JP2006304021A - 圧電型電気音響変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】レシーバとスピーカとしての異なる両特性を１つのデバイスで満足させることができる圧電型電気音響変換器を提供する。
【解決手段】筐体３０，４０の内部に圧電振動板Ａを収容支持し、筐体の内部に圧電振動板Ａを間にして前気室と後気室とを形成し、前気室を構成する筐体の部位に放音孔４１を設け、後気室を構成する筐体の部位に制動孔３０ｇと調整孔３０ｈとを設ける。調整孔３０ｈを電気信号により開閉できる調整弁５０を筐体に取り付け、レシーバとして使用する場合には調整孔３０ｈを閉じ、スピーカとして使用する場合は調整孔３０ｈを開くことで、レシーバとスピーカとしての両特性を１つのデバイスで実現する。
【選択図】 図１

Description

本発明はレシーバとスピーカとに共用できる圧電型電気音響変換器に関するものである。

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スピーカや圧電レシーバとして圧電型電気音響変換器が広く用いられている。
一般に圧電型電気音響変換器は、ケースの中に圧電振動板を収容し、圧電振動板の周囲をケースの内周部に空気もれなく支持した構造となっており、圧電振動板で仕切られたケースの片側に前気室、他側に後気室が形成される。前気室には放音孔が形成され、後気室には制動孔が形成される。

携帯電話機用のレシーバには、ＧＳＭ（Global System for Mobile Communication) 方式のようにマスク規格のあるものが存在する。圧電レシーバの場合、凹凸のある音圧特性であるために、後気室の制動孔面積を小さくしたり、制動孔をメッシュのような音響抵抗材で覆うことで、共振部にダンピングをかけ、マスク規格に対応した平坦な特性を得る手法が取られている（特許文献１参照）。

一方、携帯電話機には音を発音させるデバイスとして、着信を知らせるスピーカも必要である。このスピーカをレシーバと同一のデバイスで共用できれば、部品数量を削減できるが、上記のようなダンピングをかけたレシーバに高い電圧をかけても、ダンピングの影響によりスピーカとして満足な音圧を得ることができない。
特開平８−２０５２８９号公報

そこで、本発明の目的は、レシーバとスピーカとしての異なる両特性を１つのデバイスで満足させることができる圧電型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、請求項１に係る発明は、筐体の内部に圧電振動板を収容支持し、上記筐体の内部に上記圧電振動板を間にして前気室と後気室とを形成し、前気室を構成する筐体の部位に放音孔を設け、後気室を構成する筐体の部位に制動孔を設けてなる圧電型電気音響変換器において、上記後気室を構成する筐体の部位に調整孔を設け、上記調整孔を電気信号により開閉できる調整弁を上記筐体に取り付けたことを特徴とする圧電型電気音響変換器を提供する。

本圧電型電気音響変換器をレシーバとして使用する場合には、圧電振動板にレシーバとして機能する信号を入力し、圧電振動板を振動させる。これと同時に、調整弁によって調整孔を閉じておくことで、制動孔のダンピング作用により、平坦な音圧特性を得ることができる。ダンピング作用を得るため、制動孔を小さく絞るか、あるいはメッシュなどの音響抵抗材で覆ってもよい。
一方、スピーカとして使用する場合には、圧電振動板にスピーカとして機能する信号を入力し、圧電振動板を振動させる。これと同時に、調整弁によって調整孔を開くことで、後気室に制動孔と調整孔の両方を開口させ、ダンピング作用が効かないようにする。そのため、スピーカとして満足な音圧を得ることができる。
このように調整孔を開閉する調整弁を設けることで、レシーバとスピーカを１つのデバイスで共用することができる。

請求項２のように、圧電振動板の駆動電圧が所定値より低いときには調整弁が調整孔を閉じ、駆動電圧が所定値より高いときには上記調整弁が調整孔を開くように調整弁を制御する制御回路を設けるのがよい。
調整弁を開閉作動させる電気信号として、圧電振動板の駆動電圧とは別個の信号を用いることができるが、回路が複雑になる。これに対し、請求項２のように圧電振動板の駆動電圧を利用すれば、レシーバ駆動用信号の電圧はスピーカ駆動用信号の電圧に比べて低いので、その電圧差を利用して調整弁を開閉させることができ、回路を簡素化できる。このようにレシーバとして利用する場合は調整弁を閉じ、スピーカとして利用する場合は調整弁を開くことができる。
この場合の調整弁としては、圧電振動板と同様に圧電体を利用したアクチュエータを使用することができる。

請求項３のように、後気室を構成する筐体の部位に空気孔を設け、圧電振動板により発生する音圧が大きい時に空気孔を開くよう変形する空気弁を筐体に取り付けてもよい。
音圧が大きなスピーカ使用時に、後気室の圧力が高くなるので、その圧力により空気弁を開き、ダンピング作用をさらに弱めることができる。

本発明における圧電振動板としては、圧電体のみで構成したもの、圧電体を金属板に貼り付けた構造のものと、さらに圧電体を樹脂シートに貼り付けた構造のものでもよい。

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、電気信号により調整孔を調整弁によって開閉できるので、レシーバとして使用する場合には調整孔を閉じ、スピーカとして使用する場合は調整孔を開くことで、レシーバとスピーカとしての異なる両特性を１つのデバイスで満足させることができる。

以下に、本発明の実施の形態を、実施例を参照して説明する。

図１〜図６は本発明にかかる圧電型電気音響変換器である圧電レシーバ兼スピーカの一例を示す。
この実施例は、圧電振動板Ａと、圧電振動板Ａを貼り付けた樹脂フィルムＢと、樹脂フィルムＢ付きの圧電振動板Ａを収納した筐体とを備えている。ここでは、筐体は、凹状のケース３０と平板状カバー４０とで構成されている。

圧電振動板Ａは、図３，図４に示すように、２つの圧電素子１，１０を中間層２０を間にして積層接着したものであり、全体として長方形状に形成されている。上側の圧電素子１は、２層の圧電セラミックス層１ａ，１ｂを積層したものであり、圧電素子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、矢印Ｐで示すように厚み方向において逆方向に分極されている。下側の圧電素子１０も上側の圧電素子１と同様な構造を有するが、分極方向Ｐが逆方向となっている。すなわち、２層の圧電セラミックス層１０ａ，１０ｂを積層し、表裏主面には主面電極１２，１３が形成され、セラミックス層１０ａ，１０ｂの間には内部電極１４が形成されている。２つのセラミックス層１０ａ，１０は、矢印Ｐで示すように厚み方向において逆方向に分極されている。
ここでは、セラミックス層１ａ，１ｂ，１０ａ，１０ｂとして、外形寸法が１８×９．６ｍｍ、１層の厚みが１５μｍの長方形状のＰＺＴ系セラミックスを使用した。
この実施例では、圧電素子１，１０として２層の圧電セラミックス層を持つ圧電素子を用いたが、単一の圧電セラミックス層または３層以上の圧電セラミックス層を持つ圧電素子でもよく、圧電振動板Ａが全体として屈曲振動できるものであればよい。

この実施例の中間層２０は、エポキシ系接着剤よりなり、その厚みは約３０μｍである。中間層２０としては、ヤング率および密度がセラミックスより小さいものがよく、具体的にはヤング率が１×１０² 〜１×１０⁴ ＭＰａ、密度が０．８〜２．０ｋｇ／ｍ³ のものがよい。なお、本実施例で使用した圧電セラミックスはヤング率が６．３×１０⁴ ＭＰａ、密度が７．８×１０³ ｋｇ／ｍ³ である。

圧電素子１の表側の主面電極２と裏側の主面電極３、および圧電素子１０の表側の主面電極１２と裏側の主面電極１３は、圧電素子１，１０の一方の端面および中間層２０の一方の端面に形成された端面電極５を介して相互に接続されている。また、圧電素子１の内部電極４および圧電素子１０の内部電極１４は、圧電素子１，１０の他方の端面および中間層２０の他方の端面に形成された端面電極６に接続されている。上側の圧電素子１の主面電極２の一部は切除されており、この切除部に端面電極６と接続された補助電極７が形成されている。なお、図３では端面電極５，６を圧電素子１，１０と中間層２０とで分離して記載したが、実際には圧電素子１，１０と中間層２０とを積層接着した後で連続的に形成される。
端面電極５，６間に交流信号を印加すれば、一方の圧電素子が平面方向に拡張し、他方の圧電素子が平面方向に収縮する。つまり、両方の圧電素子１，１０が平面方向に逆方向に伸縮するので、圧電振動板Ａを全体として屈曲振動させることができる。

圧電振動板Ａの表裏面は、図３に示すように樹脂層８，９で覆われている。この樹脂層８，９は、落下衝撃による圧電素子１，１０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、例えば厚みが５μｍ程度である。表側の樹脂層８の１つの短辺の両コーナ部には、主面電極２の一部が露出する切欠部８ａと、補助電極７が露出する切欠部８ｂとが形成されている。また、裏側の樹脂層９にも同様な切欠部９ａ，９ｂが形成されているが、これら切欠部は表裏の方向性をなくすために設けたものであり、省略可能である。

圧電振動板Ａは、これより大形な長方形の樹脂フィルムＢの表面の略中央部に貼り付けられている。粘着剤としては、例えばシリコーン系、アクリル系などの粘着剤が使用される。但し、粘着に限らず、接着または熱溶着でもよい。樹脂フィルムＢは、圧電振動板Ａより薄肉で、かつヤング率が１〜２００ＭＰａの樹脂材料で形成されている。具体的には、エチレンプロピレンゴム、スチレンブタジエンゴムなどの柔らかい樹脂材料が望ましい。
ここでは、外形寸法が２２．０×１１．０ｍｍ、厚みが７０μｍのエチレンプロピレンゴムを使用した。

ケース３０は、図１，図２に示すように樹脂材料で底壁部３０ａと４つの側壁部３０ｂ〜３０ｅとを持つ長方形の箱型に形成されている。樹脂材料としては、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。ケース３０の側壁部３０ｂ〜３０ｅの内側には、段差状の支持部３０ｆが形成されており、樹脂フィルムＢの周辺部はこの支持部３０ｆに支持されている。ケース３０の対向する短辺側の２つの側壁部３０ｂ，３０ｄの内側であって、支持部３０ｆの上面には、それぞれ２箇所に端子３１，３２および端子３３，３４が露出している。これら端子３１〜３４は、ケース３０にインサート成形されており、一部はケース３０の底面に露出している（図２参照）。これにより、表面実装型の圧電型電気音響変換器を構成できる。

ケース３０の底壁部３０ａには、制動孔３０ｇと、これより大口径の調整孔３０ｈとが形成されており、調整孔３０ｈは調整弁５０によって開閉される。調整弁５０と端子３３，３４との間はリード線５１，５２によって接続されている。リード線５１，５２に代えて導電性接着剤を使用してもよい。調整弁５０は、図５，図６に示すように、一端がケース３０の底壁部３０ａの内面に固定されており、他端が自由端となっている。調整弁５０は、金属板５０ａを挟んで両側に圧電体５０ｂ，５０ｃを貼り付けたバイモルフアクチュエータよりなり、圧電体５０ｂ，５０ｃの表面に形成した電極と金属板５０ａとが制御回路６０に接続されている。制御回路６０から圧電体５０ｂ，５０ｃの表面に形成した電極と金属板５０ａとの間に電気信号を印加することにより、図５に示すように調整弁５０は反るように変形し、調整孔３０ｈを開放することができる。信号印加を中止すれば、調整弁５０は自身の弾性により調整孔３０ｈを閉じる位置に戻る。この実施例の調整弁５０はケース３０の内面に取り付けられているので、後気室の圧力上昇により調整弁５０が開くことがない。
ダンピング作用を発揮させるため、制動孔３０ｇの開口径を絞ったが、これに代えてメッシュなどの音響抵抗材で覆ってもよい。

樹脂フィルムＢ付きの圧電振動板Ａは支持部３０ｆに支持され、圧電振動板Ａの上面に露出した２つの電極２，７と、端子３１，３２とがそれぞれ導電性接着剤３５，３６によって接続されている。導電性接着剤３５，３６により接続した後、封止剤３７により樹脂フィルムＢの周囲が支持部３０ｆに対して固定される。これにより、樹脂フィルムＢとケース３０との間が空気漏れなく封止され、樹脂フィルムＢとケース３０との間に後気室が形成される。
なお、封止剤３７としては、例えばシリコーン系接着剤やエポキシ系接着剤などを使用することができる。

ケース３０の側壁部３０ｂ〜３０ｅの上面には、カバー４０が接着され、樹脂フィルムＢとカバー４０との間に前気室が形成される。カバー４０には放音孔４１が形成されており、この放音孔４１から前気室で発生した音波が出力される。

図７は上記構成よりなる圧電型電気音響変換器をレシーバとして用いた場合の音圧特性図であり、（ａ）は調整孔３０ｈを開放した状態、（ｂ）は調整孔３０ｈを閉鎖した状態を示す。図において、破線はＧＳＭのマスク規格を示す。
調整孔３０ｈが開放状態の場合、ダンピングがされないため、（ａ）のように４００Ｈｚ〜２ｋＨｚでマスク規格をはみ出ているのに対し、閉鎖状態であれば、制動孔３０ｇのダンピング作用によりマスク規格内に収まっていることがわかる。

図８は上記構成よりなる圧電型電気音響変換器をスピーカとして用いた場合の音圧特性図であり、（ａ）は調整孔３０ｈを開放した状態、（ｂ）は調整孔３０ｈを閉鎖した状態を示す。
調整孔３０ｈが閉鎖状態の場合、制動孔３０ｇのダンピングの影響により、（ｂ）のように１０００Ｈｚ付近（第１共振付近）で音圧レベルが低く、スピーカとして満足な音圧を得ることができない。これに対し、開放状態の場合には、ダンピングされないため、（ａ）のように１０００Ｈｚ付近を含む広い領域で音圧レベルが高く、スピーカとして満足な音圧を得ることができた。
なお、図７，図８を比較すれば明らかなように、スピーカの音圧レベルがレシーバの音圧レベルより低いが、その理由は、レシーバの音圧測定方法が音源から離れずに直接測定するのに対し、スピーカの音圧測定方法は音源から１０ｃｍ離れて測定するためである。

調整弁５０を開閉作動させる電気信号として、圧電振動板Ａの駆動電圧を利用してもよい。すなわち、レシーバ駆動用信号の電圧はスピーカ駆動用信号の電圧に比べて低いので、圧電振動板Ａに低い電圧（レシーバ駆動用信号）が出力された場合には調整弁５０に電圧を印加しないようにし、圧電振動板Ａに高い電圧（スピーカ駆動用信号）が出力された場合には調整弁５０に電圧を印加することで、圧電振動板Ａの駆動と調整弁５０の開閉とを連動させることができる。その結果、調整弁５０を駆動するための格別の信号源を必要とせず、回路を簡素化できる。

なお、圧電振動板Ａの駆動電圧は交流信号であるが、バイモルフアクチュエータよりなる調整弁５０の駆動電圧は直流信号である。
調整弁５０としては、バイモルフアクチュエータに限るものではなく、電気信号により変位して調整孔３０ｈを開閉できるものであれば、如何なるものでも使用できる。

図９，図１０は本発明にかかるケースの第２実施例を示す。なお、第１実施例のケース３０と同一部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
この実施例のケース３０Ａは、制動孔３０ｇと２つの調整孔３０ｈとを備えており、この２つの調整孔３０ｈをケース３０Ａの外面から閉じる空気弁５３と、ケース３０Ａの内面から閉じる空気弁５４とが取り付けられている。空気弁５３，５４としてはばね弾性を有する金属板や樹脂板を用いることで、通常時およびレシーバとして使用する時は、２つの調整孔３０ｈを閉じておくことができる。

この実施例では、スピーカとして使用する場合のように後気室が高圧力となった時、圧力によって空気弁５３が図１０のように撓み、内部の空気を逃がすことができる。また、同様に後気室が低圧力になった時、圧力によって空気弁５４が撓み、内部に空気を取り入れることができる。そのため、制動孔３０ｇによるダンピング作用が一層弱められ、スピーカとしての音圧特性がさらに向上する。一方、レシーバとして使用する場合は、後気室の圧力が低いので、２つの調整孔３０ｈは開放されず、所望のダンピング作用を得ることができる。

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Ａは、樹脂フィルムＢの上に貼り付けられ、中間層を間にして２層の圧電素子を積層した構造のものを示したが、これに限定されるものではなく、例えば金属板に圧電体を貼り付けた構造の圧電振動板でもよいし、圧電体のみで構成された圧電振動板でもよい。
筐体の構造は、実施例のように凹型ケースの上に平板状カバーを接着した構造に限らないことは勿論である。

本発明に係る圧電型電気音響変換器の一例の分解斜視図である。 図１に示すケースの裏面側から見た斜視図である。 図１に示す圧電振動板の分解斜視図である。 図３に示す圧電振動板の概略断面図である。 図１のＶ−Ｖ線拡大断面図である。 調整弁の拡大断面図である。 図１に示す圧電型電気音響変換器をレシーバとして使用した場合の調整孔を開放した状態および閉鎖した状態の音圧特性図である。 図１に示す圧電型電気音響変換器をスピーカとして使用した場合の調整孔を開放した状態および閉鎖した状態の音圧特性図である。 本発明にかかるケースの第２実施例の裏面側から見た斜視図である。 図９のＸ−Ｘ線断面図である。

符号の説明

Ａ 圧電振動板
Ｂ 樹脂フィルム
１，１０ 圧電素子
３０ ケース
３０ｇ 制動孔
３０ｈ 調整孔
４０ カバー
４１ 放音孔
５０ 調整弁
５３、５４ 空気弁
６０ 制御回路

Claims (3)

1. 筐体の内部に圧電振動板を収容支持し、上記筐体の内部に上記圧電振動板を間にして前気室と後気室とを形成し、前気室を構成する筐体の部位に放音孔を設け、後気室を構成する筐体の部位に制動孔を設けてなる圧電型電気音響変換器において、
   上記後気室を構成する筐体の部位に調整孔を設け、
   上記調整孔を電気信号により開閉できる調整弁を上記筐体に取り付けたことを特徴とする圧電型電気音響変換器。
2. 上記圧電振動板の駆動電圧が所定値より低いときには上記調整弁が調整孔を閉じ、上記駆動電圧が所定値より高いときには上記調整弁が調整孔を開くように上記調整弁を制御する制御回路を設け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. 上記後気室を構成する筐体の部位に空気孔を設け、
   上記圧電振動板により発生する音圧が大きい時に上記空気孔を開くよう変形する空気弁を上記筐体に取り付けたことを特徴とする請求項１または２に記載の圧電型電気音響変換器。

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