JP6348365B2 - 電気−音響変換デバイスの実装構造 - Google Patents

Description

本発明は、電気信号を音響振動に変換する電気−音響変換デバイスの実装構造に関する。

近年、スマートフォンやタブレット等の携帯通信端末、本の閲覧や簡単なネット閲覧用途の電子ペーパー端末の普及が著しい。

これらの端末では、メニュー等のリアクション用やアラーム用途としての音が求められる。そこで、セラミック素子を使用した圧電振動素子を筐体内に設けて、筐体を振動させることにより、ユーザに通知できるようにした提案がなされている（例えば、特開２００４−７４００号公報、特開２００１−３６９９３号公報）。

このとき、圧電振動素子は、できるだけ薄いものに貼り付けた方が振動し易く、かつ、大きな音圧が得られる。なお、音響性能の確保や共振周波数を下げるためには、大型（大寸法）の圧電振動素子を用いる必要がある。しかし、大型の圧電素子を用いる際には、実装スペースの確保が困難となる。特に、近年の端末は、小型・軽量化が強く指向されているため、かかるスペースの確保は容易でない。

そこで、圧電振動素子を、端末のリアカバーに直接固着する構成が提案されている。圧電振動素子が、リアカバーに直接固着されているので、リアカバーが振動体（鳴動体）として作用し、これにより小型の圧電振動素子でも大きな音圧を得ることが可能になる。

ここで、端末の筐体は、リアカバーとフロントカバーとが組み立てて構成され、フロントカバー側に液晶デバイス等の表示モジュールが設けられると共に、この表示モジュールとリアカバーとの間に各種の制御を行う素子を搭載した制御基板が配置されているとする。また、圧電振動素子と制御基板とは、リード線で接続されているとする。

このとき、リード線の長さが短い（必要最小限の長さに設定されている）と、リード線を制御基板に接続する作業が難しくなってしまう。従って、リード線の長さは、接続作業性を勘案して、余裕を持たせた長さに設定する必要があるが、この場合にはリアカバーをフロントケースに嵌合させる際に、リード線の噛込みが発生し易くなる不都合が生じる。

また、圧電振動素子をリアカバーに取り付けた構成では、端末の分解時においてリアカバーをフロントケースから引き離す際に、リード線が引っ張られて、断線したり、圧電振動素子を破損させたりすることがある。

このことを、図１１を参照して説明する。図１１は、圧電振動素子１０９がリアカバー１０１ａに取り付けられた端末１００の断面図で、図１１（ａ）はリアカバー１０１ａとフロントカバー１０１ｂとを一体にした状態、図１１（ｂ）はリアカバー１０１ａとフロントカバー１０１ｂとを分離させた状態を示す。

端末１００の筐体１２０は、リアカバー１０１ａと、フロントカバー１０１ｂとの嵌合体である。表示スクリーン１０２と表示モジュール１０３は、フロントカバー１０１ｂ側に固定されており、表示モジュール１０３の背面側（リアカバー１０１ａ側）に制御基板１０４が実装されている。なお、バッテリーやアンテナ等の他の機器は図示省略する。

リアカバー１０１ａには、電気−音響変換デバイスである圧電振動素子１０９が両面テープ１０８で固定されている。

従って、図１１（ｂ）の状態で、リード線１０７を制御基板１０４に接続する際には、半田コテ等が挿入されるスペース確保が難しいため、リード線１０７の接続作業が困難になる。また、端末１００を分解する際に、リアカバー１０１ａをフロントカバー１０１ｂから外した際に、リード線１０７の接続箇所が外れ、又は、制御基板１０４又は圧電振動素子１０９が破損する不都合が生じる。

そこで、図１２に示すように、圧電振動素子１０９をフロントカバー１０１ｂ側に取り付ける方法が考えられる。図１２は、圧電振動素子１０９が表示モジュール１０３側に取り付けられた端末１００の断面図で、図１２（ａ）はリアカバー１０１ａとフロントカバー１０１ｂとを一体にした状態、図１２（ｂ）はリアカバー１０１ａとフロントカバー１０１ｂとを分離させた状態を示す。

この構成の場合、リアカバー１０１ａをフロントカバー１０１ｂに嵌合させて組み立てる前に、リード線１０７を制御基板１０４に半田付けできるため、リード線１０７は最小の長さで済む。従って、リード線１０７の噛込み等の不都合が発生し難くなると共に、リアカバー１０１ａを外す際にも、リード線１０７には力が加わらないので、圧電振動素子１０９や制御基板１０４を破損させることがない。

特開２００４−７４００号公報 特開２００１−３６９９３号公報

しかしながら、図１２に示した圧電振動素子１０９をフロントカバー１０１ｂ側に取り付ける構成では、以下の問題があった。即ち、圧電振動素子１０９は、例えば表示モジュール１０３側に固着されるが、このとき外力（端末１００に加わる振動等）により固着状態が解除されないように、強固に固着する必要がある。強固に固着する方法として、固着される面を一様に接着材（両面テープを含む）等で固着すると共に、固着面積を多くするために、フラットな面に固着することが望まれる。

音は、圧電振動素子１０９の両面（リアカバー１０１ａ側の面と表示モジュール１０３側の面）から放射される。しかし、上述した図１２の構成では、圧電振動素子１０９と表示モジュール１０３との間の空間は、接着材により密閉空間又は概ね密閉空間となっているため、圧電振動素子１０９の表示モジュール１０３側の面から放射される音は、筐体１２０の内部空間に広がって放射されず、圧電振動素子１０９と表示モジュール１０３との間の空間に籠もってしまう。従って、大きな音圧を得ることが困難になってしまう問題がある。

そこで、本発明の主目的は、大きな音圧が得られると共に容易に組み立てることができる電気−音響変換デバイスの実装構造を提供することである。

上記課題を解決するため、第１カバーと該第１カバーと嵌合する第２カバーとからなる筐体内に、少なくともフラットな面を有し、かつ、第２カバー側に固定された固定部材が収納されて、該固定部材に電気−音響変換デバイスを実装する電気−音響変換デバイスの実装構造にかかる発明は、電気−音響変換デバイスが、電気信号を機械振動に変換する音源と、中央部が開口されて、該開口が音孔をなす支持板と、音孔の縁端部と音源とを固着する第１固定部材と、支持板における外周縁の部分領域を固定部材に固着する第２固定部材とを備え、第２固定部材の壁面が、支持板と固定部材との間の空間を、第１カバー側の筐体内空間と連通させる連通孔の孔壁をなすように設けた、ことを特徴とする。

本発明によれば、電気−音響変換デバイスを第２カバー側に取り付け、かつ、支持板と固定部材との間の空間を、連通孔で第１カバー側の筐体内空間と連通させるように設けたので、容易に組み立てることができると共に大きな音圧が得られるようになる。

第１実施形態にかかる電気−音響変換デバイスの実装構造により実装されたタブレット端末等の端末の断面図である。 端末を分解した際の断面図である。 電気−音響変換デバイスの構成を示す図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ｏ−Ｂ断面図である。 電気−音響変換デバイスの実装構造による音圧特性測定を示す図で、（ａ）は音圧特性を測定するための測定構成図であり、（ｂ）は測定された音圧特性である。 パルス周波数を３ｋＨｚに特化した時の音圧を比較した図である。 第２実施形態にかかる電気−音響変換デバイスの実装構造により実装されたタブレット端末等の端末の断面図である。 電気−音響変換デバイスの実装構造による音圧特性を示す図である。 パルス周波数を３ｋＨｚに特化した時の音圧を比較した図である。 振動板距離に対する音圧依存性を調べた結果を示す図である。 第３実施形態にかかる電気−音響変換デバイスの実装構造により実装されたタブレット端末等の端末の断面図である。 関連技術の説明に適用される圧電振動素子をリアカバー側に取り付けた際の電気−音響変換デバイスの実装構造を示す図で、（ａ）はリアカバーとフロントカバーとを一体にした状態、（ｂ）はリアカバーとフロントカバーとを分離させた状態を示す図である。 関連技術の説明に適用される圧電振動素子をフロントカバー側に取り付けた際の電気−音響変換デバイスの実装構造を示す図で、（ａ）はリアカバーとフロントカバーとを一体にした状態、（ｂ）はリアカバーとフロントカバーとを分離させた状態を示す図である。

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態を説明する。図１は、第１実施形態にかかる電気−音響変換デバイス４の実装構造により実装されたタブレット端末等の端末２Ａの断面図である。また、図２は、この端末２Ａを分解した際の断面図である。なお、端末２Ａは、タブレット端末に限定するものではなく、同様の構成の端末であれば適用できる。

端末２Ａの筐体１０は、リアカバー（第１カバー）１０ａとフロントカバー（第２カバー）１０ｂとの嵌合体である。フロントカバー１０ｂ側には、表示スクリーン１２と表示モジュール１３とが固定されている。また、表示モジュール１３の背面側（リアカバー１０ａ側）には、端末２Ａを制御するため電子部品が搭載された制御基板１４が実装されると共に、電気−音響変換デバイス４が取り付けられている。図示しないバッテリーやアンテナ等は、表示モジュール１３の背面側に実装されている。

なお、本実施形態においては、電気−音響変換デバイス４は、表示モジュール１３側に取り付けられているとして説明するが、本発明はかかる構成に限定するものではない。電気−音響変換デバイス４は、制御基板１４側の部材であって、フロントカバー１０ｂ側に固定された、フラットな面を有する固定部材であれば良い。

図３は、電気−音響変換デバイス４の構成を示す図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ｏ−Ｂ断面図である。この電気−音響変換デバイス４は、音源２１、支持板２２、第１固定部材２３、第２固定部材２４を備える。なお、以下の説明では、音源２１として圧電振動素子を例に説明するが、ダイナミックスピーカやマグネチックサウンダ等の電気信号を音響信号に変換する他のデバイスであってもよい。

音源２１は、金属板２１ａ、圧電セラミックス２１ｂ、電極２１ｃが、順次積層して形成されている。そして、金属板２１ａ、及び、電極２１ｃには、リード線２６が接続されて、このリード線２６から入力した信号に基づき、圧電セラミックス２１ｂが湾曲することで、ユーザが端末２Ａを操作した際のリアクション用途やアラーム等の音を発生させる。

支持板２２は、音源２１を支持する部材で、音源２１の振動が効率よく伝搬できるように、柔軟な材質の材料（樹脂や金属）が好ましく、かつ、可能な限り薄く形成されていることが好ましい。例えば、支持板２２として厚み約０．２ｍｍのＰＥＴ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）が例示でき、また当該支持板２２のサイズは、少なくとも音源２１より大きい方が好ましい。

この支持板２２の中央部領域は開口されて、この開口が音孔２７をなしている。なお、音孔２７の形状は、正方形、長方形、円形、長円形等の何れであっても良い。

第１固定部材２３は、例えば両面テープ等であって、音源２１と支持板２２とを固着する。このとき、音源２１の外周縁部に沿って第１固定部材２３を設けるならば、音源２１と支持板２２との固着が強固に行えるので好ましい。

第２固定部材２４は、例えば両面テープ等であって、支持板２２と表示モジュール１３とを固定する。このとき、第２固定部材２４は、音孔２７を取り巻くように設けない。即ち、音孔２７と筐体１０内とは連通するように設けている。本実施形態では、図３（ａ）に示すように、支持板２２における対向した辺縁部に第２固定部材２４を配置することで、この辺に隣接する辺の領域が連通孔２５を形成している。従って、音孔２７と筐体１０の内部空間（リアカバー１０ａ側の空間）とは、連通孔２５を介して連通している。

第２固定部材２４を支持板２２の対向辺縁部に設けたのは、連通孔２５を形成して、音の籠もりを防止するためである。従って、連通孔２５が確保できる範囲で上記固定方法に限定されず、支持板２２の３辺に設けても良く、またアイランド状に設けても良い。このとき、第２固定部材２４の壁面が、連通孔２５の孔壁をなす。

表示モジュール１３の背面側には、端末２Ａの制御基板１４が固定されて、音源２１への信号は当該制御基板１４から供給される。

先に述べたように、金属板２１ａ、電極２１ｃからはリード線２６が引き出されており、このリード線２６を制御基板１４の電極に半田付け等で接続する。無論、本実施形態では、半田付けに限定するものではなく、コネクタによる接続でもよい。

このとき、電気−音響変換デバイス４は、リアカバー１０ａと完全に分離された構造であるので、リアカバー１０ａの存在を考慮することなく容易にリード線２６の接続が可能になる。即ち、組み立てを容易に行うことができる。

このような構成で、制御基板１４から音源２１にリード線２６を介してパルス波形を印加する。これにより圧電セラミックス２１ｂは、パルス波形に応じた周期及び振幅レベルで伸び縮みを繰り返すことにより、音が発生される。

リアカバー１０ａ側における音源２１の振動面から放射された音は、そのまま筐体１０の内部空間に伝搬する。一方、表示モジュール１３側における音源２１の振動面から放射された音は、音孔２７、連通孔２５を順次通り、筐体１０の内部空間に伝搬する。そして、筐体１０の内部空間に伝搬してきた音は、リアカバー１０ａやフロントカバー１０ｂを振動させることにより、端末２Ａの外に放射される。これにより、ユーザは、この音をリアクション音やアラーム音として認識できるようになる。

次に、上記構成による音圧特性について説明する。なお、使用する音源２１は、サイズや種類によってデバイスの共振周波数が異なり、リアクション音やアラーム音は、人間が最も気づき易いと考えられている３ｋＨｚ付近の周波数で音圧が高くなることが好ましい。

図４は、電気−音響変換デバイス４の実装構造による音圧特性の評価を示す図で、図４（ａ）は音圧特性を測定するための測定構成図であり、図４（ｂ）は測定された音圧特性である。

図４（ａ）に示すように、表示面側を伏せた状態で置台（スポンジ）３１上に端末２Ａを置き、リアカバー１０ａの面中心から３０ｃｍ離れた位置にマイク３２を設置して、音圧を測定した。このとき、音源２１には、３Ｖｐ−ｐのパルス波形を印加し、パルス周波数を５００Ｈｚから５ｋＨｚまで変化させた。

図４（ｂ）において、「■印」は図１１に示す構成で、リアカバー１０ａに音源２１を固定したときの音圧特性（以下、第１従来構造と記載する）、「◆印」は図１２に示す構成で、表示モジュール１３の背面側に音源２１を直接固定したときの音圧特性を示している（以下、第２従来構造と記載する）。また、「○印」は、本実施形態にかかる構成のリアカバー１０ａに音源２１を固定したときの音圧特性である（以下、第１発明構造と記載する）。また、図５は、パルス周波数を３ｋＨｚに特化した時の音圧を比較した図である。

図４（ｂ）から、第１発明構造は、周波数に関わらず第２従来構造よりも大きい音圧を得ることできることが分かる。また図５から、３ｋＨｚの周波数では、第１発明構造は第２従来構造に比べて約１２ｄＢの音圧拡大が可能であり、第１従来構造と同程度の音圧を得ることができることが分かる。

以上説明したように、本発明にかかる電気−音響変換デバイスの実装構造を端末に適用することにより、当該端末の組み立てが容易になり、かつ、大きな音圧を得ることができるようになる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態を説明する。なお、第１実施形態と同一構成に関しては同一符号を用いて、説明を適宜省略する。

第１実施形態においては、音源２１をリアカバー１０ａ側の支持板２２の面に固着した。これに対し第２実施形態においては、音源２１を表示モジュール１３側の支持板２２の面に設けた。

図６は、本実施形態にかかる電気−音響変換デバイス４の実装構造により実装されたタブレット端末等の端末２Ｂの断面図で、音源２１は表示モジュール１３側の支持板２２の面に設けられている。

図７は電気−音響変換デバイス４の実装構造による音圧特性を示す図、図８はパルス周波数を３ｋＨｚに特化した時の音圧を比較した図である。

図７には、第１実施形態における音圧効果を示す図（図４（ｂ））も合わせて示している。図７において、「■印」は図１１に示す構成で、リアカバー１０ａに音源２１を固定したときの音圧特性（以下、第１従来構造と記載する）、「◆印」は図１２に示す構成で、表示モジュール１３の背面側に音源２１を直接固定したときの音圧特性を示している（以下、第２従来構造と記載する）。また、「△印」は第２実施形態にかかる構成のリアカバー１０ａに音源２１を固定したときの音圧特性（以下、第２発明構造と記載する）を示している。

図７によれば、第２発明構造は、周波数に関わらず、第２従来構造よりも大きな音圧が得られることが分かる。また、図８から、３ｋＨｚの周波数では、第１発明構造は、第２従来構造に比べて約１９ｄＢの音圧拡大が得られ、かつ、第１従来構より大きい音圧性能が得られていることが分かる。

これらにより、第２発明構造は、組み立てが容易な構造で、優れた構造であることが結論できる。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態を説明する。なお、第１、第２実施形態と同一構成に関しては、同一符号を用いて説明を適宜省略する。

これまでの説明では、支持板２２と表示モジュール１３とで挟まれた空間（以下、支持板間高さと記載する）については言及しなかった。以下、支持板間高の高さ（支持板２２と表示モジュール１３との距離）を支持板間距離Ｄ（図１又は図１０を参照）と記載する。

表示モジュール１３の背面（支持板２２側の面）は、比較的硬くフラットな構造になっている。従って、音源２１からの音は、表示モジュール１３の背面で反射する。この反射による効果（反響効果）は、支持板間距離Ｄに依存する。また、支持板間距離Ｄは、連通孔２５の断面積を規定するため、連通孔２５を介してリアカバー１０ａ側の空間に伝搬する音量も、この支持板間距離Ｄに依存する。また、反響効果は、音が反射する反射面の構造によって異なる。そこで、本実施形態では、先ず振動板距離Ｄに対する音圧依存性を調べて、反響効果による音圧依存性を調べた。

図９は、振動板距離Ｄに対する音圧依存性を調べた結果である。この結果は、人間が最も気づき易い３ｋＨｚにおける音圧である。図９において「◆印」は、第１実施形態における第１発明構造、「■印」は第２実施形態における第２発明構造の場合を示している。

図９から、支持板間距離Ｄを大きくするに従い、音圧も大きくなる。これは反響効果によると考えられる。無論、使用スピーカ、振動板厚み、振動板平面サイズ、表示モジュール１３の背面材質等で効果に多少の差異が生じる。

なお、今回の検証では、支持板間距離Ｄ＝３ｍｍまでは音圧が大きくなり、この距離（Ｄ＝３ｍｍ）を超えると、小さくなる傾向が見られた。従って、第１発明構造、第２発明構造を問わず、支持板間距離Ｄを大きくすることで大きな音圧を得ることができる。実際には端末２Ｂの薄型化や内部部品の実装制約から極端に支持板間距離Ｄを大きく確保することは現実的ではない。よって、端末２Ｂの薄型化を実現できる許容範囲内で少しでも支持板間距離Ｄを大きく確保できれば、より音圧拡大効果は得られる。

支持板間距離Ｄを調整する方法は、種々の構成が可能であるが、最も直接的な方法は、第２固定部材２４の厚みを調整することである。

また、端末２Ｂの厚み制約とのトレードオフとはなるが、図１０に示すように、支持板２２の端部をドーム型や半ドーム形状にした端末２Ｃとすることで、より音の反響効果を得ることも可能である。

２Ａ〜２Ｃ 端末
４ 音響変換デバイス
１０ 筐体
１０ａ リアカバー
１０ｂ フロントカバー
１２ 表示スクリーン
１３ 表示モジュール
１４ 制御基板
２１ 音源
２１ａ 金属板
２１ｂ 圧電セラミックス
２１ｃ 電極
２２ 支持板
２３ 第１固定部材
２４ 第２固定部材
２５ 連通孔
２６ リード線
２７ 音孔

Claims (7)

1. 第１カバーと該第１カバーと嵌合する第２カバーとからなる筐体内に、少なくともフラットな面を有し、かつ、前記第２カバー側に固定された固定部材が収納されて、該固定部材に電気−音響変換デバイスを実装する電気−音響変換デバイスの実装構造であって、
   前記電気−音響変換デバイスが、電気信号を機械振動に変換する音源と、
   中央部が開口されて、該開口が音孔をなす支持板と、
   前記音孔の縁端部と前記音源とを固着する第１固定部材と、
   前記支持板における外周縁の部分領域を前記固定部材に固着する第２固定部材と、を備え、
   前記第２固定部材の壁面が、前記支持板と前記固定部材との間の空間を、前記第１カバー側の前記筐体内空間と連通させる連通孔の孔壁をなすように設けた、
   ことを特徴とする電気−音響変換デバイスの実装構造。
2. 請求項１に記載の電気−音響変換デバイスの実装構造であって、
   前記音源は、圧電振動素子、ダイナミックスピーカ、マグネチックサウンダのいずれか１つを含む、
   ことを特徴とする電気−音響変換デバイスの実装構造。
3. 請求項１又は２に記載の電気−音響変換デバイスの実装構造であって、
   前記音源は、前記支持板の面であって、前記固定部材側の面に取り付けられている、
   ことを特徴とする電気−音響変換デバイスの実装構造。
4. 請求項１又は２に記載の電気−音響変換デバイスの実装構造であって、
   前記音源は、前記支持板の面であって、前記固定部材と反対の面に取り付けられている、
   ことを特徴とする電気−音響変換デバイスの実装構造。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電気−音響変換デバイスの実装構造であって、
   前記支持板は、所定厚の樹脂材又は金属材により形成され、かつ、当該支持板のサイズは、前記音源のサイズより大きい、
   ことを特徴とする電気−音響変換デバイスの実装構造。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電気−音響変換デバイスの実装構造であって、
   前記支持板と前記固定部材との間の距離が、３.０ｍｍ以下に設定されている、
   ことを特徴とする電気−音響変換デバイスの実装構造。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電気−音響変換デバイスの実装構造であって、
   前記第１固定部材と前記第２固定部材との間の前記支持板が、湾曲したドーム型又は半ドーム型の形状に形成されている、
   ことを特徴とする電気−音響変換デバイスの実装構造。

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