(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-08-02
(45)【発行日】2024-08-13
(54)【発明の名称】振動デバイス
(51)【国際特許分類】
H04R 17/00 20060101AFI20240805BHJP
B06B 1/06 20060101ALI20240805BHJP
【ＦＩ】
H04R17/00
B06B1/06 Z
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2020185204
(22)【出願日】2020-11-05
(65)【公開番号】P2022074825
(43)【公開日】2022-05-18
【審査請求日】2023-07-04
(73)【特許権者】
【識別番号】000003067
【氏名又は名称】ＴＤＫ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100088155
【弁理士】
【氏名又は名称】長谷川 芳樹
(74)【代理人】
【識別番号】100113435
【弁理士】
【氏名又は名称】黒木 義樹
(74)【代理人】
【識別番号】100124062
【弁理士】
【氏名又は名称】三上 敬史
(72)【発明者】
【氏名】滝 辰哉
(72)【発明者】
【氏名】江澤 敦
(72)【発明者】
【氏名】永井 慧大
(72)【発明者】
【氏名】丸山 俊樹
【審査官】佐久 聖子
(56)【参考文献】
【文献】特開昭６０－１８２３００（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許第０４５１７６６４（ＵＳ，Ａ）
【文献】韓国公開特許第２０１０－００９９０１４（ＫＲ，Ａ）
【文献】特開２０２１－０５７８４１（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０４Ｒ １７／００－１７／１０
Ｂ０６Ｂ １／０６－ ３／０４
Ｈ０１Ｎ ３０／００－３９／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
圧電素子と、一の方向に延在し、前記圧電素子の駆動によってベンディング振動を生じさせる第１の振動部と、
前記第１の振動部とは別体に構成され、前記第１の振動部で生じた前記ベンディング振動から直動振動成分を取り出す第２の振動部と、
前記圧電素子と離間した状態で、前記第１の振動部における前記一の方向の一端部を固定端とし、他端部を自由端とする固定部と、を備え、
前記第２の振動部は、筒状をなしており、前記第１の振動部の平面視において、前記自由端側に偏在した状態で前記第１の振動部に固定されている振動デバイス。
【請求項2】
前記第１の振動部の平面視において、前記第２の振動部の少なくとも一部は、前記圧電素子の配置領域と重なっている請求項１記載の振動デバイス。
【請求項3】
前記第１の振動部に対する前記第２の振動部の固定領域は、前記第１の振動部における前記他端部側の縁に接している請求項１又は２記載の振動デバイス。
【請求項4】
前記第１の振動部の曲げ強度は、前記第２の振動部の曲げ強度よりも大きくなっている請求項１～３のいずれか一項記載の振動デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、振動デバイスに関する。
【背景技術】
【0002】
従来の振動デバイスとして、例えば特許文献１に記載の透明スピーカがある。この従来の振動デバイスは、圧電素子を振動板に固定することによって構成されている。この振動デバイスでは、圧電素子の振動を振動板によって増幅し、振動板にベンディング振動を生じさせることによって、所望の音響出力が得られるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開平４－７０１００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上述した特許文献１の振動デバイスのように、振動板のベンディング振動を利用した構成は、圧電素子から振動板への振動伝達性に優れる。その反面、振動板の共振に起因する音圧の低下や周波数に対する歪みが生じ易く、これらの課題の解決が求められている。
【0005】
本開示は、上記課題の解決のためになされたものであり、音圧の向上や周波数に対する歪みの改善が図られる振動デバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本開示の一側面に係る振動デバイスは、圧電素子と、一の方向に延在し、圧電素子の駆動によってベンディング振動を生じさせる第１の振動部と、第１の振動部とは別体に構成され、第１の振動部で生じたベンディング振動から直動振動成分を取り出す第２の振動部と、第１の振動部における前記一の方向の一端部を固定し、他端部を自由端とする固定部と、を備え、第２の振動部は、筒状をなしており、第１の振動部の平面視において、自由端側に偏在した状態で第１の振動部に固定されている。
【0007】
この振動デバイスでは、圧電素子の駆動によってベンディング振動を生じさせる第１の振動部の一端部が固定端となっており、他端部が自由端となっている。また、筒状をなす第２の振動部が、第１の振動部の平面視において、自由端側に偏在した状態で第１の振動部に固定されている。このような構成により、第２の振動部では、第１の振動部で生じたベンディング振動から直動振動成分を効率良く取り出すことができる。ベンディング振動を直接利用する場合と異なり、直動振動成分を利用する場合には、振動板の共振の影響を軽減できる。したがって、音圧の向上や周波数に対する歪みの改善が図られる。
【0008】
第１の振動部の平面視において、第２の振動部の配置領域の少なくとも一部は、圧電素子の配置領域と重なっていてもよい。この場合、第１の振動部で生じたベンディング振動からの直動振動成分の取り出し効率を更に高めることができる。
【0009】
第１の振動部に対する第２の振動部の固定領域は、第１の振動部における他端部側の縁に接していてもよい。この場合、第１の振動部で生じたベンディング振動からの直動振動成分の取り出し効率を更に高めることができる。
【0010】
第１の振動部の曲げ強度は、第２の振動部の曲げ強度よりも大きくなっていてもよい。この場合、第２の振動部が第１の振動部のベンディング振動に追従しにくくなり、直動振動成分の取り出し効率を向上できる。
【発明の効果】
【0011】
本開示によれば、音圧の向上や周波数に対する歪みの改善が図られる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】本開示に係る振動デバイスの一実施形態を示す概略的な断面図である。
【図3】（ａ）は、ベンディング振動を示す模式的な図であり、（ｂ）は、直動振動を示す模式的な図であり、（ｃ）は、ベンディング振動からの直動振動成分の取り出しの様子を示す模式的な図である。
【図4】（ａ）は、ベンディング振動による音響出力の周波数と音圧との関係を示す模式的な図であり、（ｂ）は、ベンディング振動による音響出力の周波数と歪みとの関係を示す模式的な図である。
【図5】（ａ）は、直動振動による音響出力の周波数と音圧との関係を示す模式的な図であり、（ｂ）は、ベンディング振動による音響出力の周波数と歪みとの関係を示す模式的な図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、図面を参照しながら、本開示の一側面に係る振動デバイスの好適な実施形態について詳細に説明する。
【0014】
図１は、本開示に係る振動デバイスの一実施形態を示す概略的な断面図である。また、図２は、その平面図である。図１及び図２に示す振動デバイス１は、例えばスピーカ等の音響デバイスとして用いられるデバイスであり、テレビやスマートフォンといった音を発する電子機器に搭載され得る。図１及び図２に示すように、振動デバイス１は、圧電素子２と、第１の振動部３と、第２の振動部４と、固定部５とを備えて構成されている。
【0015】
圧電素子２は、例えば圧電素体６と、一対の外部電極（不図示）とを有している。圧電素体６は、複数の圧電体層の積層によって構成されている。図１及び図２の例では、圧電素体６は、平面視において長方形状をなしている。各圧電体層は、圧電材料によって形成されている。本実施形態では、各圧電体層は、圧電セラミック材料からなる。圧電セラミック材料としては、例えばＰＺＴ［Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３］、ＰＴ（ＰｂＴｉＯ３）、ＰＬＺＴ［（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３］、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）が挙げられる。
【0016】
各圧電体層は、例えば上述した圧電セラミック材料を含むセラミックグリーンシートの焼結体によって構成されている。実際の圧電素体６では、各圧電体層は、各圧電体層の間の境界が認識できない程度に一体化されている。圧電素体６内には、複数の内部電極（不図示）が配置されている。各内部電極は、導電性材料によって形成されている。導電性材料としては、例えばＡｇ、Ｐｄ、Ａｇ－Ｐｄ合金が挙げられる。
【0017】
圧電素子２の一対の外部電極には、例えばフレキシブルプリント基板といった配線部材（不図示）が電気的に接続されている。配線部材の一端側は、圧電素子２の一対の外部電極に電気的かつ物理的に接続され、配線部材の他端側は、振動デバイス１が搭載される電子機器に対して電気的かつ物理的に接続される。
【0018】
第１の振動部３は、圧電素子２の駆動によってベンディング振動を生じさせる部分である。第１の振動部３は、例えば金属材料によって薄板状に形成され、一定の幅で一の方向に延在している。以下、第１の振動部３が延在する一の方向を延在方向Ｄと称する。金属材料としては、例えばＮｉ－Ｆｅ合金、Ｎｉ、黄銅、ステンレス鋼などが挙げられる。ここでは、第１の振動部３は、平面視において長方形状をなしており、延在方向Ｄに沿う長辺と、延在方向Ｄに直交する短辺とを有している。長方形状には、例えば、各角部が面取りされた形状及び各角が丸められた形状も含まれ得る。第１の振動部３は、樹脂材料によって構成されていてもよい。
【0019】
第１の振動部３の一方面３ａには、圧電素子２が配置された配置領域Ｐ１が設けられている。図１及び図２の例では、平面視における圧電素子２の長辺及び短辺は、平面視における第１の振動部３の長辺及び短辺よりも小さくなっている。第１の振動部３の一方面３ａにおいて、圧電素子２の長辺は、第１の振動部３の長辺に沿い、圧電素子２の短辺は、第１の振動部３の短辺に沿っている。また、第１の振動部３の一方面３ａにおいて、圧電素子２の中心位置は、第１の振動部３の中心位置と一致している。これにより、圧電素子２の全体が第１の振動部３に重なり、平面視において、圧電素子２が第１の振動部３の縁から張り出さないようになっている（図２参照）。第１の振動部３の一方面３ａと圧電素子２との固定には、例えば接着剤が用いられている。
【0020】
第１の振動部３における延在方向Ｄの一端部３ｃは、固定部５によって固定された固定領域Ｐ２となっている。具体的には、第１の振動部３における延在方向Ｄの一端部３ｃは、固定部５における側板２２に埋没した状態となっている。これにより、第１の振動部３における延在方向Ｄの一端部３ｃは、圧電素子２によるベンディング振動の固定端となっている。図１及び図２の例では、第１の振動部３の短辺の全体が固定部５の側板２２，２２に埋没している。圧電素子２の短辺と固定領域Ｐ２との間には、延在方向Ｄについて一定の間隔が設けられている。一方、第１の振動部３における延在方向Ｄの他端部３ｄは、固定部５によって固定されておらず、圧電素子２によるベンディング振動の自由端となっている。
【0021】
第２の振動部４は、第１の振動部３で生じたベンディング振動から直動振動成分を取り出す部分である。第２の振動部４は、例えば樹脂材料によって第１の振動部３とは別体に形成されている。樹脂材料としては、例えばアクリル系樹脂、塩化ビニル系樹脂、成型樹脂などが挙げられる。第２の振動部４が樹脂材料で形成されていることにより、第１の振動部３の曲げ強度は、第２の振動部４の曲げ強度よりも大きくなっている。第２の振動部４は、紙材料によって形成されていてもよい。第２の振動部４は、円盤状の底面部１１と、底面部１１から離れるにしたがって拡径する末広がりの断面円形の筒状部１２とを有している。第２の振動部４において、筒状部１２の先端側は、断面円形の開口部１２ａとなっており、底面部１１と筒状部１２とによって画成される円錐台状の空間は、直動振動成分を含む気体を押し出す振動空間Ｓとなっている。
【0022】
第２の振動部４の配置領域Ｐ３は、第１の振動部３の他方面３ｂに設けられている。つまり、第２の振動部４は、第１の振動部３を挟んで圧電素子２の反対側に配置されている。第２の振動部４の配置領域Ｐ３は、平面視において第２の振動部４が画成する領域である。本実施形態では、上述したように、第２の振動部４が末広がりの筒状部１２を有している。このため、第２の振動部４の配置領域Ｐ３は、筒状部１２の先端部分の外径を直径とする円形状をなしている。
【0023】
第２の振動部４は、第１の振動部３の平面視において、第１の振動部３における延在方向Ｄの他端部３ｄ側、すなわち、圧電素子２によるベンディング振動の自由端側に偏在した状態で第１の振動部３の他方面３ｂに固定されている。図１及び図２の例では、第２の振動部４の円盤状の底面部１１が第１の振動部３の他方面３ｂに固定されている。第２の振動部４の底面部１１と第１の振動部３の他方面３ｂとの固定には、例えば接着剤が用いられている。
【0024】
第２の振動部４の筒状部１２の先端部分の直径は、圧電素子２の短辺よりも小さくなっている。第１の振動部３の平面視において、延在方向Ｄに直交する方向に対する第２の振動部４の中心位置は、圧電素子２の中心位置と一致している。第１の振動部３への固定領域となる底面部１１の一側（固定端側）は、第１の振動部３の平面視において、圧電素子２の配置領域Ｐ１と重なっており、底面部１１の他側（自由端側）は、第１の振動部３における他端部３ｄ側の縁に接している。本実施形態では、上述したように、第２の振動部４が末広がりの筒状部１２を有している。このため、第２の振動部４における筒状部１２の先端部分の一部は、第１の振動部３における他端部３ｄ側の縁よりも延在方向Ｄの外側に張り出した状態となっている。
【0025】
固定部５は、第１の振動部３における延在方向Ｄの一端部３ｃを固定する部分である。固定部５は、第１の振動部３のベンディング振動に対する非伝達性を有する材料によって形成されている。このような材料としては、例えばステンレス（ＳＵＳ）、アルミニウムなどの金属材料が挙げられる。図１及び図２の例では、固定部５は、一つの側板２２によって構成されている。側板２２は、第１の振動部３の一端部３ｃ側に立設されている。第１の振動部３の一端部３ｃは、側板２２の頂部近傍に埋没している。これにより、第１の振動部３、第１の振動部３の一方面３ａ側の圧電素子２、及び第１の振動部３の他方面３ｂ側の第２の振動部４は、側板２２によって片持ちの状態で保持されている。第１の振動部３と側板２２との固定は、ねじ止めクランプを用いたものであってもよく、接着剤による接着であってもよい。
【0026】
上述したように、第１の振動部３は、圧電素子２の駆動によってベンディング振動を生じさせる振動部であり、第１の振動部３と別体に構成された第２の振動部４は、第１の振動部３で生じたベンディング振動から直動振動成分を取り出す振動部である。第１の振動部３における延在方向Ｄの一端部３ｃは、固定部５に固定されることによって、圧電素子２によるベンディング振動の固定端となっている。また、第１の振動部３における延在方向の他端部３ｄは、固定部５には固定されておらず、圧電素子２によるベンディング振動の自由端となっている。このため、第１の振動部３に生じるベンディング振動は、図３（ａ）に示すように、第１の振動部３の面内方向から見て円弧状をなし、ベンディング振動の振動量は、延在方向Ｄの一端部３ｃから他端部３ｄに行くほど徐々に大きくなる。
【0027】
これに対し、直動振動は、図３（ｂ）に示すように、振動部分Ｖの全体が均一に変位する振動である。直動振動の振動量は、振動部分Ｖの延在方向によらずに一定となる。振動デバイス１では、筒状部１２を有する第２の振動部４は、第１の振動部３とは別体に構成され、第１の振動部３の平面視において、ベンディング振動の自由端側に偏在した状態で第１の振動部３に固定されている。このため、第１の振動部３にベンディング振動が生じた場合、第２の振動部４の配置領域Ｐ３外では、ベンディング振動に準じた振動が生じるが、第２の振動部４の配置領域Ｐ３では、直動振動に準じた振動が生じることとなる。したがって、第２の振動部４では、第１の振動部３で生じたベンディング振動から直動振動成分を取り出すことができる。
【0028】
本実施形態では、第２の振動部４がベンディング振動の自由端側に偏在しており、ベンディング振動の振動量が最も大きくなる領域に第２の振動部４が配置されている。したがって、第２の振動部４では、第１の振動部３で生じたベンディング振動から直動振動成分を取り出す際の取出効率が高まり、振動デバイス１の音圧を高めることが可能となる。
【0029】
振動板のベンディング振動を利用した構成は、圧電素子から振動板への振動伝達性に優れる。その反面、ベンディング振動では、図４（ａ）に示すように、振動板の共振に起因して特定の周波数で音圧のピーク及びディップが生じることがあり、音圧を打ち消し合う現象も生じ得る。また、図４（ｂ）に示すように、振動板の共振に起因して特定の周波数において歪みが大きくなる現象が生じ得る。
【0030】
これに対し、振動デバイス１のように、ベンディング振動から直動振動成分を取り出す場合、第１の振動部３での共振の影響を軽減できる。このため、図５（ａ）に示すように、振動板の共振に起因する特定の周波数での音圧のピーク及びディップの発生を抑制できる。直動振動では、均一に変位する振動部分の面積を確保し易いため、音圧の向上も図られる。また、図５（ｂ）に示すように、振動板の共振に起因して特定の周波数において歪みが大きくなる現象も低減できる。
【0031】
以上説明したように、振動デバイス１では、圧電素子２の駆動によってベンディング振動を生じさせる第１の振動部３の一端部３ｃが固定端となっており、他端部３ｄが自由端となっている。また、筒状をなす第２の振動部４が、第１の振動部３の平面視において、自由端側に偏在した状態で第１の振動部３に固定されている。このような構成により、第２の振動部４では、第１の振動部３で生じたベンディング振動から直動振動成分を効率良く取り出すことができる。ベンディング振動を直接利用する場合と異なり、直動振動成分を利用する場合には、振動板の共振の影響を軽減できる。したがって、音圧の向上や周波数に対する歪みの改善が図られる。
【0032】
本実施形態では、第１の振動部３の平面視において、第２の振動部４の配置領域Ｐ３の少なくとも一部が圧電素子２の配置領域Ｐ１と重なっている。このような配置関係を採用することで、第１の振動部３で生じたベンディング振動からの直動振動成分の取り出し効率を更に高めることができる。
【0033】
本実施形態では、第１の振動部３に対する第２の振動部４の固定領域となる底面部１１が、第１の振動部３における他端部３ｄ側の縁に接している。これにより、第１の振動部３に生じるベンディング振動が最も高くなる領域に第２の振動部４が配置される。したがって、第１の振動部３で生じたベンディング振動からの直動振動成分の取り出し効率を更に高めることができる。また、第１の振動部３への固定領域となる第２の振動部４の底面部１１が第１の振動部３の縁よりも外側に張り出さないことで、第１の振動部３に対して第２の振動部４をしっかりと固定できる。したがって、第２の振動部４がベンディング振動によって第１の振動部３から剥離してしまうことを抑制できる。
【0034】
本実施形態では、第１の振動部３の曲げ強度は、第２の振動部４の曲げ強度よりも大きくなっている。これにより、第２の振動部４が第１の振動部３のベンディング振動に追従しにくくなり、直動振動成分の取り出し効率を向上できる。
【0035】
本開示は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上記実施形態では、圧電素子２の全体が第１の振動部３に重なり、平面視において、圧電素子２が第１の振動部３の縁から張り出さないようになっているが、圧電素子２の一部が第１の振動部３の縁（長辺側の縁或いは他端部３ｄ側の縁）から張り出していてもよい。上記実施形態では、圧電素子２及び第２の振動部４は、いずれも延在方向Ｄに直交する方向において第１の振動部３の中央に配置されているが、圧電素子２及び第２の振動部４の少なくとも一方が、延在方向Ｄに直交する方向において第１の振動部３の一方の長辺側に偏在していてもよい。
【0036】
上記実施形態では、第１の振動部３に対する第２の振動部４の固定領域となる底面部１１が、第１の振動部３における他端部３ｄ側の縁に接しているが、当該底面部１１は、第１の振動部３における他端部３ｄ側の縁から一端部３ｃ側に離間していてもよい。また、底面部１１の一部が第１の振動部３における他端部３ｄ側の縁よりも外側に張り出していてもよい。
【0037】
上記実施形態では、第２の振動部４は、円盤状の底面部１１と、底面部１１から離れるにしたがって拡径する末広がりの断面円形の筒状部１２とを有しているが、第２の振動部４の構成はこれに限られない。例えば筒状部１２は、必ずしも末広がりである必要はなく、底面部１１から開口部１２ａにかけて一定の径となっていてもよい。第２の振動部４は、第１の振動部３に対する固定の安定性や信頼性、配置精度の観点から、底面部１１を有していることが好ましいが、底面部１１を省略した構成を採ることも可能である。底面部１１を省略する場合、第２の振動部４の高さを増加させずに、直動振動成分を含む気体を押し出す振動空間Ｓの体積を増加させることができる。筒状部１２の断面形状は、円形に限られず、矩形、三角形、長円形、楕円形といった他の形状であってもよい。
【0038】
上記実施形態では、固定部５は、側板２２のみによって構成されているが、固定部５は、第１の振動部３における延在方向Ｄの一端部３ｃを固定端とし、他端部３ｄを自由端とする構造であれば、任意の構成を採り得る。例えば側板２２の基端側に第１の振動部３と平行な基板が配置されていてもよい。
【符号の説明】
【0039】
１…振動デバイス、２…圧電素子、３…第１の振動部、３ｃ…一端部、３ｄ…他端部、４…第２の振動部、５…固定部、１１…底面部（固定領域）、Ｄ…延在方向（一の方向）、Ｐ１…圧電素子の配置領域。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】