JP2008199266A - 電気音響変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電音響部品のさらなる小型化を可能とし、前気室の共鳴周波数より低周波の音を減衰させることなく効果的に発生させることができる電気音響変換器を提供する。
【解決手段】圧電振動板３０を含む圧電音響部品２０を回路基板１０に表面実装してなる電気音響変換器であって、圧電音響部品２０の放音孔２８は回路基板１０と対面しないケースの面に形成され、開放孔２９は回路基板と対面するケースの面に形成され、開放孔２９と対応する回路基板１０の部位に貫通孔１３が形成される。圧電振動板を前気室の共鳴周波数より低い共振周波数付近で作動させることで、前気室の共鳴周波数で鳴動させた場合より大きな音圧を得ることができ、かつ放音孔２８から放出される音が開放孔２９から放出される音により減衰されるのを防止できる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、圧電ブザーや圧電サウンダなどの圧電音響部品を回路基板に表面実装してなる電気音響変換器に関するものである。

従来、ブザーやサウンダなどの圧電音響部品は、電子機器、家電製品、携帯電話機などにおいて、警報音や動作音を発生する発音部品として広く用いられている。この種の圧電音響部品は、ケースの内部に取り付けられた圧電振動板を備えており、この振動板で仕切られたケースの一方の部屋（前気室）に音を出す放音孔を形成し、他方の部屋（後気室）に周波数特性調整用の開放孔（または漏洩孔）を形成した構造となっている。

近年、機器の小型化、電子部品の高集積化に伴い、圧電音響部品を回路基板に表面実装することが一般的に行われている。圧電音響部品を回路基板に表面実装した場合、ケースの裏面側に設けられる開放孔が回路基板で閉じられないようにするため、開放孔をケースの側壁に形成したものがある。

図７，図８は特許文献１に示された表面実装型の圧電音響部品Ａの一例である。圧電音響部品Ａのケース１はケース本体１ａとカバー１ｂとで構成され、ケース１の内部には圧電振動板２が収容され、この圧電振動板２によってケース１の内部が前気室３と後気室４とに仕切られている。カバー１ｂには前気室３に通じる放音孔５が形成され、ケース本体１ａの底面近傍の側壁には後気室４に通じる開放孔６が形成されている。さらに、ケース本体１ａの対向する２辺の側壁には、回路基板と接続するための外部接続用端子電極７，８が形成されている。このような圧電音響部品Ａを回路基板Ｂに表面実装した場合、開放孔６が回路基板で閉じられないので、開放孔６による周波数特性の調整効果を発揮することができる。

図９は、上記圧電音響部品Ａを回路基板Ｂに表面実装し、圧電音響部品Ａから音を発生させた状態を示す。図９において、領域Ｓ１は放音孔５から放出される音波領域を示し、領域Ｓ２は開放孔６から放出される音波領域を示し、領域Ｓ３は両音波の干渉領域である。圧電振動板２をある周波数で振動させると、放音孔５から発生する音と開放孔６から発生する音とが互いに逆位相となるため、両者の音が同一時間で重なり合い、互いに打ち消しあって音を減衰させるという問題がある。この現象は、前気室３の共鳴周波数（例えば４ｋＨｚ）より低周波領域、例えば１〜３ｋＨｚ付近において顕著に現れる。

圧電音響部品は、振動板を振動させ、前気室の共鳴（ヘルムホルツの共鳴）を利用して音を発生させる。前気室の共鳴周波数は、前気室の面積と高さ、放音孔の面積と長さ等によって決定されるが、一般にブザー等の単一の作動音を発生する圧電音響部品の場合、前気室の共鳴周波数を人間の耳に最も聞こえやすい４ｋＨｚ付近に設定することが多い。しかし、製品によっては４ｋＨｚより低周波（例えば２〜３ｋＨｚ付近）の音を発生させたい場合があり、その場合には前気室の共鳴周波数を低くしなければならない。前気室の共鳴周波数を低くするには、前気室の体積を大きくする必要があり、圧電音響部品が大型になるという問題がある。

図９の（ａ）は比較的大型の圧電音響部品Ａの例を示したものであるが、図９の（ｂ）のように製品サイズが小さくなると、放音孔５と開放孔６とが近接してくるため、互いの音が打ち消し合う領域Ｓ３が広くなり、肝心の放音孔５から発生する音が大きく減衰してしまう。このように放音孔と開放孔との距離と音圧減少との関係は、距離が短くなるほどその影響が顕著になる。また、圧電音響部品のサイズが小さくなると、振動板の面積も小さくなり、音圧も低下してしまう。このような理由から、ブザーとして一般的に要求される８０ｄＢ以上の音圧を得るには、従来では圧電音響部品の小型化に限界があった。また、圧電音響部品の実際の音圧性能は、実装環境によって影響を受け、一般には公称性能より劣るという問題があった。すなわち、開放孔を圧電音響部品の底面近傍の側面に形成した場合には、回路基板に実装したとき、開放孔が回路基板の表面近くに開口しているため、圧電音響部品の近傍に別の表面実装部品が存在すると、開放孔からの空気の出入りが邪魔されるからである。
特開２０００−３１０９９０号公報

そこで、本発明の目的は、圧電音響部品のさらなる小型化を可能とし、前気室の共鳴周波数より低周波の音を減衰させることなく効果的に発生させることができる電気音響変換器を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の第１実施形態は、電極間に交番信号を印加することにより屈曲振動する圧電振動板と、上記圧電振動板を収納し、上記圧電振動板によって内部空間が前気室と後気室とに区画されたケースと、上記ケースの前気室と外部とを連通する放音孔と、上記ケースの後気室と外部とを連通する開放孔と、を備えた圧電音響部品を回路基板に表面実装してなる電気音響変換器において、上記放音孔は上記回路基板と対面しないケースの面に形成され、上記開放孔は上記回路基板と対面するケースの面に形成され、上記開放孔と対応する回路基板の部位に貫通孔が形成され、上記圧電音響部品を回路基板に表面実装した状態で、上記開放孔を設けたケースの面は回路基板に実質的に密着しており、上記圧電振動板の共振周波数ｆ₁ は上記前気室の共鳴周波数ｆ₀ より低く設定され、上記圧電振動板を共振周波数ｆ₁ 近傍の周波数で作動させることを特徴とする電気音響変換器を提供する。

本発明の第２実施形態は、電極間に交番信号を印加することにより屈曲振動する圧電振動板と、上記圧電振動板を収納し、上記圧電振動板によって内部空間が前気室と後気室とに区画されたケースと、上記ケースの前気室と外部とを連通する放音孔と、上記ケースの後気室と外部とを連通する開放孔と、を備えた圧電音響部品を回路基板に表面実装してなる電気音響変換器において、上記放音孔は上記回路基板と対面するケースの面に形成され、上記開放孔は上記回路基板と対面しないケースの面に形成され、上記放音孔と対応する回路基板の部位に貫通孔が形成され、上記圧電音響部品を回路基板に表面実装した状態で、上記放音孔を設けたケースの面は回路基板に実質的に密着しており、上記圧電振動板の共振周波数ｆ₁ は上記前気室の共鳴周波数ｆ₀ より低く設定され、上記圧電振動板を共振周波数ｆ₁ 近傍の周波数で作動させることを特徴とする電気音響変換器を提供する。

本発明では、放音孔と開放孔とを回路基板の同一面側に開口させるのではなく、異なる面に開口させ、しかも前気室の共鳴周波数より低い周波数で圧電振動板を駆動している。従来の場合には、圧電振動板を前気室の共鳴周波数以下の周波数で駆動すると、放音孔から発生する音と開放孔から発生する音とが互いに逆位相となるため、両者の音が打ち消しあって音を減衰させるという問題がある。これに対し、本発明では、放音孔と開放孔とが回路基板の異なる面に開口しているため、回路基板が遮音壁の役割を果たし、干渉現象を防止できる。その結果、放音孔単体の音圧特性を得ることができる。放音孔単体の音圧特性は、振動板の共振周波数付近で最大の音圧を得ることができる。この音圧は放音孔と開放孔とを回路基板の同一面側に開口させた場合の総合音圧よりも優れており、しかも前気室の共鳴周波数より低周波であるため、電子機器の動作音などとして好適な音を発生できる。さらに、前気室の共鳴周波数より低周波でかつ大きな音圧を発生させることができるので、圧電音響部品のさらなる小型化が可能になる。開放孔は対向する回路基板の貫通孔を介して開放されているので、圧電音響部品の近傍に別の部品が表面実装されていても、その部品によって開放孔の性能が影響を受けない。そのため、圧電音響部品の実際の音圧性能として公称性能に近い性能を得ることができる。

本発明では、圧電振動板の共振周波数ｆ₁ が前気室の共鳴周波数より低く設定され、圧電振動板を共振周波数ｆ₁ 近傍の周波数で作動させる。前気室の共鳴周波数は、上述のように前気室の面積と高さ、放音孔の面積と長さによって設定される。前気室の共鳴周波数は、一般に人間の耳に聞こえやすい４ｋＨｚ付近に設定されるが、これより低い共鳴周波数とするには、前気室の容積つまりケースを大きくする必要が生じ、圧電音響部品の小型化を損なう。これに対し、圧電振動板の共振周波数ｆ₁ はその大きさと厚みなどによって設定されるが、共鳴周波数より低くすること（例えば２〜３ｋＨｚ付近）は、小型化を損なわずに実現できる。したがって、圧電振動板を共振周波数ｆ₁ 近傍の周波数で作動させれば、本発明の作用効果を達成することができる。

本発明では、圧電振動板を共振周波数ｆ₁ 近傍の周波数で作動させるが、好ましくは次式で規定される周波数ｆ_d で作動させるのがよい。
０．９ｆ₁ ≦ｆ_d ≦１．１ｆ₁
圧電振動板はその共振周波数ｆ₁ の近傍では大きな音圧を得ることができるが、それから外れると、音圧が大きく低下する。共振周波数ｆ₁ の０．９倍〜１．１倍の範囲であれば、最大音圧付近の音圧を得ることができる。

本発明の第１実施形態では、開放孔を回路基板と対面するケースの面に形成し、開放孔と対応する回路基板の部位に貫通孔を形成し、圧電音響部品を回路基板に表面実装した状態で、放音孔を設けたケースの面を回路基板に実質的に密着させたが、第２実施形態では、放音孔を回路基板と対面するケースの面に形成し、放音孔と対応する回路基板の部位に貫通孔を形成し、圧電音響部品を回路基板に表面実装した状態で、放音孔を設けたケースの面を回路基板に実質的に密着させてある。この場合も、第１実施形態と同様に、放音孔から放出される音と開放孔から放出される音とが回路基板によって遮蔽されるので、両者の音の干渉現象を防止でき、放音孔単体の音圧特性を得ることができる。

本発明の第１実施形態によれば、圧電音響部品を回路基板に表面実装した電気音響変換器において、放音孔を回路基板と対面しないケースの面に形成し、開放孔を回路基板と対面するケースの面に形成し、開放孔と回路基板の貫通孔とを対応させたので、放音孔から発生する音と開放孔から発生する音との干渉現象を確実に防止できる。そのため、放音孔単体の音圧特性を得ることができる。圧電振動板を前気室の共鳴周波数より低い圧電振動板の共振周波数付近で作動させると、その放音孔単体の音圧特性は放音孔と開放孔とを同一面に開口させた場合の総合音圧よりも優れており、低周波で音圧特性の優れた電気音響変換器を得ることができる。また、圧電音響部品を小型化しても、放音孔から発生する音が開放孔から発生する音により減衰せず、しかも圧電振動板から大きな音圧が得られるので、圧電音響部品のさらなる小型化が可能となる。

本発明の第２実施形態によれば、放音孔を回路基板と対面するケースの面に形成し、放音孔と対応する回路基板の部位に貫通孔を形成し、圧電音響部品を回路基板に表面実装した状態で、放音孔を設けたケースの面を回路基板に実質的に密着させたので、第１実施形態と同様に、放音孔から放出される音と開放孔から放出される音との干渉現象を回路基板によって防止でき、放音孔単体の音圧特性を得ることができる。

以下に、本発明の好ましい実施の形態を、実施例に基づいて説明する。

図１，図２は本発明の第１の実施形態である電気音響変換器を示す。この電気音響変換器は、回路基板１０と、その上に表面実装された圧電音響部品２０とで構成されている。この圧電音響部品２０は、ブザーやサウンダなどのように単一周波数の音を発生させる用途に適したものであり、その構造は公知の圧電音響部品とほぼ同様である。すなわち、直方体形状のケース２１と、このケース２１の内部に収容された圧電振動板３０とを含み、ケース２１は凹型のケース本体２２と平板状のカバー２３とで構成されている。圧電振動板３０としては、金属板に圧電体を貼り付けた構造でもよいし、圧電体のみで構成したものでもよく、交番電圧（交流電圧または矩形波電圧）を印加することにより屈曲振動し、音波を発生するものであればよい。ケース本体２２の対向する２辺の底部には外部接続端子２４，２５が設けられ、ケース本体２２の内部に設けられた段部上には圧電振動板３０が載置され、図示しない封止材によって封止固定されている。圧電振動板３０の各電極はそれぞれ公知の方法で外部接続端子２４，２５と接続されている。圧電振動板３０によってケース２１の内部は前気室２６と後気室２７とに仕切られ、ケース２１の側壁上縁部には前気室２６と外部とを連通する放音孔２８が形成され、ケース２１の底面（実装面）には後気室２７と外部とを連通する開放孔２９が形成されている。この実施例では放音孔２８をケース本体２２とカバー２３との境界部、つまりケース２１の側壁に形成したが、カバー２３（ケース２１の天面）に形成してもよいことは勿論である。

回路基板１０には、圧電音響部品２０の外部接続端子２４，２５と対応したパッド電極１１，１２が設けられており、これらパッド電極１１，１２の間の領域には、開放孔２９と対応した貫通孔１３が設けられている。この貫通孔１３は開放孔２９の口径より大きな口径を有し、圧電音響部品２０を表面実装する際に多少の位置ずれがあっても、開放孔２９が貫通孔１３の範囲内に入るように設計されている。パッド電極１１，１２と外部接続端子２４，２５とがそれぞれはんだ１４によって接続され、圧電音響部品２０は回路基板１０に表面実装されている。その結果、圧電音響部品２０の底面は回路基板１０の上面に実質的に密着し、開放孔２９から放出された音が回路基板１０の上面側に漏れるのを防止している。

上記のように放音孔２８からの音は回路基板１０の上面側に放出され、開放孔２９からの音は貫通孔１３を介して回路基板１０の下面側に放出されるので、両者の音は互いに干渉せず、個別の音圧特性を得ることができる。特に、圧電振動板３０をその共振周波数（基本周波数）で駆動した場合、後述するように放音孔単体の音圧特性は、放音孔と開放孔とを合わせた総合特性より音圧が高くなるので、音圧性能が向上するという利点がある。しかも、圧電振動板３０の共振周波数は前気室の共鳴周波数より低くできるので、従来のような前気室の共鳴周波数を用いた電気音響変換器より低周波化できる。また、音圧性能が実装環境の影響を受けにくいので、実装状態で公称性能に近い性能を得ることが可能になる。

圧電音響部品２０の小型化が進むと、回路基板１０に逆向きで実装してしまうトラブルが発生することがある。上記実施例では、放音孔２８を直方体形状のケース２１の一辺の側壁上端部に形成し、開放孔２９を放音孔２８を設けた側壁と対向する側壁寄りで、かつ底壁の中心部から一方に偏った位置に形成してある。そして、外部接続端子２４，２５を放音孔２８を設けた側壁と直交する側壁の中央位置に形成してある。そのため、回路基板１０に逆向きに実装した場合には、貫通孔１３と開放孔２９とが対応しないので、実装ミスを簡単に判別できる。このように圧電音響部品２０に方向性を持たせることで、放音孔２８を回路基板１０の一定方向に開口させることができ、所望の音圧性能を常に得ることができる。また、放音孔２８がケース２１の側壁部に形成されている、換言すればケース２１の天面に放音孔２８が形成されていないので、圧電音響部品２０をピックアップして実装する際、吸着パッドがケース２１の天面を確実に吸着でき、吸引負圧が振動板に作用して振動板を破損するという不具合を防止できる。

ここで、本発明の効果を確認するために、図３に示すような圧電音響部品２０’を用いて音圧特性を測定した。この圧電音響部品２０’は、開放孔２９’の位置および形状が図１，図２に示す圧電音響部品２０と異なるだけで、その他の構造は同一であるため、重複説明を省略する。開放孔２９’は、放音孔２８を設けた側壁と対向する側壁の底辺に沿って、底面側と側面側との２方向に開口した矩形状の孔である。

図４は上記圧電音響部品２０’を回路基板１０に表面実装し、その音圧特性をマイクロホン４０を用いて測定した幾つかの例を示す。ここで、圧電音響部品２０’の大きさは１２ｍｍ×１２ｍｍ×３ｍｍであり、回路基板１０の大きさは１００ｍｍ×１００ｍｍであり、圧電音響部品２０’を回路基板１０の中央部に表面実装した。マイクロホン４０は回路基板１０から１００ｍｍ離れた位置に配置した。

図４の（ａ）は放音孔２８および開放孔２９’の両方からの音（総合特性）を回路基板１０の表面側に配置されたマイクロホン４０で測定したものであり、回路基板１０には貫通孔が設けられていない。図４の（ｂ）は開放孔２９’と対向する回路基板１０の位置に貫通孔１３を設け、放音孔２８からの音（放音孔特性）だけを回路基板１０の表面側に配置されたマイクロホン４０で測定したものである。なお、開放孔２９’の側面は封止物４１で封止されており、開放孔２９’らの音は回路基板１０の裏面側にのみ放出される。図４の（ｃ）は、図４の（ｂ）とは逆に、マイクロホン４０を回路基板１０の裏面側に配置し、開放孔２９’からの音（開放孔特性）だけをマイクロホン４０で測定したものである。

図５は、図４の（ａ）〜（ｃ）における測定結果を周波数−音圧特性図に表したものである。図５の太実線は総合特性、図５の細線は放音孔特性、図５の一点鎖線は開放孔特性を示す。図５から明らかなように、前気室の共鳴周波数ｆ₀ （約４．４ｋＨｚ）では、３つの音圧特性が共に比較的高い音圧レベル（約７９ｄＢ）を得ることができるが、ブザーとして一般に要求される８０ｄＢには達していない。一方、前気室の共鳴周波数ｆ₀ より低周波側では、開放孔特性が大きく低下しており、総合特性も干渉現象によって低下しているのに対し、放音孔特性は総合特性より高い音圧レベルを維持している。特に振動板の共振周波数ｆ₁ （約２．７ｋＨｚ）付近では、放音孔特性は前気室の共鳴周波数ｆ₀ での音圧レベルより高い最大音圧レベル（約８３ｄＢ）が得られている。なお、印加電圧の周波数ｆ_d が０．９ｆ₁ ≦ｆ_d ≦１．１ｆ₁ （但し、ｆ₁ は振動板の共振周波数）の範囲であれば、放音孔特性は８０ｄＢ以上の大きな音圧が得られており、ブザーとして望ましい音圧レベルである。このように放音孔特性を用い、かつ振動板をその共振周波数ｆ₁ 近傍で駆動すると、前気室の共鳴周波数ｆ₀ より低周波で、高い音圧が得られることが実証された。

図６は本発明の第２実施例を示す。第１実施例と同一部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この実施例では、圧電音響部品２０をその放音孔２８を設けたケース２１の面を回路基板１０に向けて表面実装したものである。具体的には、放音孔２８を回路基板１０と対面するケース２１の面に形成し、開放孔２９を回路基板１０と対面しないケース２１の面に形成してある。放音孔２８と対応する回路基板１０の部位に貫通孔１３が形成され、圧電音響部品２０を回路基板１０に表面実装した状態で、放音孔２８を設けたケース２１の面は回路基板１０に実質的に密着している。なお、貫通孔１３は放音孔２８より開口面積の大きな孔とするのがよい。

この実施例の場合も、第１実施例と同様に、圧電振動板の共振周波数ｆ₁ を前気室の共鳴周波数ｆ₀ より低く設定し、圧電振動板をその共振周波数ｆ₁ 近傍の周波数で作動させる。放音孔２８と開放孔２９とが回路基板１０の異なる面に開口しているため、回路基板１０が遮音壁の役割を果たし、両孔２８，２９からの音の干渉現象を防止できる。

本発明は上記実施例に限定されるものではない。上記実施例では、圧電音響部品のケースを直方体形状としたが、円筒形状としてもよい。また、第１実施例では放音孔をケースの側壁に開口させたが、回路基板と対面しないケースの面であればよく、例えば天面（カバー）に設けてもよい。第２実施例では、開放孔をケースのコーナ部に設けたが、回路基板と対面しないケースの面であれば、どの面に形成してもよい。

本発明に係る圧電音響部品の第１実施例の斜視図および底面図である。 図１に示す圧電音響部品を回路基板に表面実装した状態の断面図である。 実験に用いた圧電音響部品の斜視図および底面図である。 図３に示す圧電音響部品を回路基板に表面実装し、圧電音響部品からの音を測定する幾つかの例を示す。 図４に示す方法で測定した音圧特性図である。 本発明に係る電気音響変換器の第２実施例の断面図である。 従来の圧電音響部品の斜視図である。 図７に示す圧電音響部品の断面図である。 図７に示す圧電音響部品を回路基板に実装して鳴動させた時の音波の伝播図である。

符号の説明

１０ 回路基板
１１，１２ 電極パッド
１３ 貫通孔
２０ 圧電音響部品
２１ ケース
２４，２５ 外部接続端子
２６ 前気室
２７ 後気室
２８ 放音孔
２９ 開放孔

Claims (2)

1. 電極間に交番信号を印加することにより屈曲振動する圧電振動板と、上記圧電振動板を収納し、上記圧電振動板によって内部空間が前気室と後気室とに区画されたケースと、上記ケースの前気室と外部とを連通する放音孔と、上記ケースの後気室と外部とを連通する開放孔と、を備えた圧電音響部品を回路基板に表面実装してなる電気音響変換器において、
   上記放音孔は上記回路基板と対面しないケースの面に形成され、
   上記開放孔は上記回路基板と対面するケースの面に形成され、
   上記開放孔と対応する回路基板の部位に貫通孔が形成され、
   上記圧電音響部品を回路基板に表面実装した状態で、上記開放孔を設けたケースの面は回路基板に実質的に密着しており、
   上記圧電振動板の共振周波数ｆ₁ は上記前気室の共鳴周波数ｆ₀ より低く設定され、上記圧電振動板を共振周波数ｆ₁ 近傍の周波数で作動させることを特徴とする電気音響変換器。
2. 電極間に交番信号を印加することにより屈曲振動する圧電振動板と、上記圧電振動板を収納し、上記圧電振動板によって内部空間が前気室と後気室とに区画されたケースと、上記ケースの前気室と外部とを連通する放音孔と、上記ケースの後気室と外部とを連通する開放孔と、を備えた圧電音響部品を回路基板に表面実装してなる電気音響変換器において、
   上記放音孔は上記回路基板と対面するケースの面に形成され、
   上記開放孔は上記回路基板と対面しないケースの面に形成され、
   上記放音孔と対応する回路基板の部位に貫通孔が形成され、
   上記圧電音響部品を回路基板に表面実装した状態で、上記放音孔を設けたケースの面は回路基板に実質的に密着しており、
   上記圧電振動板の共振周波数ｆ₁ は上記前気室の共鳴周波数ｆ₀ より低く設定され、上記圧電振動板を共振周波数ｆ₁ 近傍の周波数で作動させることを特徴とする電気音響変換器。

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