JPWO2021193788A5 - - Google Patents
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Description
本発明は、圧電発音素子が放音孔を備えたケース内に収納され、複数音階分の周波数範囲において所定以上の音圧を得ることができる圧電音響部品に関するものである。 The present invention relates to a piezoelectric acoustic component in which a piezoelectric sound generating element is housed in a case provided with a sound emitting hole, and is capable of obtaining a sound pressure of a predetermined level or higher in a frequency range corresponding to a plurality of musical scales.
いわゆる非固定部が矩形状の金属製の振動板を用いた圧電音響部品は、円形や楕円形等の振動板を用いた圧電音響部品よりも、実装した場合に発生する使用できないスペース(デッドスペース)が少ないので、圧電音響部品が使用される製品では、一定の需要が見込まれる。しかしながら矩形の金属製の振動板を用いた場合には、所定の周波数範囲においてある程度大きな音圧を得ることが難しい。そこでこの問題を解消するために特許第6516935号(特許文献1)に示される圧電音響部品が提案された。この従来の圧電音響部品では、金属製の振動板及び振動板の少なくとも片面上に設けられた圧電素子からなる圧電発音素子と、圧電発音素子の振動板の外周部を全周に亘って固定し、圧電発音素子の両側に第1の空間と第2の空間を形成するように構成され、第1の空間と対向する壁部に1以上の放音孔が形成されて第1の空間の容積と1以上の放音孔により共振器を構成しているケースとを備えてなる。そしてこの従来の圧電音響部品では、振動板の外周部の内側に位置する非固定部分が、互いに対向する一対の長辺と該長辺よりも長さが短く互いに対向する一対の短辺を備え、一対の長辺中に互いに近づく方向に凸となる一対の凹部を有している。また圧電素子は、振動板の非固定部の一対の凹部の間の領域上に設けられており、振動板及び圧電素子のそれぞれの輪郭形状が、一対の短辺を二分する第1の仮想線に対して対称となり且つ一対の長辺を二分する第2の仮想線に対して対称となるように定められている。さらに長辺の長さL1と短辺の長さW1の比L1/W1が、1.25~1.75の範囲に入るように定められている。そして入力信号として矩形波信号または正弦波信号を入力したときの1次共振周波数と、3次共振周波数と、1次共振周波数と3次共振周波数の間の中間周波数の音圧が、それぞれ80dB以上になるように共振器が構成されている。この従来の圧電音響部品によれば、複数音階分の周波数範囲にわたって80dB以上の音圧を得ることができ、矩形状の金属製の振動板を用いた圧電発音素子を用いて、騒音が大きな場所でも可聴できるようになった。 Piezoelectric acoustic components that use a metal diaphragm with a rectangular non-fixed part are more susceptible to unusable space (dead space) than piezoelectric acoustic components that use a circular or elliptical diaphragm. ), a certain level of demand is expected for products that use piezoelectric acoustic components. However, when a rectangular metal diaphragm is used, it is difficult to obtain a reasonably large sound pressure in a predetermined frequency range. In order to solve this problem, a piezoelectric acoustic component disclosed in Japanese Patent No. 6,516,935 (Patent Document 1) was proposed. In this conventional piezoelectric acoustic component, a piezoelectric sounding element consisting of a metal diaphragm and a piezoelectric element provided on at least one side of the diaphragm, and an outer periphery of the diaphragm of the piezoelectric sounding element are fixed over the entire circumference. , is configured to form a first space and a second space on both sides of the piezoelectric sounding element, and one or more sound emitting holes are formed in the wall facing the first space to increase the volume of the first space. and a case forming a resonator with one or more sound emitting holes. In this conventional piezoelectric acoustic component, the non-fixed portion located inside the outer periphery of the diaphragm has a pair of long sides facing each other and a pair of short sides shorter than the long sides and facing each other. , has a pair of recesses that are convex toward each other in a pair of long sides. Further, the piezoelectric element is provided on a region between the pair of recesses in the non-fixed part of the diaphragm, and the respective contour shapes of the diaphragm and the piezoelectric element are aligned with a first imaginary line that bisects the pair of short sides. and a second imaginary line bisecting the pair of long sides. Furthermore, the ratio L1/W1 of the length L1 of the long side to the length W1 of the short side is determined to fall within the range of 1.25 to 1.75. When a rectangular wave signal or a sine wave signal is input as an input signal, the sound pressure of the first resonant frequency, the third resonant frequency, and the intermediate frequency between the first resonant frequency and the third resonant frequency are each 80 dB or more. The resonator is configured so that According to this conventional piezoelectric acoustic component, it is possible to obtain a sound pressure of 80 dB or more over a frequency range corresponding to multiple scales, and it is possible to obtain sound pressure of 80 dB or more over a frequency range corresponding to multiple scales. But now I can hear it.
更に可聴性を高めるためには、1次共振周波数と中間共振周波数における音圧差、中間共振周波数と3次共振周波数における音圧差を小さくすることが望ましいこと、及び80dB以上の音圧を得ることができて周波数範囲をある程度任意に変更できることが好ましいことを発明者は見いだした。しかしながら従来の構造では、この要望に応えるのが難しい。 In order to further improve audibility, it is desirable to reduce the sound pressure difference between the primary resonance frequency and the intermediate resonance frequency, the sound pressure difference between the intermediate resonance frequency and the tertiary resonance frequency, and to obtain a sound pressure of 80 dB or more. The inventor has found that it is preferable to be able to change the frequency range arbitrarily to some extent. However, conventional structures have difficulty meeting this demand.
本発明の目的は、1次共振周波数と中間共振周波数における音圧差、中間共振周波数と3次共振周波数における音圧差を小さくすることができ、しかも80dB以上の音圧を得ることができて周波数範囲をある程度任意に変更できる圧電音響部品を提供することにある。 It is an object of the present invention to reduce the sound pressure difference between the primary resonance frequency and the intermediate resonance frequency, the sound pressure difference between the intermediate resonance frequency and the tertiary resonance frequency, and to obtain a sound pressure of 80 dB or more. The object of the present invention is to provide a piezoelectric acoustic component that can be arbitrarily changed to some extent.
本発明者が対象とする圧電音響部品は、金属製の振動板及び振動板の少なくとも片面上に設けられた圧電素子からなる圧電発音素子と、圧電発音素子の振動板の外周部を全周に亘って固定し、圧電発音素子の両側に第1の空間と第2の空間を形成するように構成され、第1の空間と対向する壁部に1以上の放音孔が形成されて第1の空間の容積と1以上の放音孔により共振器を構成しているケースを備えている。振動板の外周部に形成される固定部の内側に位置する非固定部分は、互いに対向する一対の長辺と該長辺よりも長さが短く互いに対向する一対の短辺を備えている。また圧電素子が、振動板の非固定部分の中央領域上に設けられている。さらに振動板及び圧電素子のそれぞれの輪郭形状が、一対の短辺を二分する第1の仮想線に対して対称となり且つ第1の仮想線と直交し且つ圧電素子の中心を通る第2の仮想線に対して対称となるように定められている。そして入力信号として矩形波信号を入力したときの1次共振周波数と、3次共振周波数と、1次共振周波数と3次共振周波数の間の中間周波数の音圧が、それぞれ80dB以上になるように共振器の構成と非固定部分の形状が定められている。特に、本発明の圧電音響部品では、非固定部分の一対の長辺には、圧電素子の外周部に沿い且つ第2の仮想線に沿って第1の仮想線から離れる方向に凸となる第1及び第2の凸部が形成されている。また非固定部分の一対の長辺には、第1及び第2の凸部に隣接し、圧電素子の中心を通り第2の仮想線との間に鋭角を成すように延びる第3の仮想線上に位置して80dB以上の周波数範囲を調整するように第1の仮想線に向かって凸となる第1及び第2の凹部が形成されている。 The piezoelectric acoustic component targeted by the present inventor includes a piezoelectric sounding element consisting of a metal diaphragm and a piezoelectric element provided on at least one side of the diaphragm, and a piezoelectric sounding element that is made of a metal diaphragm and a piezoelectric element provided on at least one side of the diaphragm. The structure is configured such that a first space and a second space are formed on both sides of the piezoelectric sound generating element, and one or more sound emitting holes are formed in a wall portion facing the first space. The case includes a resonator having a volume of space and one or more sound emitting holes. The non-fixed portion located inside the fixed portion formed on the outer periphery of the diaphragm includes a pair of long sides facing each other and a pair of short sides shorter than the long sides and facing each other. A piezoelectric element is also provided on the central region of the non-fixed portion of the diaphragm. Furthermore, the respective outline shapes of the diaphragm and the piezoelectric element are symmetrical with respect to a first imaginary line that bisects the pair of short sides, and a second imaginary line that is orthogonal to the first imaginary line and passes through the center of the piezoelectric element. It is determined to be symmetrical about the line. Then, when a rectangular wave signal is input as an input signal, the sound pressure of the first resonant frequency, the third resonant frequency, and the intermediate frequency between the first resonant frequency and the third resonant frequency are each 80 dB or more. The configuration of the resonator and the shape of the non-fixed portion are determined. In particular, in the piezoelectric acoustic component of the present invention, a pair of long sides of the non-fixed portion has a convex groove along the outer periphery of the piezoelectric element and along the second imaginary line in a direction away from the first imaginary line. First and second protrusions are formed. Further, on the pair of long sides of the non-fixed portion, there is a third imaginary line adjacent to the first and second convex portions that extends through the center of the piezoelectric element and forms an acute angle with the second imaginary line. First and second recesses are formed to be located at and convex toward the first virtual line so as to adjust a frequency range of 80 dB or more.
このようにすると矩形波信号または正弦波信号を入力したときの1次共振周波数と、3次共振周波数と、1次共振周波数と3次共振周波数の間の中間周波数の音圧が、それぞれ80dB以上になるだけでなく、1次共振周波数と中間周波数の間の周波数領域の最小音圧を上げ、また中間周波数と3次共振周波数との間の周波数領域の最小音圧を上げて、1次共振主周波数から3次共振周波数の間の周波数領域全体の音圧差を小さくすることができる。なお1次共振周波数と3次共振周波数の間の中間周波数の音圧が、1次共振周波数の音圧及び3次共振周波数の音圧以上になるように、共振器が構成されていてもよい。 In this way, when a rectangular wave signal or a sine wave signal is input, the sound pressure of the first resonant frequency, the third resonant frequency, and the intermediate frequency between the first resonant frequency and the third resonant frequency will each be 80 dB or more. In addition to increasing the minimum sound pressure in the frequency region between the primary resonance frequency and the intermediate frequency, and also increasing the minimum sound pressure in the frequency region between the intermediate frequency and the tertiary resonance frequency, the primary resonance The sound pressure difference in the entire frequency range between the main frequency and the tertiary resonance frequency can be reduced. Note that the resonator may be configured such that the sound pressure at the intermediate frequency between the primary resonance frequency and the tertiary resonance frequency is greater than or equal to the sound pressure at the primary resonance frequency and the sound pressure at the tertiary resonance frequency. .
特に、発明者は、種々の試験により、第1及び第2の凸部と第1及び第2の凹部の組み合わせにより、80dB以上の周波数範囲を調整できることを見いだした。本発明は、この知見も基礎とするものである。このような知見は、新規であり、且つ種々の試験によってのみ見いだすことができたものである。 In particular, the inventor found through various tests that a frequency range of 80 dB or more can be adjusted by the combination of the first and second convex portions and the first and second concave portions. The present invention is also based on this knowledge. Such findings are new and could only be discovered through various tests.
非固定部分の一対の長辺の一方には、一対の凸部に隣接し、第2の仮想線に対して第3の仮想線と線対称になる第4の仮想線が通る位置に第1の仮想線に向かって凸となる第3の凹部が更に形成されていてもよい。このようにすると80dB以上の周波数範囲を狭める方向に調整することができる。 On one of the pair of long sides of the non-fixed portion, there is a first imaginary line adjacent to the pair of protrusions and located at a position where a fourth imaginary line passing through which is symmetrical to the third imaginary line with respect to the second imaginary line. A third recess that is convex toward the imaginary line may further be formed. In this way, adjustment can be made to narrow the frequency range of 80 dB or more.
また非固定部分の一対の長辺には、一対の凸部に隣接し、第2の仮想線に対して第3の仮想線と線対称になる第4の仮想線が通る位置に第1の仮想線に向かって凸となる第3の凹部及び第4の凹部が更に形成されていてもよい。このようにすると80dB以上の周波数範囲を更に、狭める方向に調整することができる。 Further, on the pair of long sides of the non-fixed portion, there is a first imaginary line adjacent to the pair of protrusions and located at a position where a fourth imaginary line passing through which is symmetrical to the third imaginary line with respect to the second imaginary line. A third recess and a fourth recess that are convex toward the imaginary line may be further formed. In this way, the frequency range of 80 dB or more can be further narrowed.
第1の凹部と第3の凹部との間の距離と第2の凹部と第4の凹部との間の距離を等しくし、距離を10mm~13mmにするのが好ましい。この範囲で、距離を小さくすると、共振周波数が高くなり、音圧が高くなり、帯域幅が狭くなる傾向が現れ、距離W3を大きくすると、共振周波数が低くなり、音圧が低くなり、帯域幅が広くなる傾向が現れる。 Preferably, the distance between the first recess and the third recess is equal to the distance between the second recess and the fourth recess, and the distance is preferably 10 mm to 13 mm. In this range, when the distance is shortened, the resonant frequency becomes high, the sound pressure becomes high, and the bandwidth becomes narrow. When the distance W3 is made large, the resonant frequency becomes low, the sound pressure becomes low, and the bandwidth There is a tendency for the area to become wider.
本発明では、振動板の非固定部分の長辺の長さL0と短辺の長さW0の比L0/W0が、2.1~2.4の範囲に入るように定められているのが好ましい。この範囲は、特許文献1の圧電音響部品における同じ寸法比を超えるものであり、この寸法比の範囲にすることが、より効果を高めることが確認されている。 In the present invention, the ratio L0/W0 of the length L0 of the long side of the non-fixed portion of the diaphragm to the length W0 of the short side is determined to fall within the range of 2.1 to 2.4. preferable. This range exceeds the same size ratio in the piezoelectric acoustic component of Patent Document 1, and it has been confirmed that setting the size ratio within this range further enhances the effect.
また圧電素子の中心から第1の仮想線に沿って一対の短辺の一方までの距離L21と圧電素子の中心から第1の仮想線に沿って一対の短辺の他方までの距離L22との比L21/L22が10:10~12:8の範囲にあれば、本発明の上記効果を得るための音圧を保持できる。 Also, the distance L21 from the center of the piezoelectric element to one of the pair of short sides along the first imaginary line, and the distance L22 from the center of the piezoelectric element to the other of the pair of short sides along the first imaginary line. If the ratio L21/L22 is in the range of 10:10 to 12:8, the sound pressure for obtaining the above effects of the present invention can be maintained.
圧電素子の前記輪郭形状は、対称形状であればよいが、特に円形、楕円形または多角形であっても良い。輪郭形状が円形に近いほど、80dB以上の周波数範囲を狭くすることができる。 The contour shape of the piezoelectric element may be symmetrical, but may in particular be circular, elliptical or polygonal. The closer the contour shape is to a circle, the narrower the frequency range of 80 dB or more can be.
ケースは、振動板の前記非固定部分の輪郭形状と同一形をなす開口部を備えて、振動板の外周部を固定する発音素子ホルダを備えているのが好ましい。このような発音素子ホルダを用いると、振動板の非固定部分の輪郭形状は、開口部の形状によって決まることになる。その結果、振動板の形状としては、矩形を用いることができ、振動板の加工価格を低減できる。 Preferably, the case includes a sounding element holder that has an opening having the same shape as the contour of the non-fixed portion of the diaphragm and fixes the outer circumferential portion of the diaphragm. When such a sound generating element holder is used, the contour shape of the non-fixed portion of the diaphragm is determined by the shape of the opening. As a result, a rectangular shape can be used as the shape of the diaphragm, and the processing cost of the diaphragm can be reduced.
振動板の裏面に圧電素子が設けられていてもよい。このようにすると、圧電素子が破損したり、汚れることがない。 A piezoelectric element may be provided on the back surface of the diaphragm. In this way, the piezoelectric element will not be damaged or contaminated.
振動板の非固定部分は、厚みが10μm~150μmの鉄にニッケルを配合した合金製板からなり、圧電素子は厚みが30μm~100μmのPZTセラミックが中間電極を介して積層された積層部が複数積層された積層体と該積層体の両側に配置された一対の外側電極とを備えた構造を有しており、圧電素子を振動板に接着する接着剤のショアD硬度が75~85であり且つ厚みが1μm~10μmであることが好ましい。 The non-fixed part of the diaphragm is made of an alloy plate made of iron and nickel with a thickness of 10 μm to 150 μm, and the piezoelectric element has multiple laminated parts in which PZT ceramics with a thickness of 30 μm to 100 μm are laminated via intermediate electrodes. It has a structure including a stacked laminate and a pair of outer electrodes placed on both sides of the laminate, and the adhesive used to bond the piezoelectric element to the diaphragm has a Shore D hardness of 75 to 85. Moreover, the thickness is preferably 1 μm to 10 μm.
一対の外側電極のうち、少なくとも振動板に接着されないほうの外側電極には、第1の仮想線上に位置し且つ外側電極の中心に向かって凸となる一対の凹部RCを備えていてもよい。このような凹部を設けると、1次共振周波数に対応して発生する応力を下げることができ、応力が局部的に大きくなることを抑制して、圧電素子の寿命を延ばすことができる。 Of the pair of outer electrodes, at least the outer electrode that is not bonded to the diaphragm may be provided with a pair of recesses RC that are located on the first imaginary line and that are convex toward the center of the outer electrode. Providing such a recess can reduce the stress generated in response to the primary resonance frequency, suppress the stress from increasing locally, and extend the life of the piezoelectric element.
一対の凹部の形状は、1次共振周波数に対応して発生する応力が、3次共振周波数に対応して発生する応力に近い値になる形状を有している。このようにすると、1次共振周波数に対応して発生する応力と3次共振周波数に対応して発生する応力発生する応力の大きさのバラツキを小さくすることができ、さらに圧電素子の寿命の低下を抑制できる。 The shape of the pair of recesses is such that the stress generated in response to the primary resonance frequency is close to the stress generated in response to the tertiary resonance frequency. In this way, it is possible to reduce the variation in the magnitude of the stress generated in response to the primary resonance frequency and the stress generated in response to the tertiary resonance frequency, and further reduce the life span of the piezoelectric element. can be suppressed.
一対の外側電極のうち振動板に接着されないほうの外側電極の上には、リード線半田付け部形成用の貫通孔を備えた半田レジスト層が形成されている場合には、貫通孔の位置と大きさは、半田レジスト層の存在によって下がった1次共振周波数の音圧の低下を抑えて、しかも1次共振周波数における応力の上昇を抑えるように定められているのが好ましい。このようにリード線半田付け部形成用の貫通孔の位置を定めると、半田付け部の存在によって発生する応力が、音響特性に与える影響を小さくすることができる。具体的には、圧電素子の直径Rが13mm乃至15mmで且つ貫通孔の直径が1.5mm乃至3mmの範囲の値の場合において、圧電素子の中心と貫通孔の外周縁との間の距離をXとすると、r=1.5mmのときのXは2.3mm以上であり、r=3mmのときのXは3mm以上であるのがこのましい。 If a solder resist layer with a through hole for forming a lead wire soldering part is formed on the outer electrode of the pair of outer electrodes that is not bonded to the diaphragm, the position of the through hole and The size is preferably determined so as to suppress a decrease in sound pressure at the primary resonance frequency, which is lowered due to the presence of the solder resist layer, and also to suppress an increase in stress at the primary resonance frequency. By determining the position of the through hole for forming the lead wire soldering portion in this manner, the influence of stress generated by the presence of the soldering portion on the acoustic characteristics can be reduced. Specifically, when the diameter R of the piezoelectric element is 13 mm to 15 mm and the diameter of the through hole is in the range of 1.5 mm to 3 mm, the distance between the center of the piezoelectric element and the outer periphery of the through hole When r=1.5 mm, X is preferably 2.3 mm or more, and when r=3 mm, X is preferably 3 mm or more.
また半田レジスト層が、防湿性と絶縁性を有するレジンコートによって形成されていれば、音響特性を長期にわたって維持することができる。この半田レジスト層の厚みを、1次共振周波数及び3次共振周波数の共振ピークのQ値を低減するように定めれば、半田レジスト層の存在によって音響特性を高めることが可能になる。 Further, if the solder resist layer is formed of a resin coat having moisture-proofing properties and insulating properties, the acoustic characteristics can be maintained over a long period of time. If the thickness of this solder resist layer is determined so as to reduce the Q value of the resonance peak of the primary resonance frequency and the tertiary resonance frequency, it becomes possible to improve the acoustic characteristics due to the presence of the solder resist layer.
以下、図面を参照して本発明の圧電音響部品の実施の形態について説明する。 Embodiments of the piezoelectric acoustic component of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1(A)は、本実施の形態の圧電発音素子を備えた圧電音響部品1の分解斜視図を示しており、図1(B)は図1(A)のB-B線分解斜視図である。図2は、圧電発音素子の平面図である。なお、本実施の形態では、理解を容易にするため、一部の部品の厚み寸法を誇張して描いている。図1(A)及び(B)に示す圧電音響部品1は、例えば自動車外のように雑音が多い環境の中で複数音階の音でアラームを発生するような用途に使用する圧電音響部品である。なお図1においては、後述する振動板12の輪郭の四隅にはアールを付けてあるが、図2以降の振動板12の輪郭は四隅が直角になった矩形状を有している。 FIG. 1(A) shows an exploded perspective view of a piezoelectric acoustic component 1 equipped with a piezoelectric sounding element according to the present embodiment, and FIG. 1(B) is an exploded perspective view taken along line BB in FIG. 1(A). It is. FIG. 2 is a plan view of the piezoelectric sound element. Note that in this embodiment, the thickness dimensions of some parts are exaggerated in order to facilitate understanding. A piezoelectric acoustic component 1 shown in FIGS. 1(A) and 1(B) is a piezoelectric acoustic component used for purposes such as generating an alarm with multiple tones in a noisy environment such as outside a car. . In FIG. 1, the four corners of the outline of the diaphragm 12 described later are rounded, but the outline of the diaphragm 12 from FIG. 2 onwards has a rectangular shape with four right-angled corners.
圧電音響部品1は、下側ケース半部3と上側ケース半部5との間に開口部7を有する発音素子ホルダ9を備えたケースを備えている。下側ケース半部3は、ポリプロピレン等の絶縁樹脂によって一体に成形されており、長方形状の底壁部31と底壁部31の周縁部から起立する周壁部32とを備えている。下側ケース半部3は長方形状の底壁部31と底壁部31の周縁部から起立する周壁部32とを備えている。上側ケース半部5は、ポリプロピレン等の絶縁樹脂によって一体に成形されており、長方形状の上壁部51と上壁部51の周縁部から起立する周壁部52とを備えている。上側ケース半部5は長方形状の上壁部51と上壁部51の周縁部から立ち下がる周壁部52とを備えている。上壁部51には、四隅近傍に4つの放音孔4が形成されている。 The piezoelectric acoustic component 1 includes a case including a sounding element holder 9 having an opening 7 between a lower case half 3 and an upper case half 5. The lower case half 3 is integrally molded from an insulating resin such as polypropylene, and includes a rectangular bottom wall 31 and a peripheral wall 32 that stands up from the periphery of the bottom wall 31. The lower case half 3 includes a rectangular bottom wall 31 and a peripheral wall 32 that stands up from the periphery of the bottom wall 31. The upper case half 5 is integrally molded from an insulating resin such as polypropylene, and includes a rectangular upper wall 51 and a peripheral wall 52 that stands up from the periphery of the upper wall 51. The upper case half 5 includes a rectangular upper wall portion 51 and a peripheral wall portion 52 that extends downward from the periphery of the upper wall portion 51. Four sound emitting holes 4 are formed in the upper wall portion 51 near the four corners.
発音素子ホルダ9は、低熱膨張で硬質の絶縁樹脂、例えばポリブチレンテフタレートにガラスが添加された等の絶縁樹脂により一体に成形されている。開口部7の周囲には、振動板12の上に圧電素子15が設けられた圧電発音素子11の振動板12が接着剤を用いて固定される。開口部7は、後に詳しく説明する圧電発音素子の振動板12の非固定部分13の輪郭形状と同一形状を呈している。本実施の形態の圧電音響部品1では、振動板12の非固定部分13は、互いに対向する一対の長辺13Aa及び13Abとこの長辺よりも長さが短く互いに対向する一対の短辺13Ba及び13Bbを備え、振動板12の非固定部分13の輪郭形状は、一対の短辺13Ba及び13Bbを二分する第1の仮想線PL1に対して対称となり且つ一対の長辺13Aa及び13Abを二分する第2の仮想線PL2に対して対称となる形状を有している。 The sound generating element holder 9 is integrally formed of a hard insulating resin with low thermal expansion, such as an insulating resin made of polybutylene terephthalate to which glass is added. A diaphragm 12 of a piezoelectric sound element 11 having a piezoelectric element 15 provided on a diaphragm 12 is fixed around the opening 7 using an adhesive. The opening 7 has the same contour shape as the non-fixed portion 13 of the diaphragm 12 of the piezoelectric sounding element, which will be described in detail later. In the piezoelectric acoustic component 1 of this embodiment, the non-fixed portion 13 of the diaphragm 12 includes a pair of long sides 13Aa and 13Ab that face each other, and a pair of short sides 13Ba and 13Ba that are shorter than the long sides and face each other. 13Bb, and the contour shape of the non-fixed portion 13 of the diaphragm 12 is symmetrical with respect to a first virtual line PL1 that bisects the pair of short sides 13Ba and 13Bb, and a first line that bisects the pair of long sides 13Aa and 13Ab. It has a shape that is symmetrical with respect to the virtual line PL2 of No. 2.
本実施の形態では、圧電素子15として、一対の外側電極を備えたPZTセラミックからなる圧電素子を用いている。一対の外部電極のうち少なくとも振動板に接着されないほうの外側電極16は、銀電極によって形成されている。外側電極16の形状は、圧電素子15の形状と相似形である。本実施の形態では、圧電素子15及び外側電極16の輪郭形状は円形である。本実施の形態では、図1(B)に示すように振動板12の裏面に圧電素子15が配置されているため、図1(A)では、圧電素子15の円形の輪郭15´を破線で示してある。圧電素子15は、振動板12の中央領域上に設けられており、振動板12の非固定部分13及び圧電素子15のそれぞれの輪郭形状が、一対の短辺13Ba及び13Bbを二分する第1の仮想線PL1に対して対称となり且つ一対の長辺13Aa及び13Abを二分する第2の仮想線PL2に対して対称となるように定められている。 In this embodiment, a piezoelectric element made of PZT ceramic and provided with a pair of outer electrodes is used as the piezoelectric element 15. At least the outer electrode 16 of the pair of outer electrodes that is not bonded to the diaphragm is formed of a silver electrode. The shape of the outer electrode 16 is similar to the shape of the piezoelectric element 15. In this embodiment, the outlines of the piezoelectric element 15 and the outer electrode 16 are circular. In this embodiment, since the piezoelectric element 15 is arranged on the back surface of the diaphragm 12 as shown in FIG. 1(B), the circular outline 15' of the piezoelectric element 15 is indicated by a broken line in FIG. It is shown. The piezoelectric element 15 is provided on the central region of the diaphragm 12, and the contour shapes of the non-fixed portion 13 of the diaphragm 12 and the piezoelectric element 15 form a first half that bisects the pair of short sides 13Ba and 13Bb. It is determined to be symmetrical with respect to a virtual line PL1 and symmetrical with respect to a second virtual line PL2 that bisects the pair of long sides 13Aa and 13Ab.
本実施の形態の圧電音響部品1では、図1(A)に示すように、非固定部分13の一対の長辺13Aaおよび13Abには、円形の圧電素子15の輪郭15´の外周部に沿い且つ第2の仮想線PL2に沿って第1の仮想線PL1から離れる方向に凸となる第1及び第2の凸部14A及び14Bが形成されている。また非固定部分13の一対の長辺13Aa及び13Abには、第1及び第2の凸部14A、14Bに隣接し、圧電素子15の中心を通り第2の仮想線PL2との間に鋭角を成すように延びる第3の仮想線PL3上に位置して第1の仮想線PL1に向かって凸となる第1及び第2の凹部14Ca及び14Cdが形成されている。さらに非固定部分13の一対の長辺13Aa及び13Bbには、第1及び第2の凸部14A、14Bに隣接し、圧電素子15の中心を通り第2の仮想線PL2との間に鋭角を成すように延び且つ第2の仮想線に対して第3の仮想線PL3と線対称になる第4の仮想線PL4上に位置して第1の仮想線PL1に向かって凸となる第3及び第4の凹部14Cc及び14Cbが形成されている。 In the piezoelectric acoustic component 1 of this embodiment, as shown in FIG. In addition, first and second convex portions 14A and 14B are formed along the second imaginary line PL2 to be convex in the direction away from the first imaginary line PL1. Further, a pair of long sides 13Aa and 13Ab of the non-fixed portion 13 are adjacent to the first and second convex portions 14A and 14B, and have an acute angle between them and a second imaginary line PL2 that passes through the center of the piezoelectric element 15. First and second recesses 14Ca and 14Cd are formed so as to be located on a third imaginary line PL3 extending as shown in FIG. Further, a pair of long sides 13Aa and 13Bb of the non-fixed portion 13 are adjacent to the first and second convex portions 14A and 14B, and form an acute angle with a second virtual line PL2 that passes through the center of the piezoelectric element 15. a third virtual line PL4 extending so as to be convex toward the first virtual line PL1 and located on a fourth virtual line PL4 that is symmetrical to the third virtual line PL3 with respect to the second virtual line; Fourth recesses 14Cc and 14Cb are formed.
なお下側ケース半部3と発音素子ホルダ9と上側ケース半部5は、周壁部32と周壁部52との間に発音素子ホルダ9を挟んだ状態で相互に超音波溶着により気密に接合されてケースが完成している。これによって圧電発音素子11が発音素子ホルダ9に固定された状態で、ケースの内部には圧電発音素子の両側に第1の空間S1と第2の空間S2が形成される。放音孔4は、第1の空間S1と連通している。第1の空間S1が共振器の空気室を構成している。 The lower case half 3, the sound-producing element holder 9, and the upper case half 5 are hermetically joined to each other by ultrasonic welding with the sound-producing element holder 9 sandwiched between the peripheral wall 32 and the peripheral wall 52. The case is now complete. As a result, with the piezoelectric sounding element 11 fixed to the sounding element holder 9, a first space S1 and a second space S2 are formed inside the case on both sides of the piezoelectric sounding element. The sound emission hole 4 communicates with the first space S1. The first space S1 constitutes the air chamber of the resonator.
発明者は、後述するように、第1及び第2の凸部14A及び14Bと第1乃至第4の凹部14Ca~14Cdの組み合わせにより、80dB以上の周波数範囲を調整できることを見いだした。本発明は、この知見を基礎とするものである。上記実施の形態では、第1及び第2の凸部14A及び14Bと第1乃至第4の凹部14Ca乃至14Cdの全ての組み合わせにより、80dB以上の周波数範囲を調整している。しかしながら基本の組み合わせは、第1及び第2の凸部14A及び14Bと第1及び第4の凹部14Ca及び14Cbまたは第2及び第3の凹部14Cd及び14Ccの組み合わせである。そして別の組み合わせとしては、第1及び第2の凸部14A及び14Bと第1及び第2の凹部14Ca及び14Cdと第4または第3の凹部14Cbまたは14Ccの組み合わせがある。いずれの組み合わせであっても、矩形波信号または正弦波信号を入力したときの1次共振周波数と、3次共振周波数と、1次共振周波数と3次共振周波数の間の中間周波数の音圧が、それぞれ80dB以上になるだけでなく、1次共振周波数と中間周波数の間の周波数領域の最小音圧を上げ、また中間周波数と3次共振周波数との間の周波数領域の最小音圧を上げて、1次共振周波数から3次共振周波数の間の周波数領域全体の音圧差を小さくすることができる。凹部(14Ca乃至14Cd)の数を増やすほど、80dB以上の周波数範囲を狭める方向に調整することが可能になる。 As will be described later, the inventor has discovered that a frequency range of 80 dB or more can be adjusted by combining the first and second convex portions 14A and 14B and the first to fourth concave portions 14Ca to 14Cd. The present invention is based on this knowledge. In the embodiment described above, the frequency range of 80 dB or more is adjusted by all combinations of the first and second convex portions 14A and 14B and the first to fourth concave portions 14Ca to 14Cd. However, the basic combination is a combination of the first and second convex portions 14A and 14B and the first and fourth concave portions 14Ca and 14Cb or the second and third concave portions 14Cd and 14Cc. Another combination is a combination of the first and second convex portions 14A and 14B, the first and second concave portions 14Ca and 14Cd, and the fourth or third concave portion 14Cb or 14Cc. In any combination, the sound pressure at the primary resonance frequency, the tertiary resonance frequency, and the intermediate frequency between the primary resonance frequency and the tertiary resonance frequency when a rectangular wave signal or sine wave signal is input is , each not only exceeds 80 dB, but also increases the minimum sound pressure in the frequency region between the primary resonant frequency and the intermediate frequency, and also increases the minimum sound pressure in the frequency region between the intermediate frequency and the 3rd resonant frequency. , It is possible to reduce the sound pressure difference in the entire frequency region between the first-order resonance frequency and the third-order resonance frequency. As the number of concave portions (14Ca to 14Cd) increases, it becomes possible to narrow the frequency range of 80 dB or more.
本実施の形態では、図2(A)及び(C)に示すように、振動板12の非固定部分13の長辺の長さL0と短辺の長さW0のアスペクト比L0/W0が、2.1~2.4の範囲に入るように定められている。この範囲は、特許文献1の圧電音響部品における同じ寸法比を超えるものであり、図2(C)に示す比較データから判るように、この寸法比の範囲にすることで、80dB以上の周波数範囲の調整効果を高めることが確認されている。 In this embodiment, as shown in FIGS. 2(A) and 2(C), the aspect ratio L0/W0 of the length L0 of the long side and the length W0 of the short side of the non-fixed portion 13 of the diaphragm 12 is as follows. It is set to fall within the range of 2.1 to 2.4. This range exceeds the same size ratio in the piezoelectric acoustic component of Patent Document 1, and as can be seen from the comparison data shown in FIG. 2(C), by using this size ratio range, the frequency range of 80 dB or more It has been confirmed that it enhances the adjustment effect of
また1つ以上の放音孔4を設けた共振器は、入力信号として矩形波信号または正弦波信号を入力したときの1次共振周波数と3次共振周波数の間の中間周波数の音圧が、1次共振周波数の音圧及び3次共振周波数の音圧以上になるように定められている。この点は、特許文献1に示されている圧電音響部品と同じである。また放音孔4の数は任意である。 In addition, a resonator provided with one or more sound emission holes 4 has a sound pressure at an intermediate frequency between the primary resonance frequency and the tertiary resonance frequency when a rectangular wave signal or a sine wave signal is input as an input signal. The sound pressure is set to be equal to or higher than the sound pressure at the primary resonance frequency and the sound pressure at the tertiary resonance frequency. This point is the same as the piezoelectric acoustic component shown in Patent Document 1. Further, the number of sound emitting holes 4 is arbitrary.
[第1の実施の形態の周波数特性]
図3は、図2(A)及び(B)の圧電発音素子を用いた本実施の形態の圧電音響部品の周波数特性を示している。図2(B)の圧電発音素子は、図2(A)の圧電発音素子と比べて、同じアスペクト比で、凹部14Cb及び14Ccの長さが、僅かに長いものである。しかし図3に示すように、この相違は音圧―周波数特性には、ほとんど影響を与えないことが判る。
[Frequency characteristics of the first embodiment]
FIG. 3 shows the frequency characteristics of the piezoelectric acoustic component of this embodiment using the piezoelectric sound generating elements of FIGS. 2(A) and 2(B). The piezoelectric sounding element of FIG. 2(B) has the same aspect ratio as the piezoelectric sounding element of FIG. 2(A), but the lengths of the recesses 14Cb and 14Cc are slightly longer. However, as shown in FIG. 3, it can be seen that this difference has almost no effect on the sound pressure-frequency characteristics.
図4(A)は、第1の凸部14A及び第2の凸部14Bと第1及び第2の凹部14Ca及び14Cd並びに第3の凹部14Ccの組み合わせを有する圧電発音素子を示しており、図4(B)は第1の凸部14A及び第2の凸部14Bと第1及び第4の凹部14Ca及び14Cdの組み合わせを有する圧電発音素子を示している。図4(C)は図4(A)及び(B)の音圧―周波数特性を示している。図4(C)及び図3の比較から判るように、凹部の数が増えると、80dB以上の周波数範囲を狭める方向に調整することが可能になり、しかも音圧のフラット性を高めることができる。 FIG. 4(A) shows a piezoelectric sound element having a combination of a first convex portion 14A, a second convex portion 14B, first and second concave portions 14Ca and 14Cd, and a third concave portion 14Cc. 4(B) shows a piezoelectric sounding element having a combination of a first convex portion 14A, a second convex portion 14B, and first and fourth concave portions 14Ca and 14Cd. FIG. 4(C) shows the sound pressure-frequency characteristics of FIGS. 4(A) and 4(B). As can be seen from the comparison between Figures 4(C) and 3, as the number of recesses increases, it becomes possible to narrow the frequency range of 80 dB or more, and to improve the flatness of the sound pressure. .
また図5(A)は、図2(A)と同様に、第1の凸部14A及び第2の凸部14Bと第1乃至第4の凹部14Ca及び14Cdがある圧電発音素子を示し、図5(B)はこれらの凸部及び凹部がない圧電発音素子を示している。図5(C)はこれら二つの圧電発音素子を用いた場合の音圧―周波数特性を示している。図5(C)から判るように、凸部及び凹部がない図5(B)の圧電発音素子では、80dB以上の周波数範囲を狭めることができない。 Further, FIG. 5(A) shows a piezoelectric sound element having a first convex portion 14A, a second convex portion 14B, and first to fourth concave portions 14Ca and 14Cd, similar to FIG. 2(A). 5(B) shows a piezoelectric sounding element without these convex portions and concave portions. FIG. 5(C) shows the sound pressure-frequency characteristics when these two piezoelectric sound generating elements are used. As can be seen from FIG. 5(C), the piezoelectric sounding element of FIG. 5(B) without convex portions and concave portions cannot narrow the frequency range of 80 dB or more.
図6(A)乃至(C)は、図2(A)の実施の形態のように、圧電発音素子の非固定部分13が4つの凹部14Ca~14Cdを備えている場合で、幅方向に対向する二つの凹部間の寸法W3を変えた場合に、音圧―周波数特性がどのように変わるのかを確認するために用意した3種類の圧電発音素子を示している。圧電発音素子の振動板12の非固定部分13は、厚みが10μm~150μmの鉄にニッケルを配合した合金製の板からなるのが好ましい。また圧電素子は厚みが30μm~100μmのPZTセラミックが中間電極を介して積層された積層部が複数積層された積層体と該積層体の両側に配置された一対の外側電極とを備えた構造を有しているのが好ましい。さらに圧電素子を振動板に接着するアクリル系の接着剤のショアD硬度が75~85であり且つ厚みが1μm~10μmであるのが好ましい。また振動板12の表面に圧電素子が設けられていてもよい。 6(A) to 6(C) show a case where the non-fixed portion 13 of the piezoelectric sounding element is provided with four recesses 14Ca to 14Cd, which are opposite to each other in the width direction, as in the embodiment of FIG. 2(A). Three types of piezoelectric sound generating elements prepared in order to confirm how the sound pressure-frequency characteristics change when the dimension W3 between the two recesses is changed are shown. The non-fixed portion 13 of the diaphragm 12 of the piezoelectric sounding element is preferably made of a plate made of an alloy of iron and nickel and having a thickness of 10 μm to 150 μm. Furthermore, the piezoelectric element has a structure comprising a laminate in which a plurality of laminated parts of PZT ceramics having a thickness of 30 μm to 100 μm are laminated with intermediate electrodes interposed therebetween, and a pair of outer electrodes arranged on both sides of the laminate. It is preferable to have one. Furthermore, it is preferable that the acrylic adhesive for bonding the piezoelectric element to the diaphragm has a Shore D hardness of 75 to 85 and a thickness of 1 μm to 10 μm. Further, a piezoelectric element may be provided on the surface of the diaphragm 12.
図6の例では、圧電素子15の直径が15mm、厚みが60μmで、金属振動板の厚みが75μmであった、W3は、10.5mm、11.6mm、12.6mmであった。図6(D)の音圧―周波数特性からは、W3の寸法が小さくなるほど、共振周波数及び音圧は高くなり、帯域は狭くなり、またW3の寸法が大きくなるほど、共振周波数及び音圧は低くなり、帯域は広くなることが判る。 In the example of FIG. 6, the diameter of the piezoelectric element 15 was 15 mm, the thickness was 60 μm, the thickness of the metal diaphragm was 75 μm, and W3 was 10.5 mm, 11.6 mm, and 12.6 mm. From the sound pressure-frequency characteristics in Figure 6(D), the smaller the dimension of W3, the higher the resonant frequency and sound pressure, and the narrower the band, and the larger the dimension of W3, the lower the resonant frequency and sound pressure. It can be seen that the band becomes wider.
図7(A)乃至(G)は、図2(A)の実施の形態のように、圧電発音素子の非固定部分13が4つの凹部14Ca~14Cdを備えている場合で、幅方向に対向する二つの凹部(14Ca,14Cc)間の寸法W3を変えずに、非固定部分13の長辺側13Aa及び13Abの一対の凹部14Ca及び14Cb(または14Cc及び14Cd)間の距離L3を変えた場合に、音圧―周波数特性がどのように変わるのかを確認するために用意した7種類の圧電発音素子を示している。なお図7(G)の圧電発音素子は、一対の凹部14Ca及び14Cb(または14Cc及び14Cd)を最大限大きくした場合である。この場合には、振動板12の長さL2を長くして音圧―周波数特性を他の圧電発音素子に近いものとしている。図8(A)は図7(A)乃至(D)の圧電発音素子を用いた場合の音圧―周波数特性を示しており、図8(B)は図7(E)乃至(G)の圧電発音素子を用いた場合の音圧―周波数特性を示している。図7(A)乃至(F)の圧電発音素子は、PZTセラミックからなる圧電素子15の直径が14mm厚みが60μmであり、金属振動板の厚みが75μmであり、W3は、12.2mm~12.7mm(可変)であり、L2は35.6mmであり、L3を、9mm、10mm、11mm、14mm、16mm、18mmであった。なお図7(G)の圧電発音素子では、L2が39mm、L3が37mmであった。図8(A)及び(B)の音圧―周波数特性からは、L3の寸法を小さくするとW3の寸法の可変範囲が狭くなり、1次共振周波数を高くする調整に限界が生じる。その結果、帯域が広がり音圧が低下する現象が発生する。逆にL3寸法を大きくすると、同一の帯域幅にするためにはL2寸法を大きくしなければならず、外形寸法が大きくなる。なお図7(G)のようにL3寸法を最大37mmとした場合でも音圧-周波数特性は見劣りしない。 7(A) to 7(G) show a case where the non-fixed portion 13 of the piezoelectric sounding element is provided with four recesses 14Ca to 14Cd, which are opposite to each other in the width direction, as in the embodiment of FIG. 2(A). When the distance L3 between the pair of recesses 14Ca and 14Cb (or 14Cc and 14Cd) of the long sides 13Aa and 13Ab of the non-fixed portion 13 is changed without changing the dimension W3 between the two recesses (14Ca, 14Cc). 7 shows seven types of piezoelectric sound generating elements prepared to confirm how the sound pressure-frequency characteristics change. Note that the piezoelectric sounding element in FIG. 7(G) is a case in which the pair of recesses 14Ca and 14Cb (or 14Cc and 14Cd) is maximized. In this case, the length L2 of the diaphragm 12 is increased to make the sound pressure-frequency characteristics similar to those of other piezoelectric sound generating elements. FIG. 8(A) shows the sound pressure-frequency characteristics when using the piezoelectric sound generating elements shown in FIGS. 7(A) to (D), and FIG. It shows the sound pressure-frequency characteristics when using a piezoelectric sounding element. In the piezoelectric sound generating elements shown in FIGS. 7A to 7F, the piezoelectric element 15 made of PZT ceramic has a diameter of 14 mm and a thickness of 60 μm, a metal diaphragm has a thickness of 75 μm, and W3 is 12.2 mm to 12 mm. .7 mm (variable), L2 was 35.6 mm, and L3 was 9 mm, 10 mm, 11 mm, 14 mm, 16 mm, and 18 mm. In the piezoelectric sounding element shown in FIG. 7(G), L2 was 39 mm and L3 was 37 mm. From the sound pressure-frequency characteristics in FIGS. 8(A) and 8(B), if the dimension of L3 is decreased, the variable range of the dimension of W3 becomes narrower, and there is a limit to the adjustment to increase the primary resonance frequency. As a result, a phenomenon occurs in which the band widens and the sound pressure decreases. Conversely, if the L3 dimension is increased, the L2 dimension must be increased in order to maintain the same bandwidth, and the external dimensions will become larger. Note that even when the L3 dimension is set to a maximum of 37 mm as shown in FIG. 7(G), the sound pressure-frequency characteristics are not inferior.
図9(A)乃至(G)は、図2の実施の形態のように、圧電発音素子の非固定部分13が4つの凹部14Ca~14Cdを備えている場合で、圧電素子15の非固定部分13の長手方向の位置(長手方向の配置比率L21:L22)を変えた場合に、音圧―周波数特性がどのように変わるのかを確認するために用意した7種類の圧電発音素子を示している。これらの圧電発音素子はPZTセラミックからなる圧電素子15の直径が14mm厚みが60μmで、金属振動板の厚みが75μmであった、W3は、12.2mm、L3は14mmであった。図9(A)乃至(G)の音圧発電素子におけるL21:L22の比率は、15:5、14:6、13:7、12:8、11:9、10.5:9.5、10:10であった。図10の音圧―周波数特性からは、この比率L21:L22が大きくなるほど、1次及び3次共振周波数及び音圧が低くなり、帯域は広くなり、またこの比率L21:L22が小さくほど、1次及び3次共振周波数及び音圧が高くなり、帯域は狭くなる。実用的には、L21:L22の比率は、12:8~10:10の範囲が好ましい。 9A to 9G show the case where the non-fixed portion 13 of the piezoelectric sound element is provided with four recesses 14Ca to 14Cd as in the embodiment of FIG. 2, and the non-fixed portion of the piezoelectric element 15 is Seven types of piezoelectric sound generating elements prepared in order to confirm how the sound pressure-frequency characteristics change when the longitudinal position of 13 (longitudinal arrangement ratio L21:L22) are changed are shown. . In these piezoelectric sounding elements, the piezoelectric element 15 made of PZT ceramic had a diameter of 14 mm and a thickness of 60 μm, the metal diaphragm had a thickness of 75 μm, W3 was 12.2 mm, and L3 was 14 mm. The ratios of L21:L22 in the sound pressure power generation elements in FIGS. 9(A) to (G) are 15:5, 14:6, 13:7, 12:8, 11:9, 10.5:9.5, It was 10:10. From the sound pressure-frequency characteristics in FIG. 10, it can be seen that the larger the ratio L21:L22, the lower the primary and tertiary resonance frequencies and the lower the sound pressure, and the wider the band. The second and third resonance frequencies and sound pressure become higher, and the band becomes narrower. Practically, the ratio of L21:L22 is preferably in the range of 12:8 to 10:10.
[圧電素子の形状]
図11(A)乃至(E)は、圧電素子15の輪郭形状を円形にした場合と正多角形に変えた場合に音圧-周波数特性がどのように変化するかを確認するために用意した圧電発音素子を示している。図12は、これらの圧電発音素子を用いた場合の、音圧―周波数特性を示している。
[Shape of piezoelectric element]
11(A) to (E) were prepared to confirm how the sound pressure-frequency characteristics change when the outline shape of the piezoelectric element 15 is changed to a circular shape and a regular polygonal shape. A piezoelectric sounding element is shown. FIG. 12 shows the sound pressure-frequency characteristics when these piezoelectric sound generating elements are used.
図13(A)乃至(C)は、圧電素子15の輪郭形状を円形にした場合と楕円にした場合の音圧-周波数特性がどのように変化するかを確認するために用意した圧電発音素子を示している。図14は、これらの圧電発音素子を用いた場合の、音圧―周波数特性を示している。圧電素子が第1及び第2の仮想線(PL1、PL2)に対して対称な形状であれば、圧電素子の輪郭形状の相違による音圧-周波数特性の相違は、ほとんどないが、作り易さ及びコストの点からは、円形の圧電素子が適している。なお輪郭形状が円形に近いほど、80dB以上の周波数範囲を狭くすることができる。 13(A) to (C) show piezoelectric sound generating elements prepared in order to confirm how the sound pressure-frequency characteristics change when the contour shape of the piezoelectric element 15 is circular and oval. It shows. FIG. 14 shows the sound pressure-frequency characteristics when these piezoelectric sound generating elements are used. If the piezoelectric element has a symmetrical shape with respect to the first and second virtual lines (PL1, PL2), there will be almost no difference in the sound pressure-frequency characteristics due to the difference in the contour shape of the piezoelectric element, but it will be easier to manufacture. In terms of cost and cost, a circular piezoelectric element is suitable. Note that the closer the contour shape is to a circle, the narrower the frequency range of 80 dB or more can be.
[電極形状]
図15(A)乃至(D)は、圧電素子15の一対の外側電極のうち、少なくとも振動板に接着されないほうの外側電極16に、第1の仮想線PL1上に位置し且つ外側電極16の中心に向かって凸となる円弧状の一対の凹部16Aを設けた場合の、音圧-周波数特性の影響を確認するために用意した圧電発音素子であり、図15(a)乃至(d)は、図15(A)乃至(D)の対応する圧電発音素子の音圧-周波数特性と相当応力を示している。図15(B)乃至(D)に示した円弧状の一対の凹部16Aの曲率半径rは、2mm、4mm、6mmであった。このような凹部16Aを設けると、1次共振周波数に対応して発生する応力を下げることができ、応力が局部的に大きくなることを抑制して、圧電素子の寿命を延ばすことができる。
[Electrode shape]
15(A) to (D) show that among the pair of outer electrodes of the piezoelectric element 15, at least the outer electrode 16 that is not bonded to the diaphragm is located on the first imaginary line PL1 and This is a piezoelectric sounding element prepared in order to confirm the influence of sound pressure-frequency characteristics when a pair of arc-shaped recesses 16A that are convex toward the center is provided, and FIGS. 15(a) to 15(d) show , which shows the sound pressure-frequency characteristics and equivalent stress of the corresponding piezoelectric sounding elements of FIGS. 15(A) to 15(D). The radii of curvature r of the pair of arcuate recesses 16A shown in FIGS. 15(B) to 15(D) were 2 mm, 4 mm, and 6 mm. Providing such a recess 16A can reduce the stress generated in response to the primary resonance frequency, suppress the stress from increasing locally, and extend the life of the piezoelectric element.
なお凹部16Aの形状は、上記実施の形態のように半円弧状に限定されるものではなく、矩形状、三角形状等、どのような形状でもよい。凹部16Aの形状は、1次共振周波数に対応して発生する応力が、3次共振周波数に対応して発生する応力に近い値になる形状を有しているのが好ましい。このようにすると、1次共振周波数に対応して発生する応力と3次共振周波数に対応して発生する応力発生する応力の大きさのバラツキを小さくすることができ、さらに圧電素子の寿命の低下を抑制できる。 Note that the shape of the recessed portion 16A is not limited to the semicircular arc shape as in the above embodiment, but may be any shape such as a rectangular shape or a triangular shape. It is preferable that the shape of the recess 16A is such that the stress generated in response to the primary resonance frequency has a value close to the stress generated in response to the tertiary resonance frequency. In this way, it is possible to reduce the variation in the magnitude of the stress generated in response to the primary resonance frequency and the stress generated in response to the tertiary resonance frequency, and further reduce the life span of the piezoelectric element. can be suppressed.
圧電素子が両面に外側電極を有する単層構造の場合には、少なくとも非接着側の外側電極に設ければよい。また圧電素子が内部にも電極を有する多層構造の場合には、内部の電極に凹部16Aを形成すればよい。 If the piezoelectric element has a single layer structure with outer electrodes on both sides, it is sufficient to provide at least the outer electrode on the non-adhesive side. Furthermore, in the case where the piezoelectric element has a multilayer structure having electrodes inside as well, a recess 16A may be formed in the internal electrode.
[共振器(ケースの放音孔)]
ケースに設ける放音孔の総開口面積が適正な範囲であれば、中間周波数の値も大きく変わらず、しかも中間周波数の音圧にも大きな差が生じない。また放音孔の総開口面積はあまり変えずに、放音孔の数を変えても1次共振周波数の音圧と3次共振周波数の音圧の差は大きくならず、かつ高音圧な周波数特性が得られる。総開口面積が変わらなければ、放音孔の数は周波数特性に影響がない。したがって、放音孔の数は、1以上であればよい。
[Resonator (sound emission hole in the case)]
If the total opening area of the sound emission holes provided in the case is within an appropriate range, the value of the intermediate frequency will not change significantly, and furthermore, the sound pressure of the intermediate frequency will not vary greatly. In addition, even if the number of sound emission holes is changed without changing the total opening area of the sound emission holes much, the difference between the sound pressure at the primary resonance frequency and the sound pressure at the tertiary resonance frequency does not become large, and the sound pressure at high sound pressure frequencies characteristics are obtained. As long as the total aperture area remains unchanged, the number of sound emitting holes has no effect on the frequency characteristics. Therefore, the number of sound emitting holes may be one or more.
[振動板の非固定部分の形状]
上記実施の形態では、図2以降の実施の形態では、振動板12として矩形状の金属板を用い、非固定部分13の四隅を直角形状に示してある。しかしながら実用的には、図1の実施の形態のように、非固定部分13の四隅に丸み(アール)を付けたり、テーパを付けたりしておくのが好ましい。
[Shape of non-fixed part of diaphragm]
In the embodiments described above, a rectangular metal plate is used as the diaphragm 12, and the four corners of the non-fixed portion 13 are shown in a right-angled shape. However, practically, it is preferable to round or taper the four corners of the non-fixed portion 13 as in the embodiment shown in FIG.
[リード線の半田付け構造]
図16(A)は、圧電素子15にリード線18を半田付けした構造を示す平面図であり、図16(B)はこの構造の分解斜視図である。まず一対の外側電極のうち振動板12に接着されないほうの銀電極からなる外側電極16の上には、リード線18を半田付けするための半田付け部形成用の貫通孔17Aを備えた半田レジスト層17が形成されている。半田レジスト層17は、スクリーン印刷により、防湿性と絶縁性を有するアクリレート等のレジンコートによって形成されている。半田レジスト層17の厚みは、5~50μmである。半田レジスト層17は、外側電極16と実質的に同じ形状で、同じ大きさを有しているので、銀電極からなる外側電極16を覆ってマイグレーションの発生と銀電極の腐食を防止する機能も発揮している。
[Lead wire soldering structure]
FIG. 16(A) is a plan view showing a structure in which the lead wire 18 is soldered to the piezoelectric element 15, and FIG. 16(B) is an exploded perspective view of this structure. First, on the outer electrode 16 made of a silver electrode which is not bonded to the diaphragm 12 among the pair of outer electrodes, a solder resist is provided with a through hole 17A for forming a soldering part for soldering the lead wire 18. A layer 17 is formed. The solder resist layer 17 is formed by screen printing using a resin coat such as acrylate having moisture-proofing and insulating properties. The thickness of the solder resist layer 17 is 5 to 50 μm. Since the solder resist layer 17 has substantially the same shape and size as the outer electrode 16, it also has the function of covering the outer electrode 16 made of a silver electrode and preventing migration from occurring and corrosion of the silver electrode. He is showing his full potential.
本実施例では、半田付け部形成用の貫通孔17Aは、第2の仮想線PL2が貫通孔17Aと交差する位置に形成されているが、貫通孔17Aの位置と大きさは実施例に限定されるものではない。貫通孔17Aの位置と大きさは、半田レジスト層17の存在によって下がった1次共振周波数の音圧の低下を抑えて、しかも1次共振周波数における応力の上昇を抑えるように定められていればよい。具体的には、輪郭が円形の圧電素子15の直径Rが13mm乃至15mmの場合には、貫通孔17Aの直径は1.5mm乃至3mmであるのが好ましい。そして圧電素子15の中心と貫通孔17Aの外周縁との間の距離をXとすると、r=1.5mmのときのXは2.3mm以上であり、r=3mmのときのXは3mm以上になるように、貫通孔17Aの直径と位置を定めるのが好ましい。リード線18の芯線の半田付け部19の直径は、実質的に貫通孔17Aと同じである。 In this example, the through hole 17A for forming the soldering part is formed at a position where the second virtual line PL2 intersects the through hole 17A, but the position and size of the through hole 17A are limited to the example. It is not something that will be done. The position and size of the through hole 17A are determined so as to suppress the decrease in sound pressure at the primary resonance frequency, which is lowered by the presence of the solder resist layer 17, and to suppress the increase in stress at the primary resonance frequency. good. Specifically, when the diameter R of the piezoelectric element 15 having a circular outline is 13 mm to 15 mm, the diameter of the through hole 17A is preferably 1.5 mm to 3 mm. If the distance between the center of the piezoelectric element 15 and the outer periphery of the through hole 17A is X, then when r=1.5 mm, X is 2.3 mm or more, and when r=3 mm, X is 3 mm or more. It is preferable to determine the diameter and position of the through hole 17A so that The diameter of the soldered portion 19 of the core wire of the lead wire 18 is substantially the same as that of the through hole 17A.
図17(A)は、好ましい半田付け条件として、貫通孔17Aの位置をX=5mm、r=2mmとしたときの音圧と周波数の関係(周波数特性)を示している。また図17(B)は、音響特性に悪影響を与える条件として、貫通孔17Aの位置をX=2.5mm、R=2mmとしたときの音圧と周波数の関係(周波数特性)を示している。図17(A)では、1次共振周波数における音圧は少し低下して、応力のピーク値も低くなっている。これに対して図17(B)では、1次共振周波数における音圧は少し低下して、応力のピーク値が大きくなっている。この応力の増加により、圧電素子15のPZTセラミックが破損した。図17(A)及び(B)から、貫通孔17Aの位置(X)と大きさ(半径r)は、半田レジスト層17の存在によって下がった1次共振周波数の音圧の低下を抑えて、しかも1次共振周波数における応力の上昇を抑えるように定められることが判る。 FIG. 17A shows the relationship between sound pressure and frequency (frequency characteristics) when the position of the through hole 17A is set to X=5 mm and r=2 mm as preferred soldering conditions. Furthermore, FIG. 17(B) shows the relationship between sound pressure and frequency (frequency characteristics) when the position of the through hole 17A is set to X = 2.5 mm and R = 2 mm as conditions that adversely affect the acoustic characteristics. . In FIG. 17(A), the sound pressure at the primary resonance frequency has decreased slightly, and the peak value of stress has also decreased. On the other hand, in FIG. 17(B), the sound pressure at the primary resonance frequency has decreased slightly and the peak stress value has increased. This increase in stress caused the PZT ceramic of the piezoelectric element 15 to break. From FIGS. 17A and 17B, the position (X) and size (radius r) of the through hole 17A are such that the position (X) and size (radius r) of the through hole 17A suppress the decrease in the sound pressure of the primary resonance frequency, which is lowered due to the presence of the solder resist layer 17. Moreover, it can be seen that it is determined so as to suppress the increase in stress at the primary resonance frequency.
図18(A)は、半田付け部を形成せずに音響信号を加えて測定したときの1次共振時と3次共振時の応力の状態を示す図である。図18(B)は、貫通孔17Aの位置をX=4mm、r=2mmとして半田付け部19を形成し音響信号を加えて測定したときの1次共振時と3次共振時の応力の状態を示す図である。図18(C)は、貫通孔17Aの位置をX=1.5mm、r=2mmとして半田付け部19を形成し音響信号を加えて測定したときの1次共振時と3次共振時の応力の状態を示す図である。図18(D)は、貫通孔17Aの位置をX=2.25mm、r=3.5mmとして半田付け部19を形成して音響信号を加えて測定したときの1次共振時と3次共振時の応力の状態を示す図である。図18(C)及び(D)の場合には、貫通孔17Aの周囲の応力が大きくなって、半田付け部19の近傍から圧電素子のPZTセラミックの破損が発生することが確認された。 FIG. 18(A) is a diagram showing stress states during primary resonance and tertiary resonance when measured by applying an acoustic signal without forming a soldered portion. FIG. 18(B) shows the state of stress during primary resonance and tertiary resonance when the soldered part 19 is formed with the position of the through hole 17A set at X = 4 mm and r = 2 mm, and measured by applying an acoustic signal. FIG. FIG. 18(C) shows the stress during primary resonance and tertiary resonance when the soldered portion 19 is formed with the position of the through hole 17A set at X = 1.5 mm and r = 2 mm, and is measured by applying an acoustic signal. FIG. FIG. 18(D) shows the primary resonance and the tertiary resonance when the through hole 17A is positioned at X=2.25 mm and r=3.5 mm, the soldered part 19 is formed, and an acoustic signal is applied. It is a figure showing the state of stress at the time. In the case of FIGS. 18C and 18D, it was confirmed that the stress around the through hole 17A increased and the PZT ceramic of the piezoelectric element was damaged from the vicinity of the soldered portion 19.
また図19(A)は、厚み20μmのレジンコートからなる半田レジスト層17を形成した場合と形成しなかった場合の音圧と周波数の関係(f-dB特性)を示しており、図19(B)はレジンコートからなる半田レジスト層17を形成した場合と形成しなかった場合のインピーダンスと周波数の関係(インピーダンスカーブ)を示している。これらの結果から、レジンコートからなる半田レジスト層17を設けると、共振ピークのQ値を低減させることができ、f-dB特性がフラットになることが判る。そして所定の厚みの半田レジスト層17を設けることにより、以下の効果が得られることを確認した。 Further, FIG. 19(A) shows the relationship between sound pressure and frequency (f-dB characteristics) when the solder resist layer 17 made of a resin coat with a thickness of 20 μm is formed and when it is not formed. B) shows the relationship between impedance and frequency (impedance curve) when the solder resist layer 17 made of a resin coat is formed and when it is not formed. From these results, it can be seen that by providing the solder resist layer 17 made of a resin coat, the Q value of the resonance peak can be reduced and the f-dB characteristic becomes flat. It has been confirmed that the following effects can be obtained by providing the solder resist layer 17 with a predetermined thickness.
(1)音響帯域内(2~2.9KHz)の最低音圧をキープしたまま、1次共振の音圧を下げることができ、2dBの音圧フラット化できることが確認された。 (1) It was confirmed that the sound pressure of the primary resonance can be lowered while maintaining the lowest sound pressure within the acoustic band (2 to 2.9 KHz), and that the sound pressure can be flattened by 2 dB.
(2)3次共振近傍にジャンプ現象(音圧が垂直に低下する現象)を起こすヒステリシス領域を低減できることが確認された。 (2) It was confirmed that the hysteresis region that causes a jump phenomenon (a phenomenon in which the sound pressure decreases vertically) near the third-order resonance can be reduced.
(3)インピーダンスカーブの共振ピークが低減することから、Q値の低下が得られることが確認された。 (3) Since the resonance peak of the impedance curve was reduced, it was confirmed that the Q value was reduced.
以上のことから半田レジスト層17の厚みを、1次共振周波数及び3次共振周波数の共振ピークのQ値を低減するように定めれば、半田レジスト層17の存在によって音響特性を高めることが可能になることが確認された。 From the above, if the thickness of the solder resist layer 17 is determined to reduce the Q value of the resonance peak of the primary resonance frequency and the tertiary resonance frequency, it is possible to improve the acoustic characteristics due to the presence of the solder resist layer 17. It was confirmed that
本発明によれば、1次共振周波数と中間共振周波数における音圧差、中間共振周波数と3次共振周波数における音圧差を小さくすることができ、しかも80dB以上の音圧を得ることができて周波数範囲をある程度任意に変更できる圧電音響部品を提供できる。 According to the present invention, it is possible to reduce the sound pressure difference between the primary resonant frequency and the intermediate resonant frequency, and the sound pressure difference between the intermediate resonant frequency and the tertiary resonant frequency, and moreover, it is possible to obtain a sound pressure of 80 dB or more. It is possible to provide a piezoelectric acoustic component that can be arbitrarily changed to some extent.
1 圧電音響部品
3 下側ケース半部
4 放音孔
5 上側ケース半部
7 開口部
9 発音素子ホルダ
11 圧電発音素子
12 振動板
13 非固定部分
13Aa、13Ab 長辺
13Ba、13Bb 短辺
14A,14B 凸部
14Ca~14Cd 凹部
15 圧電素子
16 外側電極
16A 凹部
PL1 第1の仮想線
PL2 第2の仮想線
PL3 第3の仮想線
PL4 第4の仮想線
S1 第1の空間
S2 第2の空間
1 Piezoelectric acoustic component 3 Lower case half 4 Sound emission hole 5 Upper case half 7 Opening 9 Sound element holder 11 Piezoelectric sound element 12 Vibration plate 13 Non-fixed part 13Aa, 13Ab Long side 13Ba, 13Bb Short side 14A, 14B Convex portion 14Ca to 14Cd Concave portion 15 Piezoelectric element 16 Outside electrode 16A Concave portion PL1 First virtual line PL2 Second virtual line PL3 Third virtual line PL4 Fourth virtual line S1 First space S2 Second space
Claims (16)
前記圧電発音素子の前記振動板の外周部を全周に亘って固定し、前記圧電発音素子の両側に第1の空間と第2の空間を形成するように構成され、前記第1の空間と対向する壁部に1以上の放音孔が形成されて前記第1の空間の容積と前記1以上の放音孔により共振器を構成しているケースを備え、
前記振動板の前記外周部に形成される固定部の内側に位置する非固定部分は、互いに対向する一対の長辺と該長辺よりも長さが短く互いに対向する一対の短辺を備えており、
前記圧電素子が、前記振動板の前記非固定部分の中央領域上に設けられており、
前記圧電素子の輪郭形状が、前記一対の短辺を二分する第1の仮想線に対して対称となり且つ前記第1の仮想線と直交し且つ前記圧電素子の中心を通る第2の仮想線に対して対称となるように定められており、
入力信号として矩形波信号または正弦波信号を入力したときの1次共振周波数と、3次共振周波数と前記1次共振周波数と前記3次共振周波数の間の中間周波数の音圧が、それぞれ80dB以上になるように前記共振器の構成と非固定部分の形状が定められており、
前記非固定部分の前記一対の長辺には、前記圧電素子の外周部に沿い且つ前記第2の仮想線に沿って前記第1の仮想線から離れる方向に凸となる第1及び第2の凸部が形成されており、且つ、
前記非固定部分の前記一対の長辺には、前記第1及び第2の凸部に隣接し、前記圧電素子の前記中心を通り前記第2の仮想線との間に鋭角を成すように延びる第3の仮想線上に位置して80dB以上の周波数範囲を調整するように前記第1の仮想線に向かって凸となる第1及び第2の凹部が形成されていることを特徴とする圧電音響部品。 a piezoelectric sounding element comprising a metal diaphragm and a piezoelectric element provided on at least one side of the diaphragm;
The outer periphery of the diaphragm of the piezoelectric sounding element is fixed over the entire circumference, and a first space and a second space are formed on both sides of the piezoelectric sounding element, and the first space and the second space are formed on both sides of the piezoelectric sounding element. a case in which one or more sound emitting holes are formed in opposing wall parts, and a resonator is configured by the volume of the first space and the one or more sound emitting holes;
The non-fixed portion located inside the fixed portion formed on the outer peripheral portion of the diaphragm includes a pair of long sides facing each other and a pair of short sides shorter than the long sides and facing each other. Ori,
the piezoelectric element is provided on a central region of the non-fixed portion of the diaphragm,
The contour shape of the piezoelectric element is symmetrical with respect to a first imaginary line that bisects the pair of short sides, and is perpendicular to the first imaginary line and passes through the center of the piezoelectric element. It is determined to be symmetrical to
When a rectangular wave signal or a sine wave signal is input as an input signal, the sound pressure of the primary resonant frequency, the tertiary resonant frequency, and the intermediate frequency between the primary resonant frequency and the tertiary resonant frequency are each 80 dB or more. The configuration of the resonator and the shape of the non-fixed portion are determined so that
The pair of long sides of the non-fixed portion are provided with first and second grooves that are convex in a direction away from the first imaginary line along the outer periphery of the piezoelectric element and along the second imaginary line. A convex portion is formed, and
The pair of long sides of the non-fixed portion are adjacent to the first and second convex portions and extend through the center of the piezoelectric element to form an acute angle with the second imaginary line. Piezoelectric acoustics characterized in that first and second recesses are formed that are located on a third imaginary line and protrude toward the first imaginary line so as to adjust a frequency range of 80 dB or more. parts.
前記距離が10mm~13mmである請求項3に記載の圧電音響部品。 The distance between the first recess and the third recess is equal to the distance between the second recess 14 and the fourth recess 14,
The piezoelectric acoustic component according to claim 3, wherein the distance is 10 mm to 13 mm.
前記圧電素子は厚みが30μm~100μmのPZTセラミックが中間電極を介して積層された積層部が複数積層された積層体と該積層体の両側に配置された一対の外側電極とを備えた構造を有しており、
前記圧電素子を前記振動板に接着する接着剤のショアD硬度が75~85であり且つ厚みが1μm~10μmであることを特徴とする請求項1に記載の圧電音響部品。 The non-fixed part of the diaphragm is made of an alloy plate made of iron mixed with nickel and has a thickness of 10 μm to 150 μm,
The piezoelectric element has a structure including a laminate in which a plurality of laminated parts are laminated with PZT ceramics having a thickness of 30 μm to 100 μm interposed via intermediate electrodes, and a pair of outer electrodes disposed on both sides of the laminate. has,
The piezoelectric acoustic component according to claim 1, wherein the adhesive for bonding the piezoelectric element to the diaphragm has a Shore D hardness of 75 to 85 and a thickness of 1 μm to 10 μm.
前記貫通孔の位置と大きさは、前記半田レジスト層の存在によって下がった前記1次共振周波数の音圧の低下を抑えて、しかも前記1次共振周波数における応力の上昇を抑えるように定められていることを特徴とする請求項10に記載の圧電音響部品。 A solder resist layer having a through hole for forming a lead wire soldering portion is formed on the one of the pair of outer electrodes that is not bonded to the diaphragm,
The position and size of the through hole are determined so as to suppress a decrease in sound pressure at the primary resonance frequency due to the presence of the solder resist layer, and to suppress an increase in stress at the primary resonance frequency. The piezoelectric acoustic component according to claim 10.
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