JP2004364334A

JP2004364334A - 圧電音響変換器

Info

Publication number: JP2004364334A
Application number: JP2004236073A
Authority: JP
Inventors: Katsuyuki Ishikawa; 勝之石川
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2004-08-13
Filing date: 2004-08-13
Publication date: 2004-12-24

Abstract

【課題】広い周波数帯域においてフラットな音圧レベルを維持することができる圧電音響変換器を提供する。
【解決手段】圧電音響変換器４０は、圧電素子４１を基板４２に貼り付けた振動板と、圧電振動板の周縁部を保持するケースとを具備する。基板４２はシート状の絶縁体４７に金属箔４８を貼り付けて一体化した構造を有し、基板４２には厚み方向に貫通している孔部４９が複数箇所に形成されている。これらの孔部４９に絶縁体４７の弾性率とは異なる値の弾性率を有する材料、例えば、金属箔４８と同じ金属材料または金属箔４８とは異なる金属材料を充填して、基板４２の弾性率分布を不均一なものとした。
【選択図】図４

Description

本発明は、例えば、携帯電話機等の移動体通信機器に使用される圧電音響変換器に関する。

携帯電話機等の小型電子機器に用いられる発音体として、図６の断面図に示すように、薄い平板状の金属基板９１の略中央部に平板状の圧電素子９２を貼り付けて圧電振動板９３を形成し、この圧電振動板９３の外周部を接着剤を用いてケース（枠部材）９４に固定した構造を有する発音体９０が知られている。

ところが、このような発音体９０は、広い周波数帯域にわたってフラットな音圧レベルを維持することができないために、ブザー音等の特定の周波数の音の発音体として用いることはできても、音声や音楽用の発音体として用いることが困難であった。そこで、この問題を解決するために、金属基板に所定形状の溝を形成する等して基板の振動特性を変化させた圧電発音体が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１に開示された圧電発音体は構造が複雑であり、製造コストが嵩むという問題がある。
特開平１１−７２８３号公報

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、広い周波数帯域においてフラットな音圧レベルを維持することができ、また、製造コストの低減を可能とした圧電音響変換器を提供することを目的とする。

すなわち、本発明によれば、圧電素子を基板に貼り付けてなる圧電振動板と、前記圧電振動板の周縁部を保持するケースとを具備する圧電音響変換器であって、
前記基板は絶縁体の表裏面の少なくとも一方に導体が形成されたシート状の形状を有し、かつ、前記基板には１または複数の所定形状のスルーホールが形成され、前記スルーホールに少なくとも基板を構成する絶縁体の弾性率とは異なる弾性率を有する材料が充填されて前記基板の弾性率が不均一となっていることを特徴とする圧電音響変換器、が提供される。

この圧電音響変換器においては、スルーホールに比重の大きい金属を充填することが好ましい。また、導体には、さらに所定のパターンを形成することも好ましい。さらに、基板として、複数の絶縁体と１または複数の導体を厚み方向に積層してなる積層構造を有するものを用いることも好ましく、この場合には、基板を構成する複数の絶縁体のうち少なくとも１つは、他の絶縁体または前記導体とは異なる弾性率を有していることが望ましい。このような構成とすることで、基板の弾性率をさらに不均一な状態とすることができる。

本発明に係る圧電音響変換器では、圧電体を貼り付ける基板の弾性率を不均一とすることで、広い周波数帯域においてフラットな音圧レベルを維持することができる。これにより音声や音楽用の発音体として、またはこれらの音を電気信号に変換する用途に適した特性が得られるようになる。また、本発明の圧電音響変換器は、構造が複雑ではなく、製造も容易である。さらに、基板の構造や材質、または基板を構成する導体のパターンを種々に選択することによって、所望する周波数特性を得ることが可能である。

以下、本発明に係る圧電音響変換器の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１（ａ）・（ｂ）は圧電音響変換器の一実施形態を示す斜視図であり、図１（ｃ）は図１（ａ）の断面図である。ここで、図１（ａ）の斜視図は圧電音響変換器１０の構造を示しており、図１（ｂ）の斜視図は圧電音響変換器１０に用いられる圧電素子１１と基板１２とを別に示したものである。なお、基板１２の周縁部はケースにより保持されるが、図１の各図においては、このケースを省略している。

圧電音響変換器１０は、圧電素子１１を基板１２に貼り付けた圧電振動板を有しており、圧電素子１１は、薄板状の圧電体１５の表裏両面に電極１６ａ・１６ｂが形成された構造を有し、基板１２は、シート状の絶縁体１７に金属箔１８を貼り合わせた構造を有する。また、電極１６ａにはリード線１９ａが、金属箔１８にはリード線１９ｂがそれぞれ取り付けられており、圧電素子１１に所定の電圧を印加することができるようになっている。なお、圧電素子１１は接着剤を用いて基板１２へ貼り付けられているが、この接着剤によって形成される接着層は薄いために、電極１６ｂと金属箔１８との間の導通が確保され、リード線１９ｂは電極１６ｂと導通している。

圧電体１５としては、圧電セラミックスや圧電性高分子等の各種の圧電材料を用いることができるが、圧電材料の中でも圧電セラミックスは優れた圧電特性を有することから、好適に用いられる。圧電体１５として圧電セラミックスを用いる場合には、電極１６ａ・１６ｂは、圧電体１５の表裏面に銀ペースト等をスクリーン印刷法によって印刷し、所定の温度で処理して焼き付けることで形成することができる。なお、圧電素子１１の表裏面の形状は図１（ａ）・（ｂ）に示す円形に限定されるものではない。つまり、圧電体１５は円板形状に限定されない。

基板１２を構成する絶縁体１７としては各種の樹脂材料（ゴム材料を含む）が好適に用いられ、例えば、液晶ポリマー樹脂やポリイミド樹脂を挙げることができる。金属箔１８としては導電性に優れた銅箔が好適に用いられるが、その他アルミニウム箔、ニッケル箔等の各種金属箔を用いることも可能である。絶縁体１７と金属箔１８との接着は接着剤を用いて行ってもよいし、熱融着によって行ってもよい。

金属箔１８には所定のパターンが形成されており、基板１２の弾性率に面内分布をもたせて不均一な状態としている。これによって、基板１２に複数の振動モードを発生させて広い周波数帯域においてフラットな音圧レベルを得ることができるようになる。基板１２は絶縁体１７と金属箔１８とを貼り合わせたプリント配線基板等にエッチング加工でパターンを形成すればよいことから、短時間で容易に作製でき、このため製造コストは嵩まない。なお、図１（ｂ）に示した金属箔１８のパターンは一例であり、このようなパターンに限定されるものではない。また、パターンは点対称や線対称なパターンであってもよく、非対称なパターンであってもよい。

以下、圧電音響変換器１０と同様に、基板の弾性率を不均一として基板に複数の振動モードを発生させ、広い周波数帯域においてフラットな音圧レベルを得ることができる圧電音響変換器の別の実施形態について説明する。

図２は圧電音響変換器の別の実施形態を示す断面図である。圧電音響変換器２０は、２個の圧電素子２１ａ・２１ｂを基板２２の表裏両面に貼り付けた圧電振動板を有しており、圧電素子２１ａ・２１ｂは、それぞれ圧電体２５ａ・２５ｂに電極（２６ａ・２６ａ´）・（２６ｂ・２６ｂ´）が形成された構造を有する。圧電素子２１ａ・２１ｂは同じ形状であってもよく、また異なる形状であってもよい。

基板２２はシート状の絶縁体２７の表裏両面に金属箔２８ａ・２８ｂが貼り付けられて一体化された構造を有しており、金属箔２８ａ・２８ｂには、例えば、金属箔１８と同様なパターンが形成され、基板２２の弾性率に分布をもたせている。金属箔２８ａ・２８ｂのパターンは、厚み方向から透視した際に重なり合うように形成されていてもよく、重なり合わないように形成されていてもよい。なお、基板２２の周縁部はケースにより保持されるが、図２ではこのケースを省略している。

電極２６ａ・２６ｂには、それぞれリード線２４ａ・２４ｂが取り付けられている。また、絶縁体２７の周縁部には、側面が金属２３でコーティングされたスルーホール２９が形成されており、このスルーホール２９によって金属箔２８ａと金属箔２８ｂとが導通している。従って、金属箔２８ａ・２８ｂにそれぞれリード線を取り付ける必要はなくなり、いずれか一方にリード線２４ｃを取り付ければよい。こうして、圧電音響変換器２０においては、リード線２４ｃを共通電極として用いて圧電素子２１ａ・２１ｂを駆動させることができる。

図３は圧電音響変換器のさらに別の実施形態を示す断面図である。圧電音響変換器３０は、圧電素子３１を基板３２に貼り付けた圧電振動板３３が、圧電振動板３３の周縁部を保持するようにしてケース３４に収納された構造を有している。圧電素子３１は圧電体３５に電極３６ａ・３６ｂが形成された構造を有し、基板３２はシート状の絶縁体３７の一方の面に、所定のパターンに加工された金属箔３８を貼り付けて一体化した構造を有しており、金属箔３８のパターンによって基板３２の弾性率が不均一となっている。

基板３２の一部はケース３４から外部に引き出されており、このケース３４外に引き出された延出部分３２ａは、金属箔３８の一部を延出したリード部３８ａと、リード部３８ａとは絶縁された別のリード部３８ｂを有している。リード部３８ｂは圧電素子３１の電極３６ａとワイヤーボンディングされて導通しており、こうしてリード部３８ａ・３８ｂに所定の電圧を印加することによって圧電素子３１を駆動することができるようになっている。つまり延出部分３２ａは配線の一部として機能し、例えば、回路基板へ圧電音響変換器３０の取付等を容易なものとすることができる。

図４は圧電音響変換器のさらに別の実施形態を示す斜視図である。圧電音響変換器４０は、圧電素子４１を基板４２に貼り付けた圧電振動板を有しており、圧電素子４１は圧電体４５に表面に電極４６ａが形成され、圧電体４５の裏面には図示しない電極が形成された構造を有している。基板４２はシート状の絶縁体４７の一方の面に全体に金属箔４８を貼り付けて一体化した構造を有している。なお、電極４６ａと金属箔４８にはそれぞれリード線４４ａ・４４ｂが取り付けられている。また、基板４２の周縁部はケースにより保持されるが、図４ではこのケースを省略している。

基板４２には厚み方向に貫通している孔部４９が複数箇所に形成されており、これらの孔部４９には、絶縁体４７の弾性率とは異なる値の弾性率を有する材料、例えば、金属箔４８と同じ金属材料または金属箔４８とは異なる金属材料、例えば、鉛やタングステン等の比重の大きい金属材料が充填されており、このような充填物によって基板４２の弾性率分布を不均一なものとしている。

なお、基板４２では孔部４９は絶縁体４７と金属箔４８とを貫通して形成されているが、絶縁体４７のみを貫通した孔部を形成して、その内部に所定の充填物を充填しても構わない。また、図４では基板４２の外周部に孔部４９を形成した形態を示したが、このような孔部は圧電素子４１が貼り付けられる基板４２の中心部に設けることも可能である。さらに、金属箔４８に金属箔１８・３８のような所定のパターンを形成することも好ましい。

図５（ａ）は圧電音響変換器のさらに別の実施形態を示す断面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）に示される圧電音響変換器５０を構成する部品を示す斜視図である。圧電音響変換器５０は、圧電素子５１を基板５２に貼り付けた圧電振動板を有しており、圧電素子５１は板状の圧電体５５の表裏両面に電極５６ａ・５６ｂが形成された構造を有し、基板５２は、金属箔５８ａと絶縁体５７ａとを貼り合わせた基板５２ａと、金属箔５８ｂと絶縁体５７ｂとを貼り合わせた基板５２ｂと、を貼り合わせた積層構造を有している。電極５６ａにはリード線５９ａが、金属箔５８ａにはリード線５９ｂがそれぞれ取り付けられている。なお、基板５２の周縁部はケースにより保持されるが、図５ではこのケースを省略している。

金属箔５８ａにはパターンは形成されていないが、金属箔５８ｂには所定のパターンが形成されており、この金属箔５８ｂに形成されたパターンによって、基板５２における弾性率の分布を不均一なものとしている。なお、金属箔５８ａにパターンを形成して、金属箔５８ｂにはパターンを形成しない構造としてもよく、また、金属箔５８ａ・５８ｂの両方に所定のパターンを形成してもよい。

絶縁体５７ａ・５７ｂには同じ材料を用いてもよいし、弾性率の異なる材料を用いてもよい。例えば、絶縁体５７ａには液晶ポリマー樹脂を用い、絶縁体５７ｂにはウレタン樹脂を用いる等して異なる材料を用いることもできる。さらに、絶縁体５７ａとして樹脂材料を用い、絶縁体５７ｂとしてガラス材料やセラミックス材料を用いることも可能である。絶縁体と金属箔の積層数は、各２層に限定されるものではなく、より多くの層数を有する積層構造であってもよい。

以上、本発明の実施の形態ついて説明してきたが、本発明はこのような実施の形態に限定されるものではない。例えば、圧電音響変換器５０を構成する基板５２としては、絶縁体５７ａ・５７ｂにそれぞれ異なる材料を用いて、金属箔５８ｂを間に挟むことなく絶縁体５７ａ・５７ｂどうしを直接に貼り付け、その一方の主面に所定のパターンが形成された金属箔を貼り合わせた構造を有する基板を用いることも可能である。この場合において、さらに基板に孔部を形成して孔部に所定の充填物を充填することも可能である。このように、図１から図５に示した圧電音響変換器１０・２０・３０・４０・５０のそれぞれの特徴を組み合わせて、種々の形態を有する圧電音響変換器を実現することができる。

また、基板を構成する導体として金属箔を用いた場合について説明したが、例えば、スパッタ等の方法により絶縁体の表面に導体薄膜が形成された基板を用いることも可能である。

本発明は、音声を再生する圧電音響変換器、つまりスピーカとして好適である。また本発明は、マイクロフォンのように音声を電気信号に変換する機器としても好適である。

本発明の圧電音響変換器の一実施形態を示す斜視図および断面図ならびに圧電音響変換器を構成する部品の斜視図。本発明の圧電音響変換器の別の実施形態を示す断面図。本発明のさらに別の実施形態を示す断面図。本発明のさらに別の実施形態を示す斜視図。本発明のさらに別の実施形態を示す断面図および圧電音響変換器を構成する部品を示す斜視図。従来の発音体を示す断面図。

符号の説明

１０・２０・３０・４０・５０；圧電音響変換器
１１・２１ａ・２１ｂ・３１・４１・５１；圧電素子
１２・２２・３２・４２・５２・５２ａ・５２ｂ；基板
１５・２５・３５・４５・５５；圧電体
１６ａ・１６ｂ・２６ａ・２６ｂ・３６ａ・３６ｂ・４６ａ・５６ａ・５６ｂ；電極
１７・２７・３７・４７・５７ａ・５７ｂ；絶縁体
１８・２８ａ・２８ｂ・３８・４８・５８ａ・５８ｂ；金属箔
１９ａ・１９ｂ・２４ａ・２４ｂ・２４ｃ・４４ａ・４４ｂ・５９ａ・５９ｂ；リード線
２３；金属
２９；スルーホール
３２ａ；延出部分
３３；圧電振動板
３４；ケース
３８ａ・３８ｂ；リード部
４９；孔部
９０；発音体
９１；金属基板
９２；圧電素子
９３；圧電振動板
９４；ケース（枠部材）

Claims

圧電素子を基板に貼り付けてなる圧電振動板と、前記圧電振動板の周縁部を保持するケースとを具備する圧電音響変換器であって、
前記基板は絶縁体の表裏面の少なくとも一方に導体が形成されたシート状の形状を有し、かつ、前記基板には１または複数の所定形状のスルーホールが形成され、前記スルーホールに少なくとも基板を構成する絶縁体の弾性率とは異なる弾性率を有する材料が充填されて前記基板の弾性率が不均一となっていることを特徴とする圧電音響変換器。
前記スルーホールには比重の大きい金属が充填されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電音響変換器。
前記導体には、さらに所定のパターンが形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電音響変換器。
前記基板は複数の絶縁体と１または複数の導体を厚み方向に積層してなる積層構造を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の圧電音響変換器。
前記基板を構成する複数の絶縁体のうち少なくとも１つは、他の絶縁体または前記導体とは異なる弾性率を有することを特徴とする請求項４に記載の圧電音響変換器。