JP6156387B2 - 電気音響変換器、その製造方法、及びその電気音響変換器を用いた電子機器 - Google Patents

Description

［関連出願についての記載］
本発明は、日本国特許出願：特願２０１２−２２７９２０号（２０１２年１０月１５日出願）に基づくものであり、同出願の全記載内容は引用をもって本書に組み込み記載されているものとする。
本発明は、電気音響変換器、その製造方法、及びその電気音響変換器を用いた電子機器に関する。

近年、特定の位置にいる人に音を伝播する、指向性の強いパラメトリックスピーカが注目されている。例えば、携帯電話等の電子機器にパラメトリックスピーカを搭載し、ユーザ近傍に音声信号を伝播する等の利用が期待されている。

ここで、携帯電話等の電子機器にパラメトリックスピーカを搭載する場合、パラメトリックスピーカは、小型化が求められる。しかし、磁気回路を用いる動電型電気音響変換器においては、その原理上、小型化が困難である。そこで、圧電振動子を用いた電気音響変換器の利用が期待されている。

特許文献１において、圧電振動子を備え、低周波帯域を含む広帯域で使用可能な電気音響変換器が開示されている。

特開２００６−２４６２７９号公報

なお、上記先行技術文献の開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。以下の分析は、本発明の観点からなされたものである。

指向性の強いパラメトリックスピーカにおいては、超音波を用いて、音声信号を伝播することが好ましい。そして、圧電振動子を用いて、指向性の強い超音波を発振するためには、高い音圧レベルの超音波を発振することが好ましい。しかし、高い音圧レベルの超音波を発振するためには、高い電圧を圧電振動子に印加することが必要となっている。つまり、圧電振動子に印加する電圧と、発振される超音波の指向性は、トレードオフの関係となっている。

特許文献１においては、圧電振動子を用いて、高効率で超音波を発振する技術は開示されていない。

従って、指向性の強い音波を、高効率で発振することに貢献する電気音響変換器、その製造方法、及びその電気音響変換器を用いた電子機器が、望まれる。

本発明の第１の視点によれば、圧電振動子と、前記圧電振動子から所定の空間を離して配置され、内壁に、錐台形状の切り込みを有する筐体と、前記切り込みに嵌め込み配置される吸音材と、を備え、前記筐体は、前記圧電振動子の発振方向前方に音孔部が形成され、前記切り込みは、前記圧電振動子の発振方向前方に向かって、音道の孔径を縮小するように、前記筐体に形成される電気音響変換器が、提供される。

本発明の第２の視点によれば、圧電振動子と、前記圧電振動子から所定の空間を離して配置され、前記圧電振動子の発振方向前方に音孔部が形成され、内壁に、錐台形状の切り込みを有する筐体と、前記切り込みに嵌め込み配置される吸音材と、を備え、前記切り込みは、前記圧電振動子の発振方向前方に向かって、前記音孔部の孔径を縮小するように、前記筐体に形成される電気音響変換器を搭載し、前記圧電振動子を２０ｋＨｚ以上の周波数の超音波を放射するよう発振させる電子機器が、提供される。

本発明の第３の視点によれば、圧電振動子と、筐体と、を備える電気音響変換器の製造方法であって、前記筐体を圧電振動子から所定の空間を離して配置する工程と、前記筐体の内壁に、錐台形状の切り込みを形成する、切り込み形成工程と、前記切り込みに、吸音材を嵌め込み配置する工程と、前記圧電振動子の発信方向前方に音孔部を、前記筐体に形成する音孔部形成工程と、を含み、前記切り込み形成工程において、記圧電振動子の発振方向前方に向かって、音道の孔径を縮小するように、前記筐体に、前記切り込みを形成する、電気音響変換器の製造方法が、提供される。

本発明の各視点によれば、指向性の強い音波を、高効率で発振することに貢献する電気音響変換器、その製造方法、及びその電気音響変換器を用いた電子機器が、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の実施形態に係る電気音響変換器１の一例を示す断面側面図である。 第１の実施形態に係る圧電振動子１０の一例を示す断面側面図である。 第２の実施形態に係る電気音響変換器１ａの一例を示す断面側面図である。 第２の実施形態に係る構造、及び比較形態に係る構造の一例を示す図である。 周波数と音圧レベルの測定結果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。

上述の通り、圧電振動子に印加する電圧と、発振される超音波の指向性は、トレードオフの関係となっている。従って、指向性の強い音波を、高効率で発振することに貢献する電気音響変換器が、望まれる。

そこで、一例として図１に示す電気音響変換器１００を提供する。電気音響変換器１００は、圧電振動子１０１と、圧電振動子１０１から所定の空間を離して配置される筐体１０２と、を備える。圧電振動子１０１は、電界の印加により揺動して音波を発振する。そして、筐体１０２には、圧電振動子１０１の発振方向前方に音孔部１０３が形成される。圧電振動子から発信された音波は、音孔部１０３から大気中に放射される。なお、以下の説明では、圧電振動子から発信された音波が、音孔部１０３に到達するまでに通過する、管状の経路を音道と呼ぶ。

ここで、筐体１０２は、内壁に、錐台形状の切り込みを有する。この切り込みは、圧電振動子１０１の発振方向前方に向かって、音道の孔径を縮小するように、筐体１０２に形成される。そのため、錐台形状によって、圧電振動子から発信される音波が、音道を通過し、音孔部１３に向かうよう制御される。具体的には、筐体１０２の内壁が錐台形状となっている場合、圧電振動子から発振される音波の発散を抑制する。その結果、この切り込みは、圧電振動子から発信される音波を集音し、指向性を強くすることに貢献する。

さらに、筐体１０２に形成された切り込みに、吸音材１０４を嵌め込み、配置する。吸音材１０４は、切り込み部分に集音された、音波同士の干渉を防止することに貢献する。さらに、吸音材１０４は、再生する超音波以外の周波数の音波を消音することに貢献する。従って、電気音響変換器１００は、指向性の強い音波を、高効率で発信することに貢献する。

本発明において下記の形態が可能である。

［形態１］上記第１の視点に係る電気音響変換器の通りである。

［形態２］前記筐体は、多角錐台形、又は円錐台形を含む前記切り込みを有することが好ましい。

［形態３］前記吸音材は、多孔質材料を含むことが好ましい。

［形態４］前記音孔部は、前記圧電振動子の振動面から、発振波の波長の１／４〜１／２の距離に形成されることが好ましい。

［形態５］前記圧電振動子は、２０ｋＨｚ以上の周波数の超音波を発振することが好ましい。

［形態６］形態１乃至形態５のいずれかの電気音響変換器を、平面上に整列して配置し、構成されることが好ましい。

［形態７］上記第２の視点に係る電子機器の通りである。

［形態８］上記第３の視点に係る電気音響変換器の製造方法の通りである。

［形態９］前記切り込み形成工程において、多角錐台形、又は円錐台形を含む前記切り込みを形成することが好ましい。

［形態１０］前記音孔部形成工程において、前記圧電振動子の振動面から、発振波の波長の１／４〜１／２の距離に、前記音孔部を形成することが好ましい。

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。なお、以降の記述において、多くの具体的事項は、説明のため、本発明の理解を助けるためになされたものである。

［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、本実施形態に係る電気音響変換器１の一例を示す断面側面図である。なお、図２は、簡単のため、本実施形態に係る電気音響変換器に関係する部材を主に記載する。

電気音響変換器１は、筐体１１の内部に収容されている。電気音響変換器１は、例えば、スピーカ装置として使用される。スピーカ装置としては、パラメトリックスピーカであってもよい。電気音響変換器１をパラメトリックスピーカとして用いる場合、圧電振動子１０は、２０ｋＨｚ以上の超音波を発振することが好ましい。その場合、パラメトリックスピーカは、超音波を搬送波として、可聴音に復調する。具体的には、パラメトリックスピーカは、まず、変調処理した超音波を空気中に放射する。そして、パラメトリックスピーカは、空気の非線形現象による衝突波を誘発することで、変調波を復調する。

さらに、圧電振動子１０が直進性の高い超音波を発振することによって、指向性の高い音場を形成することができる。その結果、本実施形態に係る電気音響変換器１は、ユーザ近傍を中心として音波を放射することができる。

電気音響変換器１は、例えば、スマートフォン、携帯電話、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）等の音源であることが好ましい。

そして、圧電振動子１０は、接合部材を介して、筐体と接合される。また、圧電振動子１０において、筐体と相対する面から所定の空間を離して、基板１５が配置される。そして、圧電振動子１０は、保持部材１６を介して、基板１５と接合される。

圧電振動子１０は、厚さ方向に分極された圧電体２１と振動部材２０とが拘束されて構成される。そして、圧電振動子１０は、電界の印加により揺動して音波を発振する。そのため、電気音響変換器１を備える電子機器は、圧電体２１に印加する電気信号を生成する、発振回路（図示せず）を備えることが好ましい。

筐体１１は、圧電振動子１０から所定の空間を離して配置される。そして、筐体１１は、圧電振動子１０の発振方向前方に音孔部１３が形成される。圧電振動子１０が発振した音波は、音孔部１３を通過して、電気音響変換器１の外部に放射される。

さらに、筐体１１は、内壁に、錐台形状の切り込みを有する。この切り込みは、多角錘台形、又は円錐台形等を含む。そして、この切り込みは、圧電振動子の発信方向前方に向かって、音道の孔径を縮小するように、筐体１１に形成される。この切り込みが形成されることによって、切り込み部分に音波を集音することができる。その結果、電気音響変換器１は、音波を効率よく、音孔部１３から放射できる。

また、吸音材１４は、筐体１１に形成された切り込みに嵌め込み、配置される。吸音材１４は、ポリウレタン等、多孔質の材料が好ましい。多孔質材料の空孔の形状を調整することによって、消音したい周波数を調整できる。具体的には、多孔質材料の空孔内に音波が入射すると、空孔内部で乱反射する。そのため、空孔の形状に応じて、所定の周波数の音波は乱反射し、減衰する。

音孔部１３は、圧電振動子１０の振動面から、発振波の波長の１／４〜１／２の距離に形成されることが好ましい。音孔部１３と、圧電振動子１０の振動面と、の距離をこの範囲にすることによって、効率よく、不要な超音波を消音することができる。

図３は、圧電振動子１０の一例を示す断面側面図である。図３は、簡単のため、本実施形態に係る電気音響変換器１に関係する部材を主に記載する。

振動部材２０は、圧電振動子１０に発生した振動を電気音響変換器１の全体に伝播する機能を有する。また、図３に示すように、圧電振動子１０は、振動部材２０の両主面に、それぞれ圧電体２１が拘束された構造（バイモルフ構造）が好ましい。圧電振動子１０がバイモルフ構造である場合、ユニモルフ構造の場合より、圧電振動子１０の振幅量が拡大する。なお、ユニモルフ構造とは、振動部材２０の一方の主面に、圧電体２１が拘束された構造である。

各圧電体２１は、両主面に電極２２が拘束されている。そのため、圧電体２１は、厚さ方向に分極している。圧電体２１を構成する材料は、圧電効果を備える材料であり、無機材料、有機材料のいずれであってもよい。例えば、ジルコン酸チタン酸鉛、チタン酸バリウム等の圧電セラミックであってもよい。

また、電極２２を構成する材料は限定されないが、例えば、銀、銀／パラジウムであってもよい。銀は、電気抵抗率が低く、汎用的な電極材料として使用されている。銀／パラジウムは、電気抵抗率が低く、さらに対酸化性に優れている。なお、電極に好ましい材料は各種あるが、その詳細は問わない。

ところで、上述の通り、圧電体２１は圧電セラミックが好ましいが、圧電セラミックは脆性である。そのため、圧電体２１を圧電セラミックで構成する場合、圧電体２１の形状の変更は困難である。そこで、圧電体２１を拘束する振動部材２０の厚み、材質等を変更し、共振周波数を変更することが好ましい。

そこで、振動部材２０は、圧電体２１に対して剛性が高い材料が好ましい。振動部材２０の剛性が低すぎる場合や、高すぎる場合は、機械振動子としての特性や信頼性を損なう可能性がある。例えば、振動部材２０は、リン青銅やステンレス等の金属材料であってもよい。または、振動部材２０は、金属材料と樹脂との複合材料であってもよい。振動部材２０を、金属材料と樹脂との複合材料にすることによって、振動部材２０の剛性を調整することに貢献できる。振動部材２０に好ましい材料は各種あり、その詳細は問わない。

また、振動部材２０は、支持部材２４を介して、フレーム２３と接合してもよい。フレーム２３を構成する材料は、剛性の高い材料であれば、限定されない。フレーム２３を構成する材料は、金属材料、有機材料等であってもよい。例えば、フレーム２３を構成する材料は、ステンレス、真鍮等であっても良い。

支持部材２４を構成する材料は、振動を吸収する材料であれば、限定されない。例えば、支持部材２４を構成する材料は、樹脂材料であってもよい。支持部材２４は、圧電振動子１０が振動した場合、応力が集中する端部の剛性が低減することに貢献する。そして、支持部材２４は、圧電振動子１０の振幅量を拡大することに貢献する。

さらに、圧電振動子１０が振動した場合、振動部材２０と圧電体の接地領域に応力が集中する。そこで、振動部材２０の応力集中部分に、弾性部材２５を配置することが好ましい。ここで、弾性部材２５を構成する材料は、柔軟性が高い材料であれば、限定されない。また、振動部材２０に塗膜を形成し、振動部材の弾性を調整してもよい。振動部材２０に弾性部材２５等を配置することによって、落下時の衝撃安定性が向上する。

以上のように、本実施形態に係る電気音響変換器１は、不要な周波数の音波を消音できる。従って、本実施形態に係る電気音響変換器１は、所定の周波数の超音波を、高効率で放射できる。

［第２の実施形態］
続いて、第２の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。

第２の実施形態においては、第１の実施形態に係る電気音響変換器１を、平面上に並列に配置する。なお、本実施形態における説明では、第１の実施形態と重複する部分の説明は省略する。さらに、本実施形態における説明では、第１の実施形態と同一の構成要素には、同一の符号を付し、その説明を省略する。

図４は、本実施形態に係る電気音響変換器１ａの構造の一例を示す側面図である。

各圧電振動子１０は、接合部材１２を介して、筐体１１と接合される。また、各圧電振動子１０は、保持部材１６を介して、基板１５と接合される。そして、筐体１１は、各圧電振動子１０の音波が伝播する音道に、錐台形状の切り込みが形成される。

また、本実施形態に係る電気音響変換器１ａを構成する圧電振動子１０のうち、一又は複数の圧電振動子１０を選択的に駆動することによって、電気音響変換器１ａの指向性を強くできる。つまり、選択的に圧電振動子１０を駆動することによって、特定方向に音場を形成できる。

図５は、圧電振動子１０、及び筐体１１の構造を比較する一例を示す図である。図５（ａ）は、本実施形態に係る電気音響変換器１ａの構造の一例を示す図である。図５（ｂ）は、筐体１１１に錘台形状の切り込みを形成せず、吸音材１４が無い電気音響変換器３の構造の一例を示す図である。図５（ａ）、（ｂ）いずれの構造も、圧電振動子１０を含む電気音響変換器をアレイ状に配置する。以下の説明では、図５（ａ）に示す、電気音響変換器１ａの構造を、「本実施形態に係る構造」と呼ぶ。一方、図５（ｂ）に示す、電気音響変換器３の構造を「比較形態に係る構造」と呼ぶ。

また、図６は、本実施形態に係る構造、及び比較形態に係る構造について、周波数と音圧レベルの測定結果の一例を示す図である。なお、図６において、本実施形態に係る構造と、比較形態に係る構造において、共通する部材の物性値は同一であるとする。さらに、図６において、本実施形態に係る構造と、比較形態に係る構造において、温度等を含む測定条件は同一であるとする。

図６に示すように、本実施形態に係る構造、及び比較形態に係る構造において、約６０ｋＨｚで、音圧レベルがピーク値となっている。しかし、本実施形態に係る構造において、音圧レベルのピーク値は、比較形態に係る構造より、高い音圧レベルである。従って、本実施形態に係る構造は、比較形態に係る構造より、音圧レベルが向上することが分かる。

また、本実施形態に係る構造では、音圧の変化が単峰性である。一方、比較形態に係る構造では、音圧レベルの変化が多峰性である。具体的には、比較形態に係る構造では、約４０ｋＨｚ、約６０ｋＨｚ、約９５ｋＨｚで、音圧レベルが上昇している。従って、図６に示すように、本実施形態に係る構造では、不要な周波数の超音波を消音できることが分かる。なお、図６は、本実施形態に係る構造と、比較形態に係る構造の比較の一例を示す図である。そのため、音圧レベルがピーク値となる周波数、音圧レベル等は、各部材の形状、物性、測定条件に応じて変動することは勿論である。

上記した実施形態においては、振動部材２０の両主面に、それぞれ圧電体２１が拘束されたバイモルフ構造について、説明した。しかし、振動部材２０のいずれか一方の面に、圧電体２１が拘束された構造（ユニモルフ構造）であってもよい。

なお、引用した上記の特許文献の開示は、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。

１、１ａ、３、１００ 電気音響変換器
１０、１０１ 圧電振動子
１１、１０２、１１１ 筐体
１２ 接合部材
１３、１０３ 音孔部
１４、１０４ 吸音材
１５ 基板
１６ 保持部材
２０ 振動部材
２１ 圧電体
２２ 電極
２３ フレーム
２４ 支持部材
２５ 弾性部材

Claims (10)

1. 圧電振動子と、
   前記圧電振動子から所定の空間を離して配置され、内壁に、錐台形状の切り込みを有する筐体と、
   前記切り込みに嵌め込み配置される吸音材と、を備え、
   前記筐体は、前記圧電振動子の発振方向前方に音孔部が形成され、
   前記切り込みは、前記圧電振動子の発振方向前方に向かって、音道の孔径を縮小するように、前記筐体に形成される、
   電気音響変換器。
2. 前記筐体は、多角錐台形、又は円錐台形を含む前記切り込みを有する請求項１に記載の電気音響変換器。
3. 前記吸音材は、多孔質材料を含む請求項１又は２に記載の電気音響変換器。
4. 前記音孔部は、前記圧電振動子の振動面から、発振波の波長の１／４〜１／２の距離に形成される請求項１乃至３のいずれか一に記載の電気音響変換器。
5. 前記圧電振動子は、２０ｋＨｚ以上の周波数の超音波を発振する請求項１乃至４のいずれか一に記載の電気音響変換器。
6. 請求項１乃至５のいずれか一に記載の電気音響変換器を、平面上に並列に配置し、構成される電気音響変換器。
7. 請求項１乃至６のいずれか一に記載の電気音響変換器を搭載し、前記圧電振動子を２０ｋＨｚ以上の周波数の超音波を放射するよう発振させる電子機器。
8. 圧電振動子と、筐体と、を備える電気音響変換器の製造方法であって、
   前記筐体を圧電振動子から所定の空間を離して配置する工程と、
   前記筐体の内壁に、錐台形状の切り込みを形成する、切り込み形成工程と、
   前記切り込みに、吸音材を嵌め込み配置する工程と、
   前記圧電振動子の発信方向前方に音孔部を、前記筐体に形成する音孔部形成工程と、を含み、
   前記切り込み形成工程において、記圧電振動子の発振方向前方に向かって、音道の孔径を縮小するように、前記筐体に、前記切り込みを形成する、
   電気音響変換器の製造方法。
9. 前記切り込み形成工程において、多角錐台形、又は円錐台形を含む前記切り込みを形成する請求項８に記載の電気音響変換器の製造方法。
10. 前記音孔部形成工程において、前記圧電振動子の振動面から、発振波の波長の１／４〜１／２の距離に、前記音孔部を形成する請求項８又は９に記載の電気音響変換器の製造方法。

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