WO2005094121A1

WO2005094121A1 - 圧電音響素子、音響装置及び携帯端末装置

Info

Publication number: WO2005094121A1
Application number: PCT/JP2004/019010
Authority: WO
Inventors: Yasuharu Onishi; Yasuhiro Sasaki; Nozomu Toki
Original assignee: Nec Corporation
Priority date: 2004-03-25
Filing date: 2004-12-20
Publication date: 2005-10-06
Also published as: US20070177747A1; JP4662072B2; JPWO2005094121A1; CN1926917B; CN1926917A; US7860259B2

Abstract

本発明の圧電音響素子１は、開口部３を有する中空の筐体５と、筐体５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７と、筐体５の開口部３に設けられた振動膜８とを有し、圧電素子７と振動膜８とが弾性を有する振動伝達部材９を介して接合されている。

Description

明細書

圧電音響素子、音響装置及び携帯端末装置

技術分野

[0001] 本発明は、圧電素子を振動源とする圧電音響素子と、圧電素子を振動源とする圧電音響素子を備えた音響装置及び携帯端末装置とに関するものである。

背景技術

[0002] 圧電素子を振動源とする圧電音響素子は、小型軽量で消費電力が少なぐ漏洩磁束も無いといった様々な利点を有することから携帯端末機器の音響部品として期待されている。特に、従来の電磁式音響素子に比べて実装容積を大幅に削減できるので、携帯電話をさらに小型化するための重要な技術の一つと考えられている。

[0003] しかし、圧電音響素子の音源は、圧電素子の変形に伴って屈曲する振動板である。従って、音楽再生に必要とされる一般的な音圧レベルを確保するためには、振動板をある程度以上に屈曲させる必要があり、大型の振動板が必要となる。例えば、従来の圧電音響素子では、圧電素子に 1[V]の電圧を印加した際に 90[dB]の音圧を得るために、直径 20[mm]の振動板が必要であり、小型軽量といった圧電音響素子の利点が損なわれる結果となっていた。

[0004] 次に、従来の圧電音響素子の周波数特性について述べる。圧電音響素子は、次のような問題を有する。

(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。

[0005] 原音を忠実に再生するためには、基本共振周波数を 500[Hz]以下に調整する必要がある。そこで、特開平 2— 127448号公報には、振動板に炭素板 (膨張黒鉛板）を使用することによって、上記周波数特性を改善する技術が開示されている。また、振動板を楕円形にすることによって周波数特性がある程度改善されることも知られている。 [0006] 次に、従来の圧電音響素子の周波数音圧特性について述べる。従来の圧電音響素子が圧電素子を振動源として利用していることは前述の通りである。圧電素子の圧電材料には、弾性振動における機械的エネルギーの損失が小さいセラミック材料等が一般的に用いられている。このため、共振点近傍では非常に高い音圧が得られるが、共振点以外の周波数域では振幅変化の大きな凸凹した周波数音圧特性となつてしまう。周波数音圧特性の振幅変化の大きいと、特定周波数の音のみが強調されてしまい音質が悪化する。そこで、実開昭 63— 81495号公報には、軟質発泡体内に圧電振動子を埋設することによって、周波数音圧特性を平坦化させる技術が開示されている。また、特開昭 60-208399号公報には、表面に接着剤層が形成された発泡体によって薄型音響素子の外縁を支持することによって、周波数音圧特性を平坦化させる技術が開示されている。

特許文献 1 :特開平 2 - 127448号公報

特許文献 2 :実開昭 63— 81495号公報

特許文献 3：特開昭 60 - 208399号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0007] 特開平 2— 127448号公報に開示されている技術や楕円形の振動板を用レ、ることによって、上記（1) (2)の問題を改善することはできるが、音圧特性が大きく劣化してしまう。また、実開昭 63-81495号公報や特開昭 60-208399号公報に開示されてレ、る技術を用いることによって、圧電音響素子の周波数音圧特性をある程度平坦ィ匕することはできる。しかし、原音を忠実に再生するために十分な程度にまで周波数音圧特性を改善することはできない。また、全体的な音圧特性の劣化を招いてしまう。以上のように j、型で低消費電力でありながら良好な周波数特性及び周波数音圧特性を有する圧電音響素子の実現は困難であった。

課題を解決するための手段

[0008] 本発明の目的は、小型軽量、かつ、低消費電力で、優れた音響特性を有する圧電音響素子を実現することにある。

[0009] 上記目的を達成する本発明の圧電音響素子は、少なくとも 1つの開口部を有する中空の筐体と、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、筐体の開口部に設けられた振動膜とを有し、圧電素子と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、圧電素子が屈曲すると振動膜が振動して音が発生する。圧電素子の長手方向一端又は両端は、直接又は支持部材を介して筐体の内面に固定することができる。支持部材は、弾性を有するものであっても、弾性を有さないものであってもよい。

[0010] 振動膜及び振動伝達部材をそれぞれ 2以上設け、 2以上の振動膜同士及び Z又は振動伝達部材同士の厚み、素材、寸法の少なくとも 1つを互いに異ならせることができる。圧電素子を挟んで 2枚の振動膜を対向するように配置し、それら 2つの振動膜を別々の振動伝達部材を介して圧電素子に接合させることができる。圧電素子に弾性板を接合し、圧電素子に接合された弾性板を振動伝達部材を介して振動膜に接合させることもできる。

[0011] 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圧電素子を本発明の圧電音響素子の振動源として用いることができる。また、振動伝達部材にはパネを用いることができる。振動膜には、ポリエチレンテレフタレートフィルム、ポリエーテノレ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を用いること力 Sできる。

[0012] 本発明の音響装置又は携帯端末装置には、上記本発明の圧電音響素子が搭載される。

[0013] 本発明の圧電音響素子は、振動源である圧電素子と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ので、圧電素子の屈曲作用と振動伝達部材の弾性復元作用とが相乗して振動膜が大きく振動する。従って、圧電素子の屈曲自体が小さくても振動膜を大きく振動させて十分な音圧を得ることができる。また、面積の小さな振動膜を用いても十分な音圧が得られる。この結果、薄型小型、低消費電力、低コストでありながら、音圧特性や周波数特性に優れた圧電音響素子が実現される。また、かかる効果を有する圧電音響素子を音響装置や携帯端末装置の音響部品として採用すれば、これら装置の小型薄型化、低消費電力化、高音質化等が実現される [0014] 上記及びそれ以外の本発明の目的、特徴及び利点は、下記の記載及び本発明の一例を示す添付図面の参照によって明らかになる。

図面の簡単な説明

[0015] [図 1A]実施形態 1の圧電音響素子の構造を示す縦断面図である。

[図 1B]振動膜の振動変位状態を示す縦断面図である。

[図 1C]振動膜の振動変位状態を示す縦断面図である。

[図 2]実施形態 2の圧電音響素子の構造を示す縦断面図である。

[図 3]実施形態 3の圧電音響素子の構造を示す縦断面図である。

[図 4]実施形態 4の圧電音響素子の構造を示す縦断面図である。

[図 5]実施形態 5の圧電音響素子の構造を示す縦断面図である。

[図 6]実施形態 6の圧電音響素子の構造を示す縦断面図である。

[図 7]実施形態 7の圧電音響素子が備える圧電素子の構造を示す分解斜視図である

[図 8]実施形態 8の圧電音響素子の構造を示す縦断面図である。

[図 9A]実施例 1の圧電音響素子の構造を示す縦断面図である。

[図 9B]実施例 1の圧電音響素子の構造を示す横断面図である。

[図 10]図 9に示されている圧電素子の構造を示す分解斜視図である。

[図 11]図 9に示されている振動伝達部材の側面図である。

[図 12A]実施例 2の圧電音響素子の構造を示す縦断面図である。

[図 12B]実施例 2の圧電音響素子の構造を示す横断面図である。

[図 13A]実施例 3の圧電音響素子の構造を示す縦断面図である。

[図 13B]実施例 3の圧電音響素子の構造を示す横断面図である。

[図 14]実施例 4の圧電音響素子の構造を示す縦断面図である。

[図 15]実施例 5の圧電音響素子の構造を示す縦断面図である。

[図 16]図 15に示されている圧電素子の構造を示す分解斜視図である。

[図 17]実施例 6の圧電音響素子の構造を示す縦断面図である。

[図 18]図 17に示されている圧電素子及び弾性板の拡大斜視図である。

[図 19]実施例 7の圧電音響素子の構造を示す縦断面図である。園 20]図 19に示されている圧電素子及び弾性板の拡大斜視図である。

[図 21]実施例 8の圧電音響素子の構造を示す縦断面図である。

[図 22]図 21に示されているパネの拡大斜視図である。

[図 23]比較例 1の音響素子の構造を示す縦断面図である。

[図 24]比較例 2の音響素子の構造を示す縦断面図である。

[図 25]比較例 3の音響素子の構造を示す縦断面図である。

[図 26]比較例 4の音響素子の構造を示す縦断面図である。

符号の説明

1 圧電音響素子

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 ボイスコィ

40 振動板

41 電極端子

発明を実施するための最良の形態

[0017] (実施形態 1)

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 1 C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 1 A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。

[0018] 電圧が印加された圧電素子 7は伸縮運動を繰り返し、圧電素子 7の伸縮運動は振動伝達部材 9を介して振動膜 8に伝搬され、振動膜 8は上下に振動する。より具体的には、図 1Bに示すように、順方向又は逆方向の電圧が印加された圧電素子 7は固定端を支点として上方に屈曲し、振動膜 8を同方向に撓ませる。このとき、空間 12は、圧電素子 7が上方へ変位するためのクリアランスとしての役割を果たす。一方、図 1 Cに示すように、逆方向又は順方向の電圧が印加された圧電素子 7は固定端を支点として下方に屈曲し、振動膜 8を同方向に撓ませる。このように、圧電素子 7に交流電圧が印加されると、振動膜 8が上下に連続して橈んで（振動して）、音が発生する。ここで、本例の圧電音響素子 1では、圧電素子 7と振動膜 8とが弾性を有する振動伝達部材 9を介して接合されている。従って、圧電素子 7の伸縮運動に伴って振動伝達部材 9が弾性変形し、反発作用が発生する。この結果、圧電素子 7の伸縮運動が助長され、振動膜 8の振動変位量が増大し、音圧が向上する。さらに、振動伝達部材 9が接合された圧電素子 7は、重量が増加しているので、圧電素子 7が伸縮運動する際により大きな慣性が働き、発生する音の基本共振周波数が低減される。カロえて、圧電素子 7の固体端が弾性を有する支持部材 6を介して筐体 5に固定され、自由端が弾性を有する振動伝達部材 9を介して振動膜 8に接合されているので、落下等によって筐体 8が衝撃を受けても、その衝撃の多くは支持部材 6及び/又は振動伝達部材 9 によって吸収され、圧電素子 7の破損が回避される。

[0019] 図 1に示す圧電素子 7は、下部絶縁層、下部電極層（導体層）、圧電材料層、上部電極層（導体層）、上部絶縁層が順次積層された層構造を有する。圧電材料層の材料に、ジルコン酸ゃジルコン酸チタン酸鉛を使用した場合、セラミック焼結後の反りを低減することができ、圧電素子としての信頼性が向上する。また、セラミック焼結後の研磨等の平坦化工程を省略することもでき、製造コストの低減に寄与する。また、電極層の材料に、銀や銀/パラジウム合金を使用した場合、電極層と圧電材料層との一体焼結時の焼結歪みが低減されるので、一体焼結によって圧電素子を製造し易くなる。もっとも、圧電材料層や電極層の材料には、上記材料以外の既存の材料を適宜選択して使用することができる。

[0020] 従来の圧電音響素子は、特定周波数において強調された音を発生する。これは、圧電音響素子を電気回路素子と等価と見た際の Qが高いためである。そこで図 1に示す振動膜 8を Qの低い材料によって形成すれば、圧電音響素子の Qを抑制し、周波数の等音化を図ることができる。また、変位動作に対する耐久性が高い材料によつて振動膜 8を形成すれば、高い音圧を得ることができる。さらに、加工が容易な材料によって振動膜 8を形成すれば、膜厚のバラツキが少なくなり、品質が安定する。以上の事項を総合的に勘案すると、ポリエチレンテレフタレートフィルム（PETフィルム）

)、又はポリプロピレンフィルム（PPフィルム）が振動膜 8の材料として適してレ、る。

[0021] (実施形態 2)

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力 S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。

[0022] 以上の説明より、圧電素子 7を長尺化すれば、自由端の変動量がさらに増大し、振動膜 8をより大きく振動させることが可能であることが理解できる。また、圧電素子 7の長さと、振動膜 8の面積とを好適な組み合わせとすることによって、必要な音圧を確保しながら圧電音響素子を小型化することが可能であることも理解できる。

[0023] (実施形態 3)

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つた利点を有する。

[0024] また、 2つの支持部材 6a、 6bの弾性率、厚み、面積等を互いに異ならせることによつて、発生する音の基本共振周波数を調整することができるといった利点も有する。尚、本例の圧電音響素子 1では、圧電素子 7の長手方向両端を筐体 5に固定する構成を採用したことに伴って、圧電素子 7の長手方向略中央が振動膜 8に接合されている。しかし、圧電素子 7と振動膜 8との接合位置は図示された位置に限定されない

[0025] (実施形態 4)

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。

[0026] 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、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ことを特徴とする本例の圧電音響素子 1は、 2枚の振動板 8a、 8bから音が発生するので、より高い音圧が得られるといった利点を有する。また、 2つの振動伝達部材 9a、 9bの厚み、高さ、材質等を互いに異ならせたり、 2つの振動膜 8a、 8bの厚みや材質等を互いに異ならせたりすることによって、発生する音に異なる共振周波数を与えることができるといった利点も有する。これら利点は、再生可能な音の周波数帯域を拡大可能であることを意味する。また、筐体 5が落下等によって衝撃を受けた場合、その衝撃の多くが振動伝達部材ゃ支持部材によって吸収され、圧電素子に伝わらないという利点は、これまで説明した圧電音響素子と共通である。しかし、独立した 2つの振動伝達部材 9a、 9bを有する本例の圧電音響素子 1では、衝撃が 2つの振動伝達部材 9a、 9bに分散されて吸収されるので、安全性がより高まる。 [0027] (実施形態 5)

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。

[0028] 図 4及び図 5に示す圧電音響素子 1が備える振動膜 8a、 8bの面積は、図 1等に示す圧電音響素子 1 (振動膜 8が 1枚の圧電音響素子 1)に比べて小さい。しかし、図 4 及び図 5に示す圧電音響素子 1では、 2枚の振動膜 8a、 8bが同時に振動するので、得られる音圧は図 1等に示す圧電音響素子 1と同レベルである。

[0029] (実施形態 6)

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。

[0030] 但し、弾性板 15が一体化された圧電素子 7は、弾性板 15を具備していない同種の圧電素子に比べて見かけ上の剛性が低下するので、屈曲に伴う変位量が増大する。換言すれば、図 6に示す圧電素子 7は、弾性板 15を具備していない同種の圧電素子に比べて、振動膜 8をより大きく振動させることができる。かかる観点からは、圧電素子 7の厚みと弾性板 15の厚みの合計の 1/8以上を弾性体 15の厚みが占めることが望ましい。また、弾性板 15が一体化された圧電素子 7は、弾性板 15を具備しない同種の圧電素子に比べて重量が増加するので、圧電素子 7が屈曲した際により大きな慣性が働き、発生する音の基本周波数がより低減する。

[0031] また、弾性板 15を金属等の質量の大きな材料によって形成すれば、圧電素子 7が屈曲した際により一層大きな慣性が働き、基本周波数がより一層低減する。このことは、圧電素子 7に安価な弾性板 15を付加することによって、高価な圧電セラミックの寸法や形状を変更することなぐ圧電素子 7の変位量や発生する音の共振周波数を調整可能であることを意味する。カロえて、弾性板 15が一体化された圧電素子 7は、耐久性が向上し、割れ等が発生し難くなる。金属製の弾性板 15の材料としては、例えば、真ちゆうが適している。

[0032] 弾性板 15に弾性係数が高い板パネを使用すれば、圧電素子 7の見かけ上の弾性が高くなり、電圧印加時の圧電素子 7の変位量が増加する。また、板パネにスリットを設ければ、圧電素子 7の見かけ上の弾性がさらに高くなると共に、板パネと圧電素子 7との接合面積が減少するので、製造が容易になる。

[0033] (実施形態 7)

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ぐ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つて、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。

[0034] (実施形態 8) 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パネである点である。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、コイルパネ 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ぐ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パネ 9によって吸収され、圧電素子 7の破損が防止される。コイルパネ 9は、板パネや渦巻きパネに替えることもできる。いずれにしても、適当なパネ係数を有するパ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。

[0035] (実施例 1)

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。

[0036] 本例の圧電音響素子 1では、厚み 0. 3[mm]のポリプロピレン樹脂からなる筐体 5の内部に、図 10に示す構造を有する圧電素子 7が振動源として実装されている。圧電素子 7の下部絶縁層 16及び上部絶縁層 17は、長さ 15[mm]、幅 4[mm]、厚み 50[ /i m]である。圧電材料層 19は、長さ 15[mm]、幅 4[mm]、厚み 300[ /i m]である。上下の電極層（導体層） 18の厚みは、 3 m]である。従って、圧電素子 7の外形寸法は、長さ 15[mm]、幅 4[mm]、厚み約 0. 4[mm]である。また、下部絶縁層 16、上部絶縁層 17 及び圧電材料層 19には、ジノレコン酸チタン酸鉛系セラミックが使用され、電極層 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はダリーンシート法によって製造されており、大気中 1 100°Cで 2時間焼成されている。さらに、電極層 18を電気的に接続するための外部電極として厚み 8[ μ m]の銀電極が形成されている。また、圧電材料層 19は、分極処理によって膜厚方向に分極されている。上部絶縁層 17の表面に形成された電極パッド 20は、 8[ z m]の銅箔によって電気的に接続されている。さらに、電気的に接続された電極パッド 20から、直径 l [mm]、高さ 0. 5[mm]の半田部を介して、直径 0. 2[mm]の 2本の電極端子リード線が引き出されている。

[0037] 本例の圧電音響素子では、圧電素子 7を振動膜 8に接合させる振動伝達部材 9として、図 11に示す円錐コイルパネが使用されている。円錐コイルパネは、高さ（h)が 0. 4[mm]、最小コイル半径（R1)が 2[mm]、最大コイル半径（R2)力 S4[mm]であり、ステンレス鋼線によって形成されている。また、図 9Aに示すように、コイルパネの最小コイル半径面が圧電素子 7の下面 13に、最大コイル半径面が振動膜 8にそれぞれエポキシ系接着剤によって接合されている。さらに、図 9A、図 9Bに示す振動膜 8は、直径 15 [mm],厚み 0. l [mm]の円形のポリエチレンテレフタレートフィルムである。

[0038] 以上の構造を有する本例の圧電音響素子 1は、図 9Bに示すように、全体として略楕円形の平面形状を呈し、全長（L)が 23[mm]、全幅 (W)が 16[mm]である。また、全高（H)は、 1. 5[mm] (振動膜 8の厚み（0· 1mm) +円錐コイルバネ 9の高さ（0· 4mm) +圧電素子 7の厚み（0· 4mm) +空間 12の高さ（0· 3mm) +筐体 5の厚み（0· 3mm ) )である。

[0039] (実施例 2)

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. l [mm]のポリエチレンテレフタレートフイルムであり、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。

[0040] 図 12Bに示すように、本例の圧電音響素子 1は、実施例 1の圧電音響素子と実質的に同一の形状を有する。但し、本例の圧電音響素子 1が備える振動膜 8a、 8bの直径は、実施例 1の圧電音響素子が備える振動膜に比べて小さい (振動膜の面積が小さい）従って、本例の圧電音響素子 1の全長（L)は 20[mm]、全幅 (W)は l l [mm]である。すなわち、本例の圧電音響素子 1は、実施例 1の圧電音響素子よりも小型である。また、全高（H)は、 1. 15[mm] (振動膜 8bの厚み（0. 05mm) +円錐コイルバネ 9b の高さ（0. 2mm) +圧電素子 7の厚み（0. 4mm) +円錐コイルバネ 9aの高さ（0. 4 mm) +振動膜 8aの厚み（0. 1mm) )である。

[0041] 尚、本例の圧電音響素子 1が備える筐体 8及び圧電素子 7は、実施例 1の圧電音響素子が備えるそれらと同一である。また、本例の圧電音響素子 1が備える円錐コィルバネは、寸法の点を除いて実施例 1の圧電音響素子が備える円錐コイルパネと同一である。

[0042] (実施例 3)

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 1 3が振動伝達部材 9としての円錐コイルパネを介して振動膜 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の円錐コイルパ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. l [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。

[0043] 図 13Bから分るように、本例の圧電音響素子 1は、略円形の平面形状を有し、直径

(L)は 22[mm]である。また、全高（H)は 1. 5[mm]である。

[0044] (実施例 4)

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]の円錐コイルパネである。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の円錐コィ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 1 4[mm]、全高（H)は 1. l [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。

(実施例 5)

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 1 9は、長さ 16[mm]、幅 4[mm]、厚み 40[ x m]である。導体層 18は、長さ 16[mm]、幅 4 [mm],厚み 3[ z m]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、ジノレ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°Cで 2時間焼成されている。カロえて、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。

[0046] 本例の圧電音響素子 1の外形及び寸法は、実施例 1の圧電音響素子と同一である。すなわち、全体として略楕円形の平面形状を有し、全長）は 23[mm]、全高（H) は 1. 5[mm]、全幅は 16[mm]である。

[0047] (実施例 6)

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パネを介して振動膜 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（1 )は 12[mm]、幅（w )は 4[mm]、厚み（t )は 0· 4[mm]である。また、弾性板 15

1 1 1

の長さ（1 )は 15[mm]、幅（w )は 4[mm]、厚み（t )は 0· 2[mm]である。弾性板 15の材

2 2 2

質は SUS304である。

[0048] 本例の圧電音響素子 1は、実施例 1の圧電音響素子と同様に全体として略楕円形の平面形状を有する。また、全長（L)は 23[mm]、全高（H)は 1 · 7 [mm],全幅は 16 [mm]である。尚、実施例 1の圧電音響素子に比べて全高（H)が 0. 2[mm]増加しているのは、弾性板 15の厚みによるものである。

[0049] (実施例 7)

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（1 ) 8[mm]、幅（w ) 4[mm]、厚み（t ) 0. 4[mm]の圧電素子

1 1 1

7に、長さ（1 ) 16 [mm],幅（w ) 4[mm]、厚み（t ) 0. 2[mm]の金属製弾性板 15がェポ

2 2 2

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。

[0050] (実施例 8)

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パ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、パネの高さは 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。

[0051] (特性評価）

これまでに説明した実施例 1一 8の圧電音響素子の特性と、比較例 1一 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 1一 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。

[0052] (比較例 1)

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。

[0053] (比較例 2)

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レ、る点である。

[0054] (比較例 3)

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。

[0055] (比較例 4)

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。

[0056] (測定結果 1)

実施例 1一 8の圧電音響素子及び比較例 1一 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。

[0057] 実施例 l:443[Hz]

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 l: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。

[0058] (測定結果 2)

実施例 1一 8の圧電音響素子及び比較例 1一 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 1: :96[dB]

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力 Sわ力る。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 1一 3の圧電音響素子とほぼ同レベルの音圧が得られた。

[0060] (測定結果 3)

周波数 500[Hz]— 2000[Hz]における実施例 1一 8及び比較例 1一 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。

[0061] 実施例 1一 8 :25%以内

比較例 1一 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。

[0062] (測定結果 4)

実施例 1一 8の圧電音響素子及び比較例 1一 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。

[0063] 実施例 1、 2 : 3%以内

実施例 3 : 3%よりも大きく 10%以下

実施例 4一 7 : 3%以内

実施例 8 : 3%よりも大きく 10%以下

比較例 1一 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。

[0064] (測定結果 5)

実施例 1一 8の圧電音響素子及び比較例 1一 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。

[0065] 実施例 1、 2 : 3%よりも大きく 10%以下

実施例 3— 8 : 3%以内

比較例 1一 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、信頼性が高レヽこと力 Sわ力る。

[0066] (測定結果 6)

実施例 1一 8の圧電音響素子及び比較例 1一 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。

[0067] 実施例 1、 2 : 5%以内

実施例 3 : 5%よりも大きく 15%以内

実施例 4一 7 : 5%以内

実施例 8 : 5%よりも大きく 15%以内

比較例 1一 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力る。

[0068] 上記測定結果 1一 6をまとめた表 1を示す。尚、測定結果 1に関しては、基本共振周波数が 300[Hz]以下の場合を「◎」、 300[Hz]よりも大きく 500[Hz]以下の場合を「〇」、 700[Hz]よりも大きく 1000[Hz]以下の場合を「△」、 1000[Hz]よりも大きい場合を「X」と表した。

[0069] 測定結果 2に関しては、音圧レベルが 90[dB]よりも大きい場合を「◎」、 90[dB]以下の場合を「X」と表した。

[0070] 測定結果 3及び 6に関しては、乖離率が 25%以内の場合を「〇」、 25%よりも大きレ、が 40%以下である場合を「△」、 40%よりも大きい場合を「 X」と表した。

[0071] 測定結果 4及び 5に関しては、音圧変化が 3%以内の場合を「〇」、 3%よりも大きく

10 Q/o以内の場合を「△」、 10%よりも大きレ、場合を「 X」と表した。

[0072] 測定結果 6に関しては、乖離率が 5%以内の場合を「〇」、 5%よりも大きく 15%以下である場合を「△」、 15%よりも大きく場合を「 X」と表した。

[0073] [表 1]

これまでの説明及び測定結果 1一 6を総合すると、本発明の圧電音響素子が、薄型小型、低電圧駆動可能、高音圧再生可能、広周波数特性、低コスト、高信頼性といつた様々な利点を有することがわかる。 [0074] また、本発明の圧電音響素子が音響装置や携帯端末装置を始めとする幅広い分野に応用可能であることがわかる。例えば、音響装置に搭載すれば、小型で高音質の音響装置が実現される。また、従来の携帯電話や PDA (Personal Digital Assistance)に搭載されている電磁式音響素子に代えて、本発明の圧電音響素子を搭載すれば、携帯電話や PDAの小型化や動作時間の延長を図りつつ、より高音質を実現すること力 Sできる。

[0075] 本発明の選択された実施形態は特定の用語を用いて記載されているが、この記載は例示のみを目的とするものであり、下記の請求の範囲の要旨及び範囲から逸脱することなく変更及び変形が可能なことが理解される。

Claims

請求の範囲

[I] 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。

[2] 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。

[3] 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。

[4] 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。

[5] 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。

[6] 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。

[7] 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。

[8] 前記振動伝達部材がパネである請求項 1記載の圧電音響素子。

[9] 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。

[10] 請求項 1記載の圧電音響素子が搭載された音響装置。

[II] 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。