WO2011129116A1 - 圧電形スピーカ - Google Patents

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WO2011129116A1
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piezoelectric
substrate
piezoelectric element
electrode
present
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Inventor
佐和子 狩野
Original Assignee
パナソニック株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers

Definitions

  • the present invention relates to a piezoelectric speaker using a piezoelectric element.
  • FIG. 12 is a diagram showing a conventional piezoelectric speaker described in Patent Document 1.
  • FIG. 12 is a diagram showing a conventional piezoelectric speaker described in Patent Document 1.
  • a conventional piezoelectric speaker includes a piezoelectric sounding body 1 and a support 2 that supports an outer peripheral portion thereof.
  • the piezoelectric sounding body 1 includes a circular piezoelectric ceramic plate 3 and a metal plate 4 joined to the piezoelectric ceramic plate 3.
  • the electrodes formed on both surfaces of the piezoelectric ceramic plate 3 are divided at locations determined by the higher-order resonance mode. Then, a voltage lower than that of the inner electrode 5a is applied to the outer electrode 5b located outside the divided portion.
  • the technique described in Patent Document 1 controls the resonance mode generated in the piezoelectric sounding body 1 by changing the applied voltage in this way. Thereby, the technique of patent document 1 has improved the peak dip on a sound pressure frequency characteristic.
  • the peak dip can be relatively reduced, but the stress cannot be reduced because the piezoelectric ceramic plate itself is not divided. As a result, the piezoelectric ceramic plate is broken due to occurrence of a certain stress value or more. Therefore, the conventional configuration has a problem that reproduction with a large amplitude, that is, a large sound pressure is difficult. Further, in the conventional configuration, since it is necessary to input signals having different voltages or phases to the outer electrode and the inner electrode, it is necessary to newly provide an attenuation element in the coupling line to the outer electrode. Thereby, the conventional configuration has a problem that the cost increases.
  • the present invention solves the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a piezoelectric speaker capable of improving characteristics or reducing costs.
  • a piezoelectric speaker includes a diaphragm including a substrate, a plurality of piezoelectric elements arranged on the substrate, and the substrate at an outer peripheral portion thereof.
  • a plurality of piezoelectric elements including a first piezoelectric element and a second piezoelectric element having a smaller number of layers than the first piezoelectric element.
  • the piezoelectric speaker according to one embodiment of the present invention can reduce the stress at the time of large amplitude by using a plurality of piezoelectric elements, so that the reliability can be improved.
  • the piezoelectric speaker can realize high sound pressure reproduction by using a piezoelectric element having a laminated structure. Furthermore, the piezoelectric speaker can be reduced in cost while suppressing deterioration in characteristics by appropriately arranging piezoelectric elements having different numbers of layers.
  • the piezoelectric speaker according to one embodiment of the present invention can realize improvement in characteristics such as reduction in peak dip or improvement in reliability by appropriately arranging piezoelectric elements having different numbers of layers.
  • the second piezoelectric element is disposed outside the first piezoelectric element as viewed from the center of the substrate.
  • the piezoelectric speaker according to one embodiment of the present invention uses a single layer or a piezoelectric element with a small number of laminated layers in a portion where the contribution to vibration is low, thereby reducing the cost while suppressing deterioration in characteristics. Can be reduced.
  • the second piezoelectric element is disposed on a portion of the substrate where stress generated by bending vibration of the substrate is larger than a portion where the first piezoelectric element is disposed.
  • the piezoelectric speaker according to one embodiment of the present invention can suppress the amplitude of the stress concentration portion, and thus can improve the maximum input level of the piezoelectric speaker. Therefore, the reliability of the piezoelectric speaker can be improved.
  • Each of the plurality of piezoelectric elements includes a first electrode and a second electrode for applying an electric signal to the piezoelectric element, and the piezoelectric element exposes both the first electrode and the second electrode. Have a surface.
  • the piezoelectric speaker according to one embodiment of the present invention can easily take out the lead wire.
  • the substrate includes a third electrode and a fourth electrode formed by printing on a surface on which the piezoelectric element is disposed, and the piezoelectric element has both the first electrode and the second electrode exposed.
  • the surface of the substrate is disposed so as to contact the surface of the substrate on which the third electrode and the fourth electrode are formed.
  • the third electrode includes a plurality of the first electrodes included in the plurality of piezoelectric elements.
  • the fourth electrode is connected to a plurality of second electrodes included in the plurality of piezoelectric elements.
  • the piezoelectric speaker according to one embodiment of the present invention can realize a lead wire-less structure.
  • the substrate is made of polyethylene terephthalate.
  • the piezoelectric speaker according to one embodiment of the present invention can reduce the mass of the vibration system compared to the conventional metal diaphragm, so that the sound pressure can be improved.
  • the substrate is made of paper.
  • the piezoelectric speaker according to one embodiment of the present invention can increase the internal loss of the diaphragm, and therefore can reduce the sharpness Q of resonance. Thereby, the piezoelectric speaker can improve the flatness of the sound pressure characteristics.
  • the substrate is made of a foam.
  • the piezoelectric speaker according to one embodiment of the present invention can increase the internal loss of the diaphragm, and therefore can reduce the sharpness Q of resonance. Thereby, the piezoelectric speaker can improve the flatness of the sound pressure characteristics.
  • the piezoelectric speaker further includes an edge portion that is provided between the outer peripheral portion of the substrate and the frame and functions as a support.
  • the piezoelectric speaker according to one embodiment of the present invention can be provided with an edge regardless of the thickness of the diaphragm, so that the design of the lowest resonance frequency can be facilitated.
  • edge portion has a roll shape.
  • the piezoelectric speaker according to one embodiment of the present invention can reduce distortion during reproduction because the linearity of the support system is improved.
  • the present invention can be realized not only as such a piezoelectric speaker but also as various audio output devices such as a television or a mobile phone device including such a piezoelectric speaker.
  • the present invention can provide a piezoelectric speaker that can improve characteristics or reduce costs.
  • FIG. 1 is a plan view of a piezoelectric speaker according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the piezoelectric speaker according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 3A is a cross-sectional view of the single-layer piezoelectric element according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 3B is a cross-sectional view of the multilayer piezoelectric element according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 3C is a cross-sectional view of the single-layer piezoelectric element according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 1 is a plan view of a piezoelectric speaker according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the piezoelectric speaker according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 3A is a cross-sectional view of the single-layer piezoelectric element according
  • FIG. 4A is a diagram showing a sound pressure frequency characteristic of a piezoelectric speaker having a monomorph structure according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 4B is a diagram showing a sound pressure frequency characteristic of the piezoelectric speaker having a bimorph structure according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the piezoelectric speaker in the case of using a roll edge according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram showing a stress distribution on the piezoelectric element according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7A is a diagram showing the shape and arrangement of piezoelectric elements according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 7B is a diagram showing a modification of the shape and arrangement of the piezoelectric element according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 8 is a perspective view of a piezoelectric element according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 9 is a top view of the substrate according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram showing a television according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram showing a mobile phone device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of a conventional piezoelectric speaker.
  • the piezoelectric speaker according to the first embodiment of the present invention includes a plurality of piezoelectric elements arranged on a substrate. Furthermore, a laminated piezoelectric element is disposed in the central portion of the substrate, and a single-layer piezoelectric element is disposed in the outer peripheral portion of the substrate.
  • the piezoelectric speaker can use a single-layer piezoelectric element in a portion where the contribution to vibration is low, thereby reducing the cost while suppressing deterioration in characteristics.
  • FIG. 1 is a plan view of a piezoelectric speaker 100 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a sectional view of the piezoelectric speaker 100 taken along the plane A0-A1 in FIG.
  • the piezoelectric speaker 100 includes a diaphragm 10, a passivation film 14, and a frame 15.
  • the diaphragm 10 includes a piezoelectric element 11 and a substrate 13.
  • the piezoelectric element 11 is disposed on the substrate 13 and bonded to the substrate 13.
  • the piezoelectric element 11 includes four piezoelectric elements 11a, 11b, 11c, and 11d.
  • the piezoelectric elements 11c and 11d are arranged outside the piezoelectric elements 11a and 11b when viewed from the center of the substrate 13.
  • the piezoelectric elements 11a and 11b are two-layer laminated piezoelectric elements.
  • the piezoelectric elements 11c and 11d are single layer piezoelectric elements.
  • the thickness of each piezoelectric element is the same in this embodiment. Note that the thickness of the two-layer laminated piezoelectric element and the single-layer piezoelectric element may be different.
  • FIG. 3A is a cross-sectional view of the single-layer piezoelectric elements 11c and 11d.
  • FIG. 3B is a cross-sectional view of the laminated piezoelectric elements 11a and 11b.
  • each of the single-layer piezoelectric elements 11c and 11d includes a piezoelectric ceramic layer 21 and electrodes 22 and 23.
  • the electrode 22 and the electrode 23 are disposed above and below the piezoelectric ceramic layer 21 so as to sandwich the piezoelectric ceramic layer 21.
  • the laminated piezoelectric elements 11a and 11b are elements in which piezoelectric ceramic layers and electrodes are alternately laminated. As shown in FIG. 3B, the laminated piezoelectric elements 11 a and 11 b include a piezoelectric ceramic layer 26 and electrodes 27 and 28.
  • the electrode 28 is an electrode layer that functions as an internal electrode.
  • the piezoelectric ceramic layer 26 is composed of two layers, and an electrode 28 is sandwiched between the two layers.
  • the electrode 27 is configured to sandwich the entire piezoelectric ceramic layer 26 composed of two layers in the vertical direction.
  • FIG. 3C may be used as the configuration of each of the single-layer piezoelectric elements 11c and 11d.
  • the frame 15 supports both ends of the diaphragm 10. In FIG. 1, a gap is provided between the longitudinal ends of the diaphragm 10 and the frame 15.
  • the frame 15 may support four sides of the diaphragm 10.
  • the passivation film 14 is formed so as to cover the gap. Note that the passivation film 14 is provided in order to block sound emitted from the back side of the diaphragm 10.
  • the passivation film 14 is, for example, an SBR (styrene butadiene rubber) film.
  • the passivation film 14 may be provided only in the upper part of the gap so as to fill the gap between the diaphragm 10 and the frame 15, or may cover the upper part of the gap and the entire diaphragm 10. May be provided.
  • the method for driving the diaphragm 10 by applying a driving voltage to the surface electrode (not shown) of the piezoelectric element 11 is the same as that of a conventional piezoelectric speaker.
  • a drum-like vibration mode in which the amplitude of the central portion of the diaphragm 10 is the largest is generated.
  • laminated piezoelectric elements having a large deformation amount are used for the piezoelectric elements 11a and 11b having a large contribution ratio to the amplitude, and single-layer piezoelectric elements having a small deformation amount are used for the piezoelectric elements 11c and 11d having a small contribution ratio. Is used.
  • FIG. 4A shows the sound pressure frequency characteristics of the piezoelectric speaker 100 configured as described above.
  • the horizontal axis indicates the frequency
  • the vertical axis indicates the sound pressure.
  • a sound pressure frequency characteristic 31 indicated by a solid line indicates the characteristic of the piezoelectric speaker 100 according to Embodiment 1 of the present invention
  • a sound pressure frequency characteristic 32 indicated by a dotted line uses a laminated piezoelectric element for all the piezoelectric elements. The characteristics are shown.
  • the reproduced sound pressure of the piezoelectric speaker 100 according to Embodiment 1 of the present invention is substantially the same as the reproduced sound pressure when the laminated piezoelectric elements are used for all the piezoelectric elements.
  • the dip that has occurred in the vicinity of 500 Hz has been eliminated by combining a laminated piezoelectric element and a single-layer piezoelectric element. That is, the resonance mode can be controlled by combining the single-layer piezoelectric element and the laminated piezoelectric element.
  • the characteristics can be made equal to those of the multilayer piezoelectric element alone, and the resonance mode can also be controlled. Further, by adding a single layer piezoelectric element, the element cost can be reduced and the power consumption can also be reduced.
  • the conventional piezoelectric speaker is composed of one piezoelectric ceramic plate 3, whereas in the piezoelectric speaker 100 according to Embodiment 1 of the present invention, the piezoelectric element 11 is divided into four. Therefore, stress generated during deformation is also reduced. For example, when the piezoelectric element is divided into four, the stress generated at the same amplitude is reduced by about 20% compared to the case where one piezoelectric element is used. Therefore, the piezoelectric speaker 100 also has an effect of improving reliability.
  • FIG. 4B is a diagram showing a sound pressure frequency characteristic when a bimorph structure is used.
  • a sound pressure frequency characteristic 33 indicated by a solid line indicates the characteristic of the piezoelectric speaker according to Embodiment 1 of the present invention, and a sound pressure frequency characteristic 34 indicated by a dotted line uses a laminated piezoelectric element for all the piezoelectric elements. The characteristics of the case are shown. As shown in FIG. 4B, the same effect as that of the monomorph structure can be obtained in the bimorph structure.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a piezoelectric speaker 101 according to a modification of the first embodiment of the present invention.
  • the piezoelectric speaker 101 includes a substrate 43 and piezoelectric elements 41 and 42 instead of the diaphragm 10 with respect to the piezoelectric speaker 100 shown in FIG. FIG. 5 illustrates a bimorph structure.
  • the piezoelectric element 41 is disposed on the surface of the substrate 43.
  • the piezoelectric element 41 includes laminated piezoelectric elements 41a and 41b and single-layer piezoelectric elements 41c and 41d.
  • the piezoelectric element 42 is disposed on the back surface of the substrate 43.
  • the piezoelectric element 42 includes laminated piezoelectric elements 42a and 42b and single-layer piezoelectric elements 42c and 42d.
  • the substrate 43 includes a region where the piezoelectric element 41 and the piezoelectric element 42 are disposed, and an edge portion 49 which is an outer peripheral portion of the substrate 43 and functions as a support.
  • the edge portion 49 has a roll shape as shown in FIG. By using the roll-shaped edge portion 49 in this way, the linearity of the amplitude amount with respect to the input voltage is increased. Thereby, low distortion reproduction can be realized.
  • the edge portion 49 is a part of the substrate 43, but the edge portion 49 may be formed of a separate part independent of the substrate 43.
  • the edge portion 49 is provided between the outer peripheral portion of the substrate 43 and the frame 15 and functions as a support body that supports the outer peripheral portion of the substrate 43 and the frame 15. Further, the edge portion 49 may connect the entire circumference between the substrate 43 and the frame 15. In this case, the passivation film 14 may not be used. As a result, the design of f0 which is the lowest resonance frequency becomes easy.
  • the bimorph structure was illustrated in FIG. 5, you may use a monomorph structure.
  • the two-layered piezoelectric element and the single-layer piezoelectric element are combined.
  • other numbers of layers such as two layers and four layers may be used depending on required characteristics.
  • a piezoelectric element having a large number of stacked layers is disposed in the central portion of the substrate 13 and a piezoelectric element having a small number of stacked layers is disposed in the outer peripheral portion of the substrate 13, thereby suppressing deterioration of characteristics. Cost can be reduced.
  • a plurality of piezoelectric elements having three or more different stacking numbers such as single layer, two layers, and four layers may be combined. In this case, the closer to the central portion of the substrate 13, the more the number of layers may be increased.
  • the configuration shown in FIG. 3B is exemplified as the multilayer piezoelectric element, but a plurality of single-layer piezoelectric elements stacked may be used as the multilayer piezoelectric element.
  • the piezoelectric speaker according to Embodiment 2 of the present invention includes a plurality of piezoelectric elements arranged on a substrate. Furthermore, a single-layer piezoelectric element is disposed in a portion where the stress generated by bending vibration of the substrate is large, and a laminated piezoelectric element is disposed in a portion where the stress is small.
  • the piezoelectric speaker can suppress the amplitude of the force concentration portion, the reliability of the piezoelectric speaker can be improved.
  • FIG. 6 is a diagram showing a stress distribution on the piezoelectric element that occurs when only one piezoelectric element is used. In FIG. 6, the stress is higher in the portion 51 than in the other portions.
  • FIG. 7A is a diagram showing an arrangement of piezoelectric elements according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the piezoelectric elements 52 and 53 shown in FIG. 7A have a smaller number of layers than the piezoelectric elements 54.
  • the piezoelectric elements 52 and 53 are single layer piezoelectric elements, and the piezoelectric element 54 is a laminated piezoelectric element.
  • the piezoelectric element 54 is composed of one sheet, but the piezoelectric element 54 may be composed of, for example, three piezoelectric elements for easy realization.
  • FIG. 7B is a diagram showing the arrangement of the piezoelectric elements in this case.
  • the piezoelectric elements 52 and 53 shown in FIG. 7B have a smaller number of layers than the piezoelectric elements 54a, 54b and 54c.
  • the piezoelectric elements 52 and 53 are single-layer piezoelectric elements, and the piezoelectric elements 54a, 54b, and 54c are laminated piezoelectric elements.
  • Embodiment 3 of the present invention an electrical connection method between the piezoelectric element 11 and the substrate 13 will be described.
  • the case where the piezoelectric element 11 described in the first embodiment is used will be described as an example, but the same configuration can be applied to the piezoelectric element described in the second embodiment.
  • FIG. 8 is a perspective view of the piezoelectric element 11a.
  • FIG. 9 is a top view of the substrate 13.
  • the overall structure of the piezoelectric speaker is the same as that of the first embodiment shown in FIGS. 1 and 2, for example.
  • the differences from the first embodiment are the electrode structure of the piezoelectric element 11 and the fact that electrodes are formed on the substrate 13 by printing.
  • the material of the substrate 13 is, for example, PET (polyethylene terephthalate).
  • PET polyethylene terephthalate
  • the electrode structure of the piezoelectric element will be described using the piezoelectric element 11a, but the structure of the piezoelectric elements 11b to 11d is the same as that of the piezoelectric element 11a.
  • a plus electrode 62 and a minus electrode 63 for applying an electric signal to the piezoelectric element 11a are formed on both sides of the piezoelectric element 11a.
  • the set of electrodes 62 and 63 corresponds to the set of electrodes 27 and 28 shown in FIG. 3B or the set of electrodes 22 and 23 shown in FIG. 3C.
  • at least a part of the surfaces of the electrodes 62 and 63 are both exposed on the surface of the piezoelectric element 11a on the substrate 13 side.
  • the piezoelectric element 11a has a surface on which both the electrodes 62 and 63 are exposed. In the example shown in FIG. 8, there are four surfaces of the piezoelectric element 11a where the surfaces of the electrodes 62 and 63 are both exposed.
  • the substrate 13 has two electrodes 72 and 73 formed on the surface of the substrate 13.
  • the electrodes 72 and 73 are formed by printing on the surface on which the piezoelectric element 11 is disposed.
  • the piezoelectric elements 11a to 11d are arranged so that the surface where both the electrodes 62 and 63 are exposed is in contact with the surface where the electrodes 72 and 73 of the substrate 13 are formed.
  • the electrodes 62 and 63 of the piezoelectric element 11 a shown in FIG. 8 are disposed on the electrodes 72 and 73 on the substrate 13, respectively, and are connected to the electrodes 72 and 73. Thereby, the electrodes 62 and 63 and the electrodes 72 and 73 are electrically connected.
  • the electrode 72 is electrically connected to the plurality of electrodes 62 included in the plurality of piezoelectric elements 11a to 11d.
  • the electrode 73 is electrically connected to the plurality of electrodes 63 included in the plurality of piezoelectric elements 11a to 11d.
  • PET resin is used for the substrate 13.
  • substrate 13 is realizable, the effect of an efficiency improvement is also acquired.
  • resin has a larger internal loss than metal. Therefore, the sharpness (Q) of resonance in the sound pressure characteristic is suppressed, so that the sound quality is also improved.
  • PET resin is used as the material of the substrate 13, but other materials may be used as long as they can be electrode printed.
  • paper or foam may be used as the material for the substrate 13. By using paper or foam, weight reduction or high internal loss is realized, so that high efficiency and high sound quality can be realized. Moreover, since the adhesion degree of an electrode can be raised, reliability becomes high.
  • the two electrodes 62 and 63 of the piezoelectric element 11a are formed at both ends of the element.
  • any structure other than the above may be used as long as both electrodes are exposed on at least one same surface. Also good.
  • the piezoelectric speaker according to the embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to this embodiment.
  • the present invention can be realized as an audio output device including the piezoelectric speaker.
  • the present invention can be realized as a television 200 provided with the piezoelectric speaker as shown in FIG. 10, or as a mobile phone device 201 provided with the piezoelectric speaker as shown in FIG.
  • the piezoelectric speaker according to the present invention may be used for a home theater speaker or a vehicle-mounted speaker.
  • the present invention can be applied to a piezoelectric speaker.
  • the present invention can also be applied to flat-screen televisions, mobile phone devices, home theater speakers, and in-vehicle speakers using piezoelectric speakers.

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Abstract

　本発明に係る圧電形スピーカ（１００）は、基板（１３）と、当該基板（１３）上に配置された複数の圧電素子（１１ａ～１１ｄ）とを含む振動板（１０）と、前記基板（１３）をその外周部で支持するフレーム（１５）とを備え、複数の圧電素子（１１ａ～１１ｄ）は、第１圧電素子（１１ａ、１１ｂ）と、当該第１圧電素子（１１ａ、１１ｂ）より積層数が少ない第２圧電素子（１１ｃ、１１ｄ）とを含む。また、第２圧電素子（１１ｃ、１１ｄ）は、第１圧電素子（１１ａ、１１ｂ）よりも基板（１３）の中心から見て外側に配置されていてもよい。

Description

圧電形スピーカ
　本発明は、圧電素子を用いた圧電形スピーカに関するものである。
　従来の圧電形スピーカとしては、共振による音圧周波数特性上のピークディップを平坦化するために、圧電セラミック板の電極を分割しているものがあった（例えば、特許文献１参照）。図１２は、特許文献１に記載された従来の圧電形スピーカを示す図である。
　図１２において、従来の圧電形スピーカは圧電発音体１と、その外周部を支持する支持体２とを具備している。圧電発音体１は、円形の圧電セラミック板３と、当該圧電セラミック板３に接合された金属板４とを含む。また、圧電セラミック板３の両面に形成された電極が、高次共振モードによって決まる箇所で分割されている。そして、分割された箇所から外側に位置する外側電極５ｂには、内側電極５ａより低い電圧が印加される。特許文献１記載の技術は、このように印加電圧を変えることで、圧電発音体１に発生する共振モードを制御している。これにより、特許文献１記載の技術は、音圧周波数特性上のピークディップを改善している。
特開平５－１２２７９３号公報
　しかしながら、上記の従来の構成では、ピークディップは相対的に軽減できるが、圧電セラミック板自体が分割されていないために応力は軽減できない。これにより、一定の応力値以上が発生することで、圧電セラミック板に破壊が生じる。そのため、従来の構成では、大振幅つまり大音圧での再生は困難であるという課題を有している。また、従来の構成では、外側電極と内側電極とに電圧又は位相の異なる信号を入力する必要があるために、外側電極への結合ラインに新たに減衰用素子を設ける必要がある。これにより、従来の構成は、コストが増加するという課題を有している。
　本発明は、上記従来の課題を解決するもので、特性の向上、又は、コストの削減を実現できる圧電形スピーカを提供することを目的とする。
　上記従来の課題を解決するために、本発明の一形態に係る圧電形スピーカは、基板と、当該基板上に配置された複数の圧電素子とを含む振動板と、前記基板をその外周部で支持するフレームとを備え、前記複数の圧電素子は、第１圧電素子と、当該第１圧電素子より積層数が少ない第２圧電素子とを含む。
　本構成によって、本発明の一形態に係る圧電形スピーカは、複数の圧電素子を用いることにより、大振幅時の応力を軽減できるので信頼性を向上できる。また、当該圧電形スピーカは、積層構造の圧電素子を用いることで、高音圧再生を実現できる。さらに、当該圧電形スピーカは、適切に積層数の異なる圧電素子を配置することにより、特性の低下を抑制しつつコストを削減できる。または、本発明の一形態に係る圧電形スピーカは、適切に積層数の異なる圧電素子を配置することにより、ピークディップの低減、又は信頼性の向上等の特性の向上を実現できる。
　また、前記第２圧電素子は、前記第１圧電素子よりも前記基板の中心から見て外側に配置されている。
　本構成によって、本発明の一形態に係る圧電形スピーカは、振動への寄与率が低い部分には単層又は積層数の少ない圧電素子を用いることで、特性の低下を抑制しつつ、コストを削減できる。
　また、前記第２圧電素子は、前記基板上の、前記第１圧電素子が配置されている部分より、前記基板の屈曲振動により発生する応力が大きい部分に配置されている。
　本構成によって、本発明の一形態に係る圧電形スピーカは、応力集中部の振幅を押さえることができるため、当該圧電形スピーカの最大入力レベルを向上できる。よって、当該圧電形スピーカの信頼性を向上できる。
　また、前記複数の圧電素子の各々は、当該圧電素子に電気信号を印加するための第１電極及び第２電極を備え、前記圧電素子は、前記第１電極及び前記第２電極が共に露出している面を有する。
　本構成によって、本発明の一形態に係る圧電形スピーカは、リード線の取り出しを容易化できる。
　また、前記基板は、前記圧電素子が配置される側の面に印刷によって形成されている第３電極及び第４電極を備え、前記圧電素子は、前記第１電極及び前記第２電極が共に露出している面が前記基板の、前記第３電極及び第４電極が形成されている面に接するように配置されており、前記第３電極は、前記複数の圧電素子が備える複数の前記第１電極と接続されており、前記第４電極は、前記複数の圧電素子が備える複数の前記第２電極と接続されている。
　本構成によって、本発明の一形態に係る圧電形スピーカは、リード線レス構造を実現できる。
　また、前記基板はポリエチレンテレフタラートで構成されている。
　本構成によって、本発明の一形態に係る圧電形スピーカは、従来の金属振動板に対し振動系質量を軽くできるので、音圧を向上できる。
　また、前記基板は紙で構成されている。
　本構成によって、本発明の一形態に係る圧電形スピーカは、振動板の内部損失を大きくできるため、共振の先鋭度Ｑを小さくできる。これにより、当該圧電形スピーカは、音圧特性の平坦性を向上できる。
　また、前記基板は発泡体で構成されている。
　本構成によって、本発明の一形態に係る圧電形スピーカは、振動板の内部損失を大きくできるため、共振の先鋭度Ｑを小さくできる。これにより、当該圧電形スピーカは、音圧特性の平坦性を向上できる。
　また、前記圧電形スピーカは、さらに、前記基板の外周部と前記フレームとの間に設けられ、支持体として機能するエッジ部を有する。
　本構成によって、本発明の一形態に係る圧電形スピーカは、振動板の厚みに関係なくエッジを設けることができるため、最低共振周波数の設計を容易化できる。
　また、前記エッジ部はロール形状である。
　本構成によって、本発明の一形態に係る圧電形スピーカは、支持系の線形性が改善されるため再生時の歪を低減できる。
　なお、本発明は、このような圧電形スピーカとして実現できるだけでなく、このような圧電形スピーカを備える、テレビ、又は携帯電話機器等の各種音声出力機器として実現できる。
　本発明は、特性の向上、又は、コストの削減を実現できる圧電形スピーカを提供できる。
図１は、本発明の実施の形態１に係る圧電形スピーカの平面図である。 図２は、本発明の実施の形態１に係る圧電形スピーカの断面図である。 図３Ａは、本発明の実施の形態１に係る単層圧電素子の断面図である。 図３Ｂは、本発明の実施の形態１に係る積層圧電素子の断面図である。 図３Ｃは、本発明の実施の形態１に係る単層圧電素子の断面図である。 図４Ａは、本発明の実施の形態１に係る、モノモルフ構造の圧電形スピーカの音圧周波数特性を示す図である。 図４Ｂは、本発明の実施の形態１に係る、バイモルフ構造の圧電形スピーカの音圧周波数特性を示す図である。 図５は、本発明の実施の形態１に係る、ロールエッジを用いた場合の圧電形スピーカの断面図である。 図６は、本発明の実施の形態２に係る、圧電素子上の応力分布を示す図である。 図７Ａは、本発明の実施の形態２に係る、圧電素子の形状及び配置を示す図である。 図７Ｂは、本発明の実施の形態２に係る、圧電素子の形状及び配置の変形例を示す図である。 図８は、本発明の実施の形態３に係る圧電素子の斜視図である。 図９は、本発明の実施の形態３に係る基板の上面図である。 図１０は、本発明の実施の形態に係るテレビを示す図である。 図１１は、本発明の実施の形態に係る携帯電話機器を示す図である。 図１２は、従来の圧電形スピーカの断面図である。
　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
　（実施の形態１）
　本発明の実施の形態１に係る圧電形スピーカは、基板上に配置された複数の圧電素子を備える。さらに、基板の中央部分には積層圧電素子を配置し、基板の外周部分に単層圧電素子を配置する。
　これにより、当該圧電形スピーカは、振動への寄与率が低い部分には単層圧電素子を用いることで、特性の低下を抑制しつつ、コストを削減できる。
　図１は、本発明の実施の形態１に係る圧電形スピーカ１００の平面図である。
　図２は、図１のＡ０－Ａ１面における、圧電形スピーカ１００の断面図である。
　図１及び図２に示すように圧電形スピーカ１００は、振動板１０と、パシベーション膜１４と、フレーム１５とを備える。振動板１０は、圧電素子１１と、基板１３とを含む。
　圧電素子１１は、基板１３上に配置されており、当該基板１３に接着されている。この圧電素子１１は、４枚の圧電素子１１ａ、１１ｂ、１１ｃ及び１１ｄから構成されている。圧電素子１１ｃ及び１１ｄは、圧電素子１１ａ及び１１ｂよりも、基板１３の中心から見て外側に配置されている。
　また圧電素子１１ａ及び１１ｂは、２層の積層圧電素子である。圧電素子１１ｃ及び１１ｄは、単層圧電素子である。また、それぞれの圧電素子の厚みは本実施の形態においては同じである。なお、２層の積層圧電素子と、単層圧電素子との厚みは異なってもよい。
　図３Ａは、単層圧電素子１１ｃ及び１１ｄの断面図である。図３Ｂは、積層圧電素子１１ａ及び１１ｂの断面図である。
　図３Ａに示すように、単層圧電素子１１ｃ及び１１ｄの各々は、圧電セラミックス層２１と、電極２２及び２３とを備える。電極２２と電極２３とは、圧電セラミックス層２１を挟むように、当該圧電セラミックス層２１の上下に配置されている。
　積層圧電素子１１ａ及び１１ｂは、圧電セラミックス層と電極とが交互に積層された素子である。図３Ｂに示すように、積層圧電素子１１ａ及び１１ｂは、圧電セラミックス層２６と、電極２７及び２８とを備える。電極２８は、内部電極として機能する電極層である。圧電セラミックス層２６は、２層で構成されており、当該２層の間に電極２８が挟まれている。電極２７は、２層で構成される圧電セラミックス層２６の全体を上下方向に挟むように構成されている。
　なお、単層圧電素子１１ｃ及び１１ｄの各々の構成として、図３Ｃに示す構成を用いてもよい。
　フレーム１５は、振動板１０の両端を支持する。また、図１において振動板１０の縦方向の両端とフレーム１５との間には間隙が設けられている。なお、フレーム１５は、振動板１０の４辺を支持してもよい。
　パシベーション膜１４は、上記間隙の上を覆うように形成されている。なお、パシベーション膜１４は、振動板１０の裏側から放射された音を遮断するために設けられている。このパシベーション膜１４は、例えばＳＢＲ（スチレン・ブタジエンゴム）の膜である。なお、パシベーション膜１４は、振動板１０とフレーム１５との間の間隙を埋めるように、当該間隙の上部のみに設けられていてもよいし、当該間隙の上部及び振動板１０の全体を覆うように設けられていてもよい。
　なお、圧電素子１１の表面電極（図示せず）に駆動電圧を印加することにより、振動板１０を駆動させる方法は従来の圧電形スピーカと同様である。
　ここで、駆動電圧を圧電素子１１に印加すると、振動板１０の中央部の振幅が最も大きくなる太鼓状の振動モードが生じる。この振動モードに基づいて、振幅への寄与率が大きい圧電素子１１ａ及び１１ｂには変形量の多い積層圧電素子を用い、寄与率の小さい圧電素子１１ｃ、１１ｄには変形量の小さい単層圧電素子を用いている。
　以上のように構成される圧電形スピーカ１００の音圧周波数特性を図４Ａに示す。図４Ａにおいて、横軸は周波数を示し、縦軸は音圧を示している。また、実線で示す音圧周波数特性３１は、本発明の実施の形態１に係る圧電形スピーカ１００の特性を示し、点線で示す音圧周波数特性３２は、全ての圧電素子に積層圧電素子を用いた場合の特性を示す。図４Ａに示すように、本発明の実施の形態１に係る圧電形スピーカ１００の再生音圧は、全ての圧電素子に積層圧電素子を用いた場合の再生音圧と、ほぼ同じである。さらに、５００Ｈｚ近傍で生じていたディップも積層圧電素子と単層圧電素子とを組み合わせた構造にすることで解消されている。つまり、単層圧電素子と積層圧電素子とを組み合わせることにより共振モードを制御できる。
　このように、単層圧電素子と積層圧電素子とを組み合わせることにより、積層圧電素子のみの場合と特性を同等にすることができ、さらに、共振モードも制御することが可能である。また、単層圧電素子を加えることにより、素子コストを下げることができるとともに、消費電力も低減できる。
　また、従来の圧電形スピーカは、圧電セラミック板３が１枚もので構成されているのに対し、本発明の実施の形態１に係る圧電形スピーカ１００では、圧電素子１１が４枚に分割されているため、変形時に生じる応力も軽減される。例えば、圧電素子を４分割した場合、１枚の圧電素子を用いる場合に比べ、同じ振幅時に発生する応力は約２０％低減される。よって、当該圧電形スピーカ１００は、信頼性を高めるという効果も得られる。
　なお、上記説明では、圧電素子１１が基板１３の表側のみに配置されたモノモルフ構造を例に説明したが、圧電素子を裏側にも配置するバイモルフ構造であってもよい。図４Ｂは、バイモルフ構造を用いた場合の音圧周波数特性を示す図である。また、実線で示す音圧周波数特性３３は、本発明の実施の形態１に係る圧電形スピーカの特性を示し、点線で示す音圧周波数特性３４は、全ての圧電素子に積層圧電素子を用いた場合の特性を示す。図４Ｂに示すようにバイモルフ構造においてもモノモルフ構造と同様の効果が得られる。
　また、上記説明では、基板１３は平坦な形状としたが、図５に示すような形状であってもよい。図５は、本発明の実施の形態１の変形例に係る圧電形スピーカ１０１の断面図である。この圧電形スピーカ１０１は、図２に示す圧電形スピーカ１００に対して、振動板１０の代わりに、基板４３と圧電素子４１及び４２とを備える。なお、図５では、バイモルフ構造を例示している。
　圧電素子４１は、基板４３の表面に配置されている。この圧電素子４１は、積層圧電素子４１ａ及び４１ｂと、単層圧電素子４１ｃ及び４１ｄとを含む。
　圧電素子４２は、基板４３の裏面に配置されている。この圧電素子４２は、積層圧電素子４２ａ及び４２ｂと、単層圧電素子４２ｃ及び４２ｄとを含む。
　基板４３は、圧電素子４１及び圧電素子４２が配置される領域と、基板４３の外周部であり、支持体として機能するエッジ部４９とを含む。このエッジ部４９は、図５に示すようにロール形状である。このようにロール形状のエッジ部４９を用いることで入力電圧に対する振幅量の線形性が高くなる。これにより、低歪再生を実現できる。
　なお、図５では、エッジ部４９は、基板４３の一部であるが、エッジ部４９を基板４３と独立した別部品で構成してもよい。この場合、当該エッジ部４９は、基板４３の外周部とフレーム１５の間に設けられ、当該基板４３の外周部とフレーム１５とを支持する支持体として機能する。また、このエッジ部４９は、基板４３とフレーム１５との間を全周囲接続してもよい。また、この場合、パシベーション膜１４は用いなくても構わない。その結果、最低共振周波数であるｆ０の設計が容易になる。また、図５ではバイモルフ構造を例示したが、モノモルフ構造を用いてもよい。
　また、上記説明では、２層の積層圧電素子と単層圧電素子とを組み合わせたが、必要な特性により２層と４層となど、その他の積層数であってもよい。なお、上述したように、基板１３の中央部分に、積層数の多い圧電素子を配置し、基板１３の外周部分に積層数の少ない圧電素子を配置することで、特性の低下を抑制しつつ、コストを削減できる。
　また、単層、２層及び４層など、３種類以上の異なる積層数の圧電素子を複数個組み合わせてもよい。この場合、基板１３の中央部分に近づくほど、積層数を多くすればよい。
　また、上記説明では、４枚の圧電素子を用いたが、細かく共振モードを制御するために素子数を増やしてもよい。つまり、本発明は、２枚以上の圧電素子を用いる場合に適用できる。
　また、上記説明では、積層圧電素子として図３Ｂに示す構成を例示したが、単層圧電素子を複数積み上げたものを積層圧電素子として用いてもよい。
　（実施の形態２）
　本発明の実施の形態２に係る圧電形スピーカは、基板上に配置された複数の圧電素子を備える。さらに、基板の屈曲振動により発生する応力が大きい部分に、単層圧電素子を配置し、応力が小さい部分に積層圧電素子を配置する。
　これにより、当該圧電形スピーカは、力集中部の振幅を押さえることができるため、当該圧電形スピーカの信頼性を向上できる。
　図６は圧電素子を１枚のみ使用した場合に生じる当該圧電素子上の応力分布を示す図である。図６において部分５１は他の部分に比べ応力が高くなっている。
　本発明の実施の形態２では、応力の高い部分５１に他の部分の圧電素子より積層数の少ない圧電素子を配置する。これにより、部分５１に発生する応力を軽減できるので、信頼性を改善できる。図７Ａは、本発明の実施の形態２に係る圧電素子の配置を示す図である。図７Ａに示す圧電素子５２及び５３は圧電素子５４に比べて積層数が小さい。例えば、圧電素子５２及び５３は単層圧電素子であり、圧電素子５４は積層圧電素子である。
　なお、図７Ａでは圧電素子５４を１枚で構成しているが、容易に実現するために当該圧電素子５４を例えば３枚の圧電素子で構成してもよい。図７Ｂは、この場合の圧電素子の配置を示す図である。図７Ｂに示す圧電素子５２及び５３は圧電素子５４ａ、５４ｂ及び５４ｃに比べて積層数が小さい。例えば、圧電素子５２及び５３は単層圧電素子であり、圧電素子５４ａ、５４ｂ及び５４ｃは積層圧電素子である。
　（実施の形態３）
　本発明の実施の形態３では、圧電素子１１と基板１３との電気的な接続方法について説明する。また、以下では、実施の形態１で説明した圧電素子１１を用いる場合を例に説明するが、実施の形態２で説明した圧電素子に対しても同様の構成を適用できる。
　図８は圧電素子１１ａの斜視図である。図９は基板１３の上面図である。
　なお、圧電形スピーカの全体の構造は、例えば、図１及び図２で示した実施の形態１と同じである。
　実施の形態１と異なる点は、圧電素子１１の電極構造と、基板１３上に電極が印刷により形成されていることとである。また、基板１３の材料は、例えば、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）である。また、以下では、圧電素子１１ａを用いて圧電素子の電極構造を説明するが、圧電素子１１ｂ～１１ｄの構造も圧電素子１１ａと同様である。
　図８に示すように、圧電素子１１ａは、当該圧電素子１１ａの両側に、当該圧電素子１１ａに電気信号を印加するためのプラス電極６２とマイナス電極６３とが形成されている。ここで、電極６２及び６３の組は、図３Ｂに示す電極２７及び２８の組、又は、図３Ｃに示す電極２２及び２３の組に相当する。また電極６２及び６３の表面の少なくとも一部は、共に圧電素子１１ａの基板１３側の面に露出している。言い換えると、圧電素子１１ａは、電極６２及び６３が共に露出している面を有する。図８に示す例では、電極６２及び６３の表面が共に露出している圧電素子１１ａの面が４面存在する。
　その結果、圧電素子１１ａ上の同じ面から電極を取ることができるために、リード線等の配線が容易になる。
　また、図９に示すように、基板１３は、当該基板１３の表面に形成された、２つの電極７２及び７３を有する。この電極７２及び７３が、圧電素子１１が配置される側の面に印刷によって形成されている。
　また、圧電素子１１ａ～１１ｄは、電極６２及び６３が共に露出している面が、基板１３の電極７２及び７３が形成されている面に接するように配置されている。また、図８に示した圧電素子１１ａの電極６２及び６３は、それぞれ基板１３上の電極７２及び７３の上に配置され、当該電極７２及び７３に接続される。これにより、電極６２及び６３と電極７２及び７３とが導通する。言い換えると、電極７２は、複数の圧電素子１１ａ～１１ｄが備える複数の電極６２と電気的に接続されている。電極７３は、複数の圧電素子１１ａ～１１ｄが備える複数の前記電極６３と電気的に接続されている。
　つまり、圧電素子１１ａ～１１ｄと基板１３とを組み合わせることでリード線レス構造が可能になる。その結果、複数の圧電素子を配置する場合においても、そのパターンに合った電極を振動板上に印刷形成しておくことで、組み立てが簡単になる。
　また、従来の圧電形スピーカが基板として金属を用いていたのに対し、本発明の実施の形態３では、基板１３にＰＥＴ樹脂を用いている。これにより、基板１３の軽量化を実現できるので能率向上の効果も得られる。また、樹脂は金属に比べ内部損失が大きい。よって、音圧特性上の共振の先鋭度（Ｑ）が抑えられるので、音質も改善される。
　なお、上記説明では、基板１３の材料としてＰＥＴ樹脂を用いたが、電極印刷可能な材料であれば他の材料を用いても構わない。例えば、基板１３の材料として紙又は発泡体を用いてもよい。紙、又は発泡体を用いることで軽量化又は高内部損失化が実現されるために、高能率及び高音質化を実現できる。また、電極の密着度をあげることができるため信頼性も高くなる。
　また、上記説明では、圧電素子１１ａの２つの電極６２及び６３を当該素子の両端に形成したが、少なくとも一つの同一面上に両電極が露出する構成であれば、上記以外の構成であってもよい。
　以上、本発明の実施の形態に係る圧電形スピーカについて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。
　例えば、本発明は、上記圧電形スピーカを備える音声出力機器として実現できる。例えば、本発明は、図１０に示すように、上記圧電形スピーカを備えるテレビ２００として実現したり、図１１に示すように、上記圧電形スピーカを備える携帯電話機器２０１として実現したりできる。また、本発明に係る圧電形スピーカは、ホームシアター用スピーカ又は車載用スピーカに用いてもよい。
　また、上記各図において、各構成要素の角部及び辺を直線的に記載しているが、製造上の理由により、角部及び辺が丸みをおびたものも本発明に含まれる。
　また、上記実施の形態１～３に係る、圧電形スピーカ、及びそれらの変形例の構成のうち少なくとも一部を組み合わせてもよい。
　また、上記で用いた数字は、全て本発明を具体的に説明するために例示するものであり、本発明は例示された数字に制限されない。また、上記で示した各構成要素の材料は、全て本発明を具体的に説明するために例示するものであり、本発明は例示された材料に制限されない。
　更に、本発明の主旨を逸脱しない限り、本実施の形態に対して当業者が思いつく範囲内の変更を施した各種変形例も本発明に含まれる。
　本発明は、圧電形スピーカに適用できる。また、本発明は、圧電形スピーカを用いる、薄型テレビ、携帯電話機器、ホームシアター用スピーカ及び車載用スピーカにも応用できる。
　１　圧電発音体
　２　支持体
　３　圧電セラミック板
　４　金属板
　５ａ　内側電極
　５ｂ　外側電極
　１０　振動板
　１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、４１、４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、４２、４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、５２、５３、５４、５４ａ、５４ｂ、５４ｃ　圧電素子
　１３、４３　基板
　１４　パシベーション膜
　１５　フレーム
　２１、２６　圧電セラミックス層
　２２、２３、２７、２８、６２、６３、７２、７３　電極
　３１、３２、３３、３４　音圧周波数特性
　４９　エッジ部
　５１　部分
　１００、１０１　圧電形スピーカ
　２００　テレビ
　２０１　携帯電話機器

Claims (12)

  1. 　基板と、当該基板上に配置された複数の圧電素子とを含む振動板と、
    　前記基板をその外周部で支持するフレームとを備え、
    　前記複数の圧電素子は、第１圧電素子と、当該第１圧電素子より積層数が少ない第２圧電素子とを含む
    　圧電形スピーカ。
  2. 　前記第２圧電素子は、前記第１圧電素子よりも前記基板の中心から見て外側に配置されている
    　請求項１に記載の圧電形スピーカ。
  3. 　前記第２圧電素子は、前記基板上の、前記第１圧電素子が配置されている部分より、前記基板の屈曲振動により発生する応力が大きい部分に配置されている
    　請求項１に記載の圧電形スピーカ。
  4. 　前記複数の圧電素子の各々は、当該圧電素子に電気信号を印加するための第１電極及び第２電極を備え、
    　前記圧電素子は、前記第１電極及び前記第２電極が共に露出している面を有する
    　請求項１～３のいずれか１項に記載の圧電形スピーカ。
  5. 　前記基板は、前記圧電素子が配置される側の面に印刷によって形成されている第３電極及び第４電極を備え、
    　前記圧電素子は、前記第１電極及び前記第２電極が共に露出している面が前記基板の、前記第３電極及び第４電極が形成されている面に接するように配置されており、
    　前記第３電極は、前記複数の圧電素子が備える複数の前記第１電極と接続されており、
    　前記第４電極は、前記複数の圧電素子が備える複数の前記第２電極と接続されている
    　請求項４に記載の圧電形スピーカ。
  6. 　前記基板はポリエチレンテレフタラートで構成されている
    　請求項１～５のいずれか１項に記載の圧電形スピーカ。
  7. 　前記基板は紙で構成されている
    　請求項１～５のいずれか１項に記載の圧電形スピーカ。
  8. 　前記基板は発泡体で構成されている
    　請求項１～５のいずれか１項に記載の圧電形スピーカ。
  9. 　前記圧電形スピーカは、さらに、
    　前記基板の外周部と前記フレームとの間に設けられ、支持体として機能するエッジ部を有する
    　請求項１～８のいずれか１項に記載の圧電形スピーカ。
  10. 　前記エッジ部はロール形状である
    　請求項９に記載の圧電形スピーカ。
  11. 　請求項１～１０のいずれか１項に記載の圧電形スピーカを備える
    　テレビ。
  12. 　請求項１～１０のいずれか１項に記載の圧電形スピーカを備える
    　携帯電話機器。
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