JP7099110B2 - 電気音響変換装置 - Google Patents

Description

この発明は、圧電素子を利用した電気音響変換装置に関する。

圧電素子を利用したイヤホン等の電気音響変換装置が知られている。特許文献１および２に開示のイヤホンでは、筐体内に圧電素子が配置されており、外部からの電気信号により圧電素子が駆動され、圧電素子が振動することにより筐体内の空間に音波が発生する。

実開昭５１－３２５２５号公報

特開２０１６－８６４０３号公報

上述した特許文献１および２に開示のイヤホンは、圧電素子の一方の面の全体が支持板に固定された構成となっている。このような構成は、支持板が圧電素子の振動に影響を与えるため、圧電素子の周波数特性が損なわれる問題があった。

この発明は以上のような事情に鑑みてなされたものであり、圧電素子を利用した電気音響変換装置において、圧電素子を支持することによる圧電素子の周波数特性への影響を防止する技術的手段を提供することを目的とする。

この発明は、密閉された空間を内包する筐体と、多孔質膜と前記多孔質膜を挟む一対の電極とを有する圧電素子と、前記筐体内において、前記一対の電極間の電圧が印加される前記圧電素子の領域を他の部材と接触させないように、前記一対の電極間の電圧が印加されない前記圧電素子の領域を支持する支持部とを具備することを特徴とする電気音響変換装置を提供する。

この発明による電気音響変換装置の第１実施形態であるイヤホンの構成を示す断面図である。 同イヤホンにおける圧電素子の構成を示す斜視図である。 同イヤホンにおける第１筐体部の構成を示す斜視図である。 この発明による電気音響変換装置の第２実施形態であるイヤホンの構成を示す断面図である。 同イヤホンにおける圧電素子の構成を示す斜視図である。 この発明による電気音響変換装置の他の実施形態であるイヤホンの構成を示す断面図である。 この発明による電気音響変換装置の他の実施形態であるイヤホンの構成を示す斜視図である。

以下、図面を参照し、この発明の実施形態について説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、この発明による電気音響変換装置の第１実施形態であるイヤホン１００Ａの構成を示す断面図である。図２は同イヤホン１００Ａにおける圧電素子１Ａの構成を示す斜視図である。図３は同イヤホン１００Ａにおける第１筐体部２１Ａの構成を示す斜視図である。

図１に示すように、イヤホン１００Ａは、圧電素子１Ａと、筐体２Ａと、音道３とを有する。筐体２Ａは、密閉された空間を内包している。音道３は、筐体２Ａとユーザの耳孔に挿入されるイヤピース（図示略）とを接続する部材である。この音道３は、中空管状をなしており、筐体２Ａ内の空間をイヤピースを介してユーザの耳孔内の空間に接続する。圧電素子１Ａは、外部から与えられる電気信号により駆動されて振動する板状の素子である。筐体２Ａ内の空間は、この圧電素子１Ａにより略同一体積の第１の空間４１と第２の空間４２に区分されている。すなわち、筐体２Ａ内の空間は、圧電素子１Ａにより略２等分されている。

圧電素子１Ａは、多孔質膜１０Ａの両面に電極１１Ａおよび１２Ａを貼り付けた構成となっている。以下では、電極１１Ａおよび１２Ａの一方から他方に向かう方向を多孔質膜１０Ａの厚さ方向とする。多孔質膜１０Ａは、圧電材料から構成されており、電極１１Ａおよび１２Ａ間に与えられる電圧に応じて厚さ方向に膨張または収縮する。より具体的には、多孔質膜１０Ａでは、電極１１Ａおよび１２Ａ間に挟まれた領域が、電極１１Ａおよび１２Ａ間に与えられる電圧に応じて、厚さ方向中心から電極１１Ａおよび１２Ａ側に向かう方向に膨張し（矢印Ｙ１）、あるいは電極１１Ａおよび１２Ａ側から厚さ方向中心に向かう方向に収縮する（矢印Ｙ２）。これにより圧電素子１Ａにおける電極１１Ａおよび１２Ａの外側の空間に音波が発生する。

多孔質膜１０Ａは、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等に多数の扁平な気孔を形成し、例えばコロナ放電等によって扁平な気孔の対向面を分極して帯電させることによって圧電特性を付与したものである。

多孔質膜１０Ａの平均厚さの下限としては、１０μｍが好ましく、５０μｍがより好ましい。一方、多孔質膜１０Ａの平均厚さの上限としては、５００μｍが好ましく、２００μｍがより好ましい。多孔質膜１０Ａの平均厚さが前記下限に満たない場合、多孔質膜１０Ａの強度が不十分となるおそれがある。逆に、多孔質膜１０Ａの平均厚さが前記上限を超える場合、多孔質膜１０Ａの変形能が小さくなり、出力音圧が不十分となるおそれがある。

電極１１Ａ、１２Ａは、多孔質膜１０Ａの両面に積層される。電極１１Ａ、１２Ａの材質としては、導電性を有するものであればよく、例えばアルミニウム、銅、ニッケル等の金属や、カーボン等を挙げることができる。

電極１１Ａ、１２Ａの平均厚さとしては、特に限定されず、積層方法にもよるが、例えば０．１μｍ以上３０μｍ以下とすることができる。電極１１Ａ、１２Ａの平均厚さが前記下限に満たない場合、電極１１Ａ、１２Ａの強度が不十分となるおそれがある。逆に、電極１１Ａ、１２Ａの平均厚さが前記上限を超える場合、多孔質膜１０Ａの振動を阻害するおそれがある。

電極１１Ａ、１２Ａの多孔質膜１０Ａへの積層方法としては、特に限定されず、例えば金属の蒸着、カーボン導電インクの印刷、銀ペーストの塗布乾燥等が挙げられる。

本実施形態において、多孔質膜１０Ａは、円板形状をなしている。また、電極１１Ａおよび１２Ａは、多孔質膜１０Ａよりも径の短い円板形状をなしている。そして、多孔質膜１０Ａの両面の周辺には、電極１１Ａおよび１２Ａによって各々覆われていない円環状の露出領域１０ｐおよび１０ｑがある。本実施形態では、多孔質膜１０Ａにおける円環状の露出領域１０ｐおよび１０ｑを支持することにより圧電素子１Ａを筐体２Ａ内に浮かせた状態で支持する支持部が設けられている。ここで、筐体２Ａ内に浮かせた状態とは、一対の電極１１Ａおよび１２Ａ間の電圧が印加される圧電素子１Ａの領域を他の部材と接触させない状態を意味する。

さらに詳述すると、筐体２Ａは、皿状の第１筐体部２１Ａの周縁部と皿状の第２筐体部２２Ａの周縁部とを嵌め合わせた構成となっている。第１筐体部２１Ａと圧電素子１Ａとの間に挟まれた空間が上述した第１の空間４１であり、第２筐体部２２Ａと圧電素子１Ａとの間に挟まれた空間が上述した第２の空間４２である。また、音道３は、第２筐体部２２Ａに接続されており、第２の空間４２は音道３内の空間に直接繋がっている。

第１筐体部２１Ａの周縁部の内側には、図３に示すように、複数の略直方体形状の支持ブロック２３が円を描いて配置されている。これらの支持ブロック２３の上面の内側には、多孔質膜１０Ａの露出領域１０ｐの外周縁を受け容れる溝２３ａが各々形成されている。第２筐体部２２Ａの周縁部の内側にも、多孔質膜１０Ａの露出領域１０ｑの外周縁を受け容れる溝２４ａを有する支持ブロック２４が円を描いて配列されている。圧電素子１Ａは、多孔質膜１０Ａの外周端が支持ブロック２３の溝２３ａと支持ブロック２４の溝２４ａとがなす空間内に嵌め込まれた状態で筐体２Ａ内に支持されている。

このように本実施形態では、支持ブロック２３および２４が圧電素子１Ａを支持する支持部として機能する。そして、この支持部である支持ブロック２３および２４は、多孔質膜１０Ａにおいて、一対の電極１１Ａおよび１２Ａの外側の露出領域１０ｐおよび１０ｑ、すなわち、一対の電極１１Ａおよび１２Ａ間の電圧が印加されない領域を支持する。また、図２に示すように、支持部である支持ブロック２３および２４は、圧電素子１Ａにおいて電極１１Ａおよび１２Ａ間の電圧が印加される領域を他の部材に接触させないで、圧電素子１Ａを筐体２Ａ内に支持する。

第１筐体部２１Ａにおいて、隣り合う支持ブロック２３間には隙間２５が設けられている。同様に第２筐体部２２Ａの隣り合う支持ブロック２４間にも隙間（図示略）が設けられている。ここで、第１筐体部２１Ａの各隙間２５は第２筐体部２２Ａの各隙間と対向し、相互に繋がっている。従って、第１の空間４１内に発生した音波は、支持ブロック２３間の隙間２５および支持ブロック２４間の隙間を介して第２の空間４２内に伝搬し、そこから音道３およびイヤピースを介してユーザの耳孔内へと伝搬する（矢印Ｘ２）。一方、第２の空間４２内に発生した音波は、音道３およびイヤピースを介してユーザの耳孔内へと伝搬する（矢印Ｘ１）。

第１筐体部２１Ａの周縁部には２つの切り欠き部２６が設けられている。第２筐体部２２Ａの周縁部にも、これらの切り欠き部２６と対向する位置に同様な切り欠き部が設けられている。第１筐体部２１Ａ側の２つの切り欠き部２６と第２筐体部２２Ａ側の２つの切り欠き部は、電極１１Ａおよび１２Ａに接続される２本の導線を通すための２つの孔を構成している。電極１１Ａおよび１２Ａに接続され、この２つの孔を通過した２本の導線は、オーディオ再生装置等の音源のオーディオ信号出力端子に電気的に接続される。
以上が本実施形態によるイヤホン１００Ａの構成である。

本実施形態において、多孔質膜１０Ａからなる圧電素子１Ａは、その厚さ方向にのみ変形する。このため、厚さ方向の変形を阻害しないように圧電素子１Ａを支持すれば共振周波数が変化せず、多孔質ならではのフラットな周波数特性を有する発音体となる。本実施形態では、多孔質膜１０Ａからなる圧電素子１Ａの厚さ方向に変化しない領域、すなわち、電極１１Ａおよび１２Ａ間の電圧が印加されない露出領域１０ｐおよび１０ｑを支持部である支持ブロック２３および２４が支持している。このような構成とすることにより、圧電素子１Ａの振動を妨げることなく圧電素子１Ａを駆動することができ、均質なピストンモーションを実現し、圧電素子１Ａの周波数特性をフラットな周波数特性にすることが可能となる。

また、このような構成にすることで、図１の矢印Ｙ１およびＹ２が示すように、圧電素子１Ａは上下対象に振動する。このため、図１において、圧電素子１Ａの上方向の振動成分と下方向の振動成分が打ち消し合うことにより、圧電素子１Ａから筐体２Ａに伝搬する振動成分が減少し、筐体２Ａが剛体的に揺らされる振動を抑えることが可能となる。この結果、異音を抑えることができ、高音質化につながる。

また、本実施形態では、圧電素子１Ａにより区切られた第１の空間４１および第２の空間４２を支持ブロック２３間の隙間２５および支持ブロック２４間の隙間により連結する構成を採用している。このような構成とすることで、第１の空間４１の放射音と第２の空間４２の放射音の両方を耳に放射することができ、電気音響変換の高効率化を実現することができる。

＜第２実施形態＞
図４は、この発明による電気音響変換装置の第２実施形態であるイヤホン１００Ｂの構成を示す断面図である。図５は同イヤホン１００Ｂにおける圧電素子１Ｂの構成を示す斜視図である。

本実施形態によるイヤホン１００Ｂは、圧電素子１Ｂと、筐体２Ｂと、音道３とを有する。上記第１実施形態と同様、筐体２Ｂ内の空間は、圧電素子１Ｂにより略２等分されている。また、筐体２Ｂは、第１筐体部２１Ｂと第２筐体部２２Ｂとからなり、音道３は第２筐体部２２Ｂに接続されている。

図４および図５に示すように、圧電素子１Ｂは、円板状の多孔質膜１０Ｂの両面に円環状の電極１１Ｂおよび１２Ｂを貼り付けた構成となっている。そして、多孔質膜１０Ｂの中心には、円状の孔１０ａが空いており、多孔質膜１０Ｂの両面において、この孔１０ａの周囲の円環状の領域は、電極１１Ｂまたは１２Ｂによって覆われていない露出領域１０ｐおよび１０ｑとなっている。本実施形態において、筐体２Ｂの支持部は、多孔質膜１０Ｂの中心付近にある円環状の露出領域１０ｐおよび１０ｑを支持することにより圧電素子１Ｂを筐体２Ｂ内に浮かせた状態で支持する。

さらに詳述すると、第１筐体部２１Ｂの底部中央には円柱状の凸部２１ＢＨが突出しており、第２筐体部２２Ｂの底部中央にも円柱状の凸部２２ＢＨが突出しており、両凸部の頂上は互いに接触している。また、凸部２１ＢＨの頂上の外周には円状の溝２１ＢＨａが形成され、同様に、凸部２２ＢＨの頂上の外周にも円状の溝２２ＢＨａが形成されている。そして、凸部２１ＢＨの頂上において溝２１ＢＨａの内側の円領域と、凸部２２ＢＨの頂上において溝２２ＢＨａの内側の円領域は、多孔質膜１０Ｂの孔１０ａ内に収められ、孔１０ａ内において相互に接触している。また、圧電素子１Ｂは、多孔質膜１０Ｂの中央の露出領域１０ｐおよび１０ｑが、凸部２１ＢＨにおいて溝２１ＢＨａの底となる領域と凸部２１ＢＨにおいて溝２１ＢＨａの底となる領域とに挟まれることにより筐体２Ｂ内に支持される。

このように、筐体２Ｂの凸部２１ＢＨおよび２２ＢＨは、圧電素子１Ｂにおいて一対の電極１１Ｂおよび１２Ｂ間の電圧が印加される領域を他の部材と接触させないように、一対の電極１１Ｂおよび１２Ｂ間の電圧が印加されない露出領域１０ｐおよび１０ｑを支持する。従って、上記第１実施形態と同様の効果が得られる。

＜他の実施形態＞
以上、この発明の各実施形態について説明したが、この発明には他にも実施形態が考えられる。例えば次の通りである。

（１）図６はこの発明による電気音響変換装置の他の実施形態であるイヤホン１００Ｃの構成を示す断面図である。このイヤホン１００Ｃは、圧電素子１Ｃと、筐体２Ｃと、音道３とを有する。筐体２Ｃは、第１実施形態の筐体２Ａと基本的に同様な第１筐体部２１Ａおよび第２筐体部２２Ａからなる。第１実施形態と同様、第１筐体部２１Ａの周縁部内側には複数の支持ブロック２３が配列され、第２筐体部２２Ａの周縁部内側には複数の支持ブロック２４が配列されている。

本実施形態における圧電素子１Ｃは、円板状の多孔質膜１０Ｃの両面に円板状の電極１１Ｃおよび１２Ｃを貼り付けた構成となっている。上記第１実施形態では、多孔質膜１０Ａの両面に露出領域１０ｐおよび１０ｑがあった。これに対し、本実施形態では、多孔質膜１０Ｃの両面のうち第１筐体部２１Ｃ側の面は、全面に亙って電極１１Ｃにより覆われており、露出領域がない。そして、多孔質膜１０Ｃの両面のうち第２筐体部２２Ｃ側の面に露出領域１０ｑがある。本実施形態では、多孔質膜１０Ｃの外周付近において、電極１１Ｃと多孔質膜１０Ｃとが、支持ブロック２３の溝２３ａ’と支持ブロック２４の溝２４ａに挟まれることにより圧電素子１Ｃが筐体２Ｃ内に支持される。なお、本実施形態では、溝２３ａ’および２４ａ間に多孔質膜１０Ｃと電極１１Ｃを挟むので、支持ブロック２３の溝２３ａ’を第１実施形態の溝２３ａより深くしてあるが、この点を除けば、支持ブロック２３の構成は上記第１実施形態と同様である。

本実施形態では、多孔質膜１０Ｃと一対の電極のうちの一方の電極１１Ｃのみしか支持ブロック２３および２４間に挟まれない。多孔質膜１０Ｃにおいて、支持ブロック２３および２４間に挟まれる領域は、一対の電極１１Ｃおよび１２Ｃ間の電圧が印加されないため、厚さ方向の振動が発生しない。従って、支持ブロック２３および２４による支持が圧電素子１Ｃの振動に悪影響を与えることがなく、上記第１実施形態と同様な効果が得られる。

（２）上記各実施形態では、圧電素子を円板状に構成したが、圧電素子の形状はこれに限定されるものではない。圧電素子は、例えば矩形板状であってもよいし、三角形や五角形等の多角形であってもよい。また、圧電素子は、円筒状であってもよい。

（３）上記各実施形態では音道が第２筐体部と接続されていたが、これに限定されるものではない。例えば図７に示すイヤホン１００Ｄのように、扁平な筐体２Ｄ内の音をイヤピース４に導く音道３を筐体２Ｄの側面に接続してもよい。

（４）上記各実施形態では、この発明をイヤホンに適用したが、この発明はヘッドホン等のイヤホン以外の電気音響変換装置にも適用可能である。

（５）上記第１実施形態では、筐体２Ａ内において圧電素子１Ａにより区分された第１の空間４１と第２の空間４２とを連結する隙間を設けたが、この隙間を設けなくてもよい。この場合においても、圧電素子１Ａの周波数特性をフラットにし、かつ、圧電素子１Ａから筐体２Ａへ伝搬する振動を低減して異音の発生を防止することができる。

１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ……イヤホン、１Ａ，１Ｂ，１Ｃ……圧電素子、１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ……多孔質膜、１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ……電極、２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ……筐体、２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ……第１筐体部、２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ……第２筐体部、４１……第１の空間、４２……第２の空間、２３，２４……支持ブロック、２５……隙間、２３ａ，２４ａ，２１ＢＨａ，２２ＢＨａ……溝、２１ＢＨ，２２ＢＨ……凸部、２６……切り欠き部、１０ｐ，１０ｑ……露出領域、３……音道、４……イヤピース。

Claims (4)

1. 空間を内包する筐体と、
   前記筐体内の空間を前記筐体の外部に接続する音道と、
   多孔質膜と前記多孔質膜を挟む一対の電極とを有し、前記筐体内の空間を略２等分する圧電素子と、
   前記筐体内において、前記一対の電極間の電圧が印加される前記圧電素子の領域を他の部材と接触させないように、前記一対の電極間の電圧が印加されない前記圧電素子の領域を支持する支持部と、
   前記略２等分された前記筐体内の空間の相互間で空気を出入りさせる隙間と、
   を具備することを特徴とする電気音響変換装置。
2. 前記多孔質膜の周囲の少なくとも一部が支持されることを特徴とする請求項１に記載の電気音響変換装置。
3. 前記筐体は、前記圧電素子の側面側に前記音道を有することを特徴とする請求項１または２に記載の電気音響変換装置。
4. 前記電気音響変換装置はイヤホンである請求項１に記載の電気音響変換装置。

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