JP2008028594A - 圧電型電気音響変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電型電気音響変換器の大きさ、生産性、コスト等を損なうことなく、その音圧レベルと音質とを向上させる。
【解決手段】圧電型電気音響変換器１は、フレーム２０と、金属板１１に圧電素子１２，１３が接合されてなる圧電振動子１０と、この圧電振動子１０の周辺部を前記フレーム２０に支持するリング状のＰＥＴ樹脂等の樹脂フィルムからなる支持部材３０とを備え、この支持部材３０の表面にメッシュ状の凹凸やシボの凹凸を成形し、支持部材３０の外形はそのままで、圧電振動子１０の大きな変位が妨げれることのない柔軟性を支持部材３０に付加する。
【選択図】図１

Description

本発明は、携帯電話機、ＰＤＡ、ＰＣ、デジタルカメラ等の電子機器に内蔵され、音源として使用される圧電型電気音響変換器に関する。

特許文献１，２には、フレームと、金属板に圧電素子が接合されてなる圧電振動子と、この圧電振動子の周辺部を前記フレームに支持する支持部材とを備えた圧電型電気音響変換器の発明が記載され、また特許文献１では段落［００２０］に支持部材をＰＥＴ、ＰＢＴ等のポリエステル、ポリイミド及び塩化ビニル又は他のプラスチック等の樹脂の薄板により構成すること、特許文献２では段落［００１９］に支持部材は板状であって、かつリング状のものであり、例えば、プラスチック、カーボン等の成型品により構成することが記載されている。そして、特許文献３には、圧電振動子の大きな変位を妨げることなく、圧電型電気音響変換器の音圧レベルと音質とを向上させるために、支持部材に厚み方向に湾曲した湾曲部を設けることが記載されている。
特開平９−２７１０９６号公報 特開２００１−３３９７９３号公報 特開２００１−３３９７９１号公報

特許文献１，２に記載された発明では、支持部材に比較的硬い材料が使用されているため、圧電振動子の大きな変位が妨げられるという課題を有するが、この課題は、特許文献１，２に記載された発明に特許文献３に記載された技術事項を適用することで解決することができる。

本発明の解決課題は、特許文献３では、支持部材に厚み方向に湾曲した湾曲部を設けることで、圧電振動子の大きな変位を妨げないようにしているが、圧電振動子とフレームの間に大きな湾曲部を形成する寸法的余裕がない場合には適用できない。そして、そもそも圧電型電気音響変換器はダイナミック型電気音響変換器に比べて外形を小型・薄型にできるということで、小型電子機器の音源として使用されているもので、圧電振動子とフレームの間には大きな湾曲部を形成できるような寸法的余裕はなく、特許文献１，２に記載された発明に特許文献３に記載された技術事項を適用することはできず、フレームと、金属板に圧電素子が接合されてなる圧電振動子と、この圧電振動子の周辺部を前記フレームに支持する支持部材とを備えた圧電型電気音響変換器では、圧電振動子の大きな変位が妨げられ、音圧レベルと音質とが低下する点にある。また圧電振動子とフレームの間に大きな湾曲部を形成できたとしても、圧電素子の大型化が今以上に制限されることになるため、圧電素子を大きくして低域の音圧レベルを上げ音質向上を図ることができなくなること、湾曲部は組み立て時や振動時に潰れ（凹み等）が生じ易く機能を維持し難くいこと、成形が面倒、かつ難しくコストアップになること等の不都合を招く点にある。

上記課題を解決するため、本発明は、フレームと、金属板に圧電素子が接合されてなる圧電振動子と、この圧電振動子の周辺部を前記フレームに支持するリング状の支持部材とを備えた圧電型電気音響変換器において、前記支持部材の表面に凹凸を成形したことを特徴とする。

前記支持部材の表面の凹凸は、その支持部材の外形はそのままで、圧電振動子の大きな変位が妨げれることのない柔軟性をその支持部材に付加する。また支持部材を圧電振動子の金属板及びフレームに接着剤を用いて接合する際、その接合強度も高める。その凹凸は容易に潰れることなく成形も容易に行える。

前記支持部材は、表面にメッシュ状の凹凸を成形した樹脂フィルム、又は表面にシボの凹凸を成形した樹脂フィルムにより構成することが望ましい。樹脂フィルムの成型材料は、例えば剛性に優れ、成型が容易で材料コストも安価なポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）樹脂、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）樹脂、ポリイミド（ＰＩ）樹脂、ポリアミド（ＰＡ）樹脂等が望ましい。

本発明は、圧電型電気音響変換器の大きさ、生産性、コスト等を損なうことなく、その音圧レベルと音質とを向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の実施の形態に係る圧電型電気音響変換器を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。

圧電型電気音響変換器１は、フレーム２０と、薄い円板状の金属板１１の両面（表裏面）に薄い円板状の第１及び第２の圧電素子１２，１３が同芯状に接合されてなる圧電振動子１０と、圧電振動子１０とフレーム２０の間に設け、圧電振動子１０の周辺部をフレーム２０に支持するリング状の支持部材３０と、から構成される。

金属板１１の直径（圧電振動子１０の直径）は、第１及び第２の圧電素子１２，１３の直径より大きい。図１には同径（同じ表面積）の第１及び第２の圧電素子１２，１３を示したが、異径の第１及び第２の圧電素子１２，１３を使用してもよい。

金属板１１には、例えば厚みが数十μｍのニッケル鉄合金、真鍮、リン青銅等の銅合金やステンレス等の金属板が好適に使用される。

第１の圧電素子１２は、薄い円板状の圧電体１２ａの両面に薄膜状の電極１２ｂ，１２ｃを形成したものである。第２の圧電素子１３も同様に、薄い円板状の圧電体１３ａの両面に薄膜状の電極１３ｂ，１３ｃを形成したものである。圧電体１２ａ，１３ａには、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の厚みが数十μｍの圧電セラミックスが好適に使用される。

電極１２ｂ，１２ｃ，１３ｂ，１３ｃは、例えば圧電体１２ａ，１３ａの両面に、蒸着法やスパッタ法により厚み数μｍの金属薄膜電極として形成したものである。又は圧電体１２ａ，１３ａの両面に、銀成分を含むペースト状の電極材料をスクリーン印刷した後、それを焼成することにより厚み数μｍの電極として形成したものである。

第１の圧電素子１２と金属板１１との接合は、第１の圧電素子１２をこの片面側にある例えば電極１２ｃが金属板１１と導通するように、第１の圧電素子１２を電極１２ｃ側の片面で接着剤により貼り合わせて行われる。第２の圧電素子１３と金属板１１との接合も同様に、第２の圧電素子１３をこの片面側にある例えば電極１３ｃが金属板１１と導通するように、第２の圧電素子１３を電極１３ｃ側の片面で接着剤により貼り合わせて行われる。

上記のように圧電振動子１０は、薄い円板状の金属板１１の両面に薄い円板状の第１及び第２の圧電素子１２，１３が同芯状に接合されてバイモルフ型に構成されている。

バイモルフ型の圧電振動子１０には、第１の圧電素子１２の非接合側の電極１２ｂに第１のリード線１４が半田１４ａにより接続されると共に、第２の圧電素子１３の非接合側の電極１３ｂに第２のリード線１５が半田１５ａにより接続され、金属板１１の片面側の外縁部に第３のリード線１６が半田１６ａにより接続される。

そして、第１のリード線１４と第２のリード線１５を短絡した状態で、これらと第３のリード線１６との間に外部回路から駆動電圧を印加し、即ち第１の圧電素子１２の両面に形成された電極１２ｂ，１２ｃ間及び第２の圧電素子１３の両面に形成された電極１３ｂ，１３ｃ間に外部回路から駆動電圧を印加し、径方向の変位として取り出し、且つ、その変位により金属板１１に撓みを起こすことで圧電振動子１０に上下の振幅を生じさせることにより、音を発音する。

なお、第１及び第２の圧電素子１２，１３は、板厚方向に分極するように、予め所定の高電圧を印加することにより電気的分極処理を施してある。また第１の圧電素子１２の変位と第２の電圧素子１３の変位が相殺されないように、第１の圧電素子１２にこの分極方向と同方向の電界が印加された場合、第２の圧電素子１３にはこの分極方向と逆向きの電界を印加するようになっている。

フレーム２０は、後述する支持部材３０の外縁部を上下（表裏）から挟む第１の枠フレーム２１と第２の枠フレーム２２と、から構成される。これらは同一構造のため、第１の枠フレーム２１のみを説明し、第２の枠フレーム２２の説明を省略する。第１の枠フレーム２１は、例えば板厚が数百μｍの略正方形の樹脂板や金属板の中央部に、円形の貫通孔を同芯状に開口したものでる。第１の枠フレーム２１の内径は、圧電振動子１０の外径（金属板１１の直径）より大きく、且つ、後述する支持部材３０の内径より大きくその外径より小さい。第１の枠フレーム２１の外形（大きさ）は、その一辺が後述する支持部材３０の外径と略同じ長さを有する。なお、第１の枠フレーム２１と第２の枠フレーム２２、即ちフレーム２０の外形は、円形にしてもよい。

支持部材３０は、リング状の樹脂フィルムから構成される。この支持部材３０には、例えば剛性に優れ、成型が容易で材料コストも安価であることから、厚みが数十μｍのポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）樹脂、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）樹脂、ポリイミド（ＰＩ）樹脂、ポリアミド（ＰＡ）樹脂等の樹脂フィルムが好適に使用される。又は、そのリング状の樹脂フィルムを２枚貼り合わせた２層構造の樹脂フィルムを使用してもよい。支持部材３０の内径は、第１及び第２の圧電素子１２，１３の直径より大きく、かつ金属板１１（圧電振動子１０）の外径より大きい。支持部材３０の外径は、フレーム２０の一辺の長さと略同寸法とされる。

ここで、支持部材３０の表面には、圧電振動子１０の大きな変位が妨げれることのない柔軟性をその支持部材３０に付加するための凹凸を成形してある。この凹凸は、例えば樹脂フィルムを布地の上に乗せ、感熱性リングを乗せて上から熱をかけて布地のメッシュを樹脂フィルムの表面に転写させることによりメッシュ状の凹凸（図１（Ａ）の（ａ）参照）として成形したものである。又はシボ加工を施すことにより樹脂フィルムの表面にシボの凹凸（図１（Ａ）の（ｂ）参照）として成形したものである。これらメッシュ状の凹凸、又はシボの凹凸を表面に成形した樹脂フィルムをリング状に打ち抜くことにより支持部材３０が製造される。凹凸は支持部材３０の片面だけに成形しても、又は両面に成形してもよい。

上記のような構成部品から圧電型電気音響変換器１を組み立てるには、（１）支持部材３０の内縁部をその片面側で、例えばＪＩＳ Ａ硬度で４０以下のゴム系の弾性接着剤等により金属板１１の片面側の外縁部に貼り合わせて接合し、圧電振動子１０の周囲に支持部材３０を同芯状に取り付ける。（２）支持部材３０の外縁部を前記（１）と反対側の片面側で、例えばＪＩＳ Ａ硬度で１０以下のゴム系の弾性接着剤、アクリル系接着剤等により第１の枠フレーム２１の上面に貼り合わせて接合し、第１の枠フレーム２１の内側に支持部材３０を介して圧電振動子１０を同芯状に取り付ける。（３）第２の枠フレーム２２の下面を、前記（２）と同様の接着剤により支持部材３０の外縁部の上記（２）と反対側の片面側に貼り合わせて接合し、支持部材３０の外縁部を上下から挟んだ状態で上下に重ね合わされて一体化された第１の枠フレーム２１と第２の枠フレーム２２からなるフレーム２０を構成する。このようにして、上下面を開口したフレーム２０の内側に支持部材３０を介して圧電振動子１０が振動可能に収容保持された圧電型電気音響変換器の半製品を組み立てる。（４）圧電型電気音響変換器の半製品に対して、第１のリード線１４を第１の圧電素子１２の非接合側の電極１２ｂに半田１４ａにより接続すると共に、第２のリード線１５を第２の圧電素子１３の非接合側の電極１３ｂに半田１５ａにより接続し、さらに第３のリード線１６を、金属板１１の前記（１）と反対側の外縁部に半田１６ａにより接続する。これにより、圧電型電気音響変換器１が組み立てられる。

圧電型電気音響変換器１の組み立ては、上記の他、支持部材３０の外縁部を第１の枠フレーム２１の上面に接合し、その支持部材３０の内縁部に金属板１１の外縁部に接合した後、上記（３）を行う、又は支持部材３０の外縁部を第１の枠フレーム２１の上面に接合し、その支持部材３０の外縁部に第２の枠フレーム２２の下面を接合してフレーム２０を構成した後、上記（１）を行うことにより、圧電型電気音響変換器の半製品を組み立ててもよい。各リード線１４，１５，１６の半田接続は、圧電型電気音響変換器の半製品の組み立て後に行われる。金属板１１、即ち圧電振動子１０と支持部材３０との接合は、周波数特性の広帯域化を図る等の目的で、圧電振動子１０が撓み易いように、柔らかい軟質の接着剤を用いた。第１の枠フレーム２１及び第２の枠フレーム２２、即ちフレーム２０と支持部材３０との接合は、圧電振動子１０を駆動した際、この圧電振動子１０と支持部材３０、即ち振動系がフレーム２０から外れないように、強い接着力を有し、耐久性に優れた硬質の接着剤を用いたが、振動系とフレーム２０の間に音漏れの原因となる隙間を生じないように、軟質の接着剤を用いることができる。各リード線１４，１５，１６の接続は、半田１４ａ，１５ａ，１６ａの他、溶接や導電性接着剤等の接合手段を用いることができる。

圧電型電気音響変換器１は、フレーム２０の上下面（表裏面）に円形の開口部が形成されるため、放音はどちらの面からでも行うことができる。即ち圧電振動子１０の第１の圧電素子１２の側及び第２の圧電素子１３の側どちらからでも放音することができる。フレーム２０は、第１の枠フレーム２１と第２の枠フレーム２２の２ピース構造であり、第１の枠フレーム２１と第２の枠フレーム２２をより確実に一体化し、それを確実に維持するように、フレーム２０の外縁部に金属カバー等を被着し、第１の枠フレーム２１と第２の枠フレーム２２をクランプすることができる。フレーム２０の外形は、略正方形の角型に成形したが、円型に成形することもできる。フレーム２０には、１ピース構造の枠フレームを用いることができる。この場合、内壁面に段差面を設けることにより、この段差面に支持部材３０の外縁部を接合し、圧電振動子１０を保持することができる。また、リング状の押さえ部材を用い、第１の枠フレーム２１と第２の枠フレーム２２と同様に支持部材３０の外縁部を段差面とで挟むこともできる。

圧電型電気音響変換器１は、例えば携帯電話機のハウジングに設けられる音孔の内側に装着され、圧電振動子１０の平面部に対し、正面方向から音を発音してもよいし、或いは、側面方向から音を発音するように構成してもよい。また、各リード線１４，１５，１６の末端をそれぞれ基板の所定の半田付けランドに半田接続することにより、圧電スピーカとして使用される。

図２は、上記圧電型電気音響変換器１と同じ構造の本発明の実施例に係る圧電型電気音響変換器（以下、「実施例」という。）と、従来の圧電型電気音響変換器（以下、「比較例」という。）との周波数−音圧特性の例を示したグラフであり、実施例を実線で、比較例を破線で示している。

比較例は、表面に凹凸を成形していない支持部材３０を使用した以外、実施例と同じ構造にした。

そして、実施例と比較例それぞれについて、それを所定位置に設置すると共に、音源から１０ｃｍの場所にマイクを設置し、第１の圧電素子１２の両面に形成された電極１２ｂ，１２ｃ間及び第２の圧電素子１３の両面に形成された電極１３ｂ，１３ｃ間に１０ボルトの駆動電圧を印加し、周波数−音圧特性を測定した結果、図２から明らかなように、実施例では１．５〜２ＫＨｚの周波数において比較例に比べて高い音圧レベルが得られていることがわかる。

図３は、上記実施例と比較例との周波数−歪率特性の例を示したグラフであり、実施例を実線で、比較例を破線で示している。この図３から明らかなように、実施例では１．５ＫＨｚ以降の周波数において比較例に比べて小さな歪率が得られていることがわかる。

以上から明らかなように、圧電型電気音響変換器１は、フレーム２０と、金属板１１に圧電素子１２，１３が接合されてなる圧電振動子１０と、この圧電振動子１０の周辺部を前記フレーム２０に支持するリング状の支持部材３０とを備え、前記支持部材３０の表面に凹凸を成形したものである。

前記支持部材３０の表面の凹凸は、その支持部材３０の外形はそのままで、圧電振動子１０の大きな変位が妨げれることのない柔軟性をその支持部材３０に付加する。また支持部材３０を圧電振動子１０の金属板１１及びフレーム２０に接着剤を用いて接合する際、その接合強度も高める。その凹凸は容易に潰れることなく成形も容易に行える。前記支持部材３０の表面の凹凸の成形の範囲は、その支持部材３０の全面であってもよいし、或いは、前記フレーム２０で挟持された支持部材３０の外縁部を除く部分にだけ成形されるようにしてもよい。

前記支持部材３０は、表面にメッシュ状の凹凸を成形した樹脂フィルム、ウレタンフィルム、又は表面にシボの凹凸を成形した、例えば剛性に優れ、成型が容易で材料コストも安価なポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）樹脂、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）樹脂、ポリイミド（ＰＩ）樹脂、ポリアミド（ＰＡ）樹脂などの樹脂フィルムにより構成することができる。

したがって、圧電型電気音響変換器の大きさ、生産性、コスト等を損なうことなく、その音圧レベルと音質とを向上させることができる。

以上、実施の形態は本発明の好適な一実施の形態を示したが、本発明はそれに限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々変形実施することができる。例えば本発明は、金属板の片面側のみに圧電素子が接合されてなるユニモルフ型の圧電振動子を支持部材を介してフレームに保持するユニモルフ型の圧電型電気音響変換器にも好適に実施できるものである。

本発明の一実施の形態に係る圧電型電気音響変換器を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。 本発明の実施例に係る圧電型電気音響変換器とそれと対比すべき比較例の周波数−音圧特性を示すグラフである。 本発明の実施例に係る圧電型電気音響変換器とそれと対比すべき比較例の周波数−歪率特性を示すグラフである。

符号の説明

１ 圧電型電気音響変換器
１０ 圧電振動子
１１ 金属板
１２ 第１の圧電素子
１３ 第２の圧電素子
２０ フレーム
３０ 支持部材

Claims (3)

1. フレームと、金属板に圧電素子が接合されてなる圧電振動子と、この圧電振動子の周辺部を前記フレームに支持するリング状の支持部材とを備えた圧電型電気音響変換器において、前記支持部材の表面に凹凸を成形したことを特徴とする圧電型電気音響変換器。
2. 前記支持部材は、表面にメッシュ状の凹凸を成形した樹脂フィルムにより構成する請求項１に記載の圧電型電気音響変換器。
3. 前記支持部材は、表面にシボの凹凸を成形した樹脂フィルムにより構成する請求項１に記載の圧電型電気音響変換器。

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