JP6466719B2

JP6466719B2 - 音響発生装置および携帯端末

Info

Publication number: JP6466719B2
Application number: JP2015009604A
Authority: JP
Inventors: 中村　成信; 成信中村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2015-01-21
Filing date: 2015-01-21
Publication date: 2019-02-06
Anticipated expiration: 2035-01-21
Also published as: JP2016134842A

Description

本発明は、スピーカーなどの音響発生装置およびこれを備えた携帯端末に関する。

振動板としてパネルが用いられ、このパネルに圧電素子が両面テープで貼り付けられて、圧電素子の振動をパネルに伝達させるようにした携帯端末が知られている。（例えば、特許文献１を参照）

特開２０１４−５７２６４号公報

このように、振動板としてのパネルに圧電素子が貼り付けられた携帯端末においては、高温下で使用するとパネルが軟化し、このパネルが軟化した状態で圧電素子を高い電圧で駆動させ続けるとパネルが割れるおそれがあった。また、高温下ではパネルと筐体を接合している両面テープや接着剤も軟化するため、パネルの筐体に対する固定力が低下するおそれがあった。同様に、圧電素子を貼り付けている両面テープや接着剤も軟化するため、圧電素子のパネルに対する固定力が低下するおそれがあった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、振動板が割れるのを抑制し、かつ振動板および圧電素子の固定力低下を抑制することのできる音響発生装置および携帯端末を提供することを目的とする。

本発明の音響発生装置は、圧電素子と、該圧電素子の主面に接合されて当該圧電素子の振動によって振動する振動板と、少なくとも前記圧電素子を収容する筐体と、前記振動板に取り付けられて前記筐体の内部の温度を測定する温度センサと、該温度センサにより測定された前記筐体の内部の温度に応じて前記振動板の振幅を変化させるように、前記圧電素子の振動を制御する制御部とを備え、該制御部は、前記温度センサにより測定された温度が高くなるに従って、前記振動板の振幅が漸次小さくなるように、前記圧電素子の振動を制御している。

また、本発明の携帯端末は、上記音響発生装置と、通信手段とを備えている。

本発明によれば、振動板が割れるのを抑制できる。また、振動板および圧電素子の固定力低下を抑制できる。

（ａ）は本実施形態の音響発生装置の一例の一部省略概略斜視図、（ｂ）は（ａ）に示す音響発生装置の実施形態の一例の一部省略概略斜視図である。図１（ａ）に示すＡ−Ａ線で切断した概略断面図である。図１（ａ）に示すＢ−Ｂ線で切断した概略断面図である。（ａ）は図１に示す圧電素子の概略斜視図、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ線で切断した概略断面図、（ｃ）は（ａ）に示すＢ−Ｂ線で切断した概略断面図である。本実施形態の音響発生装置の制御方法の一例の説明図である。本実施形態の携帯端末の一例の構成を示すブロック図である。

本実施形態の音響発生装置の一例について、図面に基づいて説明する。

図１（ａ）は本実施形態の音響発生装置の一例の概略斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す音響発生装置の実施形態の一例の一部省略概略斜視図である。また、図２は図１（ａ）に示すＡ−Ａ線で切断した概略断面図、図３は図１（ａ）に示すＢ−Ｂ線で切断した概略断面図である。なお、図１（ｂ）では筐体３を省略している。

図１に示す本実施形態の音響発生装置は、圧電素子１と、圧電素子１の主面に接合されて当該圧電素子１の振動によって振動する振動板２と、少なくとも圧電素子１を収容する筐体３と、筐体３の内部の温度を測定する温度センサ４と、温度センサ４により測定された筐体３の内部の温度に応じて振動板２の振幅を変化させるように、圧電素子１の振動を制御する制御を行なう制御部（図示せず）とを備えている。

圧電素子１は、図４に示すように、複数の圧電体層１１および複数の電極層１２が積層されて板状に形成された積層体１５を備えてなるものである。積層体１５は、複数の電極層１２が積層方向に重なる活性部とそれ以外の不活性部とを有し、例えば長尺状に形成されている。音響発生装置が携帯端末であって、携帯端末のディスプレイのカバーまたは筐体に圧電素子１を取り付けて使用する場合には、積層体１５の長さとしては、例えば１８ｍｍ〜２８ｍｍに設定され、好ましくは２２ｍｍ〜２５ｍｍに設定される。積層体１５の幅は、例えば１ｍｍ〜６ｍｍに設定され、好ましくは３ｍｍ〜４ｍｍに設定される。積層体１５の厚みは、例えば０．２ｍｍ〜１．０ｍｍに設定され、好ましくは０．４ｍｍ〜０．８ｍｍに設定される。

積層体１５を構成する複数の圧電体層１１は、圧電特性を有するセラミックスで形成されたもので、このようなセラミックスとして、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３）からなるペロブスカイト型酸化物、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）などを用いることができる。圧電体層１１の１層の厚みは、低電圧で駆動させるために、例えば０．０１〜０．１ｍｍに設定される。また、大きな屈曲振動を得るために、２００ｐｍ／Ｖ以上の圧電定数ｄ３１を有することが好ましい。

積層体１５を構成する複数の電極層１２は、圧電体層１１を形成するセラミックスと同時焼成により形成されたもので、圧電体層１１と交互に積層されて圧電体層１１を上下から挟んでおり、それらの間に挟まれた圧電体層１１に駆動電圧を印加するものである。この形成材料として、例えば圧電セラミックスとの反応性が低い銀や銀−パラジウムを主成分とする導体、あるいは銅、白金などを含む導体を用いることができるが、これらにセラミック成分やガラス成分を含有させてもよい。

図４に示す例では、圧電素子１はバイモルフ型の圧電素子であり、積層体１５は積層方向の一方側（上側）に位置する第一の領域１３と、積層方向の他方側（下側）に位置する第二の領域１４とで構成されている。積層体１５を構成する電極層１２は、共通電極層１２０、第一の電極層１２１および第二の電極層１２２からなり、第一の領域１３には共通電極層１２０と第一の電極層１２１とが配置され、第二の領域１４には共通電極層１２０と第二の電極層１２２とが配置されている。そして、積層体１５の一対の側面のうち、一方の側面に共通電極層１２０が導出されて、他方の側面に第一の電極層１２１および第二の電極層１２２が導出されている。携帯端末のディスプレイのカバーまたは筐体に取り付ける圧電素子の場合には、電極層１２の長さは、例えば１７ｍｍ〜２５ｍｍに設定され、好ましくは２１ｍｍ〜２４ｍｍに設定される。電極層１２の幅は、例えば１ｍｍ〜５ｍｍ
に設定され、好ましくは２ｍｍ〜４ｍｍに設定される。電極層１２の厚みは、例えば０．１μｍ〜５μｍに設定される。

積層体１５の一方の側面には側面電極１６０が設けられていて、この側面電極１６０は共通電極層１２０と電気的に接続されている。また、積層体１５の他方の側面には側面電極１６１、側面電極１６２が設けられていて、側面電極１６１は第一の電極層１２１と電気的に接続され、側面電極１６２は第二の電極層１２２と電気的に接続されている。

さらに、積層体１５の少なくとも一方の表面には表面電極が設けられている。具体的には、表面電極１７０が側面電極１６０を介して共通電極層１２０と電気的に接続されている。また、表面電極１７１が側面電極１６１を介して第一の電極層１２１と電気的に接続され、表面電極１７２が側面電極１６２を介して第二の電極層１２２と電気的に接続されている。

なお、圧電素子１は、共通電極層１２０および第一の電極層１２１の間と、共通電極層１２０および第二の電極層１２２との間にそれぞれ逆向きに電圧を印加して、第一の領域１３を構成する圧電体層１１の分極の向きが共通電極層１２０から第一の電極層１２１へと向くのに対し、第二の領域１４を構成する圧電体層１１の分極の向きが第二の電極層１２２から共通電極層１２０へと向くように製造されている。製造時に、例えば共通電極層１２０をグランドとして、第一の電極層１２１に＋７５Ｖ、第二の電極層１２２に−７５Ｖの電圧を印加することで、このような分極の向きとすることができる。

振動板２は、圧電素子１の主面に接合されて当該圧電素子１の振動によって振動するものである。振動板２は、例えば矩形状の薄板であり、携帯端末におけるディスプレイのカバーとなるパネルや筐体３の一部などが振動板２となる。振動板２は、アクリル樹脂やガラス等の剛性および弾性が大きい材料を好適に用いて形成することができる。また、振動板２の厚みは、例えば０．４ｍｍ〜１．５ｍｍに設定される。

また振動板２は、圧電素子１の一主面（図の−ｚ方向側の主面）に、接合材５１を介して接合されている。接合材５１を介して、振動板２に圧電素子１の一主面の全面が接合されていてもよく、略全面が接合されていてもよい。

接合材５１は、振動板２よりも柔らかく変形しやすいもので形成されており、振動板２よりもヤング率，剛性率，体積弾性率等の弾性率や剛性が小さい。すなわち、接合材５１は、圧電素子１の駆動によって振動板２を振動させたときに変形可能であり、同じ力が加わったときに、振動板２よりも大きく変形するものである。このとき、振動板２から反射される逆位相の振動を変形可能な接合材５１で緩和することができるので、圧電素子１が周囲の振動の影響を受けずに振動板２へ強い振動を伝達させることができる。

中でも、接合材５１の少なくとも一部が粘弾性体で構成されていることで、圧電素子１からの強い振動を振動板２へ伝える一方、振動板２から反射される弱い振動を接合材５１が吸収することができる点で好ましい。例えば、不織布等からなる基材の両面に粘着剤が付着された両面テープや、弾性を有するエポキシ系、シアノアクリル系、ゴム系、ビニール系接着剤などの接着剤を含む構成の接合材５１を用いることができ、これらの厚みとしては例えば１０μｍ〜２０００μｍのものを用いることができる。

ここで、圧電素子１が上述のバイモルフ型の場合は、上述の両面テープなどを用いるのがよいのに対し、圧電素子１がユニモルフ型の場合は、弾性率の高い接着剤を用いるのがよい。圧電素子１がユニモルフ型の場合は、圧電素子単体では屈曲振動せず、振動板２に貼り付けられて圧電素子１の面内方向への伸縮が振動板２に拘束されることで屈曲振動す
るようになることから、圧電素子１を振動板２に強固に貼り付けるのがよい。そのため、弾性率の高い、硬い接着剤が好ましい。

筐体３は、１つの面が開口した箱状のケースである。この筐体３は、剛性および弾性率が大きい合成樹脂等の材料を好適に用いて形成することができる。そして、筐体３における開口を塞ぐ蓋体が振動板２になっていて、振動板２が筐体３に固定されている。

振動板２の周縁部は、筐体３に接合材５２を介して振動可能に取り付けられている。接合材５２としては、接合材５１と同様に、両面テープや、エポキシ系、シアノアクリル系、ゴム系、ビニール系接着剤などの接着剤が用いられる。

筐体３の内部には、上述した圧電素子１が収容されている。また、筐体３の内部には、ディスプレイ５３、後述する制御部などを含む電子回路が収容されている。ディスプレイ５３は、画像情報を表示する機能を有する表示装置であり、例えば、液晶ディスプレイおよび有機ＥＬディスプレイ等の既知のディスプレイを好適に用いることができる。電子回路（図示せず）としては、例えば、ディスプレイ５３に表示させる画像情報や携帯端末によって伝達する音声情報を処理する回路、制御回路、通信回路等が例示できる。これらの回路の少なくとも１つであってもよいし、全ての回路が含まれていても構わない。

なお、本例ではディスプレイ５３のカバーとなるパネルが振動板２となっているが、ディスプレイ５３が筐体３における開口を塞ぐ蓋体となり、振動板２となってもよい。また、振動板２がタッチパネルのような入力装置を有するものであってもよい。

さらに、筐体３の内部には、当該筐体３の内部の温度を測定する温度センサ４と、温度センサ４により測定された筐体３の内部の温度に応じて振動板２の振幅を変化させるように、圧電素子１の振動を制御する制御部（図示せず）とが収容されている。

温度センサ４は、圧電素子１もしくは筐体３の内部の温度を測定するものであり、本例では圧電素子１の近傍に位置する振動板２に取り付けられている。この取り付け位置は、筐体３の内部の温度を測定できれば特に限定はないが、振動板２における圧電素子１の近傍に位置する部位に温度センサ４を取り付けることで、圧電素子１の付近の温度測定として最適な位置への配置となる。

温度センサ４として、測温抵抗体、リニア抵抗、サーミスタ、圧電素子などを用いることができる。例えば、圧電素子の静電容量は温度特性を持っていることから、温度センサ４として圧電素子を用い、この静電容量を測定することで温度を測ることができる。

そして、温度センサ４で測定された温度データは、制御部に伝達される。制御部では、温度センサ４で測定された温度に応じて振動板２の振幅を変化させるように圧電素子１の振動を制御するように設定されている。温度の変化量に応じて圧電素子１に加えられる電圧を変化させることで、振動板２の振幅を変化させることができる。

例えば、温度センサにより測定された温度が高くなるに従って、圧電素子１に加える電圧を減少させることで、振動板２の振幅を小さくして振動を弱くすることができる。これにより、圧電素子１が高温下で駆動した場合に振動板２が割れるのを抑制し、また振動板２の筐体３に対する固定力や、圧電素子１の振動板２に対する固定力が弱くなることを抑制できる。なお、固定力が弱くなることを抑制できることで、それぞれが剥がれたり、音質が低下したりすることも併せて抑制することができる。

なお、制御部は、マイクロコンピュータを有しており、入出力インターフェイス、ＣＰ
Ｕ、ＲＡＭおよびＲＯＭを備えている。なお、ＣＰＵは、圧電素子１に供給する電圧を制御するものであり、ＲＡＭはプログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭはプログラムを記憶するものである。

ここで、筺体３の内部の温度について複数の温度域が設定されており、該複数の温度域に対応して振動板２の振幅が複数設定されているとともに、制御部は、振動板２の振幅が、温度センサ４により測定された筐体２の内部の温度が該当する温度域に対応した振幅となるように、圧電素子１の振動を制御することもできる。この制御方法について、図５に示す制御方法の一例の説明図にもとづいて説明する。

本実施形態の音響発生装置では、あらかじめ基準となる所定の温度領域が初期設定温度域として設定されており、初期設定温度域よりも高い温度域が何段階かに分けて設定されている。また、基準となる所定の電圧が初期設定電圧としてあらかじめ設定されているとともに、初期設定電圧よりも低い電圧が例えば何段階かに分けて設定されている。

そして、音響発生装置の駆動とともに、温度センサ４を介して温度測定が開始される。なお、この温度測定は、所定の間隔をおくかまたは連続して行われ、特に限定されるものではない。

温度センサ４で測定された温度Ｔが制御部に伝送される。制御部では温度センサ４にて測定された温度が、予め設定された温度域のいずれに該当するかを検知し、該温度域に対応して設定されている振動板２の振幅となるように、圧電素子１に加える電圧を制御する。

例えば、温度センサ４で測定された温度Ｔが、初期設定温度域である−２５℃≦Ｔ＜３０℃の範囲内であれば、通常の初期設定電圧を圧電素子１に加えて駆動させるように制御する。そして、温度センサ４で測定された温度Ｔが、３０℃≦Ｔ＜５０℃の範囲内であれば、初期設定電圧よりも１段階低く設定された第１段階低電圧に下降させて圧電素子１を駆動させるように制御する。また、温度センサ４で測定された温度Ｔが、５０℃≦Ｔ＜７０℃の範囲内であれば、第１段階低電圧よりもさらに１段階低く設定された第２段階低電圧に下降させて圧電素子１を駆動させるように制御する。さらに、温度センサ４で測定された温度Ｔが、７０℃≦Ｔ（最高温度域）の範囲であれば、第２段階低電圧よりもさらに１段階低く設定された第３段階低電圧（最小電圧）に下降させて圧電素子１を駆動させるように制御する。上述のように、温度センサ４で測定された温度Ｔに基づいて、適宜電圧を変化させる制御を行えばよい。

このような制御によって、振動板２の割れ、圧電素子１および振動板２の剥がれ、さらには音質低下などの問題の発生を精度よく抑制できる。

また、設定温度域の範囲および数、設定電圧の数等は、十分な音響発生機能が得られる範囲内で適宜決定され特に限定はないが、好ましくは、制御部が、温度センサ４により測定された温度が高くなるに従って、振動板２の振幅が漸次小さくなるように、圧電素子１の振動を制御することもできる。言い換えると、設定温度域の範囲を狭くして、設定温度域の数および設定電圧の数を多くすることで、振動板２の振幅の変化をより滑らかな変化となるようにしてもよい。これにより、振動板２の振幅の変化を滑らかにして、振動板２の割れ、圧電素子１および振動板２の剥がれ、さらには音質低下などの問題の発生をより精度よく抑制できる。

次に、本実施形態の音響発生装置を搭載した携帯端末について、図５を用いて説明する。図５は、本実施形態の携帯端末の一例の構成を示すブロック図であり、本実施形態の携
帯端末５０は、音響発生装置１０と、通信手段とを備えている。なお、図には、説明に必要となる構成要素のみを示しており、一般的な構成要素についての記載を省略している。

携帯端末５０は、電子回路６０を備える。電子回路６０は、たとえば、制御部６０ａと、送受信部６０ｂと、キー入力部６０ｃと、マイク入力部６０ｄとから構成される。電子回路６０は、圧電素子１に接続されており、圧電素子１へ信号を出力する機能を有している。携帯端末５０は電子回路６０から入力された信号に基づいて音響を発生させる。

また、携帯端末５０は、表示部６０ｅと、アンテナ６０ｆとを備え、振動板２と筐体３とで形成された内部空間にこれら各デバイスを収容している。なお、図５では、振動板２と筐体３とで形成された内部空間に制御部６０ａをはじめとする各デバイスがすべて収容されている状態をあらわしているが、各デバイスの収容形態を限定するものではない。

制御部６０ａは、携帯端末５０の通常の使用における制御とともに、温度センサ４により測定された温度に基づく圧電素子に加える電圧（入力信号）の制御およびこれによる振動板の振幅の制御を行なう。送受信部６０ｂは、制御部６０ａの制御に基づき、アンテナ６０ｆを介してデータの送受信などを行う。キー入力部６０ｃは、携帯端末５０の入力デバイスであり、操作者によるキー入力操作を受け付ける。マイク入力部６０ｄは、同じく携帯端末５０の入力デバイスであり、操作者による音声入力操作などを受け付ける。表示部６０ｅは、携帯端末５０の表示出力デバイスであり、制御部６０ａの制御に基づき、表示情報の出力を行う。

そして、圧電素子１は、振動板２との組み合わせにより、携帯端末５０における音響出力デバイスとして動作する。なお、圧電素子１は、電子回路６０の制御部６０ａに接続されており、制御部６０ａによって制御された電圧の印加を受けて音響を発することとなる。

このような携帯端末５０は、振動板が割れるのを抑制し、かつ振動板および圧電素子の固定力低下を抑制することのできる音響発生装置を用いて構成されていることから、耐久性に優れた高音質の携帯端末とすることができる。

１：圧電素子
１１：圧電体層
１２：電極層
１２０：共通電極層
１２１：第一の電極層
１２２：第二の電極層
１３：第一の領域
１４：第二の領域
１５：積層体
１６０、１６１、１６２：側面電極
１７０、１７１、１７２：表面電極
２：振動板
３：筐体
４：温度センサ
５１、５２：接合材
５３：ディスプレイ
５０：携帯端末
６０：電子回路
６０ａ：制御部
６０ｂ：送受信部
６０ｃ：キー入力部
６０ｄ：マイク入力部
６０ｅ：表示部
６０ｆ：アンテナ

Claims

圧電素子と、該圧電素子の主面に接合されて当該圧電素子の振動によって振動する振動板と、少なくとも前記圧電素子を収容する筐体と、前記振動板に取り付けられて前記筐体の内部の温度を測定する温度センサと、該温度センサにより測定された前記筐体の内部の温度に応じて前記振動板の振幅を変化させるように、前記圧電素子の振動を制御する制御部とを備え、該制御部は、前記温度センサにより測定された温度が高くなるに従って、前記振動板の振幅が漸次小さくなるように、前記圧電素子の振動を制御することを特徴とする音響発生装置。
前記筺体の内部の温度について複数の温度域が設定されており、該複数の温度域に対応して前記振動板の振幅が複数設定されているとともに、前記制御部は、前記振動板の振幅が、前記温度センサにより測定された前記筐体の内部の温度が該当する前記温度域に対応した振幅となるように、前記圧電素子の振動を制御することを特徴とする請求項１に記載の音響発生装置。
前記振動板が前記筐体に固定されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の音響発生装置。
請求項１乃至請求項３のうちのいずれかに記載の音響発生装置と、通信手段とを備えていることを特徴とする携帯端末。