JP2008199359A - 音響信号発生用圧電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 大きな振幅出力および変位力を確保しながら耐衝撃性に優れる音響信号発生用圧電装置を提供すること。
【解決手段】 積層型圧電素子１０の変位出力を拡大する変位拡大レバー１１は弾性部１１ｃを介して結合されたベース部１１ａおよび振動出力部１１ｂからなり、ベース部１１ａと振動出力部１１ｂとは弾性部１１ｃより高い剛性を有する板状をなし、ベース部１１ａにはベース錘１３、コイルボビン１６、コイル２１などからなる錘部材が高剛性で結合され、ベース部１１ａと振動出力部１１ｂとは積層型圧電素子１０を挟むように互いに対向し、積層型圧電素子１０を縦方向に圧縮するように振動出力部１１ｂとベース部１１ｃとで予圧を与える予圧ねじ１２が設けられ、積層型圧電素子１０の下端は、横方向の圧電素子位置を不変にするための位置決め板１５などを用いてべース部１１ａに固定され、積層型圧電素子１０の上端は、振動出力部１１ｂに接着結合することなく圧接する。
【選択図】 図６

Description

本発明は音響振動を空中に発するスピーカや直接耳にあてて聴取するヘッドホン、あるいは、音響振動を頭骨に伝搬させそれを聴覚神経で聴取する骨伝導スピーカ等に用いられる音響信号発生用圧電装置に関し、特に、装置の落下衝撃などの大きな衝撃力に対して圧電素子を破壊から保護する構造の音響信号発生用圧電装置に関する。

従来、圧電素子を用いた音響信号発生用圧電装置としては、圧電ユニモルフ素子や圧電バイモルフ素子が主に使われていたが、単に空気振動を発生する装置としてではなく、より大きな振動エネルギーを発生し音響振動を人体に伝播して、その振動を聴覚神経で聴取させる骨伝導スピーカにも使用できる装置が、老齢人口の拡大、音声情報機器の利用者の高齢化とあいまって、普及拡大しつつある。この骨伝導スピーカに、より効率よく利用できる装置として、積層型圧電素子と機械的な拡大機構を組み合わせて大きな振幅と振動力を得る装置が提案されている。

一般の音響スピーカとの違いから来る骨伝導スピーカの必須の形態は、音響振動を人体に伝播させるための振動出力部を装置の外側面に突出した形で露出させなければならないことである。このため、組み込まれた装置に物が衝突、あるいは装置自らの落下による床との衝突などの強い衝撃が加わった時、振動出力部もこの衝撃を受けることは避けられないという技術上対処しなければならない重要な課題がある。

振動出力部に衝撃力が加わった場合、これを振動させるための構造に当然大きな力が作用することになり、振動駆動素子であるところの圧電素子にも大きな力（衝撃力）が掛かることになる。一例として通話機器を人体頭部の高さから硬い床上に自然落下させた場合、装置内部構造物には、およそ１０００Ｇ（重力加速度の１０００倍）の衝撃が加わる例があり、同様の使われ方の機器では機器構造の違いを考慮しても、これより大幅に低いことはない。通常製品梱包状態で輸送時に装置に加わる衝撃、あるいは固定設置機器などに加わる衝撃と比較すると数倍から１０倍以上のものになる。

一方、振動の駆動を行う圧電素子と被駆動物との接触部は、一般的には強固な固定を行い、通常動作時の駆動素子の移動や振動によるびびり音の発生、また摩擦による磨耗損傷を防ぎ、且つ確実な駆動力の伝達を実現している。

ところで、本装置には低電圧で大きな変位を得られる積層型の圧電素子が使用されるが、この種の圧電素子は硬くて脆く、積層方向の圧縮力には強い特性を持っているが、積層方向の引張力には弱いのが一般的な特性である。したがって、積層方向に細長い柱状の積層型圧電素子の場合、単純な圧縮には強いが、曲げや引張力およびねじり力には弱い。そこで、構造的にこれらの力が働きにくい構造を採る必要がある。

開示されている積層型圧電素子の取り付け方法としては、（１）特許文献１に見られるような、完全な平行面をなす固定部構造体と可動部構造体に直接密着接合し、平行移動の変位動作を行うもの、（２）特許文献２に見られるような、圧電素子の端面を、完全に平行なブロックに固定し（接着が示唆されている）、更には側面を弾性体の板状部材で補強した例、（３）特許文献３に見られるような、圧電素子の上下端は、固定側、可動側共に当接のみで、可動側は微小な角の回動動作であるが、固定側と可動側の圧電素子の接触面の平行を調整で出して、且つ、圧電素子に大きな予圧を掛けた状態で保持している構造のもの、などがある。

（１）特許文献１に記載されたような密着接合の支持構造の場合は、可動側が微小角度であっても回動動作する構造のため、駆動伝達系に大きな衝撃力が作用した場合には引張力が働くだけではなく、曲げ力が働くため、積層型の圧電素子が層間剥離する形態の破損が起きる危険性が大である。

（２）特許文献２に記載されたような支持構造においては、付加している側面の補強材（弾性板）を破損しないような強度や剛性にすることで、大きな衝撃力が加わった場合にも破損する危険性を低減しているが、補強材を付加する構造的な複雑さでコストアップを招いている。

（３）特許文献３に記載された支持構造は、駆動形態が微小な回動動作である変位拡大機構の例である。この例の圧電素子の支持構造であるところの、支持面の平行を出し予圧で挟み込むだけの支持では、この例のように使用周波数が１００Ｈｚ程度であるならば圧電素子の位置ズレが発生しないであろうが、音声信号を扱う場合には少なくとも３ｋＨｚ、音楽信号を扱う場合には少なくとも１０ｋＨｚの駆動周波数になるので、駆動による位置ズレが発生する。また大きな衝撃力が加わった場合には、駆動機構の部品の持つ質量による慣性力で予圧が無くなり、挟み込みの状態が解ける瞬間が発生し、圧電素子が所要位置から外れる危険もある。また、完全な平行を出す調整機構も必要になる。仮に平行でないとすると位置ズレになる成分の力が働くので、高周波駆動の場合に位置ズレを起こし易くなる。

更には、圧電素子と機械的な変位拡大機構を組み合わせた構成は、振動を効率よく拡大することと、外部より加わった衝撃力により圧電素子に加わる衝撃力を小さくすることは概して相反する構造になる。仮に、外的な衝撃力により圧電素子に加わる力や変位を小さくしようとすると、変位拡大機構の剛性を上げたり、拡大率を下げたりする方向になり、反して変位力を減じたり、変位量を減じ、効率が低下して圧電素子の持つ特性である、変位量は小さいが変位しようとする発生力は大きいという特性を充分に生かした構成にはならなくなる。

このような変位拡大機構の中で使用される圧電素子の支持構造の特性を、図１の斜視図および図２の正面図による原理構造図により具体的に説明する。１は積層型の圧電素子、２は概略コの字形をした変位拡大機構で、２ａが変位拡大機構のベース部材で比較的剛性が高く質量が大きい構造特性を持ち、２ｂが変位拡大機構の振動出力部材で比較的剛性が高く質量が少ない構造特性を持ち、２ｃが変位拡大機構の弾性部材で変形弾性特性を持っている。

積層型の圧電素子１の下端部１ａと上端部１ｂはそれぞれ変位拡大機構２と結合している。一般的には剛性の高い接着剤で相互に接合されていて、動作中の位置ズレを防ぎ、駆動力の確実な伝達を実現している。使用する接着剤は圧電素子１の基本構成材である圧電セラミックと同等程度の剛性を有したものが最も良いとされている。

この構造において、振動出力部材２ｂは装置外部に露出する部材と直結しているため、図示のＡ方向の外力やＢ，Ｃ方向の外力が加わり易い。Ａ方向の外力が加わった場合には、圧電素子１には積層方向の圧縮力が加わるが、ＢやＣ方向の外力が加わった場合には、圧電素子１の先端方向を横に押す、即ち圧電素子１に曲げ力が作用し、圧電素子１の下端部１ａと上端部１ｂは接着固定されているので、変位拡大機構２の材質よりも硬く弾性係数の高い圧電素子１はその変形させようとする力の大半を受けることになる。その結果、外力が大きい時には大きな曲げ力により、積層型の圧電素子１は層間剥離をする破損を発生し、機能しなくなる危険性が高い。

特開平５−１５１５８０号公報 特開平５−９６７５５号公報 特開２００３−２２４７４５号公報

従来技術は、弾性出力部には図１のＢやＣ方向の衝撃力が作用し難いように周辺構造で対処している。たとえば、振動出力部が露出する部分の周囲と装置の外装部材との隙間を大きくし、且つ、突出方向の段差を少なくする。更には、落下衝撃時など音響信号発生用圧電装置全体の質量が持つ慣性で外装部材に激突し難いように、振動伝達を低減させるための支持のクッション材をその目的に反して硬くするなどの工夫を凝らし、本来性能の劣化（隙間の拡大による見栄えの劣化、あるいは振動の伝達による漏れ音の増加など）と衝撃力に対する耐力とのバランスをとって許容範囲に収める工夫をしている。

音響信号発生用圧電装置がよく使用される骨伝導スピーカでは、気導音発生のスピーカとの違い、あるいは長所をより顕著なものにするために、気導音に変わる漏れ音の低減、外観などの向上、装置への使い勝手の向上が望まれている。このためには音響信号発生用圧電装置そのものを外部衝撃に対して、より強い構造にする必要がある。

即ち、本発明の課題は、大きな振幅出力および変位力を確保しながら耐衝撃性に優れる音響信号発生用圧電装置を提供することにある。

本発明では、図１におけるＢやＣ方向の外力や変形に対して、変位拡大機構の剛性を上げることをせず、外力による変位が圧電素子に作用し難くして、外力をそのまま受け止めず、圧電素子以外の部分に分散させる構造を採用する。

即ち、本発明の音響信号発生用圧電装置は、電気信号を機械振動に変換する圧電素子と、前記圧電素子が発生した機械振動の変位を拡大する変位拡大機構と、前記変位拡大機構が拡大した機械振動の変位を音響振動として伝達する音響振動部からなる音響信号発生用圧電装置であって、前記変位拡大機構がベース部材と弾性部材と振動出力部材とからなり、該ベース部材と該振動出力部材とは該弾性部材より高い剛性を有する板状をなし、該ベース部材には錘部材が高剛性で結合され、該ベース部材と該振動出力部材とは前記圧電素子を挟むように互いに対向し、該ベース部材と該振動出力部材の対向する一端部が該弾性部材により結合し、且つ、該弾性部材側の前記振動出力部材の一端部と該振動出力部材の中央部との間に前記圧電素子の一方の端を配し、且つ、該圧電素子を圧電変位方向と同方向に圧縮するように、該振動出力部材と該ベース部材とで予圧を付与する手段を設け、前記圧電変位方向と略直角方向の圧電素子位置を不変にする位置規制手段を付加する構成にて該圧電素子の一端を前記べース部材もしくは該振動出力部材に固定し、前記位置規制手段を付加した固定側とは反対側の該圧電素子の他端は、前記振動出力部材もしくはベース部材に接着結合することなく圧接していることを特徴とする

前記圧電素子の前記位置規制手段が設けられた固定側端部では、該圧電素子と該固定する側の部材とを、ショアＤ硬度が３０以上７０以下の接着剤を介して結合するとよい。

前記圧電素子の一端の圧接面と、前記圧電素子の一端に圧接する振動出力部材もしくはベース部材の圧接面との少なくとも一方には相互の接触摩擦係数を低減させる表面処理が施されるとよい。

前記圧電素子の一端の圧接面と、該圧電素子の一端に圧接する前記振動出力部材もしくはベース部材の圧接面との間には、摩擦低減材を介在させるとよい。

前記変位拡大機構は金属板材のプレス成形にて成形され、前記振動出力部材と前記弾性部材の境界部である曲げ部は平板を曲げるのみではなく、剛性を高める加工が施され、前記錘部材が前記ベース部材と結合する部分および該錘部材が前記ベース部材と弾性部材との境界部の近傍に外側から結合する部分には、ショアＤ硬度で８０以上の硬度を持つ接着剤を用い結合部の剛性を高め、変位拡大機構全体の共振周波数を高めるとよい。

本発明によれば、変位拡大機構により大きな振幅出力および変位力を確保しつつ、組み込まれた装置に加わる落下や衝突による大きな衝撃に対しても、積層型圧電素子が積層間剥離をすることで破損する危険度が少ない音響信号発生用圧電装置を提供することができる。またその方法は従来に比較し特別コストアップになる付加部品、付加作業工程もなく、各部品も一般の量産製造方法で作製できる構造部品の構成で実現している。また、装置外観としても特に外観形状で付加的な変更対処をする必要もなく、使い勝手も劣化させない。

図３から図６に本発明の一実施の形態を示し、詳細を説明する。図３は本発明を適用した音響信号発生用圧電装置の全体斜視図、図４はその分解斜視図、図５は振動出力部のパッドと装置に支持するための防振支持シートとを取り除いた状態の音響信号発生用圧電装置の平面図、図６は図５に示したＸ−Ｘの断面を示した図であり、骨伝導用スピーカとして動作する形態を示している。

まず、構造を説明する。図４、図６のように、積層型圧電素子１０は圧電材と電極を長手方向に積層した構造であり、電圧の印加により長手方向に伸長する特性を有する。変位拡大レバー１１は金属板をプレス成形で製作した略コの字形の全体形状をなし、そのベース部１１ａの両側部は板圧の約２倍の高さの立ち曲げが成形されていて、その剛性を大きくしている。また予圧を付与する予圧ねじ１２をねじ込むねじ穴とベース錘１３をねじ取り付けする穴が設けられている。変位拡大機構としての変位拡大レバー１１の上側の振動出力部１１ｂの両側部は板厚の１．５倍から２．５倍の高さの立ち曲げが設けられていて、その剛性を上げている。ベース部１１ａと振動出力部１１ｂの片端部を繋ぐ弾性部１１ｃは両側部には立ち曲げはなく、比較的容易に板厚方向に変形し易いように構成されている。ただし、弾性部１１ｃと振動出力部１１ｂとの境界部である曲げ部の付近には立ち曲げを設け、曲げ部の剛性を高めてもよい。

変位拡大レバー１１のベース部１１ａには錘固定ねじ１４によりベース錘１３が取り付けられており、このベース錘１３の外周にはプラスチック成形品のコイルボビン１６が結合され、更にはコイルボビン１６の溝部にはコイル２１が巻かれている。このコイル２１は直径約８０μｍのエナメル線が約１０００ターン巻かれて構成されたものであり、Ｔコイル対応の補聴器に信号を送るために用いるが、ベース錘１３と共に錘部材として機能する。また、ベース錘１３の上部には共振を緩和するための減衰シート１８を配置する。結果、ベース部１１ａにはベース錘１３とコイルボビン１６とコイル２１の質量が、剛性の高い状態で結合されている。したがってベース部１１ａとベース錘１３、コイルボビン１６、コイル２１、そして錘固定ねじ１４と予圧ねじ１２の質量が総合されて、ベース部分として振動出力部１１ｂより１０倍程度大きい質量を持ったものとなっている。

積層型圧電素子１０は変位拡大レバー１１のコの字形の内側空間に配されていて、積層型圧電素子１０の上側端面は振動出力部材１１ｂの内側の面（下面）に当接している。この積層型圧電素子の振動出力側接触部Ｅには、摩擦係数を減ずる目的で固体潤滑材の薄い膜が形成されている。積層型圧電素子１０の下側端部は積層型圧電素子１０に圧縮方向の予圧を与える予圧ねじ１２の先端の端面が当接している。

予圧ねじ１２はベース部材１１ａのねじ穴にねじ込み支持されている。更には、積層型圧電素子１０の下端部周辺は位置決め板１５で積層型圧電素子１０が回転したり移動したりしないように囲まれており、位置決め板１５は変位拡大レバー１１の下部曲げ位置に形成された角穴とベース錘１３の段部でベース部１１ａの内側の面に固定されている。また、積層型圧電素子１０と予圧ねじ１２との接触面である積層型圧電素子のベース側接触部Ｄは、予圧ねじ１２と積層型圧電素子１０の端面接触部にミクロにできる空間とその周囲を接着剤で接合する形で埋められていて、この接着剤はショアＤ硬度が６０の１液型のエポキシ系接着剤である。また、この接着剤はベース部１１ａと位置決め板１５の接触部、および予圧ねじ１２とベース部１１ａとの接触部にも介在していて、これらを相互に接着している。ところで、この接着剤のショアＤ硬度は３０以上７０以下の範囲で選択可能であり、３０未満では固定力が充分でなく、７０を超えると、外部から衝撃力が加えられたとき、積層型圧電素子１０に過大な力が加わり、好ましくない。

図４のように、音響振動部として、振動出力部１１ｂの外側の面には、プラスチック成形品のパッド１７が接着取り付けされていて、人体に当接し振動を伝える部分を形成している。また、コイルボビン１６には特殊ゴムシートから打ち抜き加工された下側の防振支持シート１９と上側の防振支持シート２０が嵌合していて、防振支持シート１９，２０の外周と、防振支持シート１９の下側面と防振支持シート２０の上側面とが装置全体を収める装置外観部材（図示なし）でガイドされ、骨伝導スピーカを装置に弾性的に支持している。

また、図４、図５、図６のように、変位拡大レバー１１の振動出力部１１ｂと弾性部１１ｃとの境界部になる直角曲げ部には、所謂、角打ち１１ｄを施し曲げ部の剛性向上を行っている。また、変位拡大レバー１１のベース部１１ａと弾性部１１ｃの境界部分である下部曲げ部と、コイルボビン１６との間の空間部分に弾性部１１ｃの面に接触する位置までコイルボビン１６の内側側面より張り出したストッパーリブ１６ａを設け、その下部には略角柱形状のコーナー空間Ｆを形成し、ここをショアＤ硬度で８０以上の剛性の高い接着剤で埋め込むことで、変位拡大レバー１１とコイルボビン１６との所要部を接着している。なお、コーナー空間Ｆは図６の断面の向こう側および手前側にあるので、その形状は図６には示されていない。また、このとき用いる接着剤の硬化後のショアＤ硬度が９０の場合には、高剛性の構造体を形成するのに特に有効であることを確認できた。

組立工程を説明する。まず変位拡大レバー１１の振動出力側接触部Ｅの面に摩擦低減材である固体潤滑材を塗布し、その後、変位拡大レバー１１の内側空間の所要位置に、積層型圧電素子１０の下端部に位置決め板１５を挿入した形で治具にて仮位置決めしておく。このとき、振動出力側接触部Ｅで圧接される変位拡大レバー１１の圧接面と積層型圧電素子１０の端部の圧接面には、表面改質層の形成などによる接触摩擦係数を低減させる表面処理を施しておくと、更によい。

次に予圧ねじ１２用のねじ穴に接着剤を注入し、その後予圧ねじ１２をねじ込む。予圧ねじ１２のねじ込みはレバー１１ｂの先端部の変位寸法を見ながら、変位拡大レバー１１の弾性変形の反力が必要な予圧力になる様あらかじめ計測された分押し込む。その後、仮位置決めの治具を外し、ベース錘１３を錘固定ねじ１４で取り付けた後、ベース錘１３の外周に接着剤を塗布し、コイル２１がコイルボビン１６に巻かれた組立品を所要位置に挿入する。次にコーナー空間Ｆに接着剤を充填し、更にはパッド１７と変位拡大レバー１１の振動出力部１１ｂの上面所要部に接着剤を塗布して取り付けて、最後に接着剤硬化のために加熱する。この加熱は加熱可能な温度条件などにより、接着の工程ごとに分割して実施する、あるいはいくつかの接着工程分をまとめて実施してもよい。

次に機能動作を説明する。積層型圧電素子に電圧が印加されると、印加電圧に即した積層型圧電素子の長さに伸縮が発生する。この伸縮により振動出力部１１ｂはベース部１１ａに対して相対的にコの字形の先端側が開く微小な回転変位が行われる。回転変位のため積層型圧電素子の伸縮量よりも大きな変位が振動出力部１１ｂの先端方向に発生する。即ち、弾性部１１ｃ側の振動出力部１１ｂの一端部と、この振動出力部１１ｂの中央部との間に積層型圧電素子１０の上端を配した結果、積層型圧電素子の変位が拡大された動作になる。こうして、積層型圧電素子１０に音響信号電圧が印加されたときに、圧電素子の変位より拡大された音響信号に即した振動変位が発生する。

ベース部１１ａを含むベース側は振動出力部１１ｂより１０倍ほど大きな質量を持っていて、その形状効果分も含め大きな慣性モーメントを有している。したがって、このときの振動出力部１１ｂの絶対変位は、絶対量でベース側よりも充分に大きいものになる。逆に、ベース部１１ａの絶対変位は振動出力部１１ｂより充分小さい。更には、本骨伝導スピーカは防振支持シート１９，２０の防振効果により更に振動の伝導を低減できるので、骨伝導スピーカを組み込んだ装置の構造体が振動して目的外の空気振動を発生する、所謂、漏れ音の発生を効果的に抑えることができる。もちろん逆に振動出力部１１ｂの振動変位は大きく得られ目的の骨伝導振動を効率よく得ることができる。

さて、本骨伝導スピーカが組み込まれた装置に落下あるいは他の物体との衝突による大きな衝撃力が加わった場合の動作について説明する。たとえばパッド１７に図１に示すＡ方向の衝撃力が直接加わった場合、大雑把に動作説明をすると、変位拡大レバー１１の弾性ひずみと積層型圧電素子の圧縮方向の弾性ひずみと、骨伝導スピーカ各部の慣性質量の変位と、下側の防振支持シート１９の変形によるエネルギー吸収効果で、その衝撃力を受けることになる。この場合、積層型圧電素子１０には、一般に硬くて脆い特性であるが唯一の強い特性に対応する圧縮力が働き、この時には問題は少ない。その後の動作として各部が弾性ひずみで吸収したエネルギーが放出される反対方向の動きが生ずる。この場合、変位拡大レバー１１はコの字が開く方向の変形動作をし、積層型圧電素子１０の両端が接着されている場合、積層型圧電素子１０には引張り方向の力が作用するので、引張りには弱い積層型圧電素子では積層間の剥離を起こす危険性が高い。しかし、本発明の構造の場合には、積層型圧電素子１０の片端面（上端面）は単に変位拡大レバー１１とは圧接あるいは当接しているだけなので、振動出力部１１ｂの面が離れるだけで他の部品の反発の慣性力による引張り力は作用しない。その後、また逆の反発現象の動作をしながらこの衝撃による振動動作は急速に減衰していく。結果としては、積層型圧電素子１０には大きな圧縮力のみが作用し、引張力は働かず、圧縮力には強い積層型圧電素子１０が破損する危険性は少ない。

次に図１に示すＢやＣ方向の衝撃力が作用する場合の動作を説明する。まず、どのような状況でそのような衝撃力が働くかは、次のようになる。本骨伝導スピーカが組み込まれた装置にＢあるいはＣ方向の衝撃力が加わった場合、骨伝導スピーカ全体は各部の慣性力と剛性の関係で相互に変形しながら装置に対して相対的に移動する。ここで防振支持シート１９と防振支持シート２０はその機能上一般のゴムより柔らかいショアＤ硬度で３０から７０（一般ゴムが８０以上）なので衝撃エネルギーを吸収しながらも大きく変形し、装置外装にパッド１７が衝突する現象になる。この場合、大きな慣性質量を持ったベース部の慣性エネルギーにより、ベース部１１ａと振動出力部１１ｂには相対的にＢやＣ方向、あるいは複合的に変位させる力が働く。

このような力が作用する場合に、積層型圧電素子１０の上下端が変位拡大レバー１１に接着されていると、接着剤の剛性強度にもよるが、積層型圧電素子１０には曲げとねじりの変形力が加わり、剛性が高い積層型圧電素子１０がその力の大半を受けることになり、結果、積層間が剥離する形態の破壊をする危険度が高く、装置での実態では破損するものが出ている。

しかし、本発明の実施の形態では、積層型圧電素子１０の一端は変位拡大レバー１１に圧接あるいは当接しているのみで、接着結合はしていないので、変位による作用力が、予圧による摩擦抵抗力を超えるとスリップする現象を起こし、結果積層型圧電素子１０に作用する曲げや、ねじりの力は軽減する。更には圧接面（当接面）に摩擦係数を下げる潤滑材が介在している場合は、その力は大きく低下する。したがって接着している場合より、積層型圧電素子１０が破損する危険度は大幅に低下する。

実際にはＡ方向やＢ，Ｃ方向の衝撃力が複合して発生する場合が出てくる。この場合、Ａ方向の衝撃による力で積層型圧電素子１０の上の振動出力側接触部Ｅには予圧以上の面圧が発生し、その面の摩擦係数が下げられていても大きな抵抗力が生じ、Ｂ，Ｃ方向の衝撃力による力と総合されて、積層型圧電素子１０には、前記のように、より大きな曲げやねじりの力が作用することになる。しかし、積層型圧電素子１０の下部と変位拡大レバー１１のベース部１１ａとは比較的柔らかな接着剤（ショアＤの硬度で約６０の一液性エポキシ系接着剤）で接合されている柔軟な支持のため、積層型圧電素子１０の全体が傾くか、あるいは捩れる移動が加わることになり、上部の変位の全てが積層型圧電素子１０の曲げ力や捩じり力となって加わらないようになる。積層型圧電素子１０が受けなくなった力は変位拡大レバー１１など強度の高い他の部材が受けることになる。このため、積層型圧電素子１０が破損する危険度は下がる。

（１）積層型圧電素子１０の上下の端部が変位拡大レバー１１に剛性の高い接着剤で接着固定されているものと、（２）片端は圧接もしくは当接しているだけで、もう一端は比較的柔らかな接着剤を介して固定されているものとを振動構造体として比較してみる。積層型圧電素子１０の上下の端部の固定条件が違うこと以外の条件は全く同一であるすると、積層型圧電素子１０に正弦波電圧を印加してその共振周波数を比較すると後者の場合のほうが共振周波数は低くなる。

この共振周波数が３ｋＨｚ以下に、特に２．５ｋＨｚ以下になると、音声周波数の主帯域に共振点があることになり、印加電圧による振幅特性が共振点近辺以上で大きく歪むことになり好ましくない。本発明の音響信号発生用圧電装置による骨伝導スピーカの場合、生産性も考慮して鉄板をプレス作業で加工した変位拡大レバー１１を使用しているため、積層型圧電素子１０の上下端を変位拡大レバー１１に剛性の高い接着剤で固定した場合、共振周波数が２．９ｋＨｚ前後であったものが、他の条件形状をそのままで積層型圧電素子１０の上下の固定方法を、圧接（当接）と比較的柔らかな接着固定にすると、２．４ｋＨｚから２．７ｋＨｚの範囲になる。

これは音声周波数帯域の特性を大きく歪ませることになり、たとえ駆動回路の特性を調整しても音質の劣化につながるので好ましくない。そこで、本実施の形態では構造体全体の剛性を上げて３ｋＨｚ以上の共振周波数を持つ振動体にするために、変位拡大レバー１１の振動出力部１１ｂと弾性部１１ｃの境界になる曲げ部にプレス作業で容易にできる角打ち１１ｄを付加し、且つ、ばね特性の大半を占めている弾性部１１ｃの長さを短くし、ばねとしての定数を向上し、共振周波数が上がるように、図６のコーナー空間Ｆに剛性の高い接着剤を追加し、変位拡大レバーの所要の振動変位に対する剛性を向上した。これにより共振周波数は２．９から３．１ｋＨｚの間なるように改善された。

上記実施の形態では、積層型圧電素子１０の上端を変位拡大レバーの振動出力部１１ｂに圧接し、積層型圧電素子１０の下端を変位拡大レバーのベース部１１ａに固定する構成にしたが、積層型圧電素子１０の一端を変位拡大レバーの振動出力部１１ｂに固定し、積層型圧電素子１０の他端を変位拡大レバーのベース部１１ａに圧接する構成にすることもできる。

原理構造を示す斜視図。 原理構造を示す正面図。 本発明の実施の形態での音響信号発生用圧電装置の外観を示す斜視図。 本発明の実施の形態での音響信号発生用圧電装置の分解斜視図。 本発明の実施の形態でのパッド部を除いた音響信号発生用圧電装置の平面図。 図５のＸ−Ｘ面の断面図。

符号の説明

１ 圧電素子
１ａ 下端部
１ｂ 上端部
２ 変位拡大機構
２ａ ベース部材
２ｂ 振動出力部材
２ｃ 弾性部材
１０ 積層型圧電素子
１１ 変位拡大レバー
１２ 予圧ねじ
１３ ベース錘
１４ 錘固定ねじ
１５ 位置決め板
１６ コイルボビン
１７ パッド
１８ 減衰シート
１９，２０ 防振支持シート
２１ コイル
１１ａ ベース部
１１ｂ 振動出力部
１１ｃ 弾性部
１１ｄ 角打ち
１６ａ ストッパーリブ
Ｄ ベース側接触部
Ｅ 振動出力側接触部
Ｆ コーナー空間

Claims (5)

1. 電気信号を機械振動に変換する圧電素子と、前記圧電素子が発生した機械振動の変位を拡大する変位拡大機構と、前記変位拡大機構が拡大した機械振動の変位を音響振動として伝達する音響振動部とを有する音響信号発生用圧電装置であって、
   前記変位拡大機構がベース部材と弾性部材と振動出力部材とからなり、
   該ベース部材と該振動出力部材とは該弾性部材より高い剛性を有する板状をなし、
   該ベース部材には錘部材が高剛性で結合され、
   該ベース部材と該振動出力部材とは前記圧電素子を挟むように互いに対向し、
   該ベース部材と該振動出力部材の対向する一端部が該弾性部材により結合し、
   且つ、該弾性部材側の前記振動出力部材の一端部と該振動出力部材の中央部との間に前記圧電素子の一方の端を配し、
   且つ、該圧電素子を圧電変位方向と同方向に圧縮するように、該振動出力部材と該ベース部材とで予圧を付与する手段を設け、
   前記圧電変位方向と略直角方向の圧電素子位置を不変にする位置規制手段を付加する構成にて該圧電素子の一端を前記べース部材もしくは該振動出力部材に固定し、
   前記位置規制手段を付加した固定側とは反対側の該圧電素子の他端は、前記振動出力部材もしくはベース部材に接着結合することなく圧接していることを特徴とする音響信号発生用圧電装置。
2. 前記圧電素子の前記位置規制手段が設けられた固定側端部では、該圧電素子と該固定する側の部材とを、ショアＤ硬度が３０以上７０以下の接着剤を介して結合したことを特徴とする、請求項１記載の音響信号発生用圧電装置。
3. 前記圧電素子の一端の圧接面と、前記圧電素子の一端に圧接する振動出力部材もしくはベース部材の圧接面との少なくとも一方には相互の接触摩擦係数を低減させる表面処理が施されたことを特徴とする、請求項１または２記載の音響信号発生用圧電装置。
4. 前記圧電素子の一端の圧接面と、該圧電素子の一端に圧接する前記振動出力部材もしくはベース部材の圧接面との間には、摩擦低減材を介在させたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の音響信号発生用圧電装置。
5. 前記変位拡大機構は金属板材のプレス成形にて成形され、
   前記振動出力部材と前記弾性部材の境界部である曲げ部は平板を曲げるのみではなく、剛性を高める加工が施され、
   前記錘部材が前記ベース部材と結合する部分および該錘部材が前記ベース部材と弾性部材との境界部の近傍に外側から結合する部分には、ショアＤ硬度で８０以上の硬度を持つ接着剤を用い結合部の剛性を高め、変位拡大機構全体の共振周波数を高めたことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の音響信号発生用圧電装置。

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