JP2014160915A - 圧電型電気音響変換器及びそれを用いた電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】動電型電気音響変換器の代替となる、小型で高音質な再生ができる圧電型電気音響変換器を提供するための画期的な技術が要求されている。
【解決手段】圧電型電気音響変換器は、複数の圧電素子と、前記複数の圧電素子の電歪作用に伴って振動する振動板と、前記振動板を支持するフレームと、前記複数の圧電素子の一端と、前記振動板の縁部との間を直接又は間接的にそれぞれ連結する複数の連結部材と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電型電気音響変換器及びそれを用いた電子機器に関する。

携帯電話等の電子機器の音響部品として、動電型電気音響変換器が利用されている。この動電型電気音響変換器は、永久磁石とボイスコイルと振動膜から構成されている。その動作原理は、磁石を用いたステータの磁気回路の作用によりボイスコイルに固定された有機フィルム等の振動膜が振動し、音波を発生させるものである。

ところで、近年、携帯電話機やラップトップ型パーソナルコンピュータのような携帯端末の需要が増加しているため、電気音響変換器の小型化への要求が高まりつつある。電気音響変換器の音響性能において、重要な示強量である音圧レベルは、振動膜の空気に対する体積排除によって決定される。従って、電気音響変換器を小型化する場合、振動膜の放射面面積が減少するため、音圧レベルが低下する問題がある。

音圧レベルを向上する手段として、磁気回路の発生力を高め、振動膜の振幅を増加させる方法がある。しかしながら、この手段においては磁束密度の増加や駆動電流の増加が必要とされ、永久磁石の体積増加やボイスコイルの太線化により、磁気回路の厚みが増加するという問題がある。さらに、電流量増大に伴う消費電力の増加などの問題もある。

一方、小型で薄型の電気音響変換器を実現する手段として、圧電セラミックスによる圧電効果を利用した圧電型電気音響変換器がある。この圧電方式は、セラミックス素材の圧電効果を利用して、電気信号の入力による電歪作用により、振動振幅を発生させるものである。圧電型電気音響変換器では、上下層を電極材料で拘束されたセラミックス自体が振動し、これが駆動源として機能するため、磁石やボイスコイルなどの多数の部材から構成される磁気回路を備える動電型電気音響変換器に比べて、部材点数が少なくなり、薄型化に関して優位である。

特許文献１には、複数の圧電素子が振動板の辺部又は中央部に配置されると共に、複数の圧電素子がそれらの主面全体で振動板に接合されたスピーカが開示されている。

特公昭５８−５６３１９号公報（第１図（ａ）参照）

以下の分析は、本発明によって与えられたものである。

圧電型電気音響変換器は、内部損失が低いセラミックス材料を振動源とするため、有機フィルムを通して振幅を発生させる動電型電気音響変換器に比べ、機械品質係数Ｑが高い傾向にある。例えば、動電型は３〜５程度に対して、圧電型では約５０程度となる。機械品質係数Ｑは共振時に先鋭度を示すため、要約すれば、圧電型電気音響変換器では、基本共振周波数近傍では音圧が高く、それ以外の帯域では音圧が減衰することを意味する。すなわち、音圧レベル周波数特性において、音響特性の山谷が発生し、特定周波数の音が強調されたたり、消失されたりして、音楽再生などに十分な音質が得られない問題点を持つ。また、脆性材料であるセラミックスを用いるため、落下時の衝撃安定性が弱く、携帯電話などの小型電子機器に搭載した場合の信頼性確保に問題がある。

また、特許文献１のスピーカにおいては、複数の圧電素子がいずれも、振動板の辺部又は中央部に配置されていること、複数の圧電素子の主面全体が振動板に接合していることによって、振動板の振幅が小さく、音圧が小さくなるという問題がある。

このため、動電型電気音響変換器の代替となる、小型で高音質な再生ができる圧電型電気音響変換器を提供するための画期的な技術が要求されている。

第１の視点の圧電型電気音響変換器は、複数の圧電素子と、前記複数の圧電素子の電歪作用に伴って振動する振動板と、前記振動板を支持するフレームと、前記複数の圧電素子の一端と前記振動板の縁部との間を直接又は間接的にそれぞれ連結する複数の連結部材と、を備えている。

第２の視点の電子機器は、第１の視点の圧電型電気音響変換器をスピーカとして用いる。

第１の視点は、動電型電気音響変換器の代替となる、小型で高音質な再生ができる圧電型電気音響変換器の提供に貢献し、第２の視点は、小型で高音質な再生ができる電子機器の提供に貢献する。

実施形態１に係る圧電型電気音響変換器の分解図である。 実施形態２に係る圧電型電気音響変換器の断面図である。 比較例に係る圧電型電気音響変換器の断面図である。 実施形態１の圧電型電気音響変換器と、比較例に係る圧電型電気音響変換器の音圧レベルの周波数特性をそれぞれ示すグラフである。

好ましくは、圧電素子は、振動板に対して片持ちされる。

好ましくは、複数の圧電素子は、振動板の縁部に沿って配列される。

好ましくは、振動板は複数の隅部を有し、各圧電素子は連結部材を介して隅部に連結される。

好ましくは、複数の圧電素子の振動板に対する接合部（一端）は、振動板の中心に対して対称に配置される乃至対角上に配置される。

好ましくは、圧電素子の他端は、支持体を少なくとも介してフレームに連結される。

好ましくは、圧電素子の主面を拘束する金属板とさらに連結部材を介して、圧電素子と振動板の縁部が連結される。

好ましくは、振動板は、金属製の第１の振動板と樹脂製の第２の振動板を含み、さらに好ましくは、第１の振動板は複数の連結部材に連結され、第２の振動板は一つの連結部材とフレームの間に連結される。

本発明の一実施形態の概要について、図面を参照して説明する。なお、この概要に付記した図面参照符号は、理解を助けるための一例として各要素に便宜上付記したものであり、本発明を図示の態様に限定することを意図するものではない。

図１を参照すると、圧電型電気音響変換器１は、複数の圧電素子（アクチュエータ）２と、複数の圧電素子２の電歪作用に伴って振動する振動板３と、振動板３を支持するフレーム４と、複数の圧電素子２の一端と、振動板３の縁部（３ａ−３ａ−３ａ−３ａ）、好ましくは複数の隅部３ａとの間を直接又は間接的にそれぞれ連結する複数の連結部材５と、を備えている。

複数の圧電素子２は、振動変位が大きいないし最大である端部が、振動板３の縁部（３ａ−３ａ−３ａ−３ａ）、好ましくは複数の隅部３ａにそれぞれ片持ち状に接合されているため、振動板３は面全体が大きく振動する。さらに、振動板３においては、圧電素子２に特有の屈曲振動が減衰ないし相殺され、振動板３の法線方向の振動であるピストン振動が促進される。これらの作用によって、圧電型電気音響変換器１を小型化しても、振動板３の振幅を十分に大きくすることができ、大音圧な再生が可能となる。

また、連結部材５の最適化などにより、音質も改善することができる。例えば、連結部材５を樹脂材料から形成した場合には、圧電素子２の基本共振周波数を低減でき、低域音圧の拡大が可能となる。一方、連結部材５を金属材料から形成した場合には、振動伝播効率が高まり所望の周波数での変位を拡大させることができる。

圧電型電気音響変換器１は、圧電素子２が振動板３に片持ちされていることによって、落下時の衝撃を吸収する構造を有しているため、携帯用の電子機器、例えば、携帯電話のスピーカとして好適である。

よって、圧電型電気音響変換器１は、小型かつ薄型で、大音圧で高音質な再生が可能な電子機器用の音響デバイスとして、高い工業的価値を有している。

実施形態の圧電型電気音響変換器は、携帯端末などの携帯電子機器全般に好適に適用され、例えば、携帯電話、スマートフォン、ゲーム機、タブレットＰＣ(Personal Computer)、ノートＰＣ、ＰＤＡ(Personal Data Assistants：携帯情報端末)、デジタルカメラ等に好適に適用される。

振動板が矩形状の場合、複数の圧電素子は、振動板の縁部ないし外周に沿って矩形状に配列される。振動板が円形又は環状の場合、複数の圧電素子は、振動板の縁部ないし外周に沿って円周状に配列される。

振動板は、矩形状、例えば四角形、場合によっては三角形、或いは五角形以上の多角形に形成され、それらの隅部に振動素子がそれぞれ連結されることが好ましい。

圧電素子は、セラミックスと一対の電極から構成することができる。圧電素子には、種々のタイプの圧電素子を用いることができ、例えば、二個の圧電素子が金属材に拘束された構造、すなわち、いわゆるバイモルフ構造の圧電素子を用いることができる。圧電素子の圧電セラミックスとしては、ＰＺＴ（ジルコン酸チタン鉛）などを用いることができる。

振動板ないし連結部材は、金属や樹脂などの様々な材料から形成することができる。金属材料としては、例えば、リン青銅、ステンレス、マグネシウム、アルミニウム、チタン又はベリリウム、或いはこれらの合金などが例示される。樹脂材料としては、ウレタン系、ポリプロピレン系、ポリエチレン系、ポリスチレン系又はポリアミド系などが例示される。

続いて、本発明の一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以降の記述において、多くの具体的事項は、説明のため、本発明の理解を助けるためになされたものである。

実施形態１

図１は、実施形態１に係る圧電型電気音響変換器の分解図である。図１を参照すると、圧電型電気音響変換器１は、四個の圧電素子２と、四つの隅部３ａを有する四角状の振動板３と、振動板３を支持するフレーム４と、四個の圧電素子２の一端と四つの隅部３ａとの間をそれぞれ連結する四つの連結部材５と、を備えている。

詳細には、各圧電素子２の振動変位が最大となる一端が連結部材５を介して隅部３ａに接続され、同圧電素子２の他端は支持体６を介してフレーム４に連結されている。図示の形態において、各圧電素子２は、振動板３の縁部（３ａ−３ａ−３ａ−３ａ）に沿って延在している。また、フレーム４は平板状であり、複数の支持体６はフレーム４の一面上に接合されている。なお、支持体６は、金属や樹脂などの様々な材料から形成することができ、弾性的に形成することが好ましい。

四個の圧電素子２は、振動板３の四個の隅部３ａに片持ち状にそれぞれ接合されているため、振動板３の振幅は拡大され、振動板３の面全体が大きく振動する。また、振動板３は、大きくピストン振動することができる。また、二組の圧電素子２，２の振動板３に対する接合部（一端）は、振動板３の中心に対して対称に配置され、換言すると、振動板３の対角上に配置されている。したがって、四つの連結部材５は、振動板３の中心に対して等距離に配置されている。

なお、圧電型電気音響変換器１を電子機器に搭載する場合、フレーム４を電子機器のフレームに取り付けてもよく、圧電型電気音響変換器１のフレーム４と電子機器のフレームを一体化してもよい。

実施形態２

図２は、実施形態２に係る圧電型電気音響変換器の断面図である。なお、本実施形態２においては、主として前記実施形態１との相違点について説明し、両実施形態の共通点については適宜前記実施形態１の記載を参照するものとする。

本実施形態２の圧電型電気音響変換器１１も、前記実施形態１の圧電型電気音響変換器１と同様に、振動板３に片持ち支持された四個の圧電素子２を備えているが、これについては、前記実施形態１で既に説明したため、本実施形態２においては、特に、振動板の構成に関して詳細に説明する。

図２を参照すると、圧電素子２は、圧電セラミックス２ａと、それを挟む一対の電極２ｂ，２ｃとを有している。なお、圧電素子２として、二個の圧電セラミックスないし圧電素子が金属材に拘束されたような構造を有する、いわゆるバイモルフ型の圧電素子を用いることもできる。圧電素子２の表側（電極２ｂ側）の主面には、この主面を拘束する金属板７が接合されている。圧電素子２は、この金属板７および上述した連結部材５を介して、図１に示した隅部３ａに連結される。

振動板３は、金属製の第１の振動板３ｂと樹脂製の第２の振動板３ｃを含んでいる。第１の振動板３ｂは、複数の連結部材５、すなわち、異なる圧電素子２用の二個の連結部材５，５の間を連結している。第２の振動板３ｃは、一つの連結部材５とフレーム４の間を連結している。図示の形態において、フレーム４は有底枠状であり、フレーム４の枠端面に第２の振動板３ｃの一端が接着剤等によって接合されている。

このように、振動板３を樹脂材料と金属材料から形成し、特に、振動板３の端部すなわち振動をフレーム４に伝播する部分を樹脂製の第２の振動板３ｃから形成し、振動板３の中央部を金属製の第１の振動板３ｂから形成することによって、上述したピストン運動が促進されると共に、落下時の衝撃も一層緩和される。

次に、図１に示した実施形態１ないし実施例の圧電型電気音響変換器と、図３に示す比較例に係る圧電型電気音響変換器の音圧レベルの周波数特性を検証した。なお、振動板３にはリン青銅、連結部材５にはウレタンゴム、圧電素子２の圧電セラミックスにはＰＺＴ（ジルコン酸チタン鉛）を用いた。

図３を参照すると、比較例の圧電型電気音響変換器３１は、圧電セラミックス３２ａとそれを挟む一対の電極３２ｂ，３２ｃから構成される圧電素子３２と、圧電素子３２の一方の主面全体が接合されて、圧電素子３２とフレーム３４の内壁の間に連結された金属製振動板３３と、を有している。金属製振動板３３は、一面全体が圧電素子３２の一方の主面全体に接合してそれを拘束している。

図４は、実施形態１の圧電型電気音響変換器と、比較例に係る圧電型電気音響変換器の音圧レベルの周波数特性をそれぞれ示すグラフである。図４を参照すると、実施形態１の方が、全体的に音圧レベルが高く、尖鋭なピークがないことが分かる。よって、実施形態１の圧電型電気音響変換器によって、音響特性の山谷が小さく、特定周波数の音が強調されすぎたりすることなく、大音圧で高音質な再生が可能であることが分かる。

以上、本発明の一実施形態等を説明したが、本発明は、上記した一実施形態等に限定されるものではなく、本発明の基本的技術的思想を逸脱しない範囲で、更なる変形、置換又は調整を加えることができる。

なお、上記の特許文献の開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示（請求の範囲を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素（各請求項の各要素、各実施形態ないし実施例の各要素、各図面の各要素等を含む）の多様な組み合わせ、ないし選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。

１，１１ 圧電型電気音響変換器
２ 圧電素子（圧電アクチュエータ）
２ａ 圧電セラミックス
２ｂ，２ｃ 電極
３ 振動板
３ａ 隅部
３ａ―３ａ−３ａ−３ａ 縁部
３ｂ 金属製の第１の振動板
３ｃ 樹脂製の第２の振動板
４ フレーム
５ 連結部材
６ 支持体
７ 金属板

Claims (10)

1. 複数の圧電素子と、
   前記複数の圧電素子の電歪作用に伴って振動する振動板と、
   前記振動板を支持するフレームと、
   前記複数の圧電素子の一端と、前記振動板の縁部との間を直接又は間接的にそれぞれ連結する複数の連結部材と、
   を備える、ことを特徴とする圧電型電気音響変換器。
2. 前記圧電素子は、前記振動板に対して片持ちされていることを特徴とする請求項１記載の圧電型電気音響変換器。
3. 前記複数の圧電素子は、前記振動板の縁部に沿って配列されていることを特徴とする請求項１又は２記載の圧電型電気音響変換器。
4. 前記振動板は複数の隅部を有し、
   前記複数の圧電素子は、少なくとも前記複数の連結部材をそれぞれ介して、前記複数の隅部にそれぞれ連結される、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか記載の圧電型電気音響変換器。
5. 前記複数の圧電素子の前記振動板に対する接合部は、前記振動板の中心に対して対称に配置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか記載の圧電型電気音響変換器。
6. 前記複数の圧電素子の他端は、複数の支持体を少なくともそれぞれ介して前記フレームにそれぞれ連結される、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか記載の圧電型電気音響変換器。
7. 前記圧電素子の主面をそれぞれ拘束する複数の金属板を有し、
   前記複数の金属板および前記連結部材をそれぞれ介して、前記複数の圧電素子と前記縁部が連結されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか記載の圧電型電気音響変換器。
8. 前記振動板は、金属製の第１の振動板と樹脂製の第２の振動板を含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれか記載の圧電型電気音響変換器。
9. 前記第１の振動板は、複数の前記連結部材に連結され、
   前記第２の振動板は、一つの前記連結部材と前記フレームの間に連結される、
   ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか記載の圧電型電気音響変換器。
10. 請求項１〜９のいずれか記載の圧電型電気音響変換器をスピーカとして用いることを特徴とする電子機器。

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