JPWO2005094121A1 - 圧電音響素子、音響装置及び携帯端末装置 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)可聴域に基本共振周波数が現れる。
(2)共振周波数近傍において突出した音圧を発生させる周波数特性を有する。
(3)圧電素子の圧電材料として用いられているセラミックは剛性が高いので、基本共振周波数が高くなり、低周波数域で十分な音圧が得られない。
2 底面
3 開口部
5 筐体
6 支持部材
7 圧電素子
8 振動膜
9 振動伝達部材
10 上面
11 天井面
12 空間
13 下面
15 弾性板
16 下部絶縁層
17 上部絶縁層
18 導体層
19 圧電材料層
20 電極パッド
21 発泡ゴム
22 上部材
23 下部材
25 脚部材
30 音響素子
31 筐体
32 圧電素子
33 支持部材
34 底
35 孔
36 連結部材
37 振動板
38 永久磁石
39 ボイスコイル
40 振動板
41 電極端子
以下、本発明の圧電音響素子の実施形態の一例について説明する。図1A〜図1Cは、本例の圧電音響素子の概略構造を示す縦断面図である。図1Aに示すように、本例の圧電音響素子1は、底面2に開口部3が形成された中空の筐体5と、支持部材6を介して一端(固定端)が筐体5の内面に固定された圧電素子7と、筐体5の開口部3に張られた振動膜8とを有する。圧電素子7の他端(自由端)側は、振動伝達部材9を介して振動膜8に接合されている。支持部材6及び振動伝達部材9は、共に弾性材料によって形成されている。また、圧電素子7の上面10と筐体5の天井面11との間には、高さ(h)の空間12が設けられている。
次に、本発明の圧電音響素子の実施形態の他例について説明する。図2は、本例の圧電音響素子の概略構造を示す縦断面図である。図2に示すように、本例の圧電音響素子1の基本構造は、実施形態1の圧電音響素子と同一である。異なるのは、次の2点である。一つは、圧電素子7の固定端が弾性を有さない支持部材6を介して筐体5の内面に固定されている点である。他の一つは、電圧素子7の自由端が振動膜8に接合されている点である。尚、図1に示す圧電音響素子1では、圧電素子7の長手方向略中央と自由端との間における任意の位置が振動膜8に接合されている。固定端が筐体5に固定された圧電素子7においては、自由端の変位量が最も大きい。従って、自由端を振動膜8に接合することによって振動膜8をより効果的に振動させることができる。すなわち、本例の圧電音響素子1は、振動膜8の面積が小さくても十分な音圧を確保できるといった利点を有する。
次に、本発明の圧電音響素子の実施形態のさらに他例について説明する。図3は、本例の圧電音響素子の概略構造を示す縦断面図である。図3に示すように、本例の圧電音響素子1の基本構造は、実施形態1の圧電音響素子1と同一である。異なるのは、圧電素子7の長手方向両端が支持部材6a、6bを介して筐体5の内面に固定されている点である。本例の圧電音響素子1は、実施形態1の圧電音響素子と同一の基本構造を有し、同一の作用効果を有する。さらに、圧電素子7の長手方向両端が筐体5の内面に固定されていることを特徴とする本例の圧電音響素子は、圧電素子7と筐体5との接合強度がより向上するといった利点を有する。
次に、本発明の圧電音響素子の実施形態のさらに他例について説明する。図4は、本例の圧電音響素子の概略構造を示す縦断面図である。図4に示すように、本例の圧電音響素子1の基本構造は、実施形態1の圧電音響素子と同一である。異なるのは次の2点である。一つは、筐体5の底面2に独立した2つの開口部3a、3bが形成され、それら開口部3a、3bに振動膜8a、8bがそれぞれ張られている点である。他の一つは、単一の圧電素子7が独立した2つの振動伝達部材9a、9bを介して2つの振動膜8a、8bにそれぞれ接合されている点である。
次に、本発明の圧電音響素子の実施形態のさらに他例について説明する。図5は、本例の圧電音響素子の概略構造を示す縦断面図である。図5に示すように、本例の圧電音響素子1は、筐体5に形成された2つの開口部3a、3bに振動膜8a、8bが張られている点において実施形態4の圧電音響素子と共通する。異なるのは、2つの開口部3a、3bが筐体5の異なる2つの面に形成されている点である。尚、単一の圧電素子7が独立した2つの振動伝達部材9a、9bを介して2つの振動膜8a、8bに接合されている点については、実施形態4の圧電音響素子と共通である。よって、この構造によって得られる作用効果も実施形態4の圧電音響素子と共通である。但し、本例の圧電音響素子1では、圧電素子7の上下(両側)に振動膜8a、8bが配置されているので、実施形態4の圧電音響素子に比べて圧電素子7を短尺化することが可能である。また、各振動膜8a、8bが同一面積である場合、2枚の振動膜8a、8bを配置するために必要なスペースが実施形態4の圧電音響素子に比べて少なくて済む。
次に、本発明の圧電音響素子の実施形態のさらに他例について説明する。図6は、本例の圧電音響素子の概略構造を示す縦断面図である。図6に示すように、本例の圧電音響素子1の基本構造は、実施形態1の圧電音響素子1と同一である。異なるのは、圧電素子7の下面に弾性板15が貼られている点である。本例の圧電音響素子1は、実施形態1の圧電音響素子1と同一の基本構造を有し、同一の作用効果を有する。
次に、本発明の圧電音響素子の実施形態のさらに他例について説明する。本例の圧電音響素子の基本構造は、実施形態1の圧電音響素子と同一である。異なるは、振動源としての圧電素子7の構造である。図7に、本例の圧電音響素子が備える圧電素子の構造を模式的に示す。圧電素子7は、下部絶縁層16と上部絶縁層17との間に、導体層18と圧電材料層19とが交互に積層された多層構造(積層構造)を有する。図7に示すような多層構造の圧電素子7は、実施形態1の圧電素子7に比べて消費電力が少なく、振動変位量が大きいことが知られている。従って、本例の圧電音響素子は、より少ない電力で十分な音圧を得ることができるといった利点を有する。また、図7に示す構造の圧電素子7は、製造時における導電層材料の焼結促進効果によって、焼結時の反りや変形が防止される。このため、別途平坦化処理を施さなくても高い平坦度を有し、図6に示す弾性板15等を隙間なく接合させることが可能となる。
次に、本例の圧電音響素子の実施形態のさらに他例について説明する。図8は、本例の圧電音響素子の概略構造を示す縦断面図である。図8に示すように、本例の圧電音響素子1の基本構成は、実施形態1の圧電音響素子1と同一である。異なるは、振動伝達部材9が略円錐形のコイルバネである点である。本例の圧電音響素子1は、実施形態1の圧電音響素子1と同一の基本構造を有し、同一の作用効果を有する。さらに、コイルバネ9が、圧電素子7の伸縮運動に伴ってエネルギーの蓄積と開放を繰り返すことによって、圧電素子7の伸縮運動が助長される。この結果、本例の圧電音響素子1は、振動膜8の振動変位量が大きく、音圧が高いといった利点を有する。また、筐体の5落下等に起因する衝撃がコイルバネ9によって吸収され、圧電素子7の破損が防止される。コイルバネ9は、板バネや渦巻きバネに替えることもできる。いずれにしても、適当なバネ係数を有するバネを選択することによって、振動膜8の振動を最大限に大きくして高い音圧を得ることができる。
本発明の圧電音響素子について、実施例を挙げてさらに詳細に説明する。図9Aは、本例の圧電音響素子1の概略構造を示す縦断面図であり、図9Bは横断面図である。
以下、本発明の圧電音響素子の他の実施例について説明する。図12Aは、本例の圧電音響素子1の概略構造を示す縦断面図であり、図12Bは模式的横断面図である。本例の圧電音響素子1では、実施例1の圧電素子と同一の圧電素子7が筐体5の上下に形成された2つの開口部3a、3bに張られた振動膜8a、8bに接合されている。開口部3aに張られている振動膜8aは、厚さ0.1[mm]のポリエチレンテレフタレートフィルムであり、振動伝達部材9aとしての円錐コイルバネ(高さ0.4mm)を介して圧電素子7の上面10に接合されている。一方、開口部3bに張られた振動膜8bは、厚さ0.05[mm]のポリエチレンテレフタレートフィルムであり、振動伝達部材9bとしての円錐コイルバネ(高さ0.2mm)を介して圧電素子7の下面13に接合されている。但し、2枚の振動膜8a、8bの直径(10[mm])は、共通である。
以下、本発明の圧電音響素子のさらに他の実施例について説明する。図13Aは、本例の圧電音響素子1の概略構造を示す縦断面図であり、図13Bは横断面図である。本例の圧電音響素子1では、圧電素子7の長手方向両端が発泡ゴム21に接合され、その発泡ゴム21が支持部材6に接合され、支持部材6が筐体5の内面に接合されている。すなわち、圧電素子7の長手方向両端が発泡ゴム21及び支持部材6を介してそれぞれ筐体5に固定されている。また、圧電素子7の長手方向略中央の下面13が振動伝達部材9としての円錐コイルバネを介して振動膜8に接合されている。圧電素子7の上面10と筐体5の天井面11との間には、高さ0.3[mm]の空間12が形成されている。圧電素子7は、実施例1の圧電素子と同一の材料及び製法で製造されている。また、圧電素子7の外形寸法は、長さ20[mm]、幅4[mm]、厚み0.4[mm]である。円錐コイルバネ9には、実施例1の円錐コイルバネと同一のものが使用されている。さらに、振動膜8には、厚み0.1[mm]、直径18[mm]の円形のポリエチレンテレフタレートフィルムが使用されている。また、筐体5の厚みは0.3[mm]である。
以下、本発明の圧電音響素子のさらに他の実施例について説明する。図14は、本例の圧電音響素子1の概略構造を示す縦断面図である。本例の圧電音響素子1では、実施例1の圧電素子と同種の圧電素子7が筐体5の上下に形成された開口部3a、3bに張られた振動膜8a、8bに接合されている。2つの開口部3a、3bに張られている振動膜8a、8bは、直径10[mm]、厚み0.05[mm]の真円形状のポリエチレンテレフタレートフィルムである。また、圧電素子7の上面10と振動膜8aとの間に介在している振動伝達部材9aは、高さ0.2[mm]の円錐コイルバネである。圧電素子7の下面13と振動膜8bとの間に介在している振動伝達部材9bは、高さ0.4[mm]の円錐コイルバネである。本例の圧電素子7は、実施例1の圧電素子と同一の材料及び製法で製造されたものである。また、圧電素子7の外形寸法は、長さ12[mm]、幅4[mm]、厚み0.4[mm]である。振動伝達部材9a、9bとしての円錐コイルバネは、実施例2の円錐コイルバネと同一である。圧電素子7の両端は、実施例3と同様に、発泡ゴム21及び支持部材6を介して筐体5の内面に固定されている。本例の圧電音響素子1は、実施例3の圧電音響素子と同様に、全体として略円形の平面形状を有するが、直径(L)は14[mm]、全高(H)は1.1[mm]であり、実施例3の圧電音響素子よりも小型で薄型である。
以下、本発明の圧電音響素子のさらに他の実施例について説明する。図15は、本例の圧電音響素子1の概略構造を示す縦断面図である。本例の圧電音響素子1は、図16に示す構造の圧電素子7を使用したことを特徴とする。図16に示す圧電素子7は、下部絶縁層16と上部絶縁層17との間に、導電層18と圧電材料層19とが交互に積層された多層構造(積層構造)を有する。上下の絶縁層16、17及び圧電材料層19は、長さ16[mm]、幅4[mm]、厚み40[μm]である。導体層18は、長さ16[mm]、幅4[mm]、厚み3[μm]である。また、圧電材料層19は8層、導体層18は9層である(便宜上、図16では一部の層が省略されている)。従って、圧電素子7の外形寸法は、長さ16[mm]、幅4[mm]、厚み約0.4[mm]である。下部絶縁層16、上部絶縁層17及び圧電材料層19には、ジルコン酸チタン酸鉛系セラミックが使用され、導体層18には銀/パラジウム合金(重量比7:3)が使用されている。さらに、圧電素子7はグリーンシート法によって製造されており、大気中1100℃で2時間焼成されている。加えて、各導体層18を電気的に接続する銀電極を形成した後、圧電材料層19に分極処理を施し、上部絶縁層17の表面に形成した電極パッド20同士を銅箔によって電気的に接続した。
以下、本発明の圧電音響素子のさらに他の実施例について説明する。図17は、本例の圧電音響素子1の概略構造を示す縦断面図である。本例の圧電音響素子1では、圧電素子7の下面13に金属製の弾性板15がエポキシ系接着剤によって接合され、その弾性板15の一端が筐体5の内面に支持部材6を介して固定されている。また、弾性板15の他端下面が振動伝達部材9としての円錐コイルバネを介して振動膜8に接合されている。図18に、本例の圧電音響素子1が備える圧電素子7及び弾性板15の拡大図を示す。圧電素子7は、実施例5の圧電素子と同一の積層構造を有し、長さ(l1)は12[mm]、幅(w1)は4[mm]、厚み(t1)は0.4[mm]である。また、弾性板15の長さ(l2)は15[mm]、幅(w2)は4[mm]、厚み(t2)は0.2[mm]である。弾性板15の材質はSUS304である。
以下、本発明の圧電音響素子のさらに他の実施例について説明する。図19は、本例の圧電音響素子1の概略構造を示す縦断面図である。本例の圧電音響素子1は、実施例6の圧電音響素子に比べて圧電素子7が短いことを特徴とする。具体的には、図20に示すように、長さ(l1)8[mm]、幅(w1)4[mm]、厚み(t1)0.4[mm]の圧電素子7に、長さ(l2)16[mm]、幅(w2)4[mm]、厚み(t2)0.2[mm]の金属製弾性板15がエポキシ系接着剤によって接合されている。圧電素子7以外の構造は、実施例6の圧電音響素子と同一である。
以下、本発明の圧電音響素子のさらに他の実施例について説明する。図21は、本例の圧電音響素子1の概略構造を示す縦断面図である。本例の圧電音響素子1は、圧電素子7と振動膜8とを接合させる振動伝達部材としてバネを使用したことを特徴とする。このバネは、図22に示すように、直径2[mm]の円盤状の上部材22の周縁と、直径4[mm]のリング状の下部材23の周縁とが薄板状の脚部材25によって連結され、主に矢印方向の弾性を有する。尚、バネの高さは0.4[mm]である。振動伝達部材9以外の構造については実施例1の圧電音響素子と同一であり、全長(L)は23[mm]、全高(H)は1.5[mm]、全幅は16[mm]である。
これまでに説明した実施例1〜8の圧電音響素子の特性と、比較例1〜4の音響素子の特性とを測定した結果について説明する。まず、比較例1〜4の構造を図面に基づいて概説し、その後に測定結果について説明する。
比較例1の音響素子30の概略構造を図23に示す。この音響素子30は、圧電音響素子であって、実施例1の筐体と同一材料によって形成された同一寸法の筐体31内に、実施例1の圧電素子と同一の圧電素子32が実装されている。圧電素子32の一端は、実施例1の支持部材と同一の支持部材33を介して筐体31の内面に固定され、他端は自由端とされている。また、筐体31の底34には孔35が形成され、圧電素子32に電圧が印加されると、孔35から音が放射される。
比較例2の音響素子30の概略構造を図24に示す。この音響素子30も圧電音響素子であって、基本的に比較例1の音響素子と同一の構造を有する。異なるのは、圧電素子32の両端が筐体31の内面に固定されている点と、孔35が筐体31の底34の中央に形成されている点である。
比較例3の音響素子30の概略構造を図25に示す。この音響素子30も圧電音響素子であって、基本的に比較例1の音響素子と同一の構造を有する。異なるのは、圧電素子32の自由端に連結部材36を介して金属製の振動板37が装着されている点である。
比較例4の音響素子30の概略構造を図26に示す。この音響素子30は、永久磁石38、ボイスコイル39、振動板40を有する電磁式音響素子である。電気端子41を介してボイスコイル39に電流が入力されると、磁力が発生し、発生した磁力によって振動板40が振動させられて音が発生する。
実施例1〜8の圧電音響素子及び比較例1〜4の音響素子の基本共振周波数を測定したところ次のような結果が得られた。
実施例2:452[Hz]及び316[Hz]
実施例3:496[Hz]
実施例4:491[Hz]及び320[Hz]
実施例5:396[Hz]
実施例6:276[Hz]
実施例7:263[Hz]
実施例8:370[Hz]
比較例1:1087[Hz]以上
比較例2:1067[Hz]
比較例3:1027[Hz]
比較例4:730[Hz]
以上の測定結果より、本発明の圧電音響素子が広い周波数帯域を有することがわかる。特に、実施例2及び実施例4の圧電音響素子は、基本共振周波数を2つ有しており、周波数帯域が拡大されていることがわかる。
実施例1〜8の圧電音響素子及び比較例1〜4の音響素子に、1[V]の電圧を印加した際の音圧レベルを測定したところ次のような結果が得られた。
実施例2:92[dB]
実施例3:91[dB]
実施例4:99[dB]
実施例5:107[dB]
実施例6:106[dB]
実施例7:118[dB]
実施例8:97[dB]
比較例1:38[dB]
比較例2:57[dB]
比較例3:74[dB]
比較例4:72[dB]
以上の測定結果より、本発明の圧電音響素子が十分に高い音圧を再生可能であることがわかる。特に、実施例5の圧電音響素子に0.5[V]の電圧を印加した際の音圧レベルは91[dB]であった。すなわち、印加電圧が1/2にも関わらず、実施例1〜3の圧電音響素子とほぼ同レベルの音圧が得られた。
周波数500[Hz]〜2000[Hz]における実施例1〜8及び比較例1〜4の音響素子の音圧を測定し、最大音圧と最小音圧の乖離率を算出したところ次のような結果が得られた。
比較例1〜3:40%よりも大きい
比較例4 :25%よりも大きく40%以下
以上の測定結果より、本発明の圧電音響素子が平坦な音圧周波数特性を有することがわかる。
実施例1〜8の圧電音響素子及び比較例1〜4の音響素子を直上50cmから自然落下させた前後で音圧レベルを測定し、変化率を算出したところ次のような結果が得られた。
実施例3 :3%よりも大きく10%以下
実施例4〜7:3%以内
実施例8 :3%よりも大きく10%以下
比較例1〜4:10%よりも大きい
以上の測定結果より、本発明の圧電音響素子が耐衝撃性に優れていることがわかる。
実施例1〜8の圧電音響素子及び比較例1〜4の音響素子を100時間連続して駆動し、その前後で音圧レベルを測定し、変化率を算出したところ次のような結果が得られた。
実施例3〜8:3%以内
比較例1〜4:10%以上
以上の測定結果より、本発明の圧電音響素子が十分な耐久性を有し、信頼性が高いことがわかる。
実施例1〜8の圧電音響素子及び比較例1〜4の音響素子をそれぞれ50個製造し、それぞれに1[V]の電圧を印加したときの音圧レベルを測定し、最大値と最小値の乖離率を算出したところ次のような結果が得られた。
実施例3 :5%よりも大きく15%以内
実施例4〜7:5%以内
実施例8 :5%よりも大きく15%以内
比較例1〜4:15%よりも大きい
以上の測定結果より、本発明の圧電音響素子は製品間のバラツキが少ないことがわかる。
Claims (11)
- 圧電素子を振動源とする圧電音響素子であって、
少なくとも1つの開口部を有する中空の筐体と、
前記筐体の内部に設けられ、電圧が印加されると屈曲する圧電素子と、
前記筐体の開口部に設けられた振動膜と、を有し、
前記圧電素子と前記振動膜とが弾性を有する振動伝達部材を介して接合されている圧電音響素子。 - 前記圧電素子の長手方向一端又は両端が支持部材を介して前記筐体の内面に固定されている請求項1記載の圧電音響素子。
- 前記支持部材が弾性を有する請求項2記載の圧電音響素子。
- 厚み、素材、寸法の少なくとも1つが互いに異なる2以上の振動膜及び/又は振動伝達部材を有する請求項1記載の圧電音響素子。
- 前記圧電素子を挟んで対向する2つの振動膜を有し、それら2つの振動膜が別々の振動伝達部材を介して前記圧電素子に接合されている請求項1記載の圧電音響素子。
- 前記圧電素子に接合された弾性板を有し、前記弾性板が前記振動伝達部材を介して前記振動膜に接合されている請求項1記載の圧電音響素子。
- 前記圧電素子が導体層と圧電材料層とが交互に重ねられた積層構造を有する請求項1記載の圧電音響素子。
- 前記振動伝達部材がバネである請求項1記載の圧電音響素子。
- 前記振動膜がポリエチレンテレフタレートフィルム、ポリエーテルサルフォンフィルム、ポリエステルフィルム、ポリプロピレンフィルムのいずれかである請求項1記載の圧電音響素子。
- 請求項1記載の圧電音響素子が搭載された音響装置。
- 請求項1記載の圧電音響素子が搭載された携帯端末装置。
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