JP4771475B2 - 骨伝導スピーカ - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

特開２００５−１７５９８５号公報 特開２０００−２０１３９８号公報 特開２０００−３０５５７３号公報 特開２００４−１０４３２７号公報 特許第３２０２１６９号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明の一実施例での骨伝導スピーカの外観図、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は正面図、図１（ｃ）は右側面図。 図１のＡ−Ａ線での断面図。 本発明の一実施例での個別部品状態を示す分解斜視図。 本発明の一実施例での圧電素子の外観斜視図。 本発明の一実施例での圧電素子の両端に絶縁支持部材を挿入固着した斜視図。 本発明の一実施例での圧電素子と絶縁支持部材の上半分部を弾性絶縁被覆材でモールディング成形し覆った状態を示す斜視図。 本発明の一実施例での骨伝導スピーカの完成状態の外観を示す斜視図。 本発明の一実施例での振動状態を模式的に示す正面図。 本発明の一実施例の試作品でのベース部と圧電素子部の無負荷時における振動特性の差を示す図。 本発明の一実施例の試作品でのベース部と圧電素子部の負荷時における振動特性の差を示す図。

符号の説明

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

Claims (7)

1. 振動を人体頭部に伝えて音情報を伝達する振動駆動体である骨伝導スピーカであって、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およびこれを保護する被覆材からなる圧電素子部と、
   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。
2. 前記被覆材は、振動減衰特性を持つ弾性部材からなり、前記支持部と前記圧電素子が接合される部分の近傍で前記支持部と接続されたことを特徴とする請求項１記載の骨伝導スピーカ。
3. 前記圧電素子は平板状であり、前記被覆材は前記圧電素子の前記ベース部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を持つことを特徴とする請求項２記載の骨伝導スピーカ。
4. 前記圧電素子は交流電圧が印加されないとき長手方向に湾曲しており前記ベース部とは反対側の主面で凸形状を持つことを特徴とする請求項１または２記載の骨伝導スピーカ。
5. 前記支持部は絶縁支持部材を含んでなり、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したことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の骨伝導スピーカ。
6. 前記支持部は絶縁材部とその底部につながる金属板材部とからなり、前記絶縁材部で前記圧電素子と接合され、前記金属板材部で前記ベース部と接合されたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の骨伝導スピーカ。
7. 前記金属板材部はベース部と一体に形成されたことを特徴とする請求項６記載の骨伝導スピーカ。

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