JP6514079B2

JP6514079B2 - 音響発生器

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Publication number: JP6514079B2
Application number: JP2015186946A
Authority: JP
Inventors: 加藤　剛; 剛加藤
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2015-09-24
Filing date: 2015-09-24
Publication date: 2019-05-15
Anticipated expiration: 2035-09-24
Also published as: JP2017063279A

Description

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。

ダイアフラムを端面に有する筒状のケース内に積層型圧電素子を収容し、積層型圧電素子の駆動によりダイアフラムを振動させる圧電アクチュエータが知られており（例えば特許文献１を参照）、このような圧電アクチュエータを音響発生器として用いることも知られている。

特開平０６−２８３７７８号公報

ここで、防水性、防塵性を有する音響発生器とするために、ケースの内部の空間の気密性を保つことが求められることから、例えば樹脂接着剤で筒状のケースの端面にダイアフラムの外周部を全周にわたって接着する方法が考えられる。

しかしながら、樹脂接着剤による全周接着では、当該樹脂接着剤のヤング率が小さいので、中・高周波数領域の音が減衰され、音圧レベルが低くなるおそれがあるという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、中・高周波数領域での音圧レベルが大きく音質の優れた音響発生器を提供することを目的とする。

本発明の音響発生器は、端面に底板の外周部を取り付けてなる筒状のケースと、該ケース内に収容され、前記底板を押圧する積層型圧電素子とを備えており、前記底板の外周部は、前記ケースの端面に両面テープで固定されているとともに複数のねじで固定されており、該複数のねじのうちの少なくとも一つのねじによる締め付けトルクが、他のねじによる締め付けトルクと異なっていることを特徴とする。

本発明の音響発生器によれば、中・高周波数領域における音圧レベルを向上させ、また音質の優れたものとすることができる。

（ａ）は本実施形態に係る音響発生器の一例を示す一部透過概略斜視図、（ｂ）は（ａ）に示す音響発生器の概略縦断面図、（ｃ）は（ｂ）に示す音響発生器の底面図である。図１に示す積層型圧電素子の概略斜視図である。（ａ）は本実施形態に係る音響発生器の他の例を示す概略縦断面図、（ｂ）は（ａ）に示す音響発生器の底面図である。本実施形態に係る音響発生器の他の例を示す底面図である。本実施形態に係る音響発生器を用いたスピーカーの一例を示す概略縦断面図である。

以下、本実施形態に係る音響発生器の一例について、図面を参照して詳細に説明する。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。

図１（ａ）は本実施形態の音響発生器の一例を示す一部透過概略斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す音響発生器の概略縦断面図、図１（ｃ）は図１（ｂ）に示す音響発生器の底面図である。図１に示すように、本実施形態の音響発生器１は、端面に底板２２の外周部を取り付けてなる筒状のケース２１と、ケース２１内に収容され、底板２２を押圧する積層型圧電素子３とを備えており、底板２２の外周部は、ケース２１の端面に両面テープ２３で固定されているとともに複数のねじ２４で固定されている。

ここで、筒状のケース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が収容される内部空間を有している。ケース２１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２．５ｍｍ〜１０ｍｍに設定される。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。また、外周の形状が多角形で、積層型圧電素子２を収容する空間の内周の形状が円形という様に、外周と内周の形状が異なっていてもよい。

筒状部２１１の長さは、例えば５ｍｍ〜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の内径がかなり大きくなっているのは、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。

なお、図示しないが、ケース２１を構成する筒状部２１１または天板部２１２には、積層型圧電素子３を外部回路と接続するためのリード部材を通す孔が設けられている。

また、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。

筒状のケース２１を構成する筒状部２１１の開口した他端側の端面には、底板２２の外周部が取り付けられている。底板２２は積層型圧電素子３の音波形に相当する振動を受け、音響発生器１が設置された振動板に振動を伝えるための部材であり、筒状部２１１の端面の形状に合わせて、例えば円形、楕円形あるいは多角形に形成されている。この底板２２はケース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。

ケース２１および底板２２は、切削加工の他、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。

ケース２１の内部には、底板２２を押圧して振動させるように積層型圧電素子３が収容されている。積層型圧電素子３は、音波形に相当する電圧波形を受け、音波形に相当する振動を発生させるための部材であり、天板部２１１および底板２２の間に配置されて、底板２２を振動させる。より詳しくは、積層型圧電素子３は、底板２２の主面に垂直な方向（図の鉛直方向）と、後述する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２１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。

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一つの側面へ導出された内部電極層３２の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（図示せず）によって接合された外部電極板３５とを備えている。

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０．５〜１０ｍｍ、横０．５〜１０ｍｍ、高さ１〜５０ｍｍ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対向する側面に導出されている。なお、積層体３３の形状に特に限定はない。

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（ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３）からなるペロブスカイト型酸化物、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）などを用いることができる。

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、例えば低温焼成が可能な銀−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。

外部電極層３４は、例えば銀とガラスからなるもので、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の導出された端部に電気的に接続されている。

外部電極板３５は外部電極層３４に沿って設けられていて、導電性接合材によって接合されている。この外部電極板３５にリード部材（図示せず）が接合されて、外部回路と接続される。外部電極板３５は、例えばステンレスなどの金属板からなり、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。

なお、積層型圧電素子３の構成については特に限定はなく、例えば外部電極板３５が接合されていなくてもよい。

積層型圧電素子３の第１の端面（図に示す下側の端面）は底板２２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２１の天板部２１２に当接している。組み付け後の底板２２は積層型圧電素子３の振動を振動板４に伝える役目以外に積層型圧電素子３の保持の役目がある。例えば、積層型圧電素子３の保持の際の底板２２のたわみ量は、ケース２１の外部へ１ｍｍの範囲になるように設定
される。

ここで、積層型圧電素子３の第１の端面は底板２２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、例えば筒状部２１１に突起を設けたり、筒状部２１１と積層型圧電素子３との間にスペーサを介在させたりするなどしてもよい。なお、底板２２と積層型圧電素子３とが直接接触しておらず、例えばコイルスプリングなどの弾性を有する部材がこれらの間に介在されていてもよい。同様に、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。

そして、底板２２の外周部は、ケース２１の端面に両面テープ２３で固定されているとともに複数のねじ２４で固定されている。

両面テープ２３は、例えばポリエチレン系やアクリル系の基材層と、例えばアクリル系粘着剤からなる粘着剤層とを含む構成のものであり、内部の気密性を得られるように全周にわたって設けられている。この両面テープ２３は、厚みや幅を一定に保つことができる点で、樹脂接着剤よりも好ましく用いることができる。特に、両面テープ２３は、シール性、防水性の高いものが好ましい。両面テープ２３の厚みは例えば０．１５ｍｍから２ｍｍで、両面テープ２３の幅は例えばケース２１（筒状部２１１）の端面の幅の±５０％以内の幅とされたものである。

また、複数のねじ２４は、底板２２の外周部の数か所にそれぞれ挿通されて部分的に強固に固定するためのものである。この複数のねじ２４は、例えば鉄鋼、ステンレス鋼、アルミ合金、黄銅などの金属のようにヤング率の高い材料からなり、サイズは例えばＭ１．６〜Ｍ６のものを用いることができる。複数のねじ２４は、ケース２１（筒状部２１１）の周方向の長さにもよるが、例えば２〜８個設けられ、周方向に例えば４５〜１８０°間隔で設けられる。好ましくは、複数のねじ２４は３〜５個設けられ、７２〜１２０°の間隔で設けられる。

両面テープ２３のみによる固定であると、中・高周波数領域の音が減衰され、音圧レベルが低くなるおそれがある。一方、全周にわたって両面テープ２３以外（例えば溶着）で強固に固定すると、ケース２１と底板２２との共振が重なって中・高周波数領域でのピークディップのレベルが大きくなり、音質が悪くなるおそれがある。

これに対し、全周にわたって設けられた両面テープ２３で音響発生器１の気密性を保った上で、部分的に設けられた複数のねじ２４でケース２１と底板２２とを部分的に強固に固定することで、中・高周波数領域の振動の伝搬がよくなり、中・高周波数領域における音圧レベルを向上させ、また音質の優れたものとすることができる。

ここで、複数のねじ２４のうちの少なくとも一つのねじ２４による締め付けトルクが、他のねじ２４による締め付けトルクと異なっているのがよい。締め付けトルクは、例えば、ねじ２４のサイズ（呼び径）、有効断面積、トルク係数などにより決定されるが、これらの値を異ならせることで、締めつけトルクを異ならせることができる。この締め付けトルクは、戻しトルク法や増し締めトルク法により測定することができる。

このような構成によれば、底板２２にかかるテンションを場所によって異ならせることができ、底板２２が不均一に振動するようになるため、共振しにくくなってピークディップを小さくすることができる。なお、例えばＭ３サイズのねじ２４が円周上における０°
の位置と１８０°の位置とに２個設けられる場合、一方のねじ２４を例えば０．５〜１．０Ｎ・ｍ、他方のねじ２４を例えば１．１〜３．０Ｎ・ｍで締めつけるように設定することで、異ならせることができる。また、ねじ２４が３個以上設けられる場合、１個のねじ２４のみの締め付けトルクを他のねじ２４の締め付けトルクと異ならせてもよく、より好ましくはそれぞれの締めつけトルクを異ならせることで、より共振しにくくなり、ピークディップを小さくすることができる。

図３（ａ）は本実施形態に係る音響発生器の他の例を示す概略縦断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）に示す音響発生器の底面図である。図３に示すように、複数のねじ２４のうちの少なくとも一つのねじ２４の径が他のねじ２４の径とは異なっているのがよい。ねじ２４の径（呼び径）が異なると、ねじ２４が底板２２を押す力が異なるようになるので、このような構成によっても、底板２２にかかるテンションを場所によって異ならせることができ、底板２２が不均一に振動するようになるため、容易に調整でき、ピークディップを小さくすることができる。なお、ねじ２４のサイズ（径）は、例えば円周上における０°の位置と１８０°の位置とにねじ２４が２個設けられる場合、一方のねじ２４を例えばＭ１．６〜４のサイズとし、他方のねじ２４をＭ３〜６のサイズと設定される。また、ねじ２４が３個以上設けられる場合、１個のねじ２４のみの径を他のねじ２４の径と異ならせてもよく、より好ましくはそれぞれの径を異ならせることで、より共振しにくくなり、ピークディップを小さくすることができる。

図４は本実施形態に係る音響発生器の他の例を示す概略縦断面図である。図４に示すように、周方向における複数のねじ２４の間隔のうち、少なくとも一つの間隔が他の間隔とは異なっていてもよい。複数のねじ２４の間隔のうち、少なくとも一つの間隔が他の間隔と異なる構成によっても、底板２２が不均等に強固に固定される部分を有する形となり、底板２２が不均一に振動するようになるため、共振しにくくなってピークディップを小さくすることができる。なお、図５に示す例では、ねじ２４が３個設けられており、これらの３個のねじ２４の間隔は、６０°、１５０°、１５０°の間隔になっている。この例のように、ねじ２４が３個の場合において、一つの間隔が他の二つの間隔と異なっていてもよいが、例えば３０〜１８０°の範囲内で全ての間隔がそれぞれ互いに異なっていてもよい。

これまで述べた音響発生器１は、図５に示すように、音響発生器１の底板２２を外部の振動板４に貼り付けて、積層型圧電素子３の駆動によって振動板４を振動させるスピーカーとすることができる。なお、図５は本実施形態に係る音響発生器１を用いたスピーカーの一例を示す概略縦断面図である。このスピーカーは、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となる振動板４を振動させることで音を発生させるものである。振動板４としては、石膏ボードからなるものを採用できる。

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、振動板４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。

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４に貼り付けられる。例えば屋内設備の天板や壁を振動板４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。

以下、音響発生器の具体例について説明する。

まず、積層型圧電素子として、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３）からなる圧電体層と銀パラジウムからなる内部電極層とが積層された積層体を作製し、研削加工によって、縦が２ｍｍ、横が２ｍｍ、長さが２５ｍｍの四角柱状に作製した。

ケースは、ＳＵＳ３０４からなり、外径が５０ｍｍ、高さが３０ｍｍの円柱形状で、切削加工により内側にくり貫きを設けた形状とし、くり貫き部（内部空間）の寸法を直径３５ｍｍ、深さが２５ｍｍとした。天板部の厚みを５ｍｍ、筒状部の厚みを７．５ｍｍとした。

底板は、同様にＳＵＳ３０４からなり、円板形状で外径５０ｍｍ、厚み１ｍｍとした。

これらを用いて、５種類の試料となる音響発生器を作製した。

具体的には、比較例として、底板の外周部を全周にわたってケースの端面にエポキシ系接着材にて固定して、音響発生器（試料１）を作製した。

また、実施例として、ケースの端面に底板の外周部を全周にわたって両面テープ、具体的には、柔軟で、強靭なアクリルフォーム基材の両側に、耐候性、耐薬品性に優れたアクリル系粘着剤層を設けた厚み０．６ｍｍの両面テープで、固定するとともに、２個のねじで底板の外周部の２箇所を１８０°間隔に強固に固定し、図１に示すような音響発生器（試料２）を作製した。ここで、２個のねじは、サイズＭ３のものを用い、締め付けトルクをどちらも０．７４Ｎ・ｍにてねじ留めした。

また、実施例として、試料２の音響発生器と同様に底板の外周部を全周にわたって両面テープで固定するとともに、サイズＭ３のねじを２個用い、ねじによる締め付けトルクを１．９９Ｎ・ｍとして底板の外周部の２箇所を１８０°間隔に強固に固定し、音響発生器（試料３）を作製した。ここで、一方の締めつけトルクを０．６７Ｎ・ｍとし、他方の締めつけトルクを１．９９Ｎ・ｍとした。

また、実施例として、同様に底板の外周部を全周にわたって両面テープで固定するとともに、ねじを３個用意し、２個はサイズＭ３のもの、１個はサイズＭ５のものとして底板の外周部の２箇所を１２０°間隔に強固に固定し、図３に示すような音響発生器（試料４）を作製した。

また、実施例として、同様に底板の外周部を全周にわたって両面テープで固定するとともに、サイズＭ３のねじを３個用意し、周方向における複数のねじの間隔を、１４４°、１４４°、７２°と、一つの間隔が他の間隔とは異なるように強固に固定し、図４に示すような音響発生器（試料５）を作製した。

これらの音響発生器を１６００ｍｍ×９００ｍｍ、厚み１０ｍｍの石膏ボード上に設置してスピーカーとし、両面テープにて貼り付けた。音圧特性を評価した。

駆動条件はサインスイープで、振幅±１５Ｖで、周波数を１００Ｈｚから２０ｋＨｚ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。

測定した結果、全周波数（１００Ｈｚから２０ｋＨｚ）での平均音圧レベルは、試料１が６７ｄＢ、試料２が７２ｄＢ、試料３が７５ｄＢ、試料４が７５ｄＢ、試料５が７６ｄＢとなり、両面テープとねじとで底板を固定することで中・高周波数での音圧レベルの向
上が認められた。

また、高周波数帯域である５ｋＨｚから１０ｋＨｚ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１４ｄＢ、試料３が１０ｄＢ、試料４が１０ｄＢ、試料５が８ｄＢで、ねじの締め付けトルク、ねじの直径、間隔を異ならせることで、低減されることが確認された。

１音響発生器
２１ケース
２１１筒状部
２１２天板部
２２底板
２３両面テープ
２４ねじ
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外部電極板
４振動板

Claims

端面に底板の外周部を取り付けてなる筒状のケースと、該ケース内に収容され、前記底板を押圧する積層型圧電素子とを備えており、前記底板の外周部は、前記ケースの端面に両面テープで固定されているとともに複数のねじで固定されており、該複数のねじのうちの少なくとも一つのねじによる締め付けトルクが、他のねじによる締め付けトルクと異なっていることを特徴とする音響発生器。
前記複数のねじのうちの少なくとも一つのねじの径が他のねじの径とは異なっていることを特徴とする請求項１に記載の音響発生器。
周方向における前記複数のねじの間隔のうち、少なくとも一つの間隔が他の間隔とは異なっ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。