JPS602717Y2 - 電気音響変換素子 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は圧電素子を用いた電気音響変換素子に関し、特
に音声帯域用として最適の高い変換効率を有した電気音
響変換素子を提供するものである。

一般に圧電素子を用いた圧電型スピーカは、バイモルフ
素子を駆動源とし、高音用スピーカとして実現されてい
る。

これは再生周波数帯域と出力音圧レベルの関係に基因し
ている。

バイモルフ素子はマイクロホンやピックアップ、ブザー
、スピーカなどの振動体に用いられており、この素子を
用いると省電力化、薄形化が可能になる。

バイモルフ素子は、長さ方向に伸び縮みする圧電素子を
２枚貼り合わせ、一方が伸びるときに他方が縮み、全体
として屈曲運動するものであり、機械インピーダンスを
下げて大きな出力電圧をとりだせるようにしたものであ
る。

通常、バイモルフ素子に用いる圧電素子は薄い円板状を
しており、自由振動をさせた円板状圧電素子の共振周波
数は一般的に次の式で示される。

（ここで、ｒは半径、ｔは厚み、Ｅはヤング率、ρは密
度、σはポアソン比、ａは定数を示す。

）この式から明らかなように、Ｅ、ρ、σは材料によっ
て決まる固有の特性であり、バイモルフ素子は高い誘電
率と高い電気機械結合係数を必要としているため、圧電
素子の材料としては主に圧電セラミックスが用いられる
が、圧電セラミックスの材料や組成を変えることにも限
界がある。

従ってバイモルフ素子の基本共振周波数は寸法形状によ
ってほぼ決定される。

第１図は前述した構造を有する従来のバイモルフ素子を
示したものであり、第１図Ａには一部切欠平面図を、第
１図Ｂには第１図Ａの ｃ／断面図を示す。

両面に電極３を形威し、分極処理された所定の直径と厚
みを有する圧電セラミックス１は、電極３を介し中間の
電極板２に機械的、電気的に結合されている。

このような構造を有するバイモルフ素子を音声帯域用の
バイモルフ素子として使用するためには、再生周波数帯
域よりも低い基本共振周波数が必要であり、それには前
記した式から厚みを薄くする方法と素子の直径を大きく
する方法が考えられる。

上記したように圧電素子には特性面からセラミックスが
主に用いられるが、セラミックスには高温で焼結させる
ことが必要であるため薄くするに従ってより製造が困難
となる。

また、同じ厚みで直径を大きく製造することも同じく難
しくなる。

特公昭−４６−２７１６号公報には、８ケタのスリット
を半径方向に設けることによって基本共振周波数を下げ
ることが述べられているが、これは外周部から中心に向
って切り込みを入れることによって素子の弾性コンプラ
イアンスを下げるようにしたものであり、この方法では
基本共振周波数は下がるが、変換効率を示す電気−機械
結合係数も。

低下してしまう。

なお、電気−機械結合係数は、基本共振周波数をｆｒ、
反共振周波数をｆａとした時、次の式で与えられる。

一方圧電素子の寸法は同一のままとし、中間電極板の寸
法を大きくすることも考えられるが、やはりこれも電気
−機械結合係数を下げることになる。

スピーカなどの音響変換素子の駆動源として用いる時に
は、高い変換効率、高い力係数が必要となる。

今まで述べてきた従来例はいずれも何らかの点で駆動素
子として理想のものではなかった。

本考案はこれらの問題点を解決し、高変換効率を有した
状態で基本共振周波数を下げるようにした電気音響変換
素子を提供するものである。

第２図に示すように、第１図に示したようなバイモルフ
素子は、自由振動させた時に基本振動節す、ｂ’を基準
にして同心円状に振動する。

この節は円板のたわみ振動としてバイモルフ素子の直径
ａの約０．６〜０．７付近に存在する。

本考案ではこの基本振動節部に対応する中間の電極板位
置に空隙部を部分的に設けることにより、力係数を低下
させることなく振動節部の弾性コンプライアンスを局部
的に高くとり、基本共振周波数を低下させている。

第３図は本考案の電気音響変換素子の構造と示したもの
であり、第３図Ａにはその一部切欠平面図を、第３図Ｂ
には第３図Ａのｄ −ｄ’断面図を示す。

図において、第１図と同一機能を有する部分には同一番
号を付す。

ここで第１図と異なるのは中間電極板２に基本振動節５
の半径方向に間欠的な空隙部４がおいていることである
。

この空隙部４は半径方向に設けられており、外周部まで
達していないことが必要である。

振動節部に設ける空隙部４は図面に示す様な円に限らな
いで他の形状であっても効果は同じであり、同心円状に
対称に設は特性に合わせながら最適寸法に設計する。

なお中間電極板に形状加工するとともに、同一個所の圧
電セラミックシートに貫通した空隙部を設ける場合にも
共振周波数を下げることができるが、セラミックシート
への加工が困難となるため電気特性的にインピーダンス
の増加となって表われる欠点がある。

以下実施例に基すき、本考案について詳述する。

実施例 １ 厚さ１００μｍ１直径３８ｍｍの圧電セラミックシート
の分極方向をそろえて中間電極板に接着した。

中間電極板には基本振動節に相当する中心点より１４藺
の距離の部分に対称となるように直径４醜の穴を第１表
に示す種々の条件で設けた。

この条件でのバイモルフ素子の各圧電特性を第１表に示
す。

この結果よりスピーカなどの音響変換素子には静電容量
、結合係数、アドミッタンスの高い特性と低い共振周波
数が望まれる。

これらを考慮して、８ケタの穴を設ける時最も低い共振
周波数でなおかつ他の特性を低下させないことが分った
。

１２ケタを設ける場合には分割振動をするためにアドミ
ッタンス特性が悪くなる。

実施例 ２ 実施例１で用いたと同様の圧電セラミックシートを、厚
さ１１００ｐ、直径４０藺の黄銅を中間電極板として使
用し、その両面に圧電セラミックシートの分極方向をそ
ろえて接着したバイモルフ素子とした。

中間電極板には実施例１で最も効果的である８ケタの穴
を、第２表に示すような種々の条件で設けた。

それぞれの条件における圧電特性を第２表に示す。

第２表から明らかなように本考案の素子を用いれば全ん
ど圧電特性を低下させるこ、。

本となく共振周波数を約２０％下げることができる。

なお第２表には、比較例として外周部までスリットを入
れた例と圧電素子にも穴を設けた例を示すが、外周部ま
でスリットを入れた時には共振周波数を下げることがで
きるが結合係数とアドミッタンス特性ともに低くなって
しまい十分な変換効率が得られない。

また圧電素子にも穴を設けた時も静電容量が下がりアド
ミッタンス特性が低くなる欠点がある。

なお、上記した２つの実施例においては圧電素子として
円板形状のものを用いたが、本考案はこの形状に限定さ
れるものではなく、だ円等他の形状であっても同様の効
果が得られることは言うまでもない。

以上の説明から明らかなように、本考案の電気音響変換
素子は、２板の圧電素子を１板の電極板ではさんだバイ
モルフ素子において、バイモルフ素子の基本振動節に対
応する電極板位置に空隙部を部分的に設けたものであり
、他の圧電特性を低下させることなく低い共振周波数を
有する電気音響変換素子を得ることができるため、その
実用上の効果は多大である。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａ、 Ｂは従来の電気音響変換素子の一部切欠平
面図と側部断面図、第２図は第１図の素子における振動
モードを示した原理図、第３図Ａ。 Ｂは本考案の電気音響変換素子の一部切欠平面図と側部
断面図である。 １・・・・・・圧電素子、２・・・・・・電極板、３・
・・・・・電極、４・・・・・・空隙部、５・・・・・
・基本振動節部。

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. （１）電極が付された２枚の圧電素子を電極板の両面に
   設けた電気音響変換素子において、この電気音響変換素
   子の基本振動節に対応する位置の電極板に空隙部を部分
   的に設けたことを特徴とする電気音響変換素子。
2. （２）実用新案登録請求の範囲第１項の記載において、
   圧電素子として円板形状のものを用い、電極板の空隙部
   を同心円状の基本振動節上に設けたことを特徴とする電
   気音響変換素子。