JP2006245975A - 圧電発音体及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】
圧電発音体を角形状として実装時のデッドスペースの低減を図るとともに、音圧特性を確保し、１次共振周波数を低減方向に制御する。
【解決手段】
圧電発音体１０は、略長方形状の振動板１４の一方の主面に、略長方形状の圧電素子１８が貼り合わせられた圧電振動板１２を、支持体２６で支持した構成となっている。前記振動板１４は、一対の短辺１４Ａが、略長方形の支持体２６の枠状縁部の短辺２６Ａに重なり合うようにして全幅に亘って強固に固定される。一方、振動板１４の長辺側の縁部１４Ｂは、略中央部が内側に向かって鼓状に湾曲した形状となっており、支持体２６の長辺２６Ｂとの間に間隙２８を生じるように形成されている。該間隙２８は、振動板１４とヤング率が異なる可撓性を有する弾性シート３０で覆われているため、振動板１４が柔軟に動き、高音圧を確保し、１次共振周波数の制御が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、携帯電話などの電子機器及びその音響部品として用いられる圧電発音体に関し、更に具体的には、角形状の圧電発音体の音圧特性の確保と周波数制御に関するものである。

従来、モバイル機器や携帯電話機などの発音体部分には、丸形のダイナミックスピーカ，もしくは、金属板などの振動板の表面に圧電素子を貼り合わせたユニモルフ構造（またはバイモルフ構造）の丸形の圧電発音体が用いられている。このうち、圧電発音体は、薄型化に適した簡易な電気音響変化手段として広く利用されている。ところで、一般的な角形スピーカは、外形は角形状であっても、発音体の振動板は丸形となっている場合がある。しかしながら、発音体形状を丸形とすると、実装時にデッドスペースを生じることから、小型化の面では不都合である。そこで、実装時のデッドスペース低減を図るために、発音体を角形とする技術が提案されている。

例えば、以下に示す特許文献１には、キャップ状に絞り加工した金属板の天板部に平行にスリットを設け、これらスリット間の部位に矩形の圧電板を電気的かつ機械的に対面接合してユニモルフ型振動板を構成し、前記スリットを、可撓性を持つ封止材料で封止して、前記金属板の周壁部下端を基板に接着固定した圧電音響部品が開示されている。
特開平１１−３５５８９１号公報

しかしながら、以上のような背景技術では、封止材料で封止されたスリット間に圧電板を設けることにより、従来の丸形の振動板を用いた場合に比べれば変位の自由度は上がるものの、金属板の周壁の下端部全てを基板に接合しているため、飛躍的に振動の自由度が上がるとはいいがたい。また、スリットの長さや間隔の変更，圧電板の寸法の変更により、電気的性質を変更できるとしているものの、これらの寸法などと１次共振周波数との関連が明確化されておらず、実装時に十分な音圧特性が得られなかったり、周波数制御を良好に行えなかったりする可能がある。

本発明は、以上の点に着目したもので、その目的は、圧電発音体を角形状として実装時のデッドスペースの低減を図るとともに、音圧特性を確保し、１次共振周波数を制御することである。

前記目的を達成するため、本発明の圧電発音体は、一対の長辺側の縁部が鼓状に湾曲した略長方形状の振動板と、該振動板の少なくとも一方の主面に貼り合わせられた圧電素子を含む圧電振動板，前記振動板の湾曲した長辺側の縁部との間に間隙を有するとともに、前記振動板の一対の短辺を、該短辺の幅全体に亘って支持する支持体，前記振動板の長辺側縁部と前記支持体との間隙を覆う可撓性を有する弾性シート，を備えるとともに、前記弾性シートと前記振動板のヤング率が異なることを特徴とする。

主要な形態の一つは、前記弾性シートのヤング率を、１×１０^６〜１×１０^１１Ｐａとしたことを特徴とする。好ましくは、前記弾性シートのヤング率を、１×１０^８〜１×１０^１１Ｐａとしたことを特徴とする。

他の形態は、前記圧電素子の短辺の長さをｗ，長辺方向略中央部における前記間隙の幅をａとしたときに、ａ＝ｗ／４６〜ｗ／１０の関係を満たすことを特徴とする。更に他の形態は、前記振動板または弾性シートのヤング率を、長手方向中央部よりも、その両端側で大きくしたこと，あるいは、前記振動板または弾性シートの厚さを、前記振動板の長手方向両端側よりも、長手方向中央部で薄くしたことを特徴とする。

本発明の電子機器は、請求項１〜６のいずれかに記載の圧電発音体を利用したことを特徴とする。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。

本発明は、少なくとも一方の主面に圧電素子が貼り合わせられた略長方形状の振動板の長辺側の縁部を鼓状に湾曲形成し、支持体によって前記振動板短辺を全幅に亘って支持する。そして、該支持体と前記振動板の湾曲した縁部との間隙を、前記振動板とヤング率が異なる可撓性を有する弾性シートで覆うことで、長辺方向の振動板の動きを柔軟にし、高音圧を確保しながら、１次共振周波数を低減方向に制御できるという効果が得られる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。

最初に、図１〜図８を参照しながら、本発明の実施例１を説明する。図１は、本実施例の圧電発音体の外観を示す斜視図である。図２(A)は、前記図１を＃Ａ−＃Ａ線に沿って切断し矢印方向に見た断面図，図２(B)は、前記図１を＃Ｂ−＃Ｂ線に沿って切断し矢印方向に見た断面図である。図３は、本実施例１の構成を示す分解斜視図である。図１〜図３に示すように、本実施例の圧電発音体１０は、略長方形状の振動板１４の一方の主面に、略長方形状の圧電素子１８が貼り合わせられたユニモルフ構造の圧電振動板１２を、支持体２６で支持した構成となっている。

図２に示すように、前記圧電素子１８は、圧電層２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃと電極層２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄを交互に積層した構造となっており、金属などによって構成された振動板１４の上面略中央に、導電性接着剤などで接着される。圧電層２０Ａ〜２０Ｃとしては、例えば、ＰＺＴが用いられ、電極層２２Ａ〜２２Ｄとしては、例えば、ＡｇもしくはＡｇ／Ｐｄ合金が用いられる。前記電極層２２Ａ及び２２Ｃは、スルーホール２４Ａにより接続されており、前記電極層２２Ｂ及び２２Ｄは、スルーホール２２Ｂにより接続されて振動板１４と同電位となっている。

前記振動板１４は、一対の短辺１４Ａが、略長方形の支持体２６の枠状縁部の短辺２６Ａに重なり合うようにして、前記振動板１４の短辺１４Ａの全幅に亘って適宜手段で強固に固定される。これにより、圧電素子１８が変位した際に、振動板１４の短辺側における逃げが抑制される。また、振動板１４の長辺側の縁部１４Ｂは、略中央部が内側に向かって鼓状に湾曲した形状となっており、支持体２６の枠状縁部の長辺２６Ｂとの間に間隙２８を生じるように形成されている。なお、長辺方向略中央部での間隙２８の幅（すなわち、長辺方向略中央部における振動板１４の長辺側縁部１４Ｂと支持体２６の長辺２６Ｂの最短距離）ａは、前記圧電素子１８の短辺の長さをｗとしたときに、ａ＝ｗ／４６〜ｗ／１０の範囲内で規定することが望ましい。これは、例えば、前記ａがｗ／４６よりも小さいと、一次共振周波数が１ｋＨｚを超えてしまい、ａがｗ／１０よりも大きいと、音圧向上の効果が得られないためである。このような振動板１４は、一方の短辺１４Ａ側に、電極引き出し用の突出部１６が形成されている。

上述したように、前記振動板１４は、長辺側の縁部１４Ｂが鼓状に湾曲しているため、支持体２６の長辺２６Ｂと重なることがなく、図１及び図２(A)に示すように、支持体２６との間に間隙２８を生じる。前記間隙２８は、可撓性を有するとともに、前記振動板１４とヤング率が異なる弾性シート３０で覆われている。該弾性シート３０としては、例えば、各種ゴム，シリコーン樹脂シート，発泡ポリウレタンシート，和紙等が利用される。このような構成とすると、振動板１４が動きやすくなり、良好な音圧特性を得ることができる。なお、長辺側縁部１４Ｂの形状は、１次共振の振動モードから、長辺の負荷の軽減に好適であるという点で鼓形状が選択されている。

以上のような圧電発音体１０は、例えば、次のような手順で製造される。まず、振動板１４の略中央部に圧電素子１８を導電性接着剤などで貼り付けて圧電振動板１２を構成し、その振動板１４の長辺側の縁部１４Ｂに、弾性シート３０を設ける。そして、弾性シート３０を設けた圧電振動板１２の短辺１４Ａを、支持体２６の縁部の短辺２６Ａに重ね合わせて、適宜手段で強固に固定する。その後、圧電素子１８の表面の電極層２２Ａに設けられた導電性樹脂３２Ａ及び導体パターン３４Ａを介して、電極層２２Ａ及び２２Ｃが外部に引き出され、振動板１４の突出部１６からは、導電性樹脂３２Ｂ及び導体パターン３４Ｂを介して、電極層２２Ｂ及び２２Ｄが外部に引き出される。なお、前記導体パターン３４Ａの裏面には、振動板１４との電気的な接触を防止するための絶縁性シート３６が設けられている。導体パターン３４Ａ及び３４Ｂとしては、例えば、銅箔等が用いられる。

このような構成の圧電発音体１０の振動板１４は、形状異方性（２回対称）を有している。また、短辺１４Ａが全幅で支持されており、長辺側の縁部１４Ｂが可動部となっている。従って、可動辺（長辺側縁部１４Ｂ）に垂直な方向に対して２種類（振動板１４と弾性シート３０の２種類）以上のバネ定数で構成されている。前記構成とすることにより、固定部（短辺１４Ａ）に垂直な方向でバネ定数が連続／非連続に変化する。このため、振動板１４の長辺方向の中央部においては、圧電素子１８の変位に伴って大きな振幅が得られる一方、振動板１４の長辺方向の両端部においては、前記圧電素子１８の変位に伴って大きな面積で振動板１４に撓みが生じ、この結果、圧電素子１８の変位により大きな容積の空気を動かすことができ、高い音圧で良好な音質を得ることができる。

次に、図４及び図５を参照して、上述した構成の圧電発音体１０における弾性シート３０のヤング率について検討する。検討に用いる圧電振動体１０は、振動板１４の寸法（図３のＷ×Ｌ）を、１６×３０ｍｍ，圧電素子１８の寸法（図３のｗ×ｌ）を、１０×２５ｍｍ，長辺方向略中央部における間隙２８の幅ａを０．７としたものを用いた。図４は、弾性シート３０のヤング率を１×１０^６（１Ｍ）〜１×１０^１１（１００Ｇ）Ｐａまで変化させた場合の、周波数と音圧の関係を示すシミュレーション結果である。図４において、横軸は、周波数［Ｈｚ］を示し、縦軸は音圧レベル（ＳＰＬ：Sound Pressure Level）［ｄＢ］を示している。なお、横軸は対数目盛となっている。

図４に示すように、長辺方向に設ける弾性シート３０のヤング率が１ＭＰａのときの１次共振周波数は３００Ｈｚ，１０ＭＰａのときは３２０Ｈｚ，１００ＭＰａのときは４２０Ｈｚ，１ＧＰａのときは７２０Ｈｚ，１０ＧＰａのときは１ｋＨｚ，１００ＧＰａのときは１．３ｋＨｚとなっており、１次共振周波数を、３００Ｈｚ〜１．３ｋＨｚの範囲で制御できることがわかる。

図５には、前記図４で得られた１次共振周波数と、弾性シート３０のヤング率の関係が示されている。図５において、横軸は、弾性シート３０のヤング率［Ｐａ］を表しており、対数目盛となっている。縦軸は、１次共振周波数［Ｈｚ］を示している。なお、横軸における「Ｅ」は１０のべき乗を示しており、「Ｅ＋０６」は、「１０^６」である。図５からは、弾性シート３０のヤング率を１×１０^８〜１×１０^１１Ｐａの範囲で規定することにより、１次共振周波数を、モバイル機器再生周波数４００Ｈｚ〜１．５ｋＨｚの範囲で制御可能であることが確認された。具体的には、ヤング率の変化と１次共振周波数の変化の比率が、１Ｍ〜１０ＭＰａの間では１０：１．０６，１０Ｍ〜１００ＭＰａの間では１０：１．３１，１００Ｍ〜１ＧＰａの間では１０：１．７１，１Ｇ〜１０ＧＰａの間では１０：１．３８，１０Ｇ〜１００ＧＰａの間では１０：１．３であることを利用して１次共振周波数を制御するようにする。特に、周波数領域７００Ｈｚ〜１．４ｋＨｚ付近では、「ｙ＝８Ｅ−０９ｘ＋５２５．６８」の式が概略適用可能であることから、精度よく周波数制御を行うことができる。例えば、上記寸法で、弾性シート３０として、ヤング率１ＧＰａ付近のゴム材質を利用すると、１次共振周波数７５０Ｇｚで８７ｄＢの音圧を確保することができる。

次に、図６及び図７を参照して、振動板１４の形状，すなわち、振動板１４と支持体２６の間隙の形状について検討する。図６(A)は、本実施例の平面図を示す図，図６(B)は、比較例の平面図を示す図である。図６(B)に示す比較例の圧電発音体６０は、基本的な構成は、図６(A)に示す圧電発音体１０と同様であるが、振動板６２の長辺６２Ｂが直線であって、前記圧電発音体１０のような鼓状に湾曲した部分がない。このため、比較例では、支持体２６と振動板６２の間隙６４は、直線のスリット状となっている。なお、図６では、間隙形状の違いを容易に理解できるように、弾性シートが省略されているが、実際には、それぞれの間隙２８又は６４を覆うように、弾性シートが設けられている。

図７には、本実施例の圧電発音体１０と比較例の圧電発音体６０における周波数と音圧レベルの関係が示されている。横軸は、周波数［Ｈｚ］を表し、縦軸は音圧レベル（ＳＰＬ）［ｄＢ］を示している。圧電発音体１０及び６０において、支持体２６の外形寸法は、短辺１６ｍｍ×長辺３０ｍｍ×厚さ０．７ｍｍ，圧電素子１８は、３層積層構造（１層１８μｍ），振動板１４及び６２の外形寸法は、短辺１４ｍｍ×長辺３０ｍｍで共通とした。そして、それぞれの間隙２８及び６４の長辺方向中央部の幅ａを、０．３ｍｍ及び０．７ｍｍとしたものについて、間隙の形状，すなわち、振動板の形状による音圧特性の比較を行った。なお、振動板１４ないし６２と、弾性シート（図示せず）との重なり幅は、約１ｍｍとした。図７の結果を見ると、間隙の中心幅ａが０．３ｍｍ，０．７ｍｍのいずれの場合であっても、比較例の圧電発音体６０と比較して、本実施例の圧電発音体１０のほうが、ピーク音圧の向上が見られる。例えば、間隙の中心幅ａが０．３ｍｍの場合には、振動板１４を鼓形状とした圧電発音体１０のほうが、振動板６２を長方形とした比較例の圧電発音体６０と比べて、周波数１ｋＨｚにおいて、約９ｄＢもの差が確認された。このように、振動板形状を鼓状とすることにより、音圧特性の向上が可能であることがわかる。

次に、本実施例の圧電発音体１０を試作し、実測音圧特性の確認を行った。試作品は、外形寸法が、短辺１６ｍｍ×長辺３０ｍｍ×厚さ０．７ｍｍとなるようにし、振動板１４として、厚さ３０μｍの４２Ｎｉ合金を利用した。また、圧電素子１８は、短辺１０ｍｍ×長辺２５ｍｍとし、一層が１８μｍの圧電層を３層積層し、圧電層２０Ａ〜２０ＣとしてＰＺＴ系セラミック材料を利用し、電極層２２Ａ〜２２Ｄとして、Ａｇ合金を利用した。また、支持体２６としては、Ａｌ（Ａ５０５２）を使用した。図８は、前記試作品の周波数と実測音圧の関係を、シミュレーション結果とともに示す図であり、横軸は周波数［Ｈｚ］，縦軸は音圧レベル（ＳＰＬ）［ｄＢ］を表している。なお、横軸は対数目盛となっている。この結果から、図８に示すように、１次共振周波数７００Ｈｚで音圧が約１００ｄＢという高音圧が得られることが確認された。

このように、実施例１によれば、次のような効果がある。
(1)一方の主面に圧電素子１８が貼り合わせられた略長方形状の振動板１４の長辺側の縁部１４Ｂを鼓状に湾曲形成し、支持体２６によって前記振動板短辺１４Ａを支持する。そして、該支持体２６と前記縁部１４Ｂとの間隙２８を、前記振動板１４とヤング率が異なる弾性シート３０で覆うこととしたので、長辺方向の振動板１４の動きを柔軟にし、高音圧を確保しながら、１次共振周波数を低減方向に制御できるという効果が得られる。
(2)前記弾性シート３０のヤング率と１次共振周波数の関係を明確化することができるため、１次共振周波数を所望の範囲で制御することが可能となる。
(3)圧電発音体１０を角形状とすることにより、実装時のデッドスペース低減を図ることができる。

なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることができる。例えば、以下のものも含まれる。
(1)前記実施例に示した材料，形状，寸法は一例であり、同様の作用を奏するように適宜変更可能である。例えば、前記実施例では、弾性シート３０を、長辺側の縁部１４Ｂにのみ設けることとしたが、図９(A)に示す圧電発音体１０Ａのように、振動板１４の外周部全体を覆うような弾性シート５０を設けるようにしても同様の効果が得られる。

(2)前記実施例では、積層構造の圧電素子１８を利用することとしたが、単層構造の圧電素子を用いるようにしてもよい。また、積層構造の場合には、圧電層と電極層の積層数，内部電極の接続パターンなども必要に応じて適宜変更可能である。
(3)前記実施例での電極引き出し構造も一例であり、同様の効果を奏するように適宜設計変更してよい。

(4)前記実施例では、一種類の弾性シート３０を用いることとしたが、図９(B)に示す圧電発音体１０Ｂのように、長辺方向の略中央部に、両端側の弾性シート５２と異なるヤング率を有する他の弾性シート５２を利用し、所望の音圧特性が得られるように適宜調整してよい。また、弾性シート３０と弾性シート５０を重ねて利用するなど、部分的に弾性シートを複数枚重ねて利用するようにしてもよい。

(5)弾性シート３０のヤング率を、長辺方向に沿って部分的に変更するようにしてもよい。例えば、長辺方向中央部の弾性シート３０の厚みを両端側に比べて薄くしたり、中央部よりも両端側でヤング率が大きくなるような弾性シートを利用したりするなどである。同様に、振動板１４のヤング率を、長辺方向に沿って部分的に変更するようにしてもよい。この場合も、弾性シート３０の場合と同様に、長辺方向中央部の振動板１４の厚みを両端側に比べて薄くしたり、中央部よりも両端側でヤング率が大きくなるようにしたりすることで実現可能である。更に、両端側での弾性シート３０と支持体２６の重なり幅を広くするようにしてもよい。このように、圧電発音体１０の中心部を柔らかくすることで、より一層振動板１４の動きを柔軟にすることができる。

(6)前記製造手順も一例であり、同様の効果を奏するように適宜変更してよい。例えば、前記実施例では、弾性シート３０を貼った圧電振動板１２を支持体２６に取り付けることとしたが、図９(C)に示すように、筐体５４が支持体を兼ねるようにしてもよい。すなわち、筐体５４の一部に、放音孔５８を有する凹状の角穴５６を設け、その縁部に、圧電振動板１２を固定するようにしてもよい。もちろん、この場合も、振動板１４は、短辺１４Ａのみを筐体５４に固定し、長辺側の縁部１４Ｂは、弾性シート３０を介して間接的に固定される。

(7)本発明の好適な応用例としては、携帯電話，携帯情報端末（ＰＤＡ），ボイスレコーダ，ＰＣ（パソコン）などの各種電子機器のスピーカがあるが、これらに限定されるものではなく、他の公知の各種の電子機器に本発明は適用可能である。

本発明によれば、少なくとも一方の主面に圧電素子が貼り合わせられた略長方形状の振動板の長辺側の縁部を鼓状に湾曲形成し、支持体によって前記振動板短辺を全幅に亘って支持する。そして、該支持体と前記振動板の湾曲した縁部との間隙を、前記振動板とヤング率が異なる可撓性を有する弾性シートで覆って、振動板の長辺方向の動きの自由度を向上させ、高音圧を確保しながら、１次共振周波数を低減方向に制御することとしたので、角形状の圧電発音体の用途に適用できる。

本発明の実施例１を示す外観斜視図である。 前記実施例１を示す断面図であり、(A)は前記図１を＃Ａ−＃Ａ線に沿って切断し矢印方向に見た断面図，(B)は前記図１を＃Ｂ−＃Ｂ線に沿って切断し矢印方向に見た断面図である。 前記実施例１の構造を示す分解斜視図である。 前記実施例１の角形スピーカの周波数と音圧の関係を、弾性シートのヤング率ごとに解析した結果を示す図である。 前記実施例１の角形スピーカにおける弾性シートのヤング率と１次共振周波数の関係を示す図である。 前記実施例１と比較例の振動板形状を示す平面図である。 前記実施例１及び比較例の周波数と音圧の関係を示す図である。 前記実施例１の試作品の周波数と実測音圧の関係を示す図である。 本発明の他の実施例を示す図である。

符号の説明

１０，１０Ａ，１０Ｂ：圧電発音体
１２：圧電振動板
１４：振動板
１４Ａ：短辺
１４Ｂ：縁部
１６：突出部
１８：圧電素子
２０Ａ〜２０Ｃ：圧電層
２２Ａ〜２２Ｄ：電極層
２４Ａ，２４Ｂ：スルーホール
２６：支持体
２６Ａ：短辺
２６Ｂ：長辺
２８：間隙
３０：弾性シート
３２Ａ，３２Ｂ：導電性樹脂
３４Ａ，３４Ｂ：導体パターン
３６：絶縁性シート
５０，５２：弾性シート
５４：筐体
５６：角穴
５８：放音孔
６０：圧電発音体
６２：振動板
６２Ａ：短辺
６２Ｂ：長辺
６４：間隙
ａ：長辺方向略中央部での間隙の幅

Claims (7)

1. 一対の長辺側の縁部が鼓状に湾曲した略長方形状の振動板と、該振動板の少なくとも一方の主面に貼り合わせられた圧電素子を含む圧電振動板，
   前記振動板の湾曲した長辺側の縁部との間に間隙を有するとともに、前記振動板の一対の短辺を、該短辺の幅全体に亘って支持する支持体，
   前記振動板の長辺側縁部と前記支持体との間隙を覆う可撓性を有する弾性シート，
   を備えるとともに、
   前記弾性シートと前記振動板のヤング率が異なることを特徴とする圧電発音体。
2. 前記弾性シートのヤング率を、１×１０^６〜１×１０^１１Ｐａとしたことを特徴とする請求項１記載の圧電発音体。
3. 好ましくは、前記弾性シートのヤング率を、１×１０^８〜１×１０^１１Ｐａとしたことを特徴とする請求項２記載の圧電発音体。
4. 前記圧電素子の短辺の長さをｗ，長辺方向略中央部における前記間隙の幅をａとしたときに、ａ＝ｗ／４６〜ｗ／１０の関係を満たすことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の圧電発音体。
5. 前記振動板または弾性シートのヤング率を、長手方向中央部よりも、その両端側で大きくしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の圧電発音体。
6. 前記振動板または弾性シートの厚さを、前記振動板の長手方向両端側よりも、長手方向中央部で薄くしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の圧電発音体。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の圧電発音体を利用したことを特徴とする電子機器。
   
   

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