JP4771475B2 - Bone conduction speaker - Google Patents
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Description
本発明はユニモルフあるいはバイモルフ型の圧電素子を使用した骨伝導スピーカに関し、特に振動エネルギーの有効利用と音漏れの防止が可能な圧電素子の支持構造を有する骨伝導スピーカに関する。 The present invention relates to a bone conduction speaker using a unimorph or bimorph type piezoelectric element, and more particularly to a bone conduction speaker having a piezoelectric element support structure capable of effectively using vibration energy and preventing sound leakage.
ユニモルフあるいはバイモルフ型の圧電素子を使用する骨伝導スピーカとしての従来技術の例は少なく、特許文献1が「骨伝導用スピーカ用音響振動発生素子」として開示されている。しかし、これは振動素子単品としての性能改善の事例であり、情報伝達機器で骨伝導用スピーカの素子として利用するために組み込む場合、音漏れを少なくするために、どのように支持し、取り付けると良いかは示されていない。従来技術の観点から考えた場合、振動時の振動の節となる位置近傍を弾性材で支持し機器に組み込むことが、機器の外装構造体に振動を伝え難く、音漏れの増加を防ぐ方法である。
There are few examples of the prior art as a bone conduction speaker using a unimorph or bimorph type piezoelectric element, and
しかし、この場合、バイモルフ型圧電素子の湾曲振動の振幅はその中央部、または両端部で大きく、その振動位相の差は180度ある。したがって、どちらか一方を人体に当ててその振動を伝えることになり、圧電素子の湾曲振動エネルギーの2分の1以下しか利用することは出来ない。そこで湾曲振動を有効利用できる方法が望まれている。 However, in this case, the amplitude of the bending vibration of the bimorph piezoelectric element is large at the center or both ends, and the difference in vibration phase is 180 degrees. Therefore, either one is applied to the human body to transmit the vibration, and only one half or less of the bending vibration energy of the piezoelectric element can be used. Therefore, a method that can effectively use the bending vibration is desired.
一方、圧電素子を利用した振動駆動体の支持構造に着目した場合、空気伝播を利用する一般のスピーカでの従来事例は多々ある。たとえば特許文献2や、特許文献3に見られる支持方法である。これらにおける振動体の圧電素子の支持構造は、圧電素子が円盤形状であること矩形形状であることにかかわらず、円盤の外周あるいは矩形の相対する両辺を質量の大きな剛体に弾性材を介して直接取り付け、中央部の振動動作を直接気導の発音に利用するか、他の部材を加振する方式のものである。また、特許文献4に見られるような、その中央を被加振部材に接合し、他は自由にして圧電素子の振動動作の反力で被加振部材を振動する方式のものもあり、これらが一般的な事例である。
On the other hand, when paying attention to the support structure of the vibration driving body using a piezoelectric element, there are many conventional cases of general speakers using air propagation. For example, it is a supporting method found in Patent Document 2 and
後者は圧電素子が大きな力を出し得る能力に比して、その加振力は小さく、加振力を増加させるために圧電素子に錘を接合し、加振力を増大する手法も開示されているが、付加できる錘の量は比較的小さく、人体を振動させる骨伝導スピーカには尚不足し、非効率で不向きである。 The latter has a small excitation force compared to the ability of the piezoelectric element to generate a large force, and a technique for increasing the excitation force by joining a weight to the piezoelectric element to increase the excitation force is also disclosed. However, the amount of weight that can be added is relatively small, still insufficient for bone conduction speakers that vibrate the human body, and are inefficient and unsuitable.
一方、前者(特許文献2、3)はベースの質量を大きくすることにより圧電素子の中央部から得られる力は大きく、圧電素子の持つ小さなサイズの割に大きな力を出し得る能力を活用できる方式であるが、ベース部材に弾性材を介して取り付けることにより、圧電素子の振動変形時の拘束力によるロスを減らしている一方、振動方向にも弾性変位する自由度があるために、利用できる中央部の振動振幅を減じている。 On the other hand, the former (Patent Documents 2 and 3) has a large force obtained from the central portion of the piezoelectric element by increasing the mass of the base, and can utilize the ability to generate a large force for the small size of the piezoelectric element. However, by attaching it to the base member via an elastic material, the loss due to the restraining force during vibration deformation of the piezoelectric element is reduced, while there is a degree of freedom of elastic displacement in the vibration direction, so that it can be used in the center. The vibration amplitude of the part is reduced.
この点を改善する方法として、特許文献5に見られるような弾性接着材の中にコロの役目を成す高剛性の球体を混合する方法が提案されている。この方法は、単に弾性接着剤で保持する場合より振動方向の拘束力を強め、かつ振動直角方向(圧電素子の平面方向)の拘束力は弱めることで、発生する振幅や力のロスを低減する考えに基づくものである。
As a method for improving this point, there has been proposed a method in which a high-rigid sphere functioning as a roller is mixed in an elastic adhesive as shown in
しかし、この方法で小型のものを構成しようとする場合には、弾性接着材の中に混合する高剛性の球体の径も小さくする必要が出てくる。球体の径を小さくした場合、プラスチックに粒状のガラスを分散させたものが、あらゆる方向に剛性が高くなるという現象に似たところがあり、圧電素子の平面方向の拘束力を弱めずに強くする傾向があり、ロス低減の効果はまだ十分とはいえない。 However, when it is intended to construct a small size by this method, it is necessary to reduce the diameter of the high-rigid sphere mixed in the elastic adhesive. When the diameter of the sphere is reduced, the dispersion of granular glass in plastic resembles the phenomenon that the rigidity increases in all directions, and tends to increase the restraint force in the planar direction of the piezoelectric element without weakening it. However, the effect of reducing loss is not yet sufficient.
骨伝導スピーカに要求される特性は、イヤホンに使用される気導のスピーカと比べた場合、出力しなければならない振動力は桁違いに大きく必要なことである。また、差別化の点で、気導音を発生させない、あるいは小さい(音漏れが少ない)ことが要求され、かつ大きさは、気導スピーカに近いものが要求されている。 The characteristic required for a bone conduction speaker is that the vibration force that must be output is remarkably larger than that of an air conduction speaker used for an earphone. Further, in terms of differentiation, it is required that air conduction sound is not generated or is small (small sound leakage), and that the size is close to that of the air conduction speaker.
こうした中で、大きな力が出せ、エネルギー効率もよい圧電素子が注目されているが、気導スピーカ用が主用途で開発が進んできているために、大出力化が大きさの増加になり、ひいては音漏れの増大傾向が強く、小型で、骨伝導に必要な力を出せてかつ、携帯電話などの小型で軽量なプラスチック外装構造体の機器に組み込んでも、音漏れが少ない骨伝導スピーカの構造が要求されている。 Under such circumstances, piezoelectric elements that can produce a large force and have high energy efficiency are attracting attention. However, because the development of air-conducting loudspeakers is the main application, the increase in output has increased in size. As a result, the structure of a bone conduction speaker that has a strong tendency to increase sound leakage, is small in size, can produce the force necessary for bone conduction, and has little sound leakage even when incorporated into a small and lightweight plastic exterior structure device such as a mobile phone. Is required.
この状況にあって、本発明の課題は、ユニモルフまたはバイモルフ型の圧電素子を用い、骨伝導で要求される大出力を、機器に組み込んだ場合の音漏れの増加を防止しながら実現し、小型で量産性の優れた骨伝導スピーカを提供することにある。 In this situation, the object of the present invention is to achieve a large output required for bone conduction using a unimorph or bimorph type piezoelectric element while preventing an increase in sound leakage when incorporated in a device. An object of the present invention is to provide a bone conduction speaker having excellent mass productivity.
課題解決のための構造として、短冊形のバイモルフ型圧電素子の湾曲振動を、理想的な両端自由支持に近い構造(圧電素子の振動方向には高剛性で、圧電素子の長手平面方向には低剛性の弾性特性であること)として、交流電圧印加時の圧電素子の湾曲率を最大化する。また圧電素子の両端を支持するベース側に大きな質量を持たせて、ベース側に掛かる反力によるその振動振幅を小さくし、ベースを支持する機器の外装構造体に伝わる振動をより少なくし、外装構造体が振動することにより起こる音漏れを低減する。あわせて圧電素子の湾曲振動の振動の節位置をその両端近傍に寄せて、中央部の振幅を最大化する。 As a structure to solve the problem, the bending vibration of a strip-shaped bimorph piezoelectric element is close to the ideal free support at both ends (high rigidity in the vibration direction of the piezoelectric element and low in the longitudinal plane direction of the piezoelectric element). The rigidity of the piezoelectric element is maximized when an AC voltage is applied. In addition, the base side supporting both ends of the piezoelectric element has a large mass, the vibration amplitude due to the reaction force applied to the base side is reduced, the vibration transmitted to the exterior structure of the equipment supporting the base is reduced, and the exterior Sound leakage caused by vibration of the structure is reduced. At the same time, the vibration node position of the bending vibration of the piezoelectric element is brought close to both ends to maximize the amplitude of the central portion.
本発明によれば、量産性の高い部品構成で、骨伝導スピーカに要求される振動エネルギーの大きな出力振動を、より小さなサイズで得ることが出来る上に、利用機器に組み込んだ場合の出力アップについてまわる音漏れの増加を防止することが出来る。 According to the present invention, it is possible to obtain a large output vibration of a vibration energy required for a bone conduction speaker in a smaller size with a high-productivity component structure, and to increase output when incorporated in a use device. An increase in sound leakage can be prevented.
次に本発明の一実施の形態について図2を参照しながら説明する。この骨伝導スピーカでは、(1)幅寸法を1とするとき長さ寸法が2以上の矩形のバイモルフまたはユニモルフ型の圧電素子1およびこれを保護する絶縁被覆材4からなる圧電素子部と、(2)ベース錘5とそれを保持するフレーム3からなり、前記圧電素子部の質量よりも大きな質量を持つベース部と、(3)圧電素子1の長手方向の両端にそれぞれ接合されると共にフレーム3の立ち上がり部3a、3bの上端部に接合され、圧電素子1の板厚方向に対しては剛性が高く、これとは直角方向の長手方向に対しては剛性が低い支持特性を持つように形成された2つの絶縁支持部材2a、2bとが設けられ、前記圧電素子部の中央での交流電圧印加時の振動振幅を1とするとき、ベース部(ベース錘5およびフレーム3)の振動振幅が1/2以下である。
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In this bone conduction speaker, (1) a piezoelectric element portion comprising a rectangular bimorph or unimorph type
このようにユニモルフまたはバイモルフ型の矩形平面形状の圧電素子1を使用し、これを振動エネルギーのロスの少ない両端支持構造とし、かつ支持体(ベース部)の質量を大きくすることにより、機器での支持体の振動を低減して、機器に振動が伝わり音漏れの増加になる現象を低減する。
In this way, the unimorph or bimorph type rectangular planar
このとき、圧電素子1の矩形形状の幅寸法1に対して長さ寸法が2未満であると、駆動時の湾曲形状が皿状になり、必要以上の面積の湾曲振動が発生し、音漏れが大きくなる。他方、幅寸法1に対して長さ寸法が10を越えると使い勝手が低下することなどにより、使用できる応用範囲が狭くなる。
At this time, if the length dimension is less than 2 with respect to the
また、圧電素子部中央の交流電圧印加時の振動振幅に対して、ベース部の振動振幅を1/2以下に抑える必要がある。1/2を越えると、実用的に許容できない音漏れが発生するからである。理想的にはベース部は出来る限り質量が大きいほうが、ベース部の振動が少なく圧電素子中央部の振動が大きくなる。しかし、全体の大きさなどの制限からベース部の質量増加には制限があり、小型化の条件を満たすためにはベース部の振動振幅を圧電素子部中央の振動振幅の1/10未満にするのは容易ではない。 Further, it is necessary to suppress the vibration amplitude of the base portion to ½ or less with respect to the vibration amplitude when the AC voltage is applied at the center of the piezoelectric element portion. This is because if the ratio exceeds 1/2, sound leakage that is practically unacceptable occurs. Ideally, the larger the mass of the base portion, the less the vibration of the base portion and the greater the vibration of the central portion of the piezoelectric element. However, the increase in the mass of the base part is limited due to restrictions on the overall size and the like, and the vibration amplitude of the base part is made less than 1/10 of the vibration amplitude at the center of the piezoelectric element part in order to satisfy the miniaturization condition. It's not easy.
更に、絶縁被覆材4は、振動減衰特性を持つ弾性部材からなり、前記絶縁支持部材2a、2bと圧電素子1が接合される部分の近傍で絶縁支持部材2a、2bと接続されている。こうして、共振の振動減衰特性が高められる。
Further, the insulating covering
また、図2のように、圧電素子1は平板状であり、絶縁被覆材4は圧電素子1のベース部(ベース錘5およびフレーム3)とは反対側の主面上で長手方向端部よりも中央部で厚く形成され凸状の表面形状(凸面4a)を持つようにすることで、振動出力の人体頭部への伝達を容易にすることが出来る。
Further, as shown in FIG. 2, the
なお、圧電素子は、平板状のものでなく、交流電圧が印加されないときにも長手方向に湾曲しておりベース錘5とは反対側の主面で凸形状を持つようにすることできる。
The piezoelectric element is not a flat plate, but can be curved in the longitudinal direction even when no AC voltage is applied, and can have a convex shape on the main surface opposite to the
また、図2の支持構造のように、絶縁支持部材2a、2bは絶縁材料からなり、圧電素子厚さ方向の支持剛性は高く、圧電素子長手方向の支持剛性は低くなるように、圧電素子厚さ方向には変形または変位し難く、圧電素子長手方向には変形または変位し易い形状にするとよい。
In addition, as in the support structure of FIG. 2, the
更に、図2の支持構造を説明すると、支持部は絶縁材部(絶縁支持部材2a、2b)とその底部につながる金属板材部(フレーム3の立ち上がり部3a、3b)とからなり、その絶縁材部で圧電素子1と接合され、その金属板材部でベース部と接合されているが、その金属板材部はベース部と一体に形成されている。すなわち、絶縁支持部材2a、2bと立ち上がり部3a、3bとを統合したものを支持部として捉え、この支持部に、ベース錘5とフレーム3の底面部とからなるベース部が接続されている形態である。
Further, the supporting structure of FIG. 2 will be described. The supporting portion is composed of an insulating material portion (insulating supporting
本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。図1は本発明の一実施例での骨伝導スピーカの外観を示し、図1(a)は平面図、図1(b)は正面図、図1(c)は右側面図である。図1におけるA−A線の断面図が図2である。図3は個別部品状態を示す分解斜視図である。図4は圧電素子1の斜視図であり、1aは圧電素子配線である。図5は圧電素子1の両端に絶縁支持部材2a、2bを挿入固着した斜視図である。図6は更に圧電素子1と絶縁支持部材2a、2bの上半分部を弾性的な絶縁被覆材4でモールディング成形し覆った状態を示す斜視図である。図7は更にフレーム3を取り付け、ベース錘5をねじにて取り付けた状態の骨伝導スピーカの完成状態を示す斜視図である。図8は振動状態を模式的に示した正面図である。
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows the appearance of a bone conduction speaker according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 (a) is a plan view, FIG. 1 (b) is a front view, and FIG. 1 (c) is a right side view. FIG. 2 is a sectional view taken along line AA in FIG. FIG. 3 is an exploded perspective view showing an individual component state. FIG. 4 is a perspective view of the
その構造を説明する。主に図4に示すように、金属性薄板上に圧電材板と電極を重ねたユニモルフ型あるいは金属薄板の両面に圧電材板と電極を重ねたバイモルフ型の圧電素子1、または、金属性薄板の片面あるいは両面に圧電材と電極を複数層重ねて形成した積層バイモルフ型の圧電素子1は、幅寸法が約4.4mmに対して長さが約15mmの矩形平面で総厚さが約0.6mmの形状で質量が約0.28gである。
The structure will be described. As shown mainly in FIG. 4, a unimorph type
図5などに示すように、圧電素子1の両端は、量産に適したプラスチック成形にて作製できる電気絶縁性の絶縁支持部材2a、2bの溝部に挿入され、合わせて絶縁支持部材の材料と同程度以上のヤング率の絶縁性接着剤で接合されている。
As shown in FIG. 5 and the like, both ends of the
図2などに示すように、厚さ0.3mmの金属製板材で量産性の高いプレス成形にて作製できるフレーム3は、幅5mm、長手方向16mmの大きさで、両端部の約2.5mmの立ち上がり部3a、3bは絶縁支持部材2a、2bの下面に形成されている細長い角穴(図示省略)に圧入接合されている。この接合は圧入ではなく、穴に接着剤と共に挿入した接着接合でも良く、この場合の接着剤のヤング率は絶縁支持部材の材質のヤング率と同等以上の特性のものが好ましい。
As shown in FIG. 2 and the like, the
こうして、絶縁支持部材2a、2bの下部に形成された細長い角穴に、フレーム3の立ち上がり部3a、3b(金属板材)が圧入される構造をとることで、圧電素子厚さ方向の支持剛性を高くし、圧電素子長手方向の支持剛性を低くすることが出来る。すなわち、絶縁支持部材2a、2bに着目すると圧電素子厚さ方向には変形または変位し難く圧電素子長手方向には変形または変位し易い形状および構造になっている。
In this way, by adopting a structure in which the rising
図2、図3のように、フレーム3には比重の比較的大きな金属板製のベース錘5がねじ6a、6bにて取り付けられていて、フレーム3とねじ6a、6bとベース錘5との総合質量は約1.5gである。
As shown in FIGS. 2 and 3, a
図2などに示された圧電素子1の外周と絶縁支持部材2a、2bの圧電素子1を支持する部分は、絶縁性で振動ダンピング(減衰)特性の良い硬度60度から80度(Hs60〜80 JIS A)のゴムからなる絶縁被覆材4にて真空注形の製法により覆われている。人体との接触部になるその上面の中央部は、周辺部より上方に1mm程度突出した湾曲形状の凸面4aを成して、人体への当たりの中心が圧電素子部10(図8)の中央部になるようにしている。また、この部分の総合質量は約0.35gである。
The outer periphery of the
人体への当たりを良くするための湾曲面は絶縁被覆材4の中央部が厚くなる湾曲形状で達成しているが、圧電素子1を含む振動部の質量を軽減するために圧電素子1そのものが、非動作時に既に湾曲形状をしていて、すなわち湾曲形状の金属製薄板の片面または両面に圧電材が形成され、絶縁被覆の層が一定厚さで薄く形成されていても良い。
The curved surface for improving the contact with the human body is achieved by a curved shape in which the central portion of the insulating
絶縁被覆材4は圧電素子1の機械的な被覆保護のみではなく、圧電素子に比較的良く使われる銀の電極が高温高湿環境下での電圧付加によるマイグレーション現象で起きるショート障害を防止するための防湿のための覆いの役目も成し、かつ、圧電素子の共振現象の程度を緩和する減衰材の役目も成している。特に被覆の厚さとゴムの硬度や材質は、振動出力のロスの軽減と相反する減衰特性によるロスの増加を適度なレベルで折衷する上で重要な決定要素である。
The insulating
次に動作特性を説明する。厳密には機器の支持構造や人体伝達部の弾性や質量が、絶対位置での振動状態に影響する。しかし、そこまで含めて論ずると複雑になり過ぎることと、定性的には大きく異ならないことを含めて、ここでは全体を十分に柔らかな発泡体シートの上に置いて自由に動作させた場合の振動状態を説明する。 Next, operation characteristics will be described. Strictly speaking, the support structure of the device and the elasticity and mass of the human body transmission part affect the vibration state at the absolute position. However, including the fact that it is too complicated to discuss and that it does not differ greatly qualitatively, here is the case where the whole is placed on a sufficiently soft foam sheet and freely operated The vibration state will be described.
圧電素子1に交流電圧を印加すると、これが印加電圧に比例して湾曲振動し、その影響が全体に作用する。振動の状態を模式的に示すと図8のようになる。圧電素子1を含む圧電素子部10は印加電圧に沿った湾曲変形動作である。これを支持する絶縁支持部材2a、2bとフレーム3の左右の立ち上がり部3a、3bとで構成される支持部20a、20bはY軸方向の剛性が高く、X軸方向の剛性は低いために、圧電素子部10の左右端のY軸方向変位はそのままベース錘5とフレーム3の平坦部(底面部)とで成すベース部30の両端のY軸方向変位となる。支持部20a、20bのX軸方向変位は左右バランスし運動エネルギー的には釣り合って他には影響しない。ベース部30の両端のY軸方向変位はベース部30の剛性が高いためにベース部30の平行変位となる。なおZ軸方向の動きは理論上ない。実際にも極僅かであり考慮しなくても良い。
When an alternating voltage is applied to the
ここで圧電素子部10の質量よりもベース部30の質量が大きいので、圧電素子部10の振動の節は両端支持をしない場合より左右端寄りなる。理論上、ベース側が無限大質量の場合はその節は両端になる。圧電素子部10の中央の振幅に対して、左右両端の振幅(すなわちベース部30の振幅と等価)を比較した場合、圧電素子部10とベース部30の質量差は、実数として0.35gに対して1.5gであるので約4倍あり、振幅差は単純には4分の1となるが、運動エネルギー的に比較する場合、ベース部30の振動は全体一様であり、圧電素子部10の振動は場所により変化するので、それ以上の差があると考えられる。効果確認のための試作品は既製圧電素子での試作のため長さが異なるが、これでの実測値は5分の1から8分の1である。
Here, since the mass of the
図9は試作品での実測の振幅特性を示したもの(縦軸の振動レベルは振幅10μmを基準に表示した)である。すなわち、ベース部30と圧電素子部10の無負荷時における振動特性の差を示した図である。図10は機器への組込と人体への押圧を想定した支持と押圧負荷を付加して、同じように振幅特性を比較したものである。すなわち、ベース部30と圧電素子部10の負荷時における振動特性の差を示した図である。これを見ると判るように、実質の使用状態を想定した特性は、音漏れにはなりにくい600Hz以下ではベース側の質量効果が見られないが、音漏れが出やすい1kHz以上ではベース部30の質量効果が効き、15dB以上の振幅差が見られる。
FIG. 9 shows the actually measured amplitude characteristics of the prototype (the vibration level on the vertical axis is displayed with an amplitude of 10 μm as a reference). That is, it is a diagram illustrating a difference in vibration characteristics between the
1 圧電素子
1a 圧電素子配線
2a、2b 絶縁支持部材
3 フレーム
3a、3b 立ち上がり部
4 絶縁被覆材
4a 凸面
5 ベース錘
6a、6b ねじ
10 圧電素子部
20a、20b 支持部
30 ベース部
DESCRIPTION OF
Claims (7)
この圧電素子部の質量よりも大きな質量を持つベース部と、
前記圧電素子の長手方向の両端にそれぞれ接合されると共に前記ベース部に接合され、前記圧電素子の板厚方向に対しては剛性が高く、これとは直角方向の前記長手方向に対しては剛性が低い支持特性を持つ2つの支持部とが設けられ、
前記圧電素子部の中央での交流電圧印加時の振動振幅を1とするとき、前記ベース部の振動振幅が1/2以下であることを特徴とする骨伝導スピーカ。 A bone conduction speaker that is a vibration driving body that transmits vibration to a human head and transmits sound information, and a rectangular bimorph or unimorph type piezoelectric element having a length dimension of 2 or more when the width dimension is 1, and the same A piezoelectric element portion made of a covering material for protecting
A base portion having a mass larger than the mass of the piezoelectric element portion;
Bonded to both ends of the piezoelectric element in the longitudinal direction and bonded to the base portion, the rigidity is high in the plate thickness direction of the piezoelectric element, and rigid in the longitudinal direction perpendicular thereto. Are provided with two support parts having low support characteristics,
The bone conduction speaker according to claim 1, wherein the vibration amplitude of the base portion is ½ or less when the vibration amplitude at the time of applying an alternating voltage at the center of the piezoelectric element portion is 1.
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