JP2021034994A - 電気音響変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波数帯域の音圧の向上を実現することが可能な電気音響変換装置を提供すること。【解決手段】本発明に係る電気音響変換装置は、筐体と、電磁式発音体と、圧電式発音体と、マウント部材と、接着層とを具備する。電磁式発音体は、筐体に収容され、第１の直径を有する。圧電式発音体は、圧電素子と振動板とを備え、振動板は第１の直径より小さい第２の直径を有し、導音口側の第１の主面と、第１の主面の反対側の第２の主面を有する。マウント部材は、電磁式発音体と圧電式発音体を筐体にマウントするマウント部材であって、機構部と第２の主面によって挟持される当接部と、当接部から電磁式発音体側に突出し、第１の直径より大きい第１の内径を有し、機構部の周囲に接触するキャップ部と、当接部から圧電式発音体側に突出し、筐体に接触する接触面を有し、第１の内径より小さく、第２の直径より大きい第２の内径を有する支持部とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、本発明は、電磁式発音体及び圧電式発音体を備える電気音響変換装置に関する。

圧電素子によって振動板を振動させる圧電式発音体は、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。圧電発音体は、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）。

近年では、圧電式発音体を電磁式発音体（ダイナミック型スピーカ）と組み合わせた電気音響変換装置も開発されている。例えば、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。

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。特に、電磁式発音体と圧電式発音体を組み合わせた電気音響変換装置では、電磁式発音体が主に低周波数帯域を発音し、圧電式発音体が主に高周波数帯域を発音するため、圧電式発音体の音圧を向上させることにより、高周波数帯域の音圧の向上が実現可能である。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、高周波数帯域の音圧の向上を実現することが可能な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、電磁式発音体と、圧電式発音体と、マウント部材と、接着層とを具備する。
上記筐体は、導音口を有する。
上記電磁式発音体は、上記筐体に収容され、第１の直径を有する機構部を備える。
上記圧電式発音体は、上記筐体において、上記電磁式発音体よりも上記導音口側に収容され、圧電素子と、上記圧電素子によって振動する振動板とを備える圧電式発音体であって、上記振動板は、上記第１の直径より小さい第２の直径を有し、上記導音口側の第１の主面と、上記第１の主面の反対側の第２の主面を有する。
上記マウント部材は、上記電磁式発音体と上記圧電式発音体を上記筐体にマウントするマウント部材であって、上記機構部と上記第２の主面によって挟持される当接部と、上記当接部から上記電磁式発音体側に突出し、上記第１の直径より大きい第１の内径を有し、上記機構部の周囲に接触するキャップ部と、上記当接部から上記圧電式発音体側に突出し、上記筐体に接触する接触面を有し、上記第１の内径より小さく、上記第２の直径より大きい第２の内径を有する支持部とを備える。
上記接着層は、上記圧電式発音体と上記マウント部材の間に配置され、上記第２の主面と上記マウント部材を接着する。

この構成によれば、圧電式発音体は、電磁式発音体の機構部より小さい直径を有する振動板を備えるが、マウント部材は接触面により筐体に接触しているため、振動板の振動エネルギーの伝達効率が向上し、高周波数帯域の音圧を向上させることが可能となる。

上記接触面は、円環状であり、上記導音口の周囲において上記筐体に当接してもよい。

上記第２の主面に直交する方向に沿った上記接触面と上記第２の主面の距離に対する上記第２の主面に直交する方向に沿った上記マウント部材の厚みは２．４／０．５の比率であってもよい。

上記マウント部材は、ポリフェニレンスルファイドからなるものであってもよい。

上記第２の内径は８．２ｍｍであり、上記第１の内径は、８．２ｍｍより大きく、１３．２ｍｍ以下であってもよい。

上記第２の直径は６．０ｍｍであり、上記第１の直径は８．０ｍｍ以上１３．０ｍｍ以下であってもよい。

以上のように本発明によれば、高周波数帯域の音質の向上を実現することが可能な電気音響変換装置を提供することが可能である。

本発明の実施形態に係るイヤホンの断面図である。 上記イヤホンの拡大断面図である。 上記イヤホンの各構成を分解した状態の断面図である。 上記イヤホンが備える圧電式発音体の圧電素子を示す断面図である。 上記圧電式発音体の振動板を示す平面図である。 上記イヤホンが備えるマウント部材の断面図である。 上記マウント部材と上記圧電式発音体を示す断面図である。 上記マウント部材と上記イヤホンの筐体を示す断面図である。 上記マウント部材のサイズを示す模式図である。 上記マウント部材のサイズを示す模式図である。 マウント部材（ＰＰＳ）のキャップ部の有無による音圧レベルの差異を示すグラフである。 上記圧電式発音体の振動板直径による音圧レベルの差異を示すグラフである。 マウント部材（ＳＵＳ）のキャップ部の有無による音圧レベルの差異を示すグラフである。

本発明の実施形態に係る電気音響変換装置としてのイヤホン１００について説明する。

［イヤホンの全体構成］
図１は、イヤホン１００の構成を示す断面図である。図２は図１の一部を拡大した断面図であり、図３は、イヤホン１００の一部の構成を分解して示す断面図である。なお、以下の各図においてＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向を相互に直交する３方向とする。

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、ユーザの耳に装着可能に構成されている。

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方向に分離可能な２分割構造で構成される。

図１に示すように、筐体４０は、第１筐体部４０１と第２筐体部４０２との結合体で構成される。第１筐体部４０１は、発音ユニット３０を内部に収容する収容空間を形成する。また、第１筐体部４０１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を備える。

導音路４１は、その基端部（イヤピース２０が装着される先端部とは反対の端部）に導音口４１ａを有する。発音ユニット３０により生成された音波は、導音口４１ａを介して導音路４１を進行し、イヤピース２０を通過して放出される。

第２筐体部４０２には、管状のリード部４２が設けられている。リード部４２には、電磁式発音体３１及び圧電式発音体３２に音声信号を伝達するための図示しない配線が挿通される。

［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、図２及び図３に示すように、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。

機構部３１１は振動板、永久磁石及びボイスコイル等から構成されている。ボイスコイルに電流（音声信号）を印加すると、ボイスコイルに電磁力が作用し、ボイスコイルは信号波形に合わせて振動する。この振動はボイスコイルに連結された振動板に伝達され、音波が発生する。機構部３１１は、Ｚ方向から見て円形形状を有し、図３に示すようにＸ−Ｙ平面上において直径Ａ１を有する。直径Ａ１は例えば８．０ｍｍ以上１３．０ｍｍ以下とすることができる。

台座部３１２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、リード部４２を介して導入された配線と電気的に接続され、図示しない配線を介して電磁式発音体３１及び圧電式発音体３２へそれぞれ音声信号を出力する。

［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。図３に示すように圧電式発音体３２は、振動板３２１と、圧電素子３２２とを有する。

振動板３２１は、Ｚ方向から見て略円形の平面形状を有する板状部材である。「略円形」とは、円形だけでなく、実質的に円形のものも意味する。振動板３２１は、図３に示すようにＸ−Ｙ平面上において直径Ａ２を有する。直径Ａ２は機構部３１１の直径である直径Ａ１より小さく、例えば６．０ｍｍである。また、第２の直径Ａ２は直径Ａ１より小さければよく、６．０ｍｍ以上１３．０ｍｍ未満の範囲から選択することができる。

振動板３２１は金属（例えば４２アロイ）からなるものが好適である。振動板３２１の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が、例えば厚み約５０〜１７５μｍとすることができる。

振動板３２１は、必要に応じ、その外周から内周側に向けてくぼむ凹状やスリット状などに形成された切欠き部を有していてもよい。なお、振動板３２１の平面形状は、概形が円形であれば、上記切欠き部が形成されることなどにより厳密には円形でない場合にも、実質的に円形として扱うものとする。また、振動板３２１には、電磁式発音体３１が生成した音波が通過する孔が設けられてもよい。

振動板３２１は、導音口４１ａ側の第１主面３２１ａと、第１主面３２１ａとは反対側の第２主面３２１ｂとを有する。振動板３２１は、第２主面３２１ｂがマウント部材５１に接着されることにより、マウント部材５１に対して固定される。この詳細については後述する。

圧電素子３２２は、第１主面３２１ａ上に設けられ、振動板３２１を振動させる。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、Ｘ−Ｙ方向において対向する第１外部電極３２６ａ及び第２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方向に垂直な第１主面３２２ａ及び第２主面３２２ｂを有する。圧電素子３２２の第２主面３２２ｂは、振動板３２１の第１主面３２１ａ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内部電極層３２４ａは、第１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外部電極３２６ｂから絶縁されている。また、素体３２８の第２内部電極層３２４ｂは、第２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外部電極３２６ａから絶縁されている。

図４において、第１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引出電極層３２５ａを構成し、第２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引出電極層３２５ｂを構成する。

第１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引出電極層３２５ｂは、適宜の接合材を介して振動板３２１の第１主面３２１ａに電気的かつ機械的に接続される。接合材には、導電性接着剤、はんだ等の導電性接合材を用いることができ、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外部電極３２６ａ及び第２外部電極３２６ｂは、素体３２８のＸ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外部電極３２６ａは、第１内部電極層３２４ａ及び第１引出電極層３２５ａと電気的に接続され、第２外部電極３２６ｂは、第２内部電極層３２４ｂ及び第２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、第１外部電極３２６ａと第２外部電極３２６ｂの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。

［支持構造］
イヤホン本体１０は、電磁式発音体３１及び圧電式発音体３２に加え、図３に示すようにマウント部材５１及び固定部材５２を備える。

マウント部材５１は、電磁式発音体３１及び圧電式発音体３２を筐体４０にマウントする部材である。マウント部材５１については後述する。

固定部材５２は、電磁式発音体３１の台座部３１２と第１筐体部４０１の間に配置され、電磁式発音体３１を筐体４０に固定する。固定部材５２は環状の部材であり、金属又は樹脂等の材料からなる。

［マウント部材の構成］
マウント部材５１は上述のように電磁式発音体３１及び圧電式発音体３２を筐体４０にマウントする部材である。図５はマウント部材５１の平面図であり、図６はマウント部材５１の断面図である。また、図７は、マウント部材５１及び電磁式発音体３１を示す模式図であり、図８はマウント部材５１及び第１筐体部４０１を示す模式図である。これらの図に示すように、マウント部材５１は、当接部５１ａ、支持部５１ｂ及びキャップ部５１ｃを有する。

当接部５１ａは、円環状の部分であり、機構部３１１と振動板３２１の第２主面３２１ｂによって挟持される（図２参照）。当接部５１ａのうち、第２主面３２１ｂに対向する面を第１面５１ｄとし、その反対側の面を第２面５１ｅとする。

支持部５１ｂは第１面５１ｄの周縁から圧電式発音体３２側に突出する円筒状部分であり、図８に示すように第１筐体部４０１に接触する。図５乃至図８に示すように、支持部５１ｂの表面のうち第１筐体部４０１に接触する面を接触面５１ｆとする。接触面５１ｆは、図５に示すように円環状の面であり、導音口４１ａの周囲において第１筐体部４０１に当接する。

キャップ部５１ｃは、第２面５１ｅの周縁から電磁式発音体３１側に突出する円筒状部分であり、図８に示すように、機構部３１１の周囲に接触し、マウント部材５１に対する電磁式発音体３１の位置を固定する。図６乃至図８に示すように、機構部３１１に接触する面を接触面５１ｇとする。接触面５１ｇは、キャップ部５１ｃの内周面であり、機構部３１１はキャップ部５１ｃ内に挿入され、マウント部材５１に対して固定される。

マウント部材５１の材料は特に限定されないが、振動を伝達しやすい材料が好適であり、例えばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ：polyphenylenesulfide）とすることができる。

図９及び図１０は、マウント部材５１の各部のサイズを示す模式図である。これらの図に示すようにキャップ部５１ｃの内径Ｄ１は機構部３１１の直径Ａ１（図３参照）よりわずかに大きく、例えば直径Ａ１＋０．２ｍｍとすることができる。例えば直径Ａ１が８．０ｍｍの場合、内径Ｄ１は８．２ｍｍとすることができる。この他にも内径Ｄ１は直径Ａ１に応じて設定することが可能であり、８．２ｍｍより大きく１３．２ｍｍ以下とすることができる。

支持部５１ｂの内径Ｄ２は、内径Ｄ１より小さく、振動板３２１の直径Ａ２（図３参照）よりわずかに大きく、例えば直径Ａ２＋０．２ｍｍとすることができる。例えば直径Ａ２が６．０ｍｍの場合、内径Ｄ２は６．２ｍｍとすることができる。この他にも内径Ｄ２は内径Ｄ１及び直径Ａ２に応じて設定することが可能であり、６．２ｍｍ以上８．２ｍｍ以下とすることができる。

マウント部材５１の外径Ｄ３は、キャップ部５１ｃの内径Ｄ１より大きく、例えば９．０ｍｍとすることができる。また、当接部５１ａの内径Ｄ４は支持部５１ｂの内径Ｄ２より小さく、例えば４．８ｍｍとすることができる。

また、図１０に示すように、マウント部材５１の厚みＴ１は例えば２．４ｍｍとすることができ、当接部５１ａの厚みＴ２は例えば、０．３ｍｍとすることができる。支持部５１ｂの高さＴ３は例えば、０．５ｍｍとすることができ、キャップ部５１ｃの高さＴ４は例えば１．６ｍｍとすることができる。また、キャップ部５１ｃの厚みＴ５は例えば０．５ｍｍとすることができる。

なお、マウント部材５１の各部のサイズはここに示すものに限定されず、少なくとも内径Ｄ１が内径Ｄ２より大きなものであればよい。

マウント部材５１は以上のような構成を有する。図７に示すように圧電式発音体３２は、振動板３２１の第２主面３２１ｂが当接部５１ａの第１面５１ｄに接着層５３によって
着され、支持部５１ｂの内部に固定される。この接着層５３は例えば厚み５０μｍの両面テープとすることができる。

振動板３２１の実装位置として、第２主面３２１ｂに直交する方向（Ｚ方向）に沿った接触面５１ｆと第２主面３２１ｂの距離Ｌ(図８参照）は、例えば０．５ｍｍである。この距離Ｌに対するマウント部材５１のＺ方向の厚みＴ１は、例えば２．４ｍｍであり、距離Ｌに対する厚みＴ１の比率は２．４／０．５が好適である。

また、電磁式発音体３１は、機構部３１１がキャップ部５１ｃの内部に挿入され、キャップ部５１ｃの内周面である接触面５１ｇに当接することにより、キャップ部５１ｃの内部に固定される。電磁式発音体３１はキャップ部５１ｃの内部に挿入することでマウント部材５１に対して固定することができ、実装が容易である。さらに、キャップ部５１ｃが機構部３１１の周面を覆うため、電磁式発音体３１の音波の漏れが少なくなる。

また、上述のように支持部５１ｂの内径Ｄ２はキャップ部５１ｃの内径Ｄ１より小さい。このため、圧電式発音体３２の径である直径Ａ２（図３参照）は、電磁式発音体３１の径である直径Ａ１より小さい。圧電式発音体３２の径が小さいと圧電式発音体３２から出力される音の音圧が小さくなるが、マウント部材５１は第１筐体部４０１に接触する接触面５１ｆを有し、第１筐体部４０１に対する接触面積が大きい。

これによりイヤホン１００では、圧電式発音体３２から出力される音の音圧が、径がより大きい圧電式発音体と同等の音圧となり、イヤホン１００の特性を向上させることが可能となる。具体的には、圧電式発音体３２の直径Ａ２が６ｍｍであっても、マウント部材５１を用いることにより、直径８ｍｍの圧電式発音体と同等の音圧とすることが可能である。

図１１は、キャップ部の有無による音圧レベル（ＳＰＬ：sound pressure level）の差異を示すグラフである。「キャップ部あり」は上記実施形態にかかる、キャップ部を有するマウント部材を備えるイヤホン、「キャップ部なし」はキャップ部を有しないマウント部材を備えるイヤホンの電磁式発音体の音圧測定結果である。マウント部材は共に厚み０．８ｍｍでありＰＰＳからなる。

図１１において破線楕円で示すように、「キャップ部あり」のマウント部材の場合、１４ｋＨｚ〜１７ｋＨｚの音圧が平均３ｄＢ向上し、１２ｋＨｚの音圧落ち込みが１ｄＢ向上した。

図１２は、圧電式発音体の径による音圧レベルの差異を示すグラフである。「Φ６−ＴＷ」は直径６ｍｍの圧電式発音体の音圧レベルであり、「Φ８−ＴＷ」は直径８ｍｍの圧電式発音体の音圧レベルである。「Φ９．１−ＤＳＰ」は直径９．１ｍｍの電磁式発音体の音圧レベルであり、「Φ９．１−ＤＳＰ＋Φ６−ＴＷ」は直径９．１ｍｍの電磁式発音体と直径６ｍｍの圧電式発音体の音圧レベルである。

図１２に示すように、全域にわたって「Φ８−ＴＷ」の音圧レベルは「Φ６−ＴＷ」の音圧レベルより大きくなる。上記実施形態に係るマウント部材では、圧電式発音体の径が小さくても、マウント部材のイヤホン筐体への接触面積が大きいため、直径６ｍｍの圧電式発音体を用いても、直径８ｍｍの圧電式発音体と同等の音圧レベルとすることが可能である。

図１３は、キャップ部の有無による音圧レベル（ＳＰＬ：sound pressure level）の差異を示すグラフである。「キャップ部あり」は上記実施形態にかかる、キャップ部を有するマウント部材を備えるイヤホン、「キャップ部なし」はキャップ部を有しないマウント部材を備えるイヤホンの複合駆動の音圧測定結果である。マウント部材は共に直径８ｍｍでありステンレスからなる。

図１３に示すように、「キャップ部あり」のマウント部材の場合、高周波数帯域（３５ｋＨｚ）の音圧が向上し、１０〜２０ｋＨｚの音圧がブロード化された。即ち、上記実施形態に係るイヤホンは、キャップ部を設けることにより、音圧の向上及びブロード化が可能であるといえる。

１００…イヤホン
１０…イヤホン本体
２０…イヤピース
３０…発音ユニット
３１…電磁式発音体
３２…圧電式発音体
３２１…振動板
３２１ａ…第１主面
３２１ｂ…第２主面
３２２…圧電素子
４０…筐体
４１…導音路
４１ａ…導音口
５１…マウント部材
５１ａ…当接部
５１ｂ…支持部
５１ｃ…キャップ部
５１ｆ…接触面

Claims (6)

1. 導音口を有する筐体と、
   前記筐体に収容され、第１の直径を有する機構部を備える電磁式発音体と、
   前記筐体において、前記電磁式発音体よりも前記導音口側に収容され、圧電素子と、前記圧電素子によって振動する振動板とを備える圧電式発音体であって、前記振動板は、前記第１の直径より小さい第２の直径を有し、前記導音口側の第１の主面と、前記第１の主面の反対側の第２の主面を有する圧電式発音体と、
   前記電磁式発音体と前記圧電式発音体を前記筐体にマウントするマウント部材であって、前記機構部と前記第２の主面によって挟持される当接部と、前記当接部から前記電磁式発音体側に突出し、前記第１の直径より大きい第１の内径を有し、前記機構部の周囲に接触するキャップ部と、前記当接部から前記圧電式発音体側に突出し、前記筐体に接触する接触面を有し、前記第１の内径より小さく、前記第２の直径より大きい第２の内径を有する支持部とを備えるマウント部材と、
   前記圧電式発音体と前記マウント部材の間に配置され、前記第２の主面と前記マウント部材を接着する接着層と
   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、
   前記接触面は、円環状であり、前記導音口の周囲において前記筐体に当接する
   電気音響変換装置。
3. 請求項１に記載の電気音響変換装置であって、
   前記第２の主面に直交する方向に沿った前記接触面と前記第２の主面の距離に対する前記第２の主面に直交する方向に沿った前記マウント部材の厚みは２．４／０．５の比率である
   電気音響変換装置。
4. 請求項１に記載の電気音響変換装置であって、
   前記マウント部材は、ポリフェニレンスルファイドからなる
   電気音響変換装置。
5. 請求項１に記載の電気音響変換装置であって、
   前記第２の内径は８．２ｍｍであり、
   前記第１の内径は、８．２ｍｍより大きく、１３．２ｍｍ以下である
   電気音響変換装置。
6. 請求項１に記載の電気音響変換装置であって、
   前記第２の直径は６．０ｍｍであり、
   前記第１の直径は８．０ｍｍ以上１３．０ｍｍ以下である
   電気音響変換装置。

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