JP2014183388A - 圧電型電気音響変換器及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】高音質で小型で大振幅な圧電型電気音響変換器及び電子機器を提供すること。
【解決手段】枠状のフレーム１０と、前記フレームの内側に配された圧電素子２と、前記フレームの内側に配されるとともに、主面の片側にて前記圧電素子と接合し、外周端面から外側に延在した複数の凸部１２ａを有する板状部材１２と、前記板状部材の前記凸部の外周端面と前記フレームの内周端面との間に配されるとともに、前記フレームの内周壁面の所定の位置にて接合し、前記板状部材側の面にて前記フレーム側に凹んだガイド部１１ａを有し、前記ガイド部の底部にて前記凸部の外周端面と非接着で接合しており、前記凸部の上下の主面と接触しないように設定された支持部材１１と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電型電気音響変換器及び電子機器に関する。

携帯電話等の電子機器の音響部品として動電型電気音響変換器が利用されている。この動電型電気音響変換器は、永久磁石とボイスコイルと振動膜から構成されている。動電型電気音響変換器の動作原理は、磁石を用いたステータの磁気回路の作用によりボイスコイルに固定された振動膜（有機フィルム等）が振動し、音波を発生させるものである。

近年、携帯電話機やラップトップ型パーソナルコンピュータ等の携帯端末の需要が増えており、動電型電気音響変換器の小型化への要求が高まりつつある。しかしながら、動電型電気音響変換器を小型化する場合、振動膜の放射面の面積が減少するため、音圧レベルが低下するという問題がある。つまり、動電型電気音響変換器の音響性能において重要な示強量である音圧レベルは、振動膜の空気に対する体積排除によって決定されるところ、動電型電気音響変換器を小型化すると振動膜の面積が減少し音圧レベルが低下する。

一方、音圧レベルを向上する手段として、磁気回路の発生力を高めて、振動膜の振幅を増加させる手段がある。しかしながら、この磁気回路の発生力を高める手段においては、磁束密度の増加や駆動電流の増加が必要となり、永久磁石の体積増加やボイスコイルの太線化により、磁気回路の厚みが増加するという問題があり、また、電流量増大に伴う消費電力の増加などの問題もある。

ところで、小型かつ薄型の電気音響変換器を実現する手段として、圧電セラミックスによる圧電効果を利用した圧電型電気音響変換器がある（例えば、特許文献１〜４参照）。この圧電型電気音響変換器は、圧電セラミックスの圧電効果を利用して、電気信号の入力による電歪作用により、振動振幅を発生させて、音波を発生させるものである。上下層を電極材料で拘束された圧電セラミックス自体が振動し、これが駆動源として機能するため、磁石やボイスコイルなど多数の部材から構成される磁気回路に比べ、部材点数が少なく、薄型化に優位である。

特開昭６３−６７９００号公報 特開平１０−２２４８９４号公報 特開２００６−２７９７０１号公報 実開昭６３−６５３９５号公報

以下の分析は、本願発明者により与えられる。

しかしながら、圧電型電気音響変換器では、内部損失が低い圧電セラミックスを振動源とするため、有機フィルムを通して振幅を発生させる動電型電気音響変換器に比べ、機械品質係数Ｑが高い傾向にある。例えば、動電型電気音響変換器は機械品質係数Ｑが３〜５程度であるのに対して、圧電型電気音響変換器では機械品質係数Ｑが約５０程度となる。機械品質係数Ｑは共振時に先鋭度を示すため、要約すると、圧電型電気音響変換器では、基本共振周波数近傍では音圧が高く、それ以外の帯域では音圧が減衰することを意味する。すなわち、音圧レベル周波数特性において、音響特性の山谷が発生し、特定周波数の音が強調されたり、消失されたりして、音楽再生などに十分な音質が得られないという問題がある。

また、圧電型電気音響変換器では、脆性材料である圧電セラミックスを用いるため、落下時の衝撃安定性が弱く、携帯電話機などの小型電子機器に搭載した場合の信頼性確保に問題がある。

このため、動電型電気音響変換器や圧電型電気音響変換器の代替となる、高音質で小型な電気音響変換器を生み出す小型で大振幅なアクチュエータに関する画期的な技術が要求されていた。

本発明の主な目的は、高音質で小型で大振幅な圧電型電気音響変換器及び電子機器を提供することである。

本発明の第１の視点においては、圧電型電気音響変換器において、枠状のフレームと、前記フレームの内側に配された圧電素子と、前記フレームの内側に配されるとともに、主面の片側にて前記圧電素子と接合し、外周端面から外側に延在した複数の凸部を有する板状部材と、前記板状部材の前記凸部の外周端面と前記フレームの内周端面との間に配されるとともに、前記フレームの内周壁面の所定の位置にて接合し、前記板状部材側の面にて前記フレーム側に凹んだガイド部を有し、前記ガイド部の底部にて前記凸部の外周端面と非接着で接合しており、前記凸部の上下の主面と接触しないように設定された支持部材と、を備えることを特徴とする。

本発明の第２の視点においては、電子装置において、前記圧電型電気音響変換器が実装されること特徴とする。

本発明によれば、ガイド部を支持部材に組み込み、ガイド部による応力集中と、ガイド部の組み込みによる座折運動の促進、及び可動範囲の拡大により音圧増加と高音質を実現できる。

本発明の実施形態１に係る圧電型電気音響変換器の構成を模式的に示した（Ａ）平面図、（Ｂ）Ｘ−Ｘ´間の断面図である。 本発明の実施形態２に係る圧電型電気音響変換器の構成を模式的に示した（Ａ）平面図、（Ｂ）Ｘ−Ｘ´間の断面図である。 本発明の実施形態３に係る圧電型電気音響変換器の構成を模式的に示した断面図である。 比較例に係る圧電型電気音響変換器の構成を模式的に示した断面図である。 本発明の実施形態３に係る圧電型電気音響変換器の周波数音圧特性を模式的に示した図である。

［実施形態１］
本発明の実施形態に係る圧電型電気音響変換器について図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施形態１に係る圧電型電気音響変換器の構成を模式的に示した（Ａ）平面図、（Ｂ）Ｘ−Ｘ´間の断面図である。

実施形態１に係る圧電型電気音響変換器１は、圧電の電歪効果を利用して振動振幅を発生させる圧電型の電気音響変換器である。圧電型電気音響変換器１は、例えば、携帯電話機、スマートフォン等の携帯型の電子機器に実装される。圧電型電気音響変換器１は、主な構成部として、圧電素子２と、フレーム１０と、支持部材１１と、板状部材１２と、を有する。

圧電素子２は、圧電の電歪効果を利用して振動振幅を発生させる素子である。圧電素子２は、電極１３、１５間に圧電フィルム１４が挟み込まれた構造となっている。圧電素子２は、電極１５側の主面で板状部材１２に接合（接着、貼合等でも可）しており、圧電素子２の主面に対して上下方向に板状部材１２で拘束される。

電極１３、１５は、圧電フィルム１４の主面の両側に接合した導電性の部材である。電極１３、１５は、圧電フィルム１４と接合（接着、貼合等でも可）している。電極１３、１５は、上方から見て円形（楕円形でも可）に形成されている。電極１３、１５は、フレーム１０の内周壁面から離れている。電極１５は、リード線（図示せず）と電気的に接続されており、当該リード線からの電気信号を圧電フィルム１４に印加させる役割を持つ。なお、電極１３は、板状部材１２が金属板であれば省略することができ、圧電フィルム１４と板状部材１２とを直接接合させてもよい。電極１３、１５には、導電性を有する金属材料（合金等の金属系材料を含む）が用いられ、例えば、銀箔を用いることができ、板状部材１２の材料と同様なリン青銅、ステンレス材料等を用いることができる。電極１３、１５の厚さは、特に限定されないが、圧電フィルム１４への拘束を緩和させるため、圧電フィルム１４の厚さよりも薄いことが好ましい。

圧電フィルム１４は、電極１３、１５間に介在した圧電材料よりなるフィルムである。圧電フィルム１４は、電極１３、１５と接合（接着、貼合等でも可）している。圧電フィルム１４は、上方から見て円形（楕円形でも可）に形成されている。圧電フィルム１４は、フレーム１０の内周壁面から離れている。圧電フィルム１４は、電極１３、１５に電気信号が印加されることにより、電歪効果により振動を発生し、振幅運動を発生し、音波を放射する。圧電フィルム１４には、例えば、圧電セラミックス、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン及び三フッ化エチレンのコポリマー等の有機圧電材料（有機強誘電材料）を用いることができる。

なお、図１では、１つの圧電素子２が板状部材１２の主面の片側のみに接合したユニモルフ構成となっているが、２つの圧電素子２が板状部材１２の主面の両側に接合したバイモルフ構造とすることができる。バイモルフ構造とすることにより、駆動力は高まり、音圧レベルをより向上させることができる。

フレーム１０は、板状部材１２を支持部材１１を介して保持する枠状の部材である。フレーム１０は、上方（図１の上側；板状部材１２の板面の上方）から見て環状に形成されている。フレーム１０は、内周壁面の複数の所定の位置にて支持部材１１と接合（接着、圧入、圧接、嵌合等でも可）している。フレーム１０には、例えば、樹脂材料や、真鍮、ステンレス等を用いることができる。

支持部材１１は、板状部材１２を支持する部材である。支持部材１１は、板状部材１２の凸部１２ａの外周端面とフレーム１０の内周端面との間に配されている。支持部材１１は、板状部材１２の凸部１２ａの個数と同数有する。支持部材１１のフレーム１０側の面は、フレーム１０の内周壁面の所定の位置にて接合（接着、圧入、圧接、嵌合等でも可）している。支持部材１１の板状部材１２側の面には、フレーム１０側に凹んだガイド部１１ａを有する。ガイド部１１ａは、底部にて板状部材１２の凸部１２ａの外周端面と非接着で接合（圧入、圧接、嵌合等でも可）しており、底部の上下両側の壁面がテーパ面（傾斜面）となっており、凸部１２ａの上下の主面と接触しないように設定されている。支持部材１１には、例えば、樹脂材料や、真鍮、ステンレス等を用いることができる。

板状部材１２は、板状の部材である。板状部材１２には、例えば、金属板を用いることができる。板状部材１２は、凸部１２ａを除いて、上方から見て円形（楕円形でも可）に形成されている。板状部材１２は、外周端面から外側に延在した複数の凸部１２ａを有する。凸部１２ａの個数は、特に限定されず、図１のように４個だけでなく、２個、６個等、任意の個数に調整することができる。凸部１２ａの個数の調整により、剛性を変更でき、共振周波数の調整などが容易となる。板状部材１２は、凸部１２ａの外周端面にて、支持部材１１のガイド部１１ａの底面に非接着で接合（圧入、圧接、嵌合等でも可）している。凸部１２ａの上下の主面は、ガイド部１１ａと接触しないように設定されている。板状部材１２は、主面の片側にて圧電素子２と接合（接着等でも可）している。板状部材１２は、圧電素子２を支持すると同時に、電気伝導が可能であるため、圧電素子２の電極としても使用できる。板状部材１２は、リード線（図示せず）と電気的に接続され、当該リード線からの電気信号を圧電素子２の電極１３に印加させる役割を持つ。板状部材１２には、導電性を有し、かつ、振動板として機能する金属材料（合金等の金属系材料を含む）を用いることができ、例えば、リン青銅、ステンレス材料等を用いることができる。板状部材１２の厚さは、特に限定されないが、圧電フィルム１４への拘束を緩和させるため、圧電フィルム１４の厚さよりも薄いことが好ましい。

以上の圧電型電気音響変換器１は、予め所定の形状に形成された板状部材１２、電極１３、圧電フィルム１４、及び、電極１５を貼り合わせて積層し、これらの積層体を支持部材１１を介してフレーム１０の内側に装着することで、製造できる。

実施形態１によれば、ガイド部１１ａを支持部材１１に組み込んでおり、ガイド部１１ａによる応力集中と、ガイド部１１ａの組み込みによる座折運動の促進、及び可動範囲の拡大により音圧増加と高音質を実現できる。また、実施形態１によれば、落下時の強度が高いため、携帯端末用の圧電型電気音響変換器として好適であり、小型・薄型の音響デバイスとして工業価値は大きい。また、実施形態１によれば、板状部材１２を支持部材１１を介してフレーム１０に嵌め込んでいるため、板状部材１２の端部の拘束を緩和でき、可動範囲も拡大する。さらに、実施形態１によれば、支持部材１１にガイド部１１ａを設けているため、音圧に変換する振動面に対して垂直方向の振動を拡大させることができる。

なお、通常の圧電型電気音響変換器では、圧電素子が接合した金属板は、端部が接着剤等を用いてフレームに接合されている。通常の圧電型電気音響変換器のように接着剤等を用いて接合した場合、フレームに対する金属板の拘束力が高まり接合安定性は向上するが、固定端となり振動振幅の変位が減少する。また、通常の圧電型電気音響変換器では、金属板の端部の剛性が高まるため、基本共振周波数も増加する。

なお、特許文献１〜４では、いずれも溝などを設け、振動可動範囲を向上させるものであるが、応力集中及び座折運動の促進が図れない。

［実施形態２］
本発明の実施形態２に係る圧電型電気音響変換器について図面を用いて説明する。図２は、本発明の実施形態２に係る圧電型電気音響変換器の構成を模式的に示した（Ａ）平面図、（Ｂ）Ｘ−Ｘ´間の断面図である。

実施形態２は、実施形態１の変形例であり、圧電素子２、フレーム１０、板状部材１２（凸部１２ａを除く本体部分）の形状を矩形状としたものである。その他の構成は、実施形態１と同様である。

実施形態２によれば、実施形態１と同様な効果を奏する。

［実施形態３］
本発明の実施形態３に係る圧電型電気音響変換器について、比較例を比較しながら図面を用いて説明する。図３は、本発明の実施形態３に係る圧電型電気音響変換器の構成を模式的に示した断面図である。図４は、比較例に係る圧電型電気音響変換器の構成を模式的に示した断面図である。図５は、本発明の実施形態３に係る圧電型電気音響変換器の周波数音圧特性を模式的に示した図である。

実施形態３は、実施形態１の変形例であり、支持部材１１のガイド部１１ｂの底部の上下両側の壁面が湾曲面としたものである（図３参照）。ガイド部１１ｂは、底部にて板状部材１２の凸部１２ａの外周端面と非接着で接合（圧入、圧接、嵌合等でも可）しており、底部の上下両側の壁面の湾曲面が凸部１２ａの上下の主面と接触しないように設定されている。その他の構成は、実施形態１と同様である。

一方、比較例は、板状部材１２の凸部１２ａの外周部分が、支持部材２１によって支持されており、支持部材２１が板状部材１２の凸部１２ａの上下の主面及び外周端面と接触するように設定されている（図４参照）。その他の構成は、実施形態１と同様である。

図５の周波数音圧特性（パラメトリックスピーカとして復調させた音を示したもの）を参照すると、比較例に係る圧電型電気音響変換器（図４の１０１）では、周波数音圧特性において複数のピークを有するのに対して、実施形態３に係る圧電型電気音響変換器（図３の１）では、周波数音圧特性が平坦である。

実施形態３によれば、実施形態１と同様な効果を奏する。

なお、本出願において図面参照符号を付している場合は、それらは、専ら理解を助けるためのものであり、図示の態様に限定することを意図するものではない。

また、本発明の全開示（請求の範囲及び図面を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素（各請求項の各要素、各実施形態ないし実施例の各要素、各図面の各要素等を含む）の多様な組み合わせないし選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲及び図面を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。

（付記）
本発明の第１の視点においては、圧電型電気音響変換器において、枠状のフレームと、前記フレームの内側に配された圧電素子と、前記フレームの内側に配されるとともに、主面の片側にて前記圧電素子と接合し、外周端面から外側に延在した複数の凸部を有する板状部材と、前記板状部材の前記凸部の外周端面と前記フレームの内周端面との間に配されるとともに、前記フレームの内周壁面の所定の位置にて接合し、前記板状部材側の面にて前記フレーム側に凹んだガイド部を有し、前記ガイド部の底部にて前記凸部の外周端面と非接着で接合しており、前記凸部の上下の主面と接触しないように設定された支持部材と、を備えることを特徴とする。

本発明の前記圧電型電気音響変換器において、前記ガイド部は、前記凸部の外周端面と非接着で接合する底部の上下両側の壁面がテーパ面となっていることが好ましい。

本発明の前記圧電型電気音響変換器において、前記ガイド部は、前記凸部の外周端面と非接着で接合する底部の上下両側の壁面が湾曲面となっていることが好ましい。

本発明の前記圧電型電気音響変換器において、前記圧電素子、前記フレーム、前記板状部材における前記凸部を除く本体部分の形状が円形又は楕円形に形成されていることが好ましい。

本発明の前記圧電型電気音響変換器において、前記圧電素子、前記フレーム、前記板状部材における前記凸部を除く本体部分の形状が矩形に形成されていることが好ましい。

本発明の前記圧電型電気音響変換器において、前記フレームの内側に配されるとともに、前記板状部材における前記圧電素子側の主面に対する反対側の主面にて接合する他の圧電素子を備えることが好ましい。

本発明の前記圧電型電気音響変換器において、前記圧電素子は、２つの電極間に圧電フィルムが挟み込まれた構造となっており、前記２つの電極の一方の主面にて前記板状部材と接合することが好ましい。

本発明の前記圧電型電気音響変換器において、前記板状部材は、金属板であり、前記圧電素子は、圧電フィルムの主面の片側に電極が接合した構造となっており、前記圧電素子における前記電極側の主面に対する反対側の主面にて前記板状部材と接合することが好ましい。

本発明の前記圧電型電気音響変換器において、前記板状部材の厚さは、前記圧電フィルムの厚さよりも薄いことが好ましい。

本発明の第２の視点においては、電子装置において、前記圧電型電気音響変換器が実装されること特徴とする。

１、１０１ 圧電型電気音響変換器
２ 圧電素子
１０ フレーム
１１、２１ 支持部材
１１ａ、１１ｂ ガイド部
１２ 板状部材
１２ａ 凸部
１３ 電極
１４ 圧電フィルム
１５ 電極

Claims (10)

1. 枠状のフレームと、
   前記フレームの内側に配された圧電素子と、
   前記フレームの内側に配されるとともに、主面の片側にて前記圧電素子と接合し、外周端面から外側に延在した複数の凸部を有する板状部材と、
   前記板状部材の前記凸部の外周端面と前記フレームの内周端面との間に配されるとともに、前記フレームの内周壁面の所定の位置にて接合し、前記板状部材側の面にて前記フレーム側に凹んだガイド部を有し、前記ガイド部の底部にて前記凸部の外周端面と非接着で接合しており、前記凸部の上下の主面と接触しないように設定された支持部材と、
   を備えることを特徴とする圧電型電気音響変換器。
2. 前記ガイド部は、前記凸部の外周端面と非接着で接合する底部の上下両側の壁面がテーパ面となっていることを特徴とする請求項１記載の圧電型電気音響変換器。
3. 前記ガイド部は、前記凸部の外周端面と非接着で接合する底部の上下両側の壁面が湾曲面となっていることを特徴とする請求項１記載の圧電型電気音響変換器。
4. 前記圧電素子、前記フレーム、前記板状部材における前記凸部を除く本体部分の形状が円形又は楕円形に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の圧電型電気音響変換器。
5. 前記圧電素子、前記フレーム、前記板状部材における前記凸部を除く本体部分の形状が矩形に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の圧電型電気音響変換器。
6. 前記フレームの内側に配されるとともに、前記板状部材における前記圧電素子側の主面に対する反対側の主面にて接合する他の圧電素子を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一に記載の圧電型電気音響変換器。
7. 前記圧電素子は、２つの電極間に圧電フィルムが挟み込まれた構造となっており、前記２つの電極の一方の主面にて前記板状部材と接合することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一に記載の圧電型電気音響変換器。
8. 前記板状部材は、金属板であり、
   前記圧電素子は、圧電フィルムの主面の片側に電極が接合した構造となっており、前記圧電素子における前記電極側の主面に対する反対側の主面にて前記板状部材と接合することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一に記載の圧電型電気音響変換器。
9. 前記板状部材の厚さは、前記圧電フィルムの厚さよりも薄いことを特徴とする請求項７又は８記載の圧電型電気音響変換器。
10. 請求項１乃至９のいずれか一に記載の圧電型電気音響変換器が実装されること特徴とする電子装置。

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