JP2018019386A - 電気音響変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】音響特性の向上を図ることができる電気音響変換装置を提供する。
【解決手段】電気音響変換装置は、筐体と、圧電式発音体３２とを具備する。圧電式発音体３２は、筐体に直接又は間接的に支持される周縁部を有する第１の振動板３２１と、第１の振動板の少なくとも一方の面に配置された圧電素子３２２とを有し、第１の振動板の中心軸Ｃ１に関して剛性が非対称に構成される。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えばイヤホンあるいはヘッドホン、携帯情報端末等に適用可能な電気音響変換装置に関する。

圧電発音素子は、簡易な電気音響変換手段として広く利用されており、例えば、イヤホンあるいはヘッドホンのような音響機器、さらには携帯情報端末のスピーカなどとして多用されている。圧電発音素子は、典型的には、振動板の片面あるいは両面に圧電素子を貼り合わせた構成を有する（例えば特許文献１参照）。

一方、特許文献２には、ダイナミック型ドライバと圧電型ドライバとを備え、これら２つのドライバを並列駆動させることで帯域幅の広い再生を可能としたヘッドホンが記載されている。上記圧電型ドライバは、ダイナミック型ドライバの前面を閉塞し振動板として機能するフロントカバーの内面中央部に設けられており、この圧電型ドライバを高音域用ドライバとして機能させるように構成されている。

特開２０１３−１５０３０５号公報 実開昭６２−６８４００号公報

近年、例えばイヤホンやヘッドホン等の音響機器においては、音質の更なる向上が求められている。このため圧電発音素子においては、その電気音響変換機能の特性向上が必要不可欠とされている。また、ダイナミック型スピーカと組み合わせた場合における高音域での高音圧化が望まれている。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、音響特性の向上を図ることができる電気音響変換装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る電気音響変換装置は、筐体と、圧電式発音体とを具備する。
上記圧電式発音体は、上記筐体に直接又は間接的に支持される周縁部を有する第１の振動板と、上記第１の振動板の少なくとも一方の面に配置された圧電素子とを有し、上記第１の振動板の中心軸に関して剛性が非対称に構成される。

上記電気音響変換装置において、圧電式発音体は、第１の振動板の中心軸に関して剛性が非対称な構造を有するため、第１の振動板の振動モードが面内において不均一となる。これにより、高域での音圧レベルがブロード化し、音圧特性が向上することで、良好な音質の再生が可能となる。

上記圧電素子は、上記第１の振動板に対して偏心した位置に配置されてもよい。
これにより第１の振動板の振動モードを中心軸に関して非対称とすることができる。

上記圧電式発音体は、上記第１の振動板を厚み方向に貫通する通路部をさらに有してもよい。
上記通路部は、上記第１の振動板の面内に設けられた少なくとも１つの開口部を含んでもよいし、上記周縁部に設けられた少なくとも１つの切欠き部を含んでもよい。

上記電気音響変換装置は、第２の振動板を含む電磁式発音体をさらに具備してもよい。この場合、上記筐体は、第１の空間部と、第２の空間部とを有する。
上記第１の空間部には、前記電磁式発音体が配置される。上記第２の空間部は、上記通路部を介して上記第１の空間部と連通し、上記圧電式発音体と上記電磁式発音体とにより生成される音波を外部へ導く導音路を有する。

上記通路部は、複数の通路部を含んでもよい。この場合、上記導音路は、上記複数の通路部のうち開口面積が最も大きい通路部に対向する位置に設けられる。これにより、電磁式発音体からの発生音波を効率よく導音路へ導くことができるため、電磁式発音体の音響特性の向上が図れるようになる。

上記第１の振動板および上記圧電素子の平面形状は特に限定されず、典型的には、上記第１の振動板の平面形状は円形であり、上記圧電素子の平面形状は矩形である。

上記圧電式発音体は、環状部材をさらに有してもよい。上記環状部材は、上記筐体に固定され、上記第１の振動板の周縁部を支持する。
これにより、筐体に対する圧電式発音体の組立て作業性が向上するとともに、第１の振動板と第２の振動板との間の距離の調整が容易となる。

第１の振動板と第２の振動板との距離は特に限定されず、各振動板の大きさ、目的とする音響特性等に応じて適宜設定することが可能である。例えば、上記第２の振動板の直径に対する上記第１の振動板と上記第２の振動板との距離の比を、０．１５２以上０．２１２以下とすることができる。これにより、８ｋＨｚ付近の音圧特性の落ち込みを改善することができる。

上記第１の振動板は、上記第２の振動板に対して偏心した位置に配置されてもよい。このような構成によっても、音響特性の改善を図ることが可能となる。

以上述べたように、本発明によれば、音響特性の向上を図ることができる。

本発明の一実施形態に係る電気音響変換装置を示す概略側断面図である。 上記電気音響変換装置における電磁式発音体を示す概略側断面図である。 上記電気音響変換装置における圧電式発音体を示す概略底面図である。 上記圧電式発音体における圧電素子の概略側断面図である。 構成の異なる２つの圧電式発音体を説明する概略平面図である。 上記２つの圧電式発音体の周波数特性を比較して示すシミュレーション結果である。 上記電気音響変換装置の周波数特性を示す実験結果である。 本発明の第２の実施形態において説明する圧電式発音体の一構成例を示す平面図である。 上記圧電式発音体の他の構成例を示す平面図である。 上記圧電式発音体の他の構成例を示す平面図である。 上記圧電式発音体の他の構成例を示す平面図である。 図１０の構成の変形例を示す平面図である。 図１０の構成の変形例を示す平面図である。 図１１の構成の変形例を示す平面図である。 図１０および図１３に示す圧電式発音体を備えた電気音響変換装置における電磁式発音体の周波数特性を比較して示す実験結果である。 本発明の第３の実施形態に係る電気音響変換装置の構成を示す概略側断面図である。 上記電気音響変換装置の音圧特性を示す一実験結果である。 上記電気音響変換装置において第２の振動板の直径（ｄ）に対する第１および第２の振動板間の距離（ｈ）との比と所定周波数帯域における音圧との関係を示す一実験結果である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の一実施形態に係る電気音響変換装置としてのイヤホン１００の構成を示す概略側断面図である。
図において、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は相互に直交する３軸方向を示している。

［イヤホンの全体構成］
イヤホン１００は、イヤホン本体１０と、イヤピース２０とを有する。イヤピース２０は、イヤホン本体１０の導音路４１に取り付けられるとともに、ユーザの耳に装着可能に構成される。

イヤホン本体１０は、発音ユニット３０と、発音ユニット３０を収容する筐体４０とを有する。発音ユニット３０は、電磁式発音体３１と、圧電式発音体３２とを有する。

［筐体］
筐体４０は、発音ユニット３０を収容する内部空間を有し、Ｚ軸方向に分離可能な２分割構造で構成される。筐体４０の底部４１０には、発音ユニット３０により生成される音波を外部へ導く導音路４１が設けられている。

筐体４０は、圧電式発音体３２の周縁部を支持する支持部４１１を有する。支持部４１１は円環状に形成されており、底部４１０の周縁部から上方側へ突出するように設けられている。図において支持部４１１の上面は、ＸＹ平面に平行な平面で形成されており、後述する圧電式発音体３２の周縁部を直接又は他の部材を介して間接的に支持する。

筐体４０の内部空間は、圧電式発音体３２によって第１の空間部Ｓ１と第２の空間部Ｓ２とに区画される。第１の空間部Ｓ１には電磁式発音体３１が配置される。第２の空間部Ｓ２は、導音路４１に連通する空間部であり、圧電式発音体３２と筐体４０の底部４１０との間に形成される。第１の空間部Ｓ１と第２の空間部Ｓ２とは、圧電式発音体３２の開口部３３１〜３３７（図３参照）を介して相互に連通している。

［電磁式発音体］
電磁式発音体３１は、低音域を再生するウーハ（Woofer）として機能するダイナミック型スピーカユニットで構成される。本実施形態では、例えば７ｋＨｚ以下の音波を主として生成するダイナミックスピーカで構成され、ボイスコイルモータ（電磁コイル）等の振動体を含む機構部３１１と、機構部３１１を振動可能に支持する台座部３１２とを有する。

電磁式発音体３１の機構部３１１の構成は特に限定されない。図２は、機構部３１１の一構成例を示す要部の断面図である。機構部３１１は、台座部３１２に振動可能に支持された振動板Ｅ１（第２の振動板）と、永久磁石Ｅ２と、ボイスコイルＥ３と、永久磁石Ｅ２を支持するヨークＥ４とを有する。振動板Ｅ１は、その周縁部が台座部３１２の底部とこれに一体的に組み付けられる環状固定具３１０との間に挟持されることで、台座部３１２に支持される。

ボイスコイルＥ３は、巻き芯となるボビンに導線を巻きつけて形成され、振動板Ｅ１の中央部に接合されている。また、ボイスコイルＥ３は、永久磁石Ｅ２の磁束の方向に対して垂直に配置される。ボイスコイルＥ３に交流電流（音声信号）を流すとボイスコイルＥ３に電磁力が作用するため、ボイスコイルＥ３は信号波形に合わせて図中Ｚ軸方向に振動する。この振動がボイスコイルＥ３に連結された振動板Ｅ１に伝達され、第１の空間部Ｓ１（図１）内の空気を振動させることにより上記低音域の音波を発生させる。

電磁式発音体３１は、筐体４０の内部に適宜の方法で固定される。電磁式発音体３１の上部には、発音ユニット３０の電気回路を構成する回路基板３３が固定されている。回路基板３３は、筐体４０のリード部４２を介して導入されたケーブル５０と電気的に接続され、図示しない配線部材を介して電磁式発音体３１及び圧電式発音体３２へそれぞれ電気信号を出力する。

［圧電式発音体］
圧電式発音体３２は、高音域を再生するツイータ（Tweeter）として機能するスピーカユニットを構成する。本実施形態では、例えば７ｋＨｚ以上の音波を主として生成するようにその発振周波数が設定される。圧電式発音体３２は、振動板３２１（第１の振動板）と、圧電素子３２２とを有する。

振動板３２１は、金属（例えば４２アロイ）等の導電材料または樹脂（例えば液晶ポリマー）等の絶縁材料で構成され、その平面形状は円形に形成される。振動板３２１の外径や厚みは特に限定されず、筐体４０の大きさ、再生音波の周波数帯域などに応じて適宜設定される。本実施形態では、直径約８〜１２ｍｍ、厚み約０．２ｍｍの振動板が用いられる。

振動板３２１は、導音路４１に臨む第１の主面３２ａと、電磁式発音体３１に臨む第２の主面３２ｂとを有する。本実施形態において圧電式発音体３２は、振動板３２１の第１の主面３２ａにのみ圧電素子３２２が接合されたユニモルフ構造を有する。
なおこれに限られず、圧電素子３２２は、振動板３２１の第２の主面３２ｂに接合されてもよい。また、圧電式発音体３２は、振動板３２１の両主面３２ａ，３２ｂに圧電素子がそれぞれ接合されたバイモルフ構造で構成されてもよい。

振動板３２１は、筐体４０の支持部４１１に支持される周縁部３２１ｃを有する。周縁部３２１ｃは、支持部４１１に粘着材層を介して弾性的に支持される。上記粘着材層は適度な弾性を有することが好ましい。これにより振動板３２１は支持部４１１に対して弾性的に支持されるため、振動板３２１の共振のぶれが抑制され、振動板３２１の安定した共振動作が確保される。

なお、振動板３２１は、その周縁部３２１ｃを支持する環状部材を介して支持部４１１に固定されてもよい。上記環状部材としては、ゴムや樹脂等の弾性を有する材料で構成されるのが好ましく、これにより上述と同様の作用効果を得ることができる。あるいは、上記環状部材は、比較的剛性の高い材料で構成されるとともに、上記粘着材層を介して支持部４１１へ接合されてもよい。

図３は、圧電式発音体３２の平面図（あるいは底面図）である。同図に示すように、圧電式発音体３２は、振動板３２１の中心軸Ｃ１（振動板３２１の中心を通るＺ軸方向に平行な軸）に関して剛性が非対称に構成される。

ここで、中心軸Ｃ１に関して剛性が非対称とは、構造、形状あるいは物性等が中心軸Ｃ１に関して非対称であることをいい、特に、振動板３２１の発振時において振動モードが中心軸Ｃ１に関して非対称となるような形態をいう。

本実施形態では、圧電素子３２２の平面形状は矩形状であり、圧電素子３２２の中心軸Ｃ２（圧電素子３２２の中心を通るＺ軸に平行な軸）は、振動板３２１の中心軸Ｃ１よりもＸ軸方向に所定量だけ変位している。つまり、圧電素子３２２は、振動板３２１に対して偏心した位置に配置される。これにより、振動板３２１の振動中心が中心軸Ｃ１とは異なる位置にずれるため、圧電式発音体３２の振動モードが中心軸Ｃ１に関して非対称となる。

さらに、振動板３２１は、図３に示すように、中心線ＣＬ（振動板３２１の中心を通るＹ軸方向に平行な線）を境として右半分の領域と左半分の領域とで形状（形態）の異方性を有する。つまり、圧電式発音体３２は、振動板３２１を厚み方向に貫通する複数の開口部３３１〜３３７（通路部）を有し、各開口部３３１〜３３７が以下のような態様で形成されることで、中心線ＣＬに関して非対称に構成される。

開口部３３１は、振動板３２１の周縁部３２１ｃと圧電素子３２２の一側辺部との間の領域に概略半円または半月形状に形成され、開口部３３１〜３３７のうち最も大きな開口面積を有する。圧電式発音体３２は、開口部３３１が導音路４１の入口に対向するように支持部４１１に組み立てられる（図１参照）。

開口部３３２〜３３５は、周縁部３２１ｃと圧電素子３２２との間の領域に設けられた円形の孔で構成される。そのうち開口部３３２，３３３は、中心線ＣＬ上の、中心軸Ｃ１に関して対称な位置にそれぞれ設けられ、開口部３３４，３３５は、開口部３３１と開口部３３２，３３３との間にそれぞれ設けられる。開口部３３２〜３３５はそれぞれ同一径（例えば直径約１ｍｍ）の丸孔で形成されるが、勿論これに限られない。

一方、開口部３３６，３３７は、開口部３３２，３３３と圧電素子３２２との間にそれぞれ設けられ、Ｘ軸方向に長辺を有する矩形状に形成される。開口部３３６，３３７は、圧電素子３２２の周縁部に沿って形成され、それらの一部は、圧電素子３２２の周縁部に部分的に被覆される。開口部３３６，３３７は、振動板３２１の表裏を貫通する通路としての機能のほか、後述するように、圧電素子３２２の有する２つの外部電極間の短絡防止の機能をも有する。

図４は、圧電素子３２２の内部構造を示す概略断面図である。

圧電素子３２２は、素体３２８と、Ｙ軸方向に相互に対向する第１の外部電極３２６ａ及び第２の外部電極３２６ｂとを有する。また、圧電素子３２２は、相互に対向するＺ軸に垂直な第１の主面３２２ａ及び第２の主面３２２ｂを有する。圧電素子３２２の第２の主面３２２ｂは、振動板３２１の第１の主面３２ａに対向する実装面として構成される。

素体３２８は、セラミックシート３２３と、内部電極層３２４ａ，３２４ｂとがＺ軸方向に積層された構造を有する。つまり、内部電極層３２４ａ，３２４ｂは、セラミックシート３２３を挟んで交互に積層されている。セラミックシート３２３は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、アルカリ金属含有ニオブ酸化物等の圧電材料によって形成されている。内部電極層３２４ａ，３２４ｂは各種金属材料などの導電性材料によって形成されている。

素体３２８の第１の内部電極層３２４ａは、第１の外部電極３２６ａに接続されるとともに、セラミックシート３２３のマージン部によって第２の外部電極３２６ｂから絶縁されている。また、素体３２８の第２の内部電極層３２４ｂは、第２の外部電極３２６ｂに接続されるとともに、セラミックシート３２３のマージン部によって第１の外部電極３２６ａから絶縁されている。

図４において、第１の内部電極層３２４ａの最上層は、素体３２８の表面（図４において上面）を部分的に被覆する第１の引出電極層３２５ａを構成し、第２の内部電極層３２４ｂの最下層は、素体３２８の裏面（図４において下面）を部分的に被覆する第２の引出電極層３２５ｂを構成する。第１の引出電極層３２５ａは、回路基板３３（図１）と電気的に接続される一方の極の端子部３２７ａを有し、第２の引出し電極層３２５ｂは、適宜の接合材を介して振動板３２１の第１の主面３２ａに電気的かつ機械的に接続される。振動板３２１が導電性材料で構成される場合、接合材には、導電性接着剤、はんだ等の導電性接合材が用いられてもよく、この場合には他方の極の端子部を振動板３２１に設けることができる。

第１及び第２の外部電極３２６ａ，３２６ｂは、素体３２８のＹ軸方向の両端面の略中央部に各種金属材料などの導電性材料によって形成されている。第１の外部電極３２６ａは、第１の内部電極層３２４ａ及び第１の引出電極層３２５ａと電気的に接続され、第２の外部電極３２６ｂは、第２の内部電極層３２４ｂ及び第２の引出電極層３２５ｂと電気的に接続される。

このような構成により、外部電極３２６ａ，３２６ｂ間に交流電圧が印加されると、各内部電極層３２４ａ，３２４ｂ間にある各セラミックシート３２３が所定周波数で伸縮する。これにより、圧電素子３２２は振動板３２１に付与する振動を発生させることができる。

ここで、第１及び第２の外部電極３２６ａ，３２６ｂは、図４に示すように、それぞれ素体３２８の上記両端面の各々から突出する。このとき、第１及び第２の外部電極３２６ａ，３２６ｂは、振動板３２１の第１の主面３２ａに向かって突出する隆起部３２９ａ，３２９ｂが形成される場合がある。そこで、上述の開口部３３６，３３７は、隆起部３２９ａ，３２９ｂを収容できる大きさに形成される。これにより、隆起部３２９ａ，３２９ｂと振動板３２１との接触による外部電極３２６ａ，３２６ｂ間の電気的短絡が阻止される。

［イヤホンの動作］
続いて、以上のように構成される本実施形態のイヤホン１００の典型的な動作について説明する。

本実施形態のイヤホン１００において、発音ユニット３０の回路基板３３には、ケーブル５０を介して再生信号が入力される。再生信号は、回路基板３３を介して、電磁式発音体３１及び圧電式発音体３２にそれぞれ入力される。これにより、電磁式発音体３１が駆動されて、主として７ｋＨｚ以下の低音域の音波が生成される。一方、圧電式発音体３２においては、圧電素子３２２の伸縮動作により振動板３２１が振動し、主として７ｋＨｚ以上の高音域の音波が生成される。生成された各帯域の音波は、導音路４１を介してユーザの耳に伝達される。このようにイヤホン１００は、低音域用の発音体と高音域用の発音体とを有するハイブリッドスピーカとして機能する。

一方、電磁式発音体３１によって発生した音波は、圧電式発音体３２の振動板３２１を振動させて第２の空間部Ｓ２へ伝播する音波成分と、開口部３３１〜３３７を介して第２の空間部Ｓ２へ伝播する音波成分との合成波で形成される。したがって、開口部３３１〜３３７の大きさ、個数等を最適化することにより、圧電式発音体３２から出力される低音域の音波を、例えば所定の低音帯域に音圧ピークが得られるような周波数特性に調整あるいはチューニングすることが可能となる。

本実施形態において、圧電式発音体３２は、中心軸Ｃ１に関して剛性が非対称に構成されている。具体的には、圧電素子３２２が振動板３２１に対して偏心した位置に配置されており、さらに開口部３３１〜３３７の形状や個数が、振動板３２１のＹ軸方向に関して非対称に構成されている（図３参照）。このため、振動板３２１の振動モードが面内において不均一となる。これにより、高域での音圧レベルがブロード化し、音圧特性が向上することで、良好な音質の再生が可能となる。

一例として、図５Ａ，Ｂに示す２つの圧電式発音体のサンプル１１Ａ，１１Ｂを作製し、それらの周波数特性を比較した結果、図６Ａ，Ｂに示すようなシミュレーション結果が得られた。
ここで、サンプル１１Ａ，１１Ｂはいずれも、円形の振動板１２とその上に配置された矩形の圧電素子１３とを有するが、サンプル１１Ａでは圧電素子１３が振動板１２の中心に配置されているのに対して、サンプル１１Ｂでは圧電素子１３が振動板１２とは偏心した位置に配置されている点で異なる。なお、振動板１２の中心には、圧電素子１３よりも幅広の矩形の開口部１４が設けられており、サンプル１１Ａでは圧電素子１３が開口部１４の中心に配置され、サンプル１１Ｂでは圧電素子１３が開口部１４とは偏心した位置に配置される。

図６Ａは、サンプル１１Ａ，１１Ｂの共振周波数付近の周波数特性を示し、図６Ｂは各々の高次モードでの周波数特性を示している。サンプル１１Ａ，１１Ｂの共振周波数（固有振動数）に大きな違いはみられず、サンプル１１Ｂの共振周波数がやや低下することが確認された（図６Ａ）。サンプル１１Ｂは、サンプル１１Ａと比較して振動板１２の中心軸に関する対称性が崩れているため、最大振幅位置のずれや中心位置の振幅の低下などの複合的な理由で共振周波数の低下につながったと推認される。一方、共振が高次になると（例えば３０ｋＨｚ以上）、サンプル１１Ａ，１１Ｂ間の周波数特性の違いが明確に現れはじめることが確認された（図６Ｂ）。

以上のように、圧電式発音体３２の中心軸Ｃ１に関する対称性が崩れると、高次モードにおける共振点の低下が大きくなる。このような傾向は、上記非対称性の程度が大きくなるほど顕著になることが推認される。したがって、圧電式発音体３２の上記非対称性を任意に調整することによって、所望とする高周波特性を実現することが可能となる。また、圧電式発音体の非対称性が高くなるほど、振動の抵抗要素が増大し、共振の機械的先鋭度（Ｑ値）が低減するため、音質の向上を図ることができる。

一方、圧電式発音体３２の上記非対称性は、電磁式発音体３１と組み合わせたときに特に高音域での音圧レベルの向上を促すことが確認された。図７は、本実施形態のイヤホン１００の再生音の周波数特性を示す一実験結果である。比較例として、本実施形態の圧電式発音体３２の代わりに、図５Ａに示す圧電式発音体（サンプル１１Ａ）を筐体４０にセットしたときの周波数特性を実線で示す。

本実施形態によれば、図７に示すように、１０ｋＨｚ以上の高音域において比較例よりも音圧レベルを上昇させることができる。これは、本実施形態における圧電式発音体３２の非対称性により、振動板３２１の最大振幅位置が振動板３２１の中心からずれた位置に設定されることで、高音帯域での音波の打ち消し合いが緩和される結果、音圧特性の改善につながったものと推認される。また、２０ｋＨｚ以上の可聴域を超える帯域での音圧レベルの上昇が認められることから、より奥行感のある音の再生が可能となる。

さらに本実施形態によれば、圧電式発音体３２の開口部３３１が導音路４１に対向するように配置されているため、電磁気発音体３１での再生音を効率よく導音路４１へ導くことが可能となる。これにより図７に示すように、低音域（７ｋＨｚ以下）での音圧レベルも改善されることから、低音域から高音域にかけて音圧特性の向上を図ることが可能となる。

＜第２の実施形態＞
図８〜図１５は、本実施形態の第２の実施形態に係る圧電子発音体の構成を示す概略平面図（あるいは底面図）である。以下、第１の実施形態と異なる構成について主に説明し、第１の実施形態と同様の構成については同様の符号を付しその説明を省略または簡略化する。

本実施形態の圧電式発音体は、以下に説明する各構成例のように振動板の構成が上述の第１の実施形態と異なる。なお以下の説明では、圧電素子３２２が振動板の中心に配置された例について説明するが、勿論これに限られず、第１の実施形態と同様に圧電素子３２２が振動板に対して偏心した位置に配置されてもよい。

（構成例１）
図８に示す圧電式発音体５００は、円形の振動板５２１の周縁部５２１ｃに設けられた通路部としての複数（本例では４つ）の切欠き部５２２〜５２５と、振動板５２１の面内に形成された２つの開口部５２６，５２７とを有する。開口部５２６，５２７は、圧電素子３２２の外部電極間の短絡を防止するためのものであるが、通音孔（通路部）としても機能する。

切欠き部５２２〜５２５は、９０°間隔で設けられ、筐体４０の第１の空間部Ｓ１と第２の空間部Ｓ２とを相互に連通させる通路部を構成することが可能な深さで、周縁部５２１ｃから中心軸Ｃに向かってそれぞれ同一の深さで形成されている。中でも、切欠き部５２２は、他の切欠き部５２３〜５２５よりも大きな開口幅で形成されており、当該他の切欠き部５２３〜５２５はすべて同一の開口幅で形成されている。このようにして振動板５２１は、Ｙ軸方向に平行な中心線ＣＬに関して左右非対称な形状に形成されている。

このような構成の圧電式発音体５００は、中心軸Ｃ１に関して非対称な構造を有するため、上述の第１の実施形態と同様な作用効果を得ることができる。さらに図８において、圧電素子３２２を中心線ＣＬよりも例えば右側に偏心させることによって、圧電式発音体５００の非対称性をより一層高めることができる。
なお本例において、圧電式発音体５００は、通路部の面積が最も大きい切欠き部５２２が導音路４１（図１）に対向するように筐体４０に設置されるのが好ましい。

（構成例２）
図９に示す圧電式発音体６００は、円形の振動板６２１の周縁部６２１ｃに設けられた通路部としての複数（本例では５つ）の切欠き部６２２〜６２６と、上述の開口部５２６，５２７とを有する。

切欠き部６２２〜６２６は、不等角度間隔で設けられ、筐体４０の第１の空間部Ｓ１と第２の空間部Ｓ２とを相互に連通させる通路部を構成することが可能な深さで、周縁部６２１ｃから中心軸Ｃに向かってそれぞれ任意の深さで形成されている。

本構成例では、切欠き部６２２〜６２５の数や分布等がＹ軸方向に平行な中心線ＣＬに関して非対称に設定されている。このような構成の圧電式発音体６００は、中心軸Ｃ１に関して非対称な構造を有するため、上述の第１の実施形態と同様な作用効果を得ることができる。さらに図９において、圧電素子３２２を中心線ＣＬよりも例えば右側に偏心させることによって、圧電式発音体６００の非対称性をより一層高めることができる。
なお本例において、圧電式発音体６００は、通路部が密集する切欠き部６２５，６２６，６２２の形成部位が導音路４１（図１）に対向するように筐体４０に設置されるのが好ましい。

（構成例３）
図１０に示す圧電式発音体７００は、円形の振動板７２１の面内に設けられた通路部としての開口部７２２と、短絡防止用の開口部５２６，５２７とを有する。

開口部７２２は、第１の実施形態における開口部３３１と同様な半円状または半月状に形成される。本例では、開口部７２２は、短絡防止用の一方の開口部５２６と連続して形成されるが、これに限られず、開口部５２６とは独立した開口部であってもよい。

なお、振動板７２１の周縁部７２１ｃには、９０°間隔で４つの凹部７３１，７３２が設けられている。これら凹部７３１，７３２は、筐体４０の支持部４１１に対する位置決めに用いられる。特に図示するように、４つの凹部のうち１つの凹部７３２を他の３つの凹部７３１とは異なる形状とすることで、振動板７２１の方向性を示す指針が得られるため、筐体４０に対する誤組付けを防止できるという利点がある。

本構成例では、開口部７２２の位置がＹ軸方向に平行な中心線ＣＬに関して非対称に設定されている。このような構成の圧電式発音体７００は、中心軸Ｃ１に関して非対称な構造を有するため、上述の第１の実施形態と同様な作用効果を得ることができる。さらに図１０において、圧電素子３２２を中心線ＣＬよりも例えば右側に偏心させることによって、圧電式発音体７００の非対称性をより一層高めることができる。
なお本例において、圧電式発音体７００は、通路部として機能する開口部７２２が導音路４１（図１）に対向するように筐体４０に設置されるのが好ましい。

（構成例４）
図１１に示す圧電式発音体８００は、円形の振動板８２１の周縁部８２１ｃに設けられた通路部としての切欠き部８２２と、短絡防止用の開口部５２６，５２７とを有する。

本構成例において切欠き部８２２は、構成例３における開口部７２２の円弧部分に隣接する振動板７２１の周縁部７２１ｃを切り欠いたものと同様な形状を有する。このような構成においても、構成例３と同様な作用効果を得ることができる。

なお、本実施形態では、例えば構成例３（図１０）の振動板７２１において、その周縁部７２１ｃに位置決め用の凹部７３１，７３２がそれぞれ設けられたが、図１２に示すように、これら凹部７３１，７３２に加えて、複数（本例では４つ）の切込み部７４１がさらに設けられてもよい。各切込み部７４１は、振動板３２１の周縁部３２１ｃであって、例えば、凹部７３１，７３２とは周方向に４５°オフセットした位置に９０°間隔で設けられる。これらの位置は、圧電素子３２２の四隅と径方向に対向する位置に相当する。したがって、振動板３２１上への圧電素子３２２の接合時において、振動板３２１と圧電素子３２２との相対位置の確認を、これら切込み部７４１を基準に行うことができる。

（構成例５）
構成例３（図１０）および構成例４（図１１）に係る圧電式発音体７００，８００において、振動板７２１，８２１の面内にさらに複数の開口部が設けられてもよい。図１３および図１４は、振動板７２１，８２１の面内に複数の開口部５２８が設けられた圧電式発音体７１０，８１０をそれぞれ示している。開口部５２８は、円形の貫通孔であり、振動板７２１，８２１の中心線ＣＬに関して対称な位置にそれぞれ形成される。

開口部５２８の数や大きさは特に限定されず、図示の例では、直径約１ｍｍの開口部５２８が中心線ＣＬおよび圧電素子３２２に関して対称な４か所にそれぞれ設けられている。振動板７２１，８２１の直径を１２ｍｍとすると、上記４か所は、例えば、中心線ＣＬに垂直な対向距離が３．２ｍｍであり、中心線ＣＬに平行な対向距離が８．６ｍｍである位置とされる。

このような構成の圧電式発音体７００，８００においても構成例３，４と同様の効果を得ることができる。また、本構成例によれば、各開口部５２８が電磁式発音体からの発生音波を通過させる通路部として有効に機能するため、例えば図１５に示すように、電磁式発音体の高周波帯域での音圧特性を向上させることができる。

なお図１５において、白抜き実線は、図１３に示す圧電式発音体７１０を備えたイヤホンにおいて圧電式発音体のみを駆動させたときの周波数特性を示し、白抜き一点鎖線は、図１０に示す圧電式発音体７００を備えたイヤホンにおける圧電式発音体のみを駆動させたときの周波数特性を示している。同図に示すように、圧電式発音体７１０によれば、圧電式発音体７００と比較して、１０〜２０ｋＨｚで音圧特性を向上させることができる。

＜第３の実施形態＞
図１６は、本発明の第３の実施形態に係る電気音響変換装置の構成を示す概略側断面図である。以下、第１の実施形態と異なる構成について主に説明し、第１の実施形態と同様の構成については同様の符号を付しその説明を省略または簡略化する。

本実施形態のイヤホン３００は、第１の実施形態と同様に、筐体３４０と、圧電式発音体３５０と、電磁式発音体３６０とを備える。

筐体３４０は、導音路（図示略）と圧電式発音体３５０を収容する内部空間を有する第１の支持体３４１と、電磁式発音体３６０を支持する第２の支持体３４２と、第１の支持体３４１と第２の支持体３４２とを相互に接合する第３の支持体３４３とを有し、イヤホンの筐体部を構成する。第３の支持体３４３は、中央部に通孔３４３ａが穿設された板形状を有し、圧電式発音体３５０の振動板３５１と電磁式発音体３６０の振動板３６１との相互接触を防止するプロテクタとして構成される。第２の支持体３４２は、電磁式発音体３６０の一部で構成されてもよい。

圧電式発音体３５０は、振動板３５１（第１の振動板）と、圧電素子３５２とを有し、第１の実施形態と同様に、振動板３５１の中心軸Ｃ１に関して剛性が非対称に構成される。すなわち、圧電素子３５２は、振動板３５１に対して偏心した位置に配置されており、図示の例では、圧電素子３５２の中心軸Ｃ２が振動板３５１の中心軸Ｃ１に対してＸ軸方向に所定の距離だけ離れている。

振動板３５１には、通路部としての複数の開口部３５３，３５４がそれぞれ設けられている。一方の開口部３５３は、第１の実施形態における開口部３３２〜３３５（図３参照）に相当し、他方の開口部３５４は、第１の実施形態における開口部３３６，３３７（図３参照）に相当する。

本実施形態において圧電式発音体３５０は、マウントリング３５３（環状部材）をさらに有する。マウントリング３５３は、接合層３５６を介して筐体３４０（第３の支持体３４３）に固定され、圧電式発音体３５０の振動板３５１の周縁部を支持する。本実施形態においてマウントリング３５３は、振動板３５１を上面で支持する台座部３５３ａと、振動板３５１の周縁部を位置決めする周壁部３５３ｂとを有する。

マウントリング３５３による振動板３５１の支持構造は特に限定されず、接着剤や両面粘着テープ等を用いることができる。接合層３５６は、適度な弾性を有する粘着材料で構成されることが好ましく、これにより圧電式発音体３５０は、筐体３４０に対して弾性的に支持される。

圧電式発音体３５０がマウントリング３５３を有するため、筐体４３０に対する圧電式発音体３５０の組立て作業性が向上し、さらに、電磁式発音体３６０に対する圧電式発音体３５０の相対位置の調整が容易となる。典型的には、振動板３５１は、電磁式発音体３６０の振動板３６１と同心的に配置されるが、振動板３５１が振動板３６１に対して偏心した位置に配置されてもよい。

本実施形態では図１６に示すように、振動板３５１の中心軸Ｃ１が振動板３６１の中心軸Ｃ３に対してＸ軸方向に所定の距離だけ離れた位置に配置されている。このように圧電式発音体３５０を電磁式発音体３６０に対して非対称に配置することにより、圧電式発音体３５０の音響特性の改善を図ることも可能である。このような構成は、筐体４３０の形状や大きさ、導音路の位置などに応じて適宜採用可能である。

さらに本実施形態によれば、マウントリング３５３の台座部３５３ａの厚み（高さ）を調整することによって、電磁式発音体３６０に対する圧電式発音体３５０の相対距離を設定することができ、これにより当該距離の調整を容易に行うことができる。また、当該距離を最適化することによって、所定周波数帯域における音圧特性の最適化を図ることができる。

例えば図１７に、台座部３５３ａの厚みが異なる２つのマウントリング３５３を用いて図１６に示すイヤホンを作製し、各々についての再生音の周波数特性の実験結果を比較して示す。図１７において白抜き実線は、台座部３５３ａの厚みが単位長さ（ｔ）の１．４倍である第１のマウントリングを適用したときの音圧特性を示し、白抜き二点鎖線は、台座部３５３ａの厚みが単位長さ（ｔ）の２倍である第２のマウントリングを適用したときの音圧特性を示している。単位長さ（ｔ）は、本例では１ｍｍである。

図１７に示すように、第１のマウントリングが適用された電気音響変換装置によれば、第２のマウントリングが適用された電気音響変換装置と比較して、概略５ｋＨｚ〜９ｋＨｚの範囲における音圧が向上する。これは、圧電式発音体３５０の振動板３５１と電磁式発音体３６０の振動板３６１との間の距離が小さくなるほど、これらの間の空間の容積が減少するため、電磁式発音体３６０において発生した音波が、圧電式発音体３５０を介して外部へ放出され易くなるためと考えられる。

圧電式発音体３５０と電磁式発音体３６０との間の距離で音圧の改善が見られる周波数帯域は、主として、電磁式発音体３６０の振動板３６１の直径（ｄ）の大きさで定まる。例えば、６ｋＨｚ〜９ｋＨｚにおける音圧の向上を目的とする場合、振動板３６１の直径（ｄ）は、例えば、７．５ｍｍ〜１３．５ｍｍである。そして、振動板３６１の上面から圧電式発音体３５０の振動板３５１の下面までの距離をｈとしたとき、直径（ｄ）に対する距離（ｈ）の比（ｈ／ｄ）が小さくなるほど、当該所定の周波数帯域における音圧の向上が図れることになる。

図１８Ａ，Ｂは、７．５ｋＨｚの音圧と（ｈ／ｄ）値との関係および５〜９ｋＨｚの平均音圧と（ｈ／ｄ）値との関係をそれぞれ示す一実験結果である。ここではいずれも、直径ｄの値は９．２ｍｍ、圧電式発音体３５０の振動板３５１の直径は８ｍｍとした。図１８Ａ，Ｂに示すように、第２のマウントリングの適用時（図１４における白抜き二点鎖線）よりも音圧の向上が得られる（ｈ／ｄ）値の上限は、０．２１２以下（ｈ＝１．９０８ｍｍ以下）である。

なお、（ｈ／ｄ）値の下限は、特に限定されないが、振動板３５１，３６１が相互に干渉しない（あるいは第３の支持体３４３に接触しない）適宜の値に設定できる。本例では、第１のマウントリングの適用時（図１４における白抜き二点鎖線）での値（０．１５２（ｈ＝１．３６８ｍｍ））以上とした。

以上のように本実施形態においては、０．１５２≦（ｈ／ｄ）≦０．２１２となるようにマウントリング３５３の台座部３５３ａの厚みを選定することで、５ｋＨｚ〜９ｋＨｚに見られる音圧の落ち込み（ディッピング）の改善を図り、滑らかな音圧特性を得ることができる。なお図示せずとも、本発明者らの実験において、圧電式発音体３５０の振動板３５１の直径を１２ｍｍとしたときも、（ｈ／ｄ）値を調整することで、上述と同様に５〜９ｋＨｚにおける音圧の落ち込みを改善できることが確認されている。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。

例えば以上の第１及び第２の実施形態では、圧電式発音体の非対称構造を実現するため、振動板の形状を中心軸に関して非対称にするか、あるいはこれに加えて圧電素子を振動板に対して偏心した位置に配置したが、これに限られず、圧電素子を振動板に対して偏心した位置に配置するのみのでも上述と同様の作用効果を得ることができる。

また以上の実施形態において、圧電式発音ユニットの通路部を構成する開口部あるいは切欠き部の形状や位置、大きさ、数は特に限定されず、通路部を構成する開口部あるいは切欠き部は少なくとも１つあればよい。

１０…イヤホン本体
２０…イヤピース
３０…発音ユニット
３１，３６０…電磁式発音体
３２，３５０，５００，６００，７００，７１０，８００，８１０…圧電式発音体
４０，３４０…筐体
３２１，３５１，５２１，６２１，７２１，８２１…振動板（第１の振動板）
３２２，３５２…圧電素子
３３１〜３３７，３５４，３５３，５２６，５２７，５２８，７２２…開口部
５２２〜５２５，６２２〜６２６…切欠き部
１００，３００…イヤホン（電気音響変換装置）
Ｅ１，３６１…振動板（第２の振動板）

Claims (11)

1. 筐体と、
   前記筐体に直接又は間接的に支持される周縁部を有する第１の振動板と、前記第１の振動板の少なくとも一方の面に配置された圧電素子とを有し、前記第１の振動板の中心軸に関して剛性が非対称に構成された圧電式発音体と
   を具備する電気音響変換装置。
2. 請求項１に記載の電気音響変換装置であって、
   前記圧電素子は、前記第１の振動板に対して偏心した位置に配置される
   電気音響変換装置。
3. 請求項１又は２に記載の電気音響変換装置であって、
   前記圧電式発音体は、前記第１の振動板を厚み方向に貫通する通路部をさらに有する
   電気音響変換装置。
4. 請求項３に記載の電気音響変換装置であって、
   前記通路部は、前記第１の振動板の面内に設けられた少なくとも１つの開口部を含む
   電気音響変換装置。
5. 請求項３又は４に記載の電気音響変換装置であって、
   前記通路部は、前記周縁部に設けられた少なくとも１つの切欠き部を含む
   電気音響変換装置。
6. 請求項３〜５のいずれか１つに記載の電気音響変換装置であって、
   第２の振動板を含む電磁式発音体をさらに具備し、
   前記筐体は、
   前記電磁式発音体が配置される第１の空間部と、
   前記通路部を介して前記第１の空間部と連通し、前記圧電式発音体と前記電磁式発音体とにより生成される音波を外部へ導く導音路を有する第２の空間部と、を有する
   電気音響変換装置。
7. 請求項６に記載の電気音響変換装置であって、
   前記通路部は、複数の通路部を含み、
   前記導音路は、前記複数の通路部のうち開口面積が最も大きい通路部に対向する位置に設けられる
   電気音響変換装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１つに記載の電気音響変換装置であって、
   前記第１の振動板の平面形状は円形であり、
   前記圧電素子の平面形状は矩形である
   電気音響変換装置。
9. 請求項６〜８のいずれか１つに記載の電気音響変換装置であって、
   前記圧電式発音体は、前記筐体に固定され前記第１の振動板の周縁部を支持する環状部材をさらに有する
   電気音響変換装置。
10. 請求項６〜９のいずれか１つに記載の電気音響変換装置であって、
    前記第１の振動板と前記第２の振動板との距離をｈ、前記第２の振動板の直径をｄとしたとき、
    ０．１５２≦（ｈ／ｄ）≦０．２１２
    の関係を満たす
    電気音響変換装置。
11. 請求項６〜１０のいずれか１つに記載の電気音響変換装置であって、
    前記第１の振動板は、前記第２の振動板に対して偏心した位置に配置される
    電気音響変換装置。

Images