JP2014233026A - 圧電型電気音響変換器及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】音圧レベルを増大させることに貢献する圧電型電気音響変換器が望まれる。【解決手段】圧電型電気音響変換器は、一の面において、複数の第１の音孔が設けられている筐体と、筐体の内部に配設され、複数の第１の音孔のそれぞれと接続された共鳴部と、電気信号が印加されて音響放射をなす複数の圧電アクチュエータと、共鳴部と複数の圧電アクチュエータの音響放射面との間に配設され、複数の第２の音孔が設けられている遮蔽板と、を備える。さらに、複数の共鳴部のそれぞれは、複数の第２の音孔から圧電アクチュエータが放射する音波を入力し、第１の音孔から音波を放射する。【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。

携帯電話等の携帯端末においては、音楽再生、ハンズフリーなどの多彩な音響機能が要求されている。また、モビリティの追求から装置の薄型・小型化が促進されている。こうした中、携帯端末に実装される電気音響変換器に対しては小型・薄型でかつ高音質への要求が高く、高音質の再生が可能な薄型電気音響変換器の開発が要求されている。通常、携帯端末では電気音響変換器として、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を振動させて音波を発生させる動電型電気音響変換器が使用されている。

しかしながら、動電型電気音響変換器の音圧レベルは体積排除量に依存するため、その原理上、薄型化と音圧レベルの増大には限界がある。大音量の再生には振動振幅量の増大が必要であるが、磁気回路の駆動力を考慮した場合、磁束を確保するために、ある程度の磁石容積が必要となるため、大音量化は小型薄型化に対してトレードオフになる。

一方、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。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。

なお、電気音響変換器の音圧レベルを高める手法として、変換器の電気音響変換効率を高める手法に加えて、変換器を電子機器に実装する際の構造を工夫する手法が検討されている。例えば、特許文献１において、圧電振動子を保持するプレートを蛇腹構造にすることで、圧電振動子の振幅を大きくし、低域及び高域の音圧を高める技術が開示されている。また、特許文献２及び３において、電気音響変換器の前方に開口部を有する薄板を設置し、かつ、ホーンを付加することで、尖鋭な指向特性を得る電気音響変換器が開示されている。

特開２０１０−１５７８８６号公報 特開昭５８−８５６９９号公報 特開昭５８−８８９９９号公報

なお、上記先行技術文献の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。以下の分析は、本発明者らによってなされたものである。

上述のように、圧電型電気音響変換器は、小型かつ薄型の電気音響変換器を実現する手段として有効である。しかしながら、圧電型電気音響変換器は、内部損失が低いセラミックス材料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、動電型は３〜５程度に対して、圧電型では約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、圧電型電気音響変換器では、基本共振周波数の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傾向になる。

このように、圧電型電気音響変換器では、音楽再生等に必要な周波数帯域に渡って十分な音圧の確保が難しく、音圧レベルを上げる手法の検討がなされてきた。例えば、圧電振動子の基本共振周波数を所望の値に調整することで音圧レベルを上げる方法の検討がなされている。しかし、このような基本共振周波数を調整する方法では、特定の帯域の音圧レベルは改善するが、音楽の再生等に必要な帯域の音圧レベルを改善することはできない。

以上の状況を鑑み、本発明は、音圧レベルを増大させることに貢献する圧電型電気音響変換器及び電子機器を提供することを目的とする。

本発明の第１の視点によれば、一の面において、複数の第１の音孔が設けられている筐体と、前記筐体の内部に配設され、前記複数の第１の音孔のそれぞれと接続された共鳴部と、電気信号が印加されて音響放射をなす複数の圧電振動子と、前記共鳴部と前記圧電振動子の音響放射面との間に配設され、複数の第２の音孔が設けられている遮蔽板と、を備え、前記複数の共鳴部のそれぞれは、複数の前記第２の音孔から前記圧電振動子が放射する音波を入力し、前記第１の音孔から音波を放射する圧電型電気音響変換器が提供される。

本発明の第２の視点によれば、上記圧電型電気音響変換器を備える電子機器が提供される。

本発明の各視点によれば、音圧レベルを増大させることに貢献する圧電型電気音響変換器及び電子機器が、提供される。

一実施形態の概要を説明するための図である。 第１の実施形態に係る圧電型電気音響変換器１０の正面図の一例を示す図である。 圧電型電気音響変換器１０の内部の構成の一例を示す図である。 圧電アクチュエータ１３の構造の一例を示す断面図である。 図２のＡ−Ａの垂直方向の断面図の一例を示す図である。 第１の実施形態に係る圧電型電気音響変換器１０と、比較例に係る圧電型電気音響変換器の音圧レベルの周波数特性をそれぞれ示すグラフである。 比較例に係る圧電型電気音響変換器の断面図の一例を示す図である。

初めに、図１を用いて一実施形態の概要について説明する。なお、この概要に付記した図面参照符号は、理解を助けるための一例として各要素に便宜上付記したものであり、この概要の記載はなんらの限定を意図するものではない。

上述のように、音圧レベルを増大させることに貢献する圧電型電気音響変換器が望まれる。

そこで、一例として図１に示す断面の構造を備える圧電型電気音響変換器１００を提供する。圧電型電気音響変換器１００は、一の面において、複数の第１の音孔１０１が設けられている筐体１０２と、筐体１０２の内部に配設され、複数の第１の音孔１０１のそれぞれと接続された共鳴部１０３と、電気信号が印加されて音響放射をなす複数の圧電アクチュエータ１０４と、共鳴部１０３と複数の圧電アクチュエータ１０４の音響放射面との間に配設され、複数の第２の音孔１０５が設けられている遮蔽板１０６と、を備える。さらに、複数の共鳴部１０３のそれぞれは、複数の第２の音孔１０５から圧電アクチュエータ１０４が放射する音波を入力し、第１の音孔１０１から音波を放射する。

圧電型電気音響変換器１００は、筐体１０２の内部に、複数の圧電アクチュエータ１０４が放射する音波を入力する共鳴部１０３を形成する。共鳴部１０３では、これらの音波が互いに干渉し、第１の音孔１０１から放射する音波の音圧レベルを増大させることができる。

以下に具体的な実施の形態について、図面を参照してさらに詳しく説明する。

［第１の実施形態］
第１の実施形態について、図面を用いてより詳細に説明する。

図２は、本実施形態に係る圧電型電気音響変換器１０の正面図の一例を示す図である。図２を参照すると、圧電型電気音響変換器１０の筐体１１の一の面には、複数の音孔１２が設けられている。なお、図２において、円形状の音孔１２を図示しているが、これは音孔１２の形状を限定する趣旨ではない。音孔１２の形状は、矩形形状や星型形状等、どのような形状であってもよい。

図３は、圧電型電気音響変換器１０の内部の構成の一例を示す図である。圧電型電気音響変換器１０は、その内部にアレイ状に配列された複数の圧電アクチュエータ１３を含んでいる。圧電アクチュエータ１３は、フレーム１６により区画され、支持されている。なお、図３に示すように、圧電アクチュエータ１３の形状は円形である。

図４は、圧電アクチュエータ１３の構造の一例を示す断面図である。圧電アクチュエータ１３は、圧電素子２０３と板状部材２０４から構成される。圧電素子２０３と板状部材２０４は、電極２０２ｂ側の主面で板状部材２０４に接合（接着等でも可）している。

圧電素子２０３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２０３は、電極２０２ａと電極２０２ｂの間に圧電セラミックス２０１が挟み込まれた構造となっている。電極２０２ａ及び２０２ｂは、圧電セラミックス２０１の主面の両側に接合した導電性の部材である。電極２０２ａ及び２０２ｂは、リード線（図示せず）と電気的に接続されており、リード線からの電気信号を圧電セラミックス２０１に印加させる役割を持つ。圧電素子２０３の電極２０２ａと電極２０２ｂの間に電圧を印加すると、圧電セラミックス２０１が振動し、圧電素子２０３と接合された板状部材２０４を振動させることで音響放射をなす。なお、電極２０２ｂは、板状部材２０４が金属板であれば省略することができ、圧電セラミックス２０１と板状部材２０４とを直接接合させてもよい。

圧電セラミックス２０１としては、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などを使用することができる。勿論、各種の多くの圧電セラミックス等の圧電素子を必要に応じ選択して用いることができる。

板状部材２０４は、板状の部材であって、圧電アクチュエータ１３の圧電素子２０３を拘束する。また、板状部材２０４は、その側面においてフレーム１６と接合（接着等でも可）されている。板状部材２０４には、例えば、金属板を用いることができる。金属材料としては、例えば、リン青銅、ステンレス、マグネシウム、アルミニウム、チタン又はベリリウム、或いはこれらの合金などが例示される。

図５は、図２のＡ−Ａの垂直方向の断面図の一例を示す図である。図５を参照すると、アレイ状に並べられた複数の圧電アクチュエータ１３ａ〜１３ｅが支持部材１４ａ及び１４ｂにより筐体１１と接合（接着）されている。支持部材１４ａ及び１４ｂは、金属材料や樹脂材料により構成され、筐体１１の上下方向に延伸し、圧電アクチュエータ１３を支持する役割を担う。また、筐体１１の音孔１２が配設された面と圧電アクチュエータ１３の音響放射面の間に、遮蔽板１５が配置されている。

遮蔽板１５の側面は、支持部材１４ａ及び１４ｂの側面に接合（接着等でも可）されると共に、複数の圧電アクチュエータ１３の間に設けられたフレーム１６ａ〜１６ｄにより支持される。さらに、遮蔽板１５には、複数の音孔１７が設けられている。遮蔽板１５の音孔１７は、遮蔽板１５の下方に位置する圧電アクチュエータ１３に対応して設けられている。例えば、圧電アクチュエータ１３ａに対応する遮蔽板１５の音孔は、音孔１７ａである。同様に、圧電アクチュエータ１３ｂに対応する遮蔽板１５の音孔は、音孔１７ｂである。圧電アクチュエータ１３が放射する音波は、遮蔽板１５に設けられた音孔１７を介して、遮蔽板１５の上方に放射される。

上述のように、筐体１１には複数の音孔１２が設けられている。筐体１１の内部には、音孔１２の下方に円錐形状の共鳴部１８が形成されている。共鳴部１８は、筐体１１に設けられた複数の音孔１２のそれぞれと、円錐形状の頂点にて接続されるように形成されている。また、共鳴部１８は、遮蔽板１５に設けられた複数の音孔１７に跨がるように形成される。例えば、共鳴部１８ａは、遮蔽板１５の音孔１７ａ及び１７ｂを介して、遮蔽板１５の下方の空間と接続されている。換言するならば、共鳴部１８ａは、遮蔽板１５の音孔１７ａの下方に位置する圧電アクチュエータ１３ａが放射する音波と、遮蔽板１５の音孔１７ｂの下方に位置する圧電アクチュエータ１３ｂが放射する音波と、を入力する。

なお、本実施形態においては、共鳴部１８は円錐形状とするが、共鳴空間が形成できる形状であればどのような形状であってもよい。例えば、三角錐や四角錐等の多角錐であってもよい。また、共鳴部１８の大きさを規定する直径Ｌ１と高さＬ２に関しても、共鳴空間が形成できればどのような大きさであってもよい。但し、発明者らの検討の結果、高さＬ２は２ｍｍ以上であって、直径Ｌ１の高さＬ２に対する比（Ｌ１／Ｌ２）が３以上であることが望ましいことが判明している。また、本実施形態においては、１つの圧電アクチュエータ１３に対応する遮蔽板１５の音孔１７は１つとするが、音孔１７の数は複数であってもよい。音孔１７により、共鳴部１８に音波が放射できればよい。

このように、複数の共鳴部１８のそれぞれは、複数の音孔１７から圧電アクチュエータ１３が放射する音波を入力する。あるいは、少なくとも２以上の圧電アクチュエータ１３のそれぞれが、対応する音孔１７を介して、１つの共鳴部１８に音波を放射していると捉えることもできる。共鳴部１８が入力する複数の音波は、共鳴部１８が有する円錐形状の空間にて、互いに干渉又は共鳴し、筐体１１に設けられた音孔１２から大気に放射される。なお、遮蔽板１５は、その材料を金属とするのが望ましい。遮蔽板１５には、例えば、アルミニウムやチタン等の比較的軽い材料を用いるのが、圧電型電気音響変換器１０を内蔵する電子機器の軽量化の観点から好適である。

以上のように、遮蔽板１５は、共鳴部１８同士を遮蔽し、又は共鳴部１８と圧電アクチュエータ１３が音波を放射する空間を遮蔽する（仕切る）機能を備える。あるいは、遮蔽板１５は、各圧電アクチュエータ１３が放射する音波を共鳴部１８に入力するガイドとしても機能する。

図６は、第１の実施形態に係る圧電型電気音響変換器１０と、比較例に係る圧電型電気音響変換器の音圧レベルの周波数特性をそれぞれ示すグラフである。なお、図６に示すグラフは、以下の条件の下での実験結果である。
・圧電セラミックス２０１は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を主材料とし、直径１０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍとする。
・板状部材２０４は、リン青銅を主材料とし、直径１２ｍｍ、厚さ０．０３ｍｍとする。
・遮蔽板１５の音孔１７の直径は３ｍｍとする。
・圧電セラミックス２０１と遮蔽板１５との距離（図５のＬ３）は、０．５ｍｍとする。
・共鳴部１８の直径（図５のＬ１）は１２ｍｍ、高さ（図５のＬ２）は２ｍｍとする。

ここで、第１の実施形態に係る圧電型電気音響変換器１０と比較例に係る圧電型電気音響変換器は、遮蔽板１５と円錐形状の共鳴部１８を備えていない点が相違する（図７参照）。なお、図７において図５と同一構成要素には、同一の符号を表し、説明を省略する。

図６を参照すると、第１の実施形態の方が、全体的に音圧レベルが高いことが確認できる。即ち、本実施形態に係る圧電型電気音響変換器１０は、複数の圧電アクチュエータ１３が放射する音波を円錐形状の共鳴部１８における作用（音波の干渉・共鳴）により増幅して、音孔１２から大気に放出するため、音圧レベルを増大させることができる。換言するならば、本実施形態に係る圧電型電気音響変換器１０は高効率である。

本実施形態に係る圧電型電気音響変換器１０は、携帯端末等の機器全般に好適に適用され、例えば、携帯電話、スマートフォン、ゲーム機、タブレットＰＣ（Personal Computer）、ノートＰＣ、ＰＤＡ（Personal Data Assistants；携帯情報端末）、デジタルカメラ等に好適である。また、圧電型電気音響変換器１０を電子機器に搭載する場合には、筐体１１を電子機器の筐体と一体化してもよい。その場合には、圧電型電気音響変換器１０に電気信号を供給する回路等を搭載する基板を、アレイ状に並べられた複数の圧電アクチュエータ１３の下方に配置するのが望ましい。

また、本実施形態に係る圧電型電気音響変換器１０をパラメトリックスピーカの音源に利用することで、高音質な再生が可能である。より具体的には、圧電アクチュエータ１３から、振幅変調（Amplitude Modulation）や周波数変調（Frequency Modulation）により生成された超音波を共鳴部１８に放射する。さらに、複数の圧電アクチュエータ１３が放射する超音波を、円錐形状の共鳴部１８にて干渉させて、可聴音に復調する。即ち、空気中での非線形現象を利用せずに、共鳴部１８にて可聴音への復調が可能であるため、復調効率が向上する。

このように、発振周波数を超音波帯域にすることで、圧電振動子又は圧電型電気音響変換器を小型化できると共に、超音波の直進性を利用して指向性を制御することが可能となり、ユーザ位置の近傍に限定されたプライバシ音源の実現が可能となる。即ち、本実施形態に係る圧電型電気音響変換器１０は、再生信号を超音波に搬送させて、復調させるパラメトリックスピーカとして、好適に利用できる。

よって、本実施形態に係る圧電型電気音響変換器１０は、小型、且つ、大音圧で高音質な再生を高効率で可能な電子機器用の音響デバイスとして、高い工業的価値を有している。

上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載され得るが、以下には限られない。

［付記１］
上述の第１の視点に係る圧電型電気音響変換器のとおりである。
［付記２］
前記複数の共鳴部のそれぞれは、円錐形状又は多角錐形状であって、前記共鳴部の頂点に前記第１の音孔が設けられている付記１の圧電型電気音響変換器。
［付記３］
前記複数の圧電振動子は、複数の前記第２の音孔を介して、１つの前記共鳴部に音波を放射する付記１又は２の圧電型電気音響変換器。
［付記４］
前記複数の圧電振動子は、前記筐体の内部にて、アレイ状に配列されている付記１乃至３のいずれか一に記載の圧電型電気音響変換器。
［付記５］
パラメトリックスピーカとして利用される付記１乃至４のいずれか一に記載の圧電型電気音響変換器。
［付記６］
上述の第２の視点に係る電子機器のとおりである。

なお、引用した上記の特許文献等の各開示は、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示（請求の範囲を含む）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。特に、本書に記載した数値範囲については、当該範囲内に含まれる任意の数値ないし小範囲が、別段の記載のない場合でも具体的に記載されているものと解釈されるべきである。

１０、１００ 圧電型電気音響変換器
１１、１０２ 筐体
１２、１７、１７ａ、１７ｂ、１０１、１０５ 音孔
１３、１３ａ〜１３ｅ、１０４ 圧電アクチュエータ
１４ａ、１４ｂ 支持部材
１５、１０６ 遮蔽板
１６、１６ａ〜１６ｄ フレーム
１８、１８ａ、１０３ 共鳴部
２０１ 圧電セラミックス
２０２ａ、２０２ｂ 電極
２０３ 圧電素子
２０４ 板状部材

Claims (6)

1. 一の面において、複数の第１の音孔が設けられている筐体と、
   前記筐体の内部に配設され、前記複数の第１の音孔のそれぞれと接続された共鳴部と、
   電気信号が印加されて音響放射をなす複数の圧電アクチュエータと、
   前記共鳴部と前記複数の圧電アクチュエータの音響放射面との間に配設され、複数の第２の音孔が設けられている遮蔽板と、
   を備え、
   前記複数の共鳴部のそれぞれは、複数の前記第２の音孔から前記圧電アクチュエータが放射する音波を入力し、前記第１の音孔から音波を放射する圧電型電気音響変換器。
2. 前記複数の共鳴部のそれぞれは、円錐形状又は多角錐形状であって、前記共鳴部の頂点に前記第１の音孔が設けられている請求項１の圧電型電気音響変換器。
3. 少なくとも２以上の前記圧電アクチュエータのそれぞれが、対応する前記第２の音孔を介して、１つの前記共鳴部に音波を放射する請求項１又は２の圧電型電気音響変換器。
4. 前記複数の圧電アクチュエータは、前記筐体の内部にて、アレイ状に配列されている請求項１乃至３のいずれか一項に記載の圧電型電気音響変換器。
5. パラメトリックスピーカとして利用される請求項１乃至４のいずれか一項に記載の圧電型電気音響変換器。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の圧電型電気音響変換器を備える電子機器。

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