JP4185946B2 - 圧電型電気音響変換器 - Google Patents

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。

従来のバイモルフ型の圧電型電気音響変換器では、特許文献１に記載されているように、金属板の両面に接合される円板状の圧電素子の直径は同径とされ、金属板の両面に同じ円板状の圧電素子が接合されてなるバイモルフ型圧電振動子が使用されていた。
実公平８−１１００５号公報

本発明が解決しようとする課題は、従来のバイモルフ型の圧電型電気音響変換器では、限られたスペース（圧電振動子を保持するフレームの内側）で、圧電素子の直径を最大限まで大きくして、低域の音圧レベルを上げ音質向上を図るという音響性能を考慮して、圧電素子の直径を大きくすると、金属板へのリード線半付けスペースが狭くなり、作業性が著しく低下すると共に、圧電振動子を樹脂フィルム等からなるリング状の支持部材を介してフレームに支持する構造のものでは、支持部材が熱で変形したり、焼けを生じたりして、不良発生率が高くなり、逆に、金属板にリード線を半付けする際の作業性を大幅に改善し、不良発生率を抑えてコストダウンを図るという生産性を考慮して、圧電素子の直径を小さくすると、音響性能を維持できず低下させてしまう。このため、音響性能の向上と生産性の向上とを同時に実現することはできない点にある。

上記課題を解決するため、本発明の請求項１に係る発明は、金属板の第１の主面に円板状の第１の圧電素子が接合され、且つ、前記金属板の第２の主面に円板状の第２の圧電素子が接合されてなる圧電振動子と、この圧電振動子を保持するフレームとを備えた圧電型電気音響変換器において、前記第１の圧電素子の直径と前記第２の圧電素子の直径とを異ならせたことを特徴とするものである。

上記構成を採用することにより、前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素子の間でそれぞれの直径を規制し合うことがなくなるため、前記金属板にリード線を半付けする際の作業性を大幅に改善し、不良発生率を抑えてコストダウンを図るという生産性を考慮して、例えば前記第２の圧電素子の直径を、前記第１の圧電素子の直径より小さくして従来より小径化し、従来より金属板へのリード線半付けスペースを拡大して確保することができると同時に、圧電素子の直径を大きくして、低域の音圧レベルを上げ音質向上を図るという音響性能を考慮して、前記第１の圧電素子の直径を、限られたスペース（前記フレームの内側）で最大限まで前記第２の圧電素子の直径より大きくして従来より大径化することができるようになる。なお、この前記第１の圧電素子の直径と前記第２の圧電素子の直径の大小関係は逆にすることもできる。

本発明の請求項２に係る発明は、上記請求項１に係る発明に、前記第２の圧電素子の直径が前記第１の圧電素子の直径より小さく、この第２の圧電素子の周囲にある前記金属板の第２の主面にリード線半田付けランド部を確保した点が付加されたものである。

本発明の請求項３に係る発明は、上記請求項１又は２に係る発明に、内縁部が前記圧電振動子の外縁部に接合され、且つ、外縁部が前記フレームに接合されるリング状の支持部材を備えた点が付加されたものである。

本発明の請求項４に係る発明は、上記請求項３に係る発明に、前記金属板の第２の主面の前記リード線半田付け部より外側に前記支持部材の内縁部の貼り代を確保した点が付加されたものである。

本発明は、前記金属板の第１の主面に接合される円板状の前記第１の圧電素子の直径と前記金属板の第２の主面に接合される円板状の前記第２の圧電素子の直径とを異ならせたことにより、圧電型電気音響変換器の音響性能の向上と生産性の向上とを同時に実現することができるという、顕著な効果を奏するものである。

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、薄い円板状の金属板１１の上面（表面）である第１の主面１１ａに薄い円板状の第１の圧電素子１２が同芯状に接合され、且つ、前記金属板１１の下面（裏面）である第２の主面１１ｂに薄い円板状の第２の圧電素子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を保持するフレーム２０と、圧電振動子１０とフレーム２０の間に設ける支持部材３０と、から構成される。

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されたものである。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の電極として形成されたものである。

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の第１の主面１１ａに薄い円板状の第１の圧電素子１２が同芯状に接合され、且つ、前記金属板１１の第２の主面１１ｂに薄い円板状の第２の圧電素子１３が同芯状に接合されてバイモルフ型に構成される。

ここで、上記のようなバイモルフ型の圧電振動子１０は、第１の圧電素子１２の直径Ｒ１と第２の圧電素子１３の直径Ｒ２とを異ならせてある。図１では第２の圧電素子１３の直径Ｒ２が第１の圧電素子１２の直径Ｒ１より小さくなるように、第１の圧電素子１２の直径Ｒ１と第２の圧電素子１３の直径Ｒ２とを異ならせてあるが（Ｒ１＞Ｒ２）、この第１の圧電素子１２の直径Ｒ１と第２の圧電素子１３の直径Ｒ２との大小関係は図１の逆にしてもよい（Ｒ１＜Ｒ２）。

これにより、第２の圧電素子（直径の小さい圧電素子）１３の周囲にある金属板１１の第２の主面１１ｂ、即ち金属板１１の第２の主面１１ｂにおける第２の圧電素子１３の円形の接合領域のさらに外側のリング状の領域を、リード線半田付けランド部１４として確保している。また第２の圧電素子１３の周囲にある金属板１１の第２の主面１１ｂのリード線半田付けランド部１４の外側、即ち金属板１１の第２の主面１１ｂにおける外縁部のリング状の領域を後述する支持部材３０の内縁部の貼り代１５として確保している。換言すれば、第２の圧電素子１３の直径Ｒ２と金属板１１の直径との差により、第２の圧電素子１３が接合される金属板１１の第２の主面１１ｂに、リング状のリード線半田付けランド部１４を、またその外側にリング状の貼り代１５を確保している。

第１の圧電素子（直径の大きい圧電素子）１２の直径Ｒ１は、図１では、金属板１１の直径（圧電振動子１０の外径）よりやや小径にしているが、最大同じ直径まで大きくすることができる。第２の圧電素子１３の直径Ｒ２は、第１の圧電素子１２の直径Ｒ１を「１」とした場合、０．９５より大きい直径では圧電型電気音響変換器１の生産性を向上させるのに十分広いリード線半田付けランド部１４及びその外側に貼り代１５を確保することが困難となり、０．５より小さい直径では所望の周波数特性及び音圧を得ることが困難となる。

圧電振動子１０はバイモルフ型のため、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１６が半田１６ａ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１７が半田１７ａにより接続され、金属板１１には、第２の圧電素子１３の周囲にある第２の主面１１ｂに確保したリード線半田付けランド部１４に第３のリード線１８が半田１８ａにより接続される。

そして、第１のリード線１６と第２のリード線１７を短絡した状態で、これらと第３のリード線１８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の圧電素子１２と第２の圧電素子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の孔径は、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などで構成される。この支持部材３０には、例えば厚みが数十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）樹脂等のリング状樹脂フィルム（単層構造）、又はそのリング状樹脂フィルムを２枚適当な接着剤により貼り合わせた２層構造のリング状樹脂フィルムが好適に使用される。支持部材３０の内径は、リング状のリード線半田付けランド部１４とその外側のリング状の貼り代１５との境界線の直径と略同径とされる。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。

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の第２の主面１１ｂの外縁部に確保したリング状の貼り代１５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１６を第１の圧電素子１２の非接合側の電極１２ｂに半田１６ａにより接続すると共に、第２のリード線１７を第２の圧電素子１３の非接合側の電極１３ｂに半田１７ａにより接続し、さらに第３のリード線１８を、金属板１１の第２の主面１１ｂの中央部に接合された第２の圧電素子１３と、金属板１１の第２の主面１１ｂの外縁部に接合された支持部材３０との間から、金属板１１の第２の主面１１ｂの中央部の第２の圧電素子１３の円形の接合領域と、金属板１１の第２の主面１１ｂの外縁部の支持部材３０のリング状の貼り代１５との間に確保されているリード線半田付けランド部１４に、半田１８ａ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の第２の主面１１ｂの外縁部に確保したリング状の貼り代１５を接合した後、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１６，１７，１８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１６，１７，１８の接続は、半田１６ａ，１７ａ，１８ａ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が、接合強度及び耐久性、電気接続の信頼性、作業性等を考慮すると、やはり半田接続が最も有効な接合手段となる。

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ができる。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、枠フレームの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１６，１７，１８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、同径の第１の圧電素子１２と第２の圧電素子１３を接合してなるバイモルフ型の圧電振動子１０を使用した以外は、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１ＫＨｚまでの低い周波数帯域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。なお、図示しないが、実施例の第２の圧電素子１３の直径をさらに小さくした場合、４ＫＨｚまでの周波数帯域において実施例と同等の音圧レベルが得られ、且つ、６〜７ＫＨｚの周波数帯域において実施例に比べて音圧の低下が小さくディップが改善され、フラットな特性が得られた。このため、本発明はフラット特性を得るための特性調整法としても有効であることが推測される。

以上から明らかなように、圧電型電気音響変換器１は、金属板１１の第１の主面１１ａに円板状の第１の圧電素子１２が接合され、且つ、金属板１１の第２の主面１１ｂに円板状の第２の圧電素子１３が接合されてなる圧電振動子１０と、この圧電振動子１０を保持するフレーム２０と、内縁部が圧電振動子１０の外縁部に接合され、且つ、外縁部がフレーム２０に接合されるリング状の支持部材３０を備え、圧電振動子１０を支持部材３０を介してフレーム２０に保持したものである。

そして、第１の圧電素子１２の直径Ｒ１と第２の圧電素子Ｒ２の直径とを異ならせてある。またこれにしたがって、第２の圧電素子１３の直径Ｒ２を第１の圧電素子Ｒ１の直径より小さくし、この第２の圧電素子１３の周囲にある金属板１１の第２の主面１１ｂにリード線半田付けランド部１４を確保し、金属板１１の第２の主面１１ｂの前記リード線半田付け部１４より外側に前記支持部材３０の内縁部の貼り代１５を確保したものである。

これにより、第１の圧電素子１２と第２の圧電素子１３の間でそれぞれの直径を規制し合うことがなくなる。このため、金属板１１に第３のリード線１８を半田付けする際の作業性を大幅に改善し、不良発生率を抑えてコストダウンを図るという生産性を考慮して、第２の圧電素子１３の直径Ｒ２を、第１の圧電素子１２の直径Ｒ１より小さくして従来より小径化し、従来より金属板１１へのリード線半付けランド部１４、即ちリード線半付けスペースを拡大して確保することができる。これと同時に、圧電素子の直径を大きくして、低域の音圧レベルを上げ音質向上を図るという音響性能を考慮して、第１の圧電素子１２の直径Ｒ１を、限られたスペース（フレーム２０の内側）で最大限まで大きくして従来より大径化することができるようになる。

したがって、金属板１１の第１の主面１１ａに接合される円板状の第１の圧電素子１２の直径Ｒ１と金属板１１の第２の主面１１ｂに接合される円板状の第２の圧電素子１３の直径Ｒ２とを異ならせることで、圧電型電気音響変換器の音響性能の向上と生産性の向上とを同時に実現することができる。

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。例えば本発明の請求項１や２に係る発明は、圧電振動子１０の金属板１１の外縁部をフレーム２０に直接保持する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。

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
１１ａ 第１の主面
１１ｂ 第２の主面
１２ 第１の圧電素子
１３ 第２の圧電素子
１４ リード線半付けランド部
１５ 貼り代
１８ 第３のリード線
２０ フレーム
３０ 支持部材
Ｒ１ 第１の圧電素子の直径
Ｒ２ 第２の圧電素子の直径

Claims (4)

1. 金属板の第１の主面に円板状の第１の圧電素子が接合され、且つ、前記金属板の第２の主面に円板状の第２の圧電素子が接合されてなる圧電振動子と、この圧電振動子を保持するフレームとを備えた圧電型電気音響変換器において、前記第１の圧電素子の直径と前記第２の圧電素子の直径とを異ならせたことを特徴とする圧電型電気音響変換器。
2. 前記第２の圧電素子の直径が前記第１の圧電素子の直径より小さく、この第２の圧電素子の周囲にある前記金属板の第２の主面にリード線半田付けランド部を確保した請求項１に記載の圧電型電気音響変換器。
3. 内縁部が前記圧電振動子の外縁部に接合され、且つ、外縁部が前記フレームに接合されるリング状の支持部材を備えた請求項１又は２に記載の圧電型電気音響変換器。
4. 前記金属板の第２の主面の前記リード線半田付け部より外側に前記支持部材の内縁部の貼り代を確保した請求項３に記載の圧電型電気音響変換器。

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