0003830728.tif 000010