JP2004007400A - 圧電型電気音響変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化と低周波化とを両立でき、変位量が大きく、かつ広帯域音声の再生が可能な圧電型電気音響変換器を提供する。
【解決手段】複数の圧電セラミックス層が内部電極４を間にして積層され、表裏主面に主面電極２，３が形成され、主面電極と内部電極との間に交流信号を印加することにより面積屈曲振動を発生する圧電振動板１と、圧電振動板１より大形に形成され、表面の略中央部に圧電振動板が貼り付けられた樹脂フィルム１０と、圧電振動板１および樹脂フィルム１０を収納する筐体２０，３０とを備える。圧電振動板１の面積は樹脂フィルム１０の面積の４０〜７０％である。筐体２０の内周部には圧電振動板より大形な支持部２０ｆが設けられ、樹脂フィルム１０の圧電振動板が貼り付けられていない外周部が筐体の支持部２０ｆに支持される。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧電レシーバ、圧電サウンダ、圧電スピーカなどの圧電型電気音響変換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開２００２−１０３９３号公報
【特許文献２】特開平４−１３２４９７号公報
従来、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圧電サウンダあるいは圧電レシーバとして電気音響変換器が広く用いられている。
従来の電気音響変換器は、金属板の片面または両面に圧電板を貼り付けて振動板を構成し、金属板の周縁部をケースの中に接着固定するとともに、ケースの開口部をカバーで閉鎖した構造のものが一般的である。
しかしながら、この種の振動板は、拡がり振動する圧電板を面積変化しない金属板で拘束することで、面積屈曲振動を発生させるものであるため、音響変換効率が低く、しかも小型で共振周波数の低い音圧特性を持たせることは困難であった。
【０００３】
そこで、本出願人は、音響変換効率がよい圧電振動板を提案した（特許文献１）。この圧電振動板は、２層または３層の圧電セラミックス層を積層して積層体を形成するとともに、この積層体の表裏主面に主面電極を形成し、各セラミックス層の間に内部電極を形成する。積層体の側面に主面電極を相互に接続する側面電極と、内部電極と導通する側面電極とを形成する。セラミックス層は厚み方向において同一方向に分極されており、主面電極と内部電極との間に交流信号を印加することで、積層体を面積屈曲振動させ、音を発生させるものである。
この構造の圧電振動板は、セラミックスの積層構造体であり、厚み方向に順に配置された２つの振動領域（セラミックス層）が相互に逆方向に振動するので、圧電板を金属板に貼り付けた振動板に比べて大きな変位量、つまり大きな音圧を得ることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように音響変換効率に優れた圧電振動板であっても、この振動板をケース等に支持する際、その周囲を隙間なく接着封止しなければならないので、共振周波数が高くなるという問題がある。例えば、１０ｍｍ×１０ｍｍの大きさの圧電振動板の対向する２辺をケースに接着固定し、他の２辺を変位自在に弾性封止した場合には、共振周波数は１２００Ｈｚ付近にあり、人間の音声帯域の下限である３００Ｈｚ付近では音圧が大幅に低下してしまう。
【０００５】
圧電レシーバの場合、人間の音声帯域である３００Ｈｚ〜３．４ｋＨｚにおいて、ほぼフラットな音圧特性を持つ広帯域音声の再生が可能な電気音響変換器が求められている。しかし、上記のような支持構造では、広帯域でほぼフラットな音圧特性が得られない。ケースおよび振動板の寸法を大きくすれば、低周波化が可能であるが、これでは電気音響変換器が大型化してしまう。
【０００６】
特許文献２には、周縁部を剛性枠により補強支持したシート部材の内面に導電性ペーストにより給電回路を形成し、この給電回路に圧電セラミック板もしくは圧電セラミック板を金属板に貼着した圧電振動板を接着した構造の平面スピーカが開示されている。この場合には、広帯域にわたってほぼ平坦な周波数特性を得ることができる。
振動板として圧電セラミック板を金属板に貼着したユニモルフ型圧電振動板を使用した場合には、振動板自体が屈曲振動するので、スピーカとして機能させることができるが、圧電セラミック板をシート部材に直接接着した場合には、圧電セラミック板は平面方向に伸縮するに過ぎないので、所望のスピーカ特性が得られるとは限らない。また、シート部材が振動板に比べて大き過ぎると、効率のよい音圧特性が得られなかったり、電気音響変換器が大型化するという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、小型化と低周波化とを両立でき、変位量が大きく、かつ広帯域音声の再生が可能な圧電型電気音響変換器を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、複数の圧電セラミックス層が内部電極を間にして積層され、表裏主面に主面電極が形成され、主面電極と内部電極との間に交流信号を印加することにより面積屈曲振動を発生する圧電振動板と、上記圧電振動板より大形に形成され、表面の略中央部に上記圧電振動板が貼り付けられた樹脂フィルムと、上記圧電振動板および樹脂フィルムを収納する筐体とを備え、上記圧電振動板の面積は樹脂フィルムの面積の４０〜７０％であり、上記筐体の内周部には圧電振動板より大きな枠形の支持部が設けられ、上記樹脂フィルムの圧電振動板が貼り付けられていない外周部が上記筐体の支持部に支持されていることを特徴とする圧電型電気音響変換器を提供する。
【０００９】
請求項４に係る発明は、圧電セラミックス層の表裏主面に主面電極が形成され、表裏の主面電極間に交流信号を印加することにより拡がり振動を発生する第１の圧電振動板と、表裏主面に主面電極が形成され、表裏の主面電極間に交流信号を印加することにより第１の圧電振動板と逆方向に拡がり振動を発生する第２の圧電振動板と、上記第１および第２の圧電振動板より大形に形成され、表裏面の略中央部に上記第１および第２の圧電振動板がそれぞれ貼り付けられた樹脂フィルムと、上記圧電振動板および樹脂フィルムを収納する筐体とを備え、上記第１および第２の圧電振動板の面積は樹脂フィルムの面積の４０〜７０％であり、上記筐体の内周部には圧電振動板より大きな枠形の支持部が設けられ、上記樹脂フィルムの圧電振動板が貼り付けられていない外周部が上記筐体の支持部に支持されていることを特徴とする圧電型電気音響変換器を提供する。
【００１０】
請求項１に係る発明では、面積屈曲振動を発生する圧電振動板の一面に、圧電振動板より大きな樹脂フィルムが貼り付けられている。このフィルムの外周部を筐体の支持部に支持することで、圧電振動板を強く拘束することなく取り付けることができ、従来のように圧電振動板の２辺あるいは４辺を筐体に支持した場合に比べて、圧電振動板が振動しやすくなる。そのため、従来と同一寸法の振動板でも共振周波数を低くすることが可能であり、しかも支持拘束力の低下により変位量を大きくすることができ、高い音圧を得ることができる。
また、基本共振から３次共振まで落ち込みのない音圧が得られ、広帯域音声の再生に対応できる。
振動板とシート部材との相対的な大きさ（面積比）は音圧特性と関連性があり、圧電振動板と樹脂フィルムとの面積比を変化させた場合、振動板の面積割合が４０〜７０％のときに音圧特性が良好であり、４０％未満および７０％を超えると、音圧が減少傾向になることを実験的に見いだした。そこで、本発明では、圧電振動板の面積割合を樹脂フィルムの４０〜７０％としている。
【００１１】
樹脂フィルムは、筐体と振動板との隙間を封止する封止剤としても機能する。従来のように振動板と筐体との間を封止する場合、封止剤のヤング率や塗布量が振動特性に大きく影響したが、本発明では振動板を筐体に直接接着しないので、封止剤のヤング率や塗布量が振動特性に大きく影響しない。そのため、封止剤の選定が容易になり、塗布量の制御も簡単である。
なお、樹脂フィルムは振動板の全面に貼り付けられてもよいが、周辺部のみに貼り付けられてもよい。この場合は、樹脂フィルムは枠形状となる。
【００１２】
請求項２のように、圧電振動板の主面電極と内部電極とを外部に引き出すための電極引き出し部が圧電振動板の対向する２辺の略中央部に設けられ、筐体に、一端部が筐体の内部のコーナ部近傍に露出した第１と第２の端子とが固定され、上記圧電振動板を貼り付けた樹脂フィルムを筐体の支持部に支持した状態で、上記電極引き出し部から樹脂フィルムのコーナ部近傍を経由して第１と第２の端子の一端部へ導電性接着剤を連続的に塗布することにより、圧電振動板の電極引き出し部と第１と第２の端子の一端部とを電気的に接続してもよい。
振動板を面積屈曲振動させるために、振動板の主面電極と内部電極との間に交流信号を印加する必要があるが、その配線手段として、圧電振動板の電極引き出し部から樹脂フィルム上を経由して端子に導電性接着剤によって接続することが考えられる。しかし、導電性接着剤の塗布位置および形状によっては振動板の変位を妨げる場合がある。本発明者が実験した結果、電極引き出し部を圧電振動板の対向する２辺の略中央部に設け、この電極引き出し部から樹脂フィルムのコーナ部近傍を経由して端子へ導電性接着剤を連続的に塗布すれば、振動板の変位を最も妨げず、共振周波数の低周波化や、音圧分割のない音圧特性が得られた。
導電性接着剤の塗布方法としては、ディスペンスや印刷法など公知の方法を用いることができる。
【００１３】
請求項３のように、上記圧電振動板の主面電極と内部電極とを外部に引き出すための電極引き出し部から樹脂フィルムの周縁部にかけて薄膜電極が連続して形成され、上記筐体に、一端部が筐体の内部に露出した第１と第２の端子とが固定され、上記第１と第２の端子の一端部と樹脂フィルムの周縁部に形成された薄膜電極とを導電性材料により電気的に接続してもよい。
本発明では、圧電振動板の樹脂フィルムに対する面積比が４０〜７０％であるため、圧電振動板の外周に所定幅の樹脂フィルムが存在し、導電性接着剤を用いて圧電振動板の電極引き出し部と筐体の端子とを接続した場合、硬化した導電性接着剤が樹脂フィルムの表面に所定長さで付着し、樹脂フィルムの変位を妨げる要因となる。
そこで、請求項３では、導電性接着剤に代えて薄膜電極を圧電振動板の電極引き出し部から樹脂フィルムの周縁部にかけて連続的に形成してある。この場合には、樹脂フィルム上に薄膜電極が載っているだけであるから、樹脂フィルムの変位を殆ど妨げず、良好な音圧特性が得られる。
樹脂フィルムの周縁部に設けた薄膜電極と端子との間を導電性接着剤などの導電性材料で接続すれば、端子を介して交流信号を圧電振動板に印加できる。樹脂フィルムの周縁部には導電性材料（導電ペーストなど）が付着するが、樹脂フィルムの周縁部は殆ど振動しない領域であるから、振動特性に殆ど影響がない。
薄膜電極と圧電振動板の電極引き出し部との接続方法としては、例えば薄膜電極の形成時に薄膜電極の一部が電極引き出し部に重なるようにしてもよいが、薄膜電極と電極引き出し部とを導電性接着剤などで別に接続してもよい。この場合には、薄膜電極を樹脂フィルム上に予め形成しておき、この樹脂フィルムに圧電振動板を貼り付ければよく、生産性が向上する。
薄膜電極は、スパッタリング、蒸着、エッチングなどの公知の薄膜形成法によって形成することができる。
【００１４】
請求項４では、拡がり振動を発生する第１の圧電振動板と逆方向の拡がり振動を発生する第２の圧電振動板とを樹脂フィルムの表裏面に貼り付けたものである。つまり、第１と第２の圧電振動板によってバイモルフ構造の振動板を構成している。この場合も、２つの圧電振動板が樹脂フィルムを介して筐体に取り付けられているので、圧電振動板の面積屈曲振動が拘束されず、請求項１と同様に、低周波共振、変位量の拡大、広帯域音声の再生という作用効果を有する。
【００１５】
請求項５のように、樹脂フィルムは圧電振動板より薄肉で、かつヤング率が５００ＭＰａ〜１５０００ＭＰａの樹脂材料で形成されているのがよい。
樹脂フィルムを圧電振動板より厚肉にした場合、圧電振動板の振動を拘束する場合があり、音圧の低下を招く。そのため、圧電振動板より薄肉な樹脂フィルムを用いることで、音圧低下を防止できる。樹脂フィルムのヤング率が低過ぎると、樹脂フィルムが伸び縮みし、所定の音圧を得ることができない。樹脂フィルムとしては、エポキシ系、アクリル系、ポリイミド系、ポリアミドイミド系などの硬化状態でのヤング率が５００ＭＰａ〜１５０００ＭＰａの材料がよい。
【００１６】
請求項６のように、樹脂フィルムは３００℃以上の耐熱性を有するものがよい。すなわち、電気音響変換器を回路基板などに実装する際、リフローはんだ付けが広く使用されているが、リフロー温度はほぼ２６０℃である。したがって、リフロー温度より高い耐熱性を持つ樹脂フィルムを用いることで、信頼性の高い電気音響変換器を得ることができる。
【００１７】
筐体の構造は、凹型のケースと平板状カバーとで構成されたものに限らず、例えば凹型のケースと凹型のカバーとを対向させて連結することで筐体を構成してもよいし、支持部を有する枠状フレームの内側にフィルム付きの圧電振動板を取り付け、フレームの表裏面にカバーを取り付けて筐体を構成してもよい。さらに、平板状の基板の上に枠状の支持部を設け、この支持部の上に樹脂フィルム付きの圧電振動子を取り付け、その上からカバーを被せた構造としてもよい。基板を用いた場合には、基板に予め端子電極をパターン形成しておくことができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１〜図７は本発明の第１実施例である表面実装型の圧電型電気音響変換器を示す。
この実施例の電気音響変換器は、圧電レシーバのように人間の音声帯域（３００Ｈｚ〜３．４ｋＨｚ）においてほぼフラットな音圧特性を持つ広帯域音声の再生が可能なものであり、積層構造の圧電振動板１と樹脂フィルム１０とケース２０とカバー３０とを備えている。ここでは、ケース２０とカバー３０とで筐体が構成される。
【００１９】
振動板１は、図５〜図７に示すように、２層の圧電セラミックス層１ａ，１ｂを積層したものであり、振動板１の表裏主面には主面電極２，３が形成され、セラミックス層１ａ，１ｂの間には内部電極４が形成されている。２つのセラミックス層１ａ，１ｂは、太線矢印で示すように厚み方向において同一方向に分極されている。表側の主面電極２と裏側の主面電極３は、振動板１の辺長よりやや短く形成され、その一端は振動板１の一方の端面に形成された端面電極５に接続されている。そのため、表裏の主面電極２，３は相互に接続されている。内部電極４は主面電極２，３とほぼ対称形状に形成され、内部電極４の一端は上記端面電極５と離れており、他端は振動板１の他端面に形成された端面電極６に接続されている。振動板１の他端部の表裏面には、端面電極６と導通する補助電極７が形成されている。この実施例の補助電極７は、後述する樹脂層８，９の切欠部８ｂ，９ｂに対応する箇所のみの部分電極としたが、振動板１の他端部に沿って延びる一定幅の帯状電極でもよい。
【００２０】
振動板１の表裏面には、主面電極２，３を覆う樹脂層８，９が形成されている。この樹脂層８，９は、落下衝撃による振動板１の割れを防止する保護層としての役割を有するものであり、必要に応じて設けられる。表裏の樹脂層８，９には、振動板１の対角のコーナ部近傍に、主面電極２，３の一部が露出する切欠部８ａ，９ａと、補助電極７が露出する切欠部８ｂ，９ｂとが形成されている。この実施例では、表側の樹脂層８の切欠部８ａ，８ｂから露出する主面電極２の一部と補助電極７とが電極引き出し部を構成している。
なお、切欠部８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂは表裏一方にのみ設けてもよいが、この例では表裏面に設けてある。
ここでは、セラミックス層１ａ，１ｂとして、一辺が６〜８ｍｍ、１層の厚みが１５μｍの正方形状のＰＺＴ系セラミックスを使用し、樹脂層８，９として厚みが５〜１０μｍのポリアミドイミド系樹脂を使用した。
【００２１】
振動板１は、この振動板１より大形な樹脂フィルム１０の表面の略中央部にエポキシ系接着剤１１によって接着されている。
樹脂フィルム１０は、圧電振動板１より薄肉で、かつヤング率が５００ＭＰａ〜１５０００ＭＰａの樹脂材料で形成されている。望ましくは３００℃以上の耐熱性を持つ樹脂フィルムがよい。具体的には、エポキシ系、アクリル系、ポリイミド系、ポリアミドイミド系などの樹脂材料が使用される。
ここでは、一辺が１０ｍｍ、厚みが７．５μｍ、ヤング率が３４００ＭＰａの正方形状のポリイミドフィルムを使用した。
後述するように、良好な音圧特性を得るため、圧電振動板１は樹脂フィルム１０の４０〜７０％の面積とされている。
【００２２】
図８は、一辺が１０ｍｍの正方形状の樹脂フィルム１０に貼り付ける圧電振動板１の面積割合と相対音圧（ｄＢ）との関係を示したものである。相対音圧とは、１００Ｈｚ点における変位体積１×１０^−６ｍ^３　のときを０ｄＢとした場合の音圧換算値である。
図から明らかなように、圧電振動板１の面積割合が４０〜７０％の範囲では、相対音圧がほぼ０以上であり、良好な音圧特性が得られているのに対し、４０％未満あるいは７０％超では、相対音圧の減少傾向が大きくなることがわかる。なお、圧電振動板１の面積割合が５５％付近のときに１００Ｈｚ点の変位量が最も大きくなっており、音圧特性の面では振動板面積を５５％付近とするのが最適である。
【００２３】
ケース２０はセラミックス、樹脂、ガラスエポキシなどの絶縁性材料で底壁部２０ａと４つの側壁部２０ｂ〜２０ｅとを持つ４角形の箱型に形成されている。ケース２０を樹脂で構成する場合には、リフローはんだ付けに耐えるため、ＬＣＰ（液晶ポリマー），ＳＰＳ（シンジオタクチックポリスチレン），ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド），エポキシなどの耐熱樹脂が望ましい。４つの側壁部２０ｂ〜２０ｅの内周部には、圧電振動板１より大形な環状の支持部２０ｆが設けられ、対向する２つの側壁部２０ｂ，２０ｄの内側の支持部２０ｆの近傍に、一対の端子２１，２２の内部接続部２１ａ，２２ａが露出している。端子２１，２２はケース２０にインサート成形されたものであり、ケース２０の外部に突出した外部接続部２１ｂ，２２ｂが側壁部２０ｂ，２０ｄの外面に沿ってケース２０の底面側へ折り曲げられている。この実施例では、端子２１，２２の内部接続部２１ａ，２２ａが二股状に別れており、これら二股状の内部接続部２１ａ，２２ａがケース２０のコーナ部近傍に位置している。
【００２４】
支持部２０ｆの外側であって、４つの側壁部２０ｂ〜２０ｅの内側には、樹脂フィルム１０の外周部をガイドするためのガイド部２０ｇが設けられている。ガイド部２０ｇの内側面には、下方に向かって漸次内側へ傾斜した傾斜面が形成され、樹脂フィルム１０がこの傾斜面によってガイドされ、支持部２０ｆ上に正確に載置される。なお、支持部２０ｆは端子２１，２２の内部接続部２１ａ，２２ａより一段低く形成されており、そのため支持部２０ｆ上に樹脂フィルム１０を載置すると、振動板１の天面と端子２１，２２の内部接続部２１ａ，２２ａの上面とがほぼ同一高さになるように設定されている。
なお、側壁部２０ｃ側の底壁部２０ａには第１の放音孔２０ｈが形成されている。
【００２５】
樹脂フィルム１０付きの振動板１はケース２０に収納され、樹脂フィルム１０の周囲がケース２０の支持部２０ｆに載置される。そして、対角位置にある切欠部８ａに露出する主面電極２と端子２１の内部接続部２１ａとの間、および切欠部８ｂに露出する補助電極７と端子２２の内部接続部２２ａとの間に導電性接着剤１３が帯状に塗布される。導電性接着剤１３として、硬化状態でのヤング率の高い導電性接着剤を使用してもよいが、樹脂フィルム１０の変位を拘束しないため、例えば硬化後のヤング率が低い導電ペーストが使用される。ここでは、硬化後のヤング率が０．３×１０^９　Ｐａのウレタン系導電ペーストを使用した。導電性接着剤１３を塗布した後、これを加熱硬化させると、主面電極２と端子２１の内部接続部２１ａ、補助電極７と端子２２の内部接続部２２ａとがそれぞれ電気的に接続される。
なお、主面電極２と内部接続部２１ａとの間、および補助電極７と内部接続部２２ａとの間に位置する樹脂フィルム１０の上に、導電性接着剤１３より低いヤング率を持つ被覆剤を塗布・硬化させておき、その上に導電性接着剤１３を跨いで塗布してもよい。これによって、導電性接着剤１３の樹脂フィルム１０に対する拘束力を弱めることができる。
【００２６】
振動板１と端子２１，２２の内部接続部２１ａ，２２ａとを接続した後、封止接着剤１４によって樹脂フィルム１０の全周が支持部２０ｆに対して接着され、樹脂フィルム１０とケース２０との間が封止される。封止接着剤１４としては、エポキシ系などの硬化状態でのヤング率の高い接着剤を使用してもよいが、樹脂フィルム１０の変位を許容するため、ヤング率の低い弾性接着剤１４を使用するのがよい。ここでは、硬化後のヤング率が３．０×１０^５　Ｐａのシリコーン系接着剤を使用した。
【００２７】
上記のように樹脂フィルム１０付きの振動板１をケース２０に支持した後、ケース２０の上面開口部にカバー３０が接着剤３１によって接着される。カバー３０はケース２０と同様な材料で形成されており、カバー３０を接着することで、カバー３０と振動板１との間に音響空間が形成される。カバー３０には、第２の放音孔３２が形成されている。
上記のようにして表面実装型の圧電型電気音響変換器が完成する。
【００２８】
この実施例の電気音響変換器では、端子２１，２２間に所定の交流電圧を印加することで、振動板１を面積屈曲モードで屈曲振動させることができる。分極方向と電界方向とが同一方向である圧電セラミックス層は平面方向に縮み、分極方向と電界方向とが逆方向である圧電セラミックス層は平面方向に伸びるので、全体として厚み方向に屈曲する。
圧電振動板１はそれより大きな樹脂フィルム１０上に貼り付けられており、樹脂フィルム１０の振動板１を有しない外周部がケース２０の支持部２０ｆに支持されているので、振動板１の変位を強く拘束しない。そのため、従来と同一寸法の振動板を用いても共振周波数を低くすることが可能であり、しかも支持拘束力の低下により変位量を大きくすることができ、高い音圧を得ることができる。
【００２９】
図９は、圧電振動板の対向する２辺をケースに接着し、残り２辺を弾性封止剤で封止した場合（従来品）と、圧電振動板１を樹脂フィルムを介してケースに取り付けた場合（本発明）との音圧特性を示す。なお、圧電振動板として同一のものを使用した。
図９から明らかなように、従来品では７００Ｈｚ〜１３００Ｈｚ付近で高い音圧レベルとなるが、３００Ｈｚ付近および３ｋＨｚ付近では音圧レベルが大幅に減少しており、人間の音声帯域である３００Ｈｚ〜３．４ｋＨｚにおいて音圧レベルが大きく変動している。これに対し、本発明では３００Ｈｚ〜３．４ｋＨｚにおいてほぼフラットな音圧特性が得られ、広帯域音声の再生に対応できることがわかる。
【００３０】
図１０は本発明にかかる電気音響変換器の第２実施例を示す。
ケース２０の内側に露出する端子２１，２２と圧電振動板１の電極引き出し部との導通を確保する手段として、第１実施例のように導電性接着剤１３による接続があるが、導電性接着剤１３のために樹脂フィルム１０の変位が妨げられ、共振周波数の上昇、音圧の分割が発生することがある。また、フィルム１０への拘束力を下げるために導電性接着剤１３の塗布厚みをできるだけ薄くすることが求められるが、振動板１のソリのばらつきや導電性接着剤１３の粘度変化などにより、塗布厚みを常に安定した薄さとすることは難しい。
そこで、この実施例では、圧電振動板１の電極引き出し部（主面電極２および補助電極７）の位置、および導電性接着剤１３の塗布形状を工夫することで、共振周波数の低周波化と、音圧分割のない音圧特性とを得ることを目的としたものである。
【００３１】
図１１は空気漏れのない状態での振動板の音圧特性を示す。
図１１において、第１のピークＰ１は第１共振、第２のピークＰ２は第２共振である。第１共振とは振動板全体が一方向に変位する振動形態であり、第２共振とは振動板の辺端部と中心部とが逆相で変位する振動形態を指す。
【００３２】
図１２に第１共振での樹脂フィルムの辺部の変位分布を示す。
正規化距離とは、辺中心から端までを１としたときの辺中心からの距離の比率を表したものであり、正規化変位とは、辺中心における変位を１としたときの変位の比率を表したものである。図１２から分かるように、第１共振周波数において、樹脂フィルムの変位量は、辺の中心が最も大きく、辺の端が最も小さいことがわかる。
【００３３】
図１３は導電性接着剤のケース側塗布位置と第１共振周波数との関係を示す。
図中、Ｄｘはケース中心から導電性接着剤の塗布位置までの距離、Ｆｘとはケース中心からフィルム端部までの距離を表す。導電性接着剤のケース側塗布位置（端子）がケース中心（フィルム中心）に近づくにつれて、フィルムの第１共振周波数が上昇している。したがって、共振周波数の低周波化のためには、導電性接着剤のケース側塗布位置をフィルム端部に近づけた方がよいことがわかる。
【００３４】
図１４は長方形の振動板１を使用した場合の長辺と短辺の変位分布を示す。
図１４から明らかなように、短辺中心の変位量が最も小さいため、振動板１の電極引き出し部、すなわち導電性接着剤の取出位置は短辺中心が適している。なお、正方形の振動板１を使用した場合でも、辺中心の変位量が最も小さいため、電極引き出し部は振動板の辺中心部がよい。
【００３５】
図１５は第１実施例（図２参照）と第２実施例（図１０参照）の音圧波形を表したものである。
図１５から分かるように、第１共振における音圧波形はほぼ同じであるが、第２共振における音圧波形を比較すると、第１実施例では音圧分割が発生しているのに対し、第２実施例では発生しておらず、良好な音圧特性が得られている。
よって、図１０に示すように、振動板１の電極引き出し部を辺中央部とし、この電極引き出し部から樹脂フィルム１０のコーナ部付近を介して端子２１，２２へ導電性接着剤１３を連続的に塗布すれば、樹脂フィルム１０の拘束力が低減され、共振周波数の低周波化と音圧分割のない音圧特性とを両立させることができる。
【００３６】
図１６は本発明にかかる電気音響変換器の第３実施例を示す。
この実施例は、圧電振動板１の電極引き出し部２，７から、樹脂フィルム１０の周縁部にかけて薄膜電極１５を連続して形成し、端子２１，２２の内部接続部２１ａ，２２ａと樹脂フィルム１０の周縁部に形成された薄膜電極１５の外側接続部１５ａとを導電性材料１３により接続したものである。
薄膜電極１５の内側接続部１５ｂと電極引き出し部２，７との導通は、例えば薄膜電極１５の形成時に薄膜電極１５の一部を電極引き出し部２，７に重ねることで、確保することができる。薄膜電極１５は公知の薄膜形成法、例えばエッチング、スパッタリング、蒸着などの方法により形成できる。
この実施例の電気音響変換器では、樹脂フィルム１０上に付着しているのは薄膜電極（厚さ３μｍ以下）１５であるから、樹脂フィルム１０が自由に変位することができる。導電性接着剤１３は、樹脂フィルム１０の変位が小さい周縁部に付着しているに過ぎないので、樹脂フィルム１０の変位が妨げられることがない。そのため、導電性接着剤１３を用いて圧電振動板１の電極引き出し部２，７と端子２１，２２とを接続する場合に比べて、さらに音圧特性が向上する。
【００３７】
図１６では、圧電振動板１の電極引き出し部２，７を辺中央とし、薄膜電極１５をこの電極引き出し部２，７から樹脂フィルム１０の辺端部にかけて連続的に形成したが、薄膜電極１５のパターンはこれに限定されるものではない。
例えば、図２に示すように薄膜電極１５を圧電振動板１の辺端部から樹脂フィルム１０の辺端部にかけて形成してもよいし、あるいは圧電振動板１の辺中央から樹脂フィルム１０の辺中央にかけて形成してもよい。
【００３８】
図１７は本発明にかかる電気音響変換器の第４実施例を示す。
この実施例は、第３実施例の変形例であり、圧電振動板１の電極引き出し部２，７と薄膜電極１５の内側接続部１５ｂとを導電性接着剤１６によって接続したものである。
この場合には、導電性接着剤１６が樹脂フィルム１０の変位部分に付着することになるが、導電性接着剤１６の塗布領域は電極引き出し部２，７と内側接続部１５ｂとの間の僅かな領域であるから、樹脂フィルム１０の変位を妨げる恐れが少ない。
第４実施例では、樹脂フィルム１０の表面に予め薄膜電極１５を形成しておき、この樹脂フィルム１０の上に圧電振動板１を貼着した後、導電性接着剤１６を電極引き出し部２，７と薄膜電極１５との間に塗布すればよいため、薄膜電極付きの樹脂フィルムを大量生産でき、製造コストを低減することが可能である。
【００３９】
上記第１〜第４実施例では、四角形状の樹脂フィルム１０の上に四角形状の圧電振動板１を接着した例を示したが、これに限るものではない。
図１８の（ａ）は振動板の第２実施例を示し、円形の樹脂フィルム１０の上に四角形の圧電振動板１を貼り付けたものである。図１８の（ｂ）は振動板の第３実施例を示し、四角形の樹脂フィルム１０の上に円形の圧電振動板１を貼り付けたものである。
いずれの場合も、上記実施例と同様の作用効果を有する。
【００４０】
図１９は本発明にかかる振動板の第４実施例を示す。
この実施例では、１枚の樹脂フィルム１０の表裏面に圧電振動板１Ａ，１Ｂを貼り付け、全体としてバイモルフ型の振動板を構成したものである。
圧電振動板１Ａ，１Ｂは１層のセラミックス層からなる振動板であり、表裏面に主面電極２，３が設けられ、それぞれの分極軸の方向は同方向である。樹脂フィルム１０と対面する裏側の主面電極３は、端面を介して表側の主面まで引き延ばされている。圧電振動板１Ａ，１Ｂは、表裏の主面電極２，３間に交流信号を印加することで、互いに逆向きの拡がり振動を発生する。
いま、圧電振動板１Ａおよび１Ｂの表面電極２と裏面電極３との間に交流信号を同時に印加すると、上側の圧電振動板１Ａが面積方向に拡がり、下側の圧電振動板１Ｂが面積方向に縮む動作と、上側の圧電振動板１Ａが面積方向に縮み、下側の圧電振動板１Ｂが面積方向に拡がる動作とを交互に繰り返す。その結果、全体として面積屈曲振動を発生する。
この場合も、樹脂フィルム１０が圧電振動板１Ａ，１Ｂより大形であり、樹脂フィルム１０の外周部を筐体（図示せず）に取り付けることで、小型で、共振周波数が低く、変位量が大きく、かつ広帯域音声の再生が可能な電気音響変換器が得られる。
【００４１】
図２０は本発明にかかる振動板の第５実施例を示す。
この実施例は、図１９における上側の圧電振動板１Ａと下側の圧電振動板１Ｂの分極軸方向を逆方向とし、樹脂フィルム１０に対して左右逆向きに貼り付けたものである。
一方の圧電振動板において分極軸方向と同一方向に電界がかかったとき、他方の圧電振動板では分極軸方向と逆方向に電界がかかる。そのため、一方の圧電振動板が面積方向に拡がった時、他方の圧電振動板は面積方向に縮み、第４実施例と同様に全体として面積屈曲振動を発生する。
【００４２】
図２１は本発明にかかる振動板の第６実施例を示す。
この実施例では、１枚の樹脂フィルム１０の表裏面に、２枚の圧電振動板１Ａ，１Ｂを貼り付け、全体としてバイモルフ型の振動板を構成したものである。
図において、圧電振動板１Ａ，１Ｂは図６，図７に示す圧電振動板１と比べて、分極軸の方向が異なるだけで、他の構造は全く同一である。一方の圧電振動板１Ａでは２層のセラミックス層１ａ，１ｂの分極軸が外向きであり、他方の圧電振動板１Ｂでは２層のセラミックス層１ａ，１ｂの分極軸が内向きとなっている。圧電振動板１Ａ，１Ｂは、共に交流信号を印加することで、拡がり振動を発生する振動板である。
いま、圧電振動板１Ａおよび１Ｂの内部電極４と導通する補助電極７と、主面電極２，３と導通する端面電極５との間に交流信号を同時に印加すると、上側の圧電振動板１Ａは面積方向に拡がり、下側の圧電振動板１Ｂは面積方向に縮む。その結果、全体として面積屈曲振動を発生する。
この場合も、樹脂フィルム１０が圧電振動板１Ａ，１Ｂより大形であり、樹脂フィルム１０の外周部を筐体（図示せず）に取り付けることで、小型で、共振周波数が低く、変位量が大きく、かつ広帯域音声の再生が可能な電気音響変換器が得られる。
【００４３】
図２２は本発明にかかる振動板の第７実施例を示す。
この振動板では、図２１における上側の圧電振動板１Ａと下側の圧電振動板１Ｂの分極軸の方向は同一方向であるが、樹脂フィルム１０に対して左右逆向きに貼り付けられている。
上側の圧電振動板１Ａにおいて、分極軸方向と同一方向に電界がかかったとき、下側の圧電振動板１Ｂでは分極軸方向と逆方向に電界がかかる。そのため、一方の圧電振動板が面積方向に拡がった時、他方の圧電振動板は面積方向に縮み、その結果、全体として面積屈曲振動を発生する。
なお、図２２では上下の圧電振動板１Ａ，１Ｂの分極軸方向を共に外向きとしたが、共に内向きであってもよい。
【００４４】
本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
上記実施例の圧電振動板１は２層の圧電セラミックス層を積層したものであるが、３層以上の圧電セラミックス層を積層したものでもよい。この場合には、中間層は拡がり振動を発生しないダミー層となる。
上記実施例では、圧電振動板の電極引き出し部と端子との接続、および薄膜電極と電極引き出し部との接続、薄膜電極と端子との接続に導電性接着剤１３を用いたが、リード線やＡｕワイヤなどを用いることも可能である。後者の場合には、公知のワイヤボンディング法を用いればよい。
本発明における端子とは、上記実施例のようなインサート端子に限るものではなく、例えばケースの支持部上面から外部に至る薄膜あるいは厚膜の電極であってもよい。
図１９〜図２２に示す第４〜第７実施例における振動板において、各振動板と筐体に設けられる端子とを導通させるために、導電ペーストを用いてもよいが、図１６，図１７と同様に、樹脂フィルム上に振動板と端子とを導通させる薄膜電極を設けてもよい。これら実施例では、樹脂フィルムの表裏面に振動板が貼り付けられるので、薄膜電極も樹脂フィルムの表裏面に形成すればよい。
【００４５】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、請求項１に係る発明によれば、面積屈曲振動を発生する圧電振動板の一面に、圧電振動板より大きな樹脂フィルムを貼り付け、圧電振動板の面積を樹脂フィルムの面積の４０〜７０％とし、このフィルムの外周部を筐体の支持部に支持したので、圧電振動板を強く拘束することなく支持することができる。そのため、従来のように圧電振動板の２辺あるいは４辺を筐体に直接支持した場合に比べて、従来と同一寸法の振動板でも共振周波数を低くすることが可能であり、しかも支持拘束力の低下により変位量を大きくすることができ、高い音圧を得ることができる。また、同時に基本共振から３次共振まで落ち込みのない音圧が得られるため、広い帯域でほぼフラットな音圧特性を持つ広帯域音声の再生が可能な電気音響変換器を得ることができる。
【００４６】
また、請求項４に係る発明によれば、拡がり振動を発生する第１の圧電振動板と逆方向の拡がり振動を発生する第２の圧電振動板とを樹脂フィルムの表裏面に貼り付けてバイモルフ構造の振動板を構成し、圧電振動板の面積を樹脂フィルムの面積の４０〜７０％とし、圧電振動板を樹脂フィルムを介して筐体に取り付けたので、請求項１と同様に、小型、低周波共振、変位量の拡大、広帯域音声の再生という作用効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る圧電型電気音響変換器の第１実施例の分解斜視図である。
【図２】図１に示す圧電型電気音響変換器のカバーおよび封止接着剤を除外した状態の平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線による階段断面図である。
【図４】樹脂フィルム付き振動板の斜視図である。
【図５】樹脂フィルム付き振動板の分解斜視図である。
【図６】圧電振動板の拡大斜視図である。
【図７】図６のＢ−Ｂ線による階段断面図である。
【図８】振動板の面積割合と音圧との関係を示す図である。
【図９】従来品と本発明品の音圧特性比較図である。
【図１０】本発明に係る圧電型電気音響変換器の第２実施例の平面図である。
【図１１】空気漏れのない状態での振動板の音圧波形図である。
【図１２】第１共振での樹脂フィルムの辺部の変位分布図である。
【図１３】導電性接着剤のケース側塗布位置と第１共振周波数との関係を示す図である。
【図１４】長方形の振動板を使用した場合の長辺と短辺の変位分布図である。
【図１５】第１実施例と第２実施例の音圧波形図である。
【図１６】本発明にかかる電気音響変換器の第３実施例の平面図である。
【図１７】本発明にかかる電気音響変換器の第４実施例の平面図である。
【図１８】本発明にかかる樹脂フィルム付き振動板の第２，第３実施例の斜視図である。
【図１９】本発明に係る樹脂フィルム付き振動板の第４実施例の断面図である。
【図２０】本発明に係る樹脂フィルム付き振動板の第５実施例の断面図である。
【図２１】本発明に係る樹脂フィルム付き振動板の第６実施例の断面図である。
【図２２】本発明に係る樹脂フィルム付き振動板の第７実施例の断面図である。
【符号の説明】
１　　　　　　　　圧電振動板
２，３　　　　　　主面電極
４　　　　　　　　内部電極
１０　　　　　　　　　　　　　　樹脂フィルム
１３　　　　　　　　　　　　　　導電性接着剤
１４　　　　　　　　　　　封止接着剤
１５　　　　　　　薄膜電極
２０　　　　　　　　　　　　　　ケース（筐体）
２０ｆ　　　　　　　　支持部
２１，２２　　　　端子（端子電極）
２１ａ，２２ａ　　内部接続部
２１ｂ，２２ｂ　　　　外部接続部
３０　　　　　　　　　　　　　　カバー（筐体）

Claims (6)

1. 複数の圧電セラミックス層が内部電極を間にして積層され、表裏主面に主面電極が形成され、主面電極と内部電極との間に交流信号を印加することにより面積屈曲振動を発生する圧電振動板と、上記圧電振動板より大形に形成され、表面の略中央部に上記圧電振動板が貼り付けられた樹脂フィルムと、上記圧電振動板および樹脂フィルムを収納する筐体とを備え、
   上記圧電振動板の面積は樹脂フィルムの面積の４０〜７０％であり、
   上記筐体の内周部には圧電振動板より大きな枠形の支持部が設けられ、上記樹脂フィルムの圧電振動板が貼り付けられていない外周部が上記筐体の支持部に支持されていることを特徴とする圧電型電気音響変換器。
2. 上記圧電振動板の主面電極と内部電極とを外部に引き出すための電極引き出し部が圧電振動板の対向する２辺の略中央部に設けられ、
   上記筐体に、一端部が筐体の内部のコーナ部近傍に露出した第１と第２の端子とが固定され、
   上記圧電振動板を貼り付けた樹脂フィルムを筐体の支持部に支持した状態で、上記電極引き出し部から樹脂フィルムのコーナ部近傍を経由して第１と第２の端子の一端部へ導電性接着剤を連続的に塗布することにより、圧電振動板の電極引き出し部と第１と第２の端子の一端部とを電気的に接続したことを特徴とする請求項１に記載の圧電型電気音響変換器。
3. 上記圧電振動板の主面電極と内部電極とを外部に引き出すための電極引き出し部から樹脂フィルムの周縁部にかけて薄膜電極が連続して形成され、上記筐体に、一端部が筐体の内部に露出した第１と第２の端子とが固定され、
   上記第１と第２の端子の一端部と樹脂フィルムの周縁部に形成された薄膜電極とが導電性材料により接続されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電型電気音響変換器。
4. 圧電セラミックス層の表裏主面に主面電極が形成され、表裏の主面電極間に交流信号を印加することにより拡がり振動を発生する第１の圧電振動板と、表裏主面に主面電極が形成され、表裏の主面電極間に交流信号を印加することにより第１の圧電振動板と逆方向に拡がり振動を発生する第２の圧電振動板と、上記第１および第２の圧電振動板より大形に形成され、表裏面の略中央部に上記第１および第２の圧電振動板がそれぞれ貼り付けられた樹脂フィルムと、上記圧電振動板および樹脂フィルムを収納する筐体とを備え、
   上記第１および第２の圧電振動板の面積は樹脂フィルムの面積の４０〜７０％であり、
   上記筐体の内周部には圧電振動板より大きな枠形の支持部が設けられ、上記樹脂フィルムの圧電振動板が貼り付けられていない外周部が上記筐体の支持部に支持されていることを特徴とする圧電型電気音響変換器。
5. 上記樹脂フィルムは上記圧電振動板より薄肉で、かつヤング率が５００ＭＰａ〜１５０００ＭＰａの樹脂材料で形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の圧電型電気音響変換器。
6. 上記樹脂フィルムは３００℃以上の耐熱性を有することを特徴とする請求項５に記載の圧電型電気音響変換器。

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