(57)【要約】【課題】低周波域における音圧を向上させることを課題とする。【解決手段】音響発生器は、フィルム３と、該フィルム３の外周部に設けられた枠部材５と、該枠部材５の枠内のフィルム３に設けられた圧電素子１と、該圧電素子１を埋設するように枠部材５の枠内に充填された樹脂層２０とを有し、樹脂層２０は表面に凹凸模様を有する。これによって、樹脂層２０の表面が平滑である場合に比べて樹脂層２０の剛性を下げ、圧電素子１と一体化されたフィルム３及び樹脂層２０からなる振動体が持つ第１次の共振周波数を引き下げる。【選択図】図１Ｂ
2014039094.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィルムと、
該フィルムの外周部に設けられた枠部材と、
該枠部材の枠内の前記フィルムに設けられた圧電素子と、
該圧電素子を埋設するように前記枠部材の枠内に充填された樹脂層とを有し、
前記樹脂層は表面に凹凸模様を有することを特徴とする音響発生器。
【請求項２】
前記樹脂層がエポキシ樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の音響発生器。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の音響発生器と、
該音響発生器を収容する筐体と
を少なくとも有することを特徴とする音響発生装置。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載の音響発生器と、
該音響発生器に接続された電子回路と、
該電子回路および前記音響発生器を収容する筐体と
を少なくとも有しており、
前記音響発生器から音響を発生させる機能を有することを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音響発生器、音響発生装置及び電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電スピーカに代表される音響発生器は、圧電体を電気音響変換素子に用いた小型、低電流駆動の音響機器として知られており、例えば、モバイルコンピューティング機器等、小型の電子機器に組み込まれる音響発生装置として使用されている。
【０００３】
一般に、圧電体を電気音響変換素子に用いた音響発生器は、金属製の振動板に銀薄膜等による電極が形成された圧電素子を貼り付けた構造となっている。圧電体を電気音響変換素子に用いた音響発生器の発音機構は、圧電素子の両面に交流電圧を印加することで圧電素子に形状歪を発生させ、圧電素子の形状歪を金属製の振動板に伝えて振動させることにより音を発生させるというものである。
【０００４】
ところが、金属製の振動板に圧電素子を貼り付けた構造の音響発生器は、拡がり振動する圧電素子を面積の変化しない金属板で拘束することで面積屈曲振動を発生させるものであるので、音響変換効率が低く、しかも小型で共振周波数の低い音圧特性を持たせることは困難であった。
【０００５】
このような問題に対し、本出願人は、金属製の振動板の代わりに、樹脂フィルムを振動板として適用した音響発生器を提案している（例えば、特許文献１を参照）。
【０００６】
この音響発生器は、バイモルフ型の積層型圧電素子を、その厚み方向から一対の樹脂フィルムによって挟持し、さらに、この樹脂フィルムを、張力をかけた状態で枠部材に固定したものである。これにより、音響変換効率を向上させ、高い音圧の発生を可能とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−１７７８６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記の音響発生器では、圧電素子と一体化されたフィルムからなる振動体を大型化することで振動体が持つ複数の共振周波数のうち最も周波数が低い第１次の共振周波数を引き下げることが可能となるものの、小型化が困難であるという問題がある。
【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、低周波域における音圧を向上させることができる音響発生器、音響発生装置及び電子機器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る音響発生器は、フィルムと、該フィルムの外周部に設けられた枠部材と、該枠部材の枠内の前記フィルムに設けられた圧電素子と、該圧電素子を埋設するように前記枠部材の枠内に充填された樹脂層とを有し、前記樹脂層は表面に凹凸模様を有する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る音響発生器の一つの態様によれば、大型化することなく低周波域における音圧を向上させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】図１Ａは、第１形態の音響発生器を示す平面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、第１形態の音響発生器を示す断面図である。
【図２】図２は、樹脂層の粒子構造を模式化した図である。
【図３】図３は、樹脂層の粒子構造を模式化した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明に係る音響発生器、音響発生装置及び電子機器の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態は本発明を限定するものではない。そして、実施形態として下記に例示する各形態は、音響発生器を構成する各部材の形状や寸法を矛盾させない範囲で適宜組み合わせることが可能である。
【００１４】
（１）第１形態
［音響発生器の構成］
まず、音響発生器の第１形態を図１Ａ及び図１Ｂに基づいて説明する。図１Ａは、第１形態の音響発生器を示す平面図であり、また、図１Ｂは、第１形態の音響発生器を示す断面図である。なお、図１Ｂには、図１Ａに示すＡ−Ａ線に沿った断面図が示されている。また、図１Ｂでは、理解を容易にするために、積層型の圧電素子１の厚み方向（ｙ方向）を拡大して示している。
【００１５】
図１Ａ及び図１Ｂに示す第１形態の音響発生器は、一対の枠状の枠部材５によって挟持された、支持板となるフィルム３の上面に、積層型の圧電素子１を含んで構成されている。すなわち、第１形態の音響発生器は、図１Ｂに示すように、張力がかけられた状態でフィルム３を第１および第２の枠部材５ａ、５ｂで挟持することによってフィルム３が第１および第２の枠部材５ａ、５ｂに固定されており、このフィルム３の上面に積層型の圧電素子１が配置されている。
【００１６】
このうち、圧電素子１は、板状に形成されるとともに上下の主面が正方形状、長方形状あるいは多角形状に形成される。かかる圧電素子１は、４層のセラミックスからなる圧電体層７と３層の内部電極層９とを交互に積層してなる積層体１３と、この積層体１３の上下両面に形成された表面電極層１５ａ、１５ｂと、積層体１３の長手方向ｘの両端部にそれぞれ設けられた一対の外部電極１７、１９とを含んでいる。
【００１７】
外部電極１７は、表面電極層１５ａ、１５ｂと、１層の内部電極層９ｂとに接続される。また、外部電極１９は、２層の内部電極層９ａ、９ｃに接続される。圧電体層７は、図１Ｂに矢印で示すように分極されており、圧電体層７ａ、７ｂが縮む場合には圧電体層７ｃ、７ｄが延びるように、あるいは圧電体層７ａ、７ｂが延びる場合には圧電体層７ｃ、７ｄが縮むように、外部電極１７、１９に電圧が印加されるように構成されている。
【００１８】
外部電極１９の上下端部は、積層体１３の上下面まで延設されてそれぞれ折返外部電極１９ａが形成されており、これらの折返外部電極１９ａは、積層体１３の表面に形成された表面電極層１５ａ、１５ｂに接触しないように、表面電極層１５ａ、１５ｂとの間で所定の距離を隔てて延設されている。
【００１９】
上記の４層の圧電体層７と上記の３層の内部電極層９とは、積層された状態で同時に焼成されて構成されており、表面電極層１５ａ、１５ｂは、積層体１３を作製した後、ペーストを塗布し焼き付けて形成されている。
【００２０】
また、圧電素子１は、フィルム３側の主面とフィルム３とが接着剤層２１で接合されている。これら圧電素子１とフィルム３との間の接着剤層２１の厚みは、２０μｍ以下とされている。特には、接着剤層２１の厚みは、１０μｍ以外であることが望ましい。このように、接着剤層２１の厚みが２０μｍ以下である場合には、積層体１３の振動をフィルム３に伝えやすくなる。
【００２１】
接着剤層２１を形成するための接着剤としては、エポキシ系樹脂、シリコン樹脂、ポリエステル系樹脂などの公知のものを使用できる。接着剤に使用する樹脂の硬化方法としては、熱硬化、光硬化や嫌気性硬化等のいずれの方法を用いても振動体を作製できる。
【００２２】
さらに、第１形態の音響発生器は、圧電素子１を埋設するように、枠部材５ａの内側に樹脂が充填されて樹脂層２０が形成されている。なお、図１Ａでは、理解を容易にするため、樹脂層２０の図示を省略した。
【００２３】
樹脂層２０には、エポキシ系樹脂を始め、アクリル系樹脂、シリコン系樹脂やゴムなどを採用できる。また、樹脂層２０は、スプリアスを抑制する観点から、圧電素子１を完全に覆う状態で塗布されるのが好ましい。さらに、支持板となるフィルム３も圧電素子１と一体となって振動することから、圧電素子１で覆われないフィルム３の領域も同様に樹脂層２０によって被覆されている。
【００２４】
このように、第１形態の音響発生器では、圧電素子１を樹脂層２０で埋設することによって、圧電素子１の共振現象に伴うピークディップに対し、適度なダンピング効果を誘発させることができる。かかるダンピング効果によって、共振現象を抑制するとともにピークディップを小さく抑制することができる。この結果、音圧の周波数依存性を小さくすることが可能になる。
【００２５】
圧電体層７としては、ジルコン酸鉛（ＰＺ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、Ｂｉ層状化合物、タングステンブロンズ構造化合物等の非鉛系圧電体材料等、既存の圧電セラミックスを用いることができる。圧電体層７の厚みは、低電圧駆動という観点から、１０〜１００μｍとされている。
【００２６】
内部電極層９としては、銀とパラジウムからなる金属成分と圧電体層７を構成する材料成分を包含することが望ましい。内部電極層９に圧電体層７を構成するセラミック成分を含有させることによって、圧電体層７と内部電極層９との熱膨張差による応力を低減でき、積層不良のない圧電素子１を得ることができる。内部電極層９は、特に、銀とパラジウムからなる金属成分に限定されるものではなく、他の金属成分であってよく、また、セラミック成分として、圧電体層７を構成する材料成分に限定されるものではなく、他のセラミック成分であってもよい。
【００２７】
表面電極層１５ａ、１５ｂと外部電極１７、１９は、銀からなる金属成分にガラス成分を含有することが望ましい。このようにガラス成分を含有させることによって、圧電体層７や内部電極層９と、表面電極層１５または外部電極１７、１９との間に強固な密着力を得ることができる。
【００２８】
枠部材５は、図１Ｂに示すように、矩形状をなしており、２枚の矩形枠状の枠部材５ａ、５ｂを貼り合わせて構成されており、枠部材５ａ、５ｂ間にはフィルム３の外周部が挟み込まれ、張力を印加した状態で固定されている。枠部材５ａ、５ｂは、例えば、厚み１００〜１０００μｍのステンレス製とされている。なお、枠部材５ａ、５ｂの材質は、ステンレス製に限らず、樹脂層２０よりも変形し難いものであればよく、例えば、硬質樹脂、プラスチック、エンジニアリングプラスチック、セラミックス等を用いることができ、本形態では、枠部材５ａ、５ｂの材質、厚み等は特に限定されるものではない。更に枠形状も矩形状に限定されるものではなく、内周部または外周部の一部または全部を円形、楕円形としてもよいし、内周部または外周部を菱形としてもよい。
【００２９】
フィルム３は、枠部材５ａ、５ｂ間にフィルム３の外周部を挟み込むことによってフィルム３が面方向に張力をかけられた状態で、枠部材５ａ、５ｂに固定され、フィルム３が振動板の役割を果たしている。フィルム３の厚みは、例えば、１０〜２００μｍとされ、フィルム３は、例えば、ポリエチレン、ポリイミド、ポリプロピレン、ポリスチレン、テン等の樹脂、あるいはパルプや繊維等からなる紙から構成されている。これらの材料を用いることでピークディップを抑えることができる。
【００３０】
［樹脂層の表面構造］
続いて、本実施形態の第１形態の音響発生器が有する樹脂層の表面構造について説明する。なお、本形態では、表面に凹凸模様を有する樹脂層２０と表面が平滑な樹脂層２０との間で表面構造を比較する場合を例示するが、表面に凹凸模様を形成することが可能な樹脂であれば同様の結果が得られる。
【００３１】
ここで、第１形態の音響発生器は、例えば、不定形状の樹脂が連結する膜によって樹脂層２０が形成される。すなわち、第１形態の音響発生器では、圧電素子１が一体化されたフィルム３及び樹脂層２０からなる振動体を大型化させることによって振動体が持つ第１次の共振周波数ｆ０を引き下げるのではなく、振動体を形成する樹脂層２０に構造的に変形しやすい物性を持たせることによって第１次の共振周波数ｆ０を引き下げるアプローチを採用する。なお、ここで言う「第１次の共振周波数」とは、振動体が持つ複数の共振周波数のうち最も周波数が低い共振周波数のことを指す。
【００３２】
図２及び図３は、樹脂層２０の粒子構造を模式化した図である。図２には、表面が平滑な樹脂層２０の微構造が模式化されたものが示されており、また、図３には、表面に凹凸模様を有する樹脂層２０の微構造が模式化されたものが示されている。図２に示す樹脂層２０は、例えば、ガラスの膜のように、表面が平滑な膜で形成されている。一方、図３に示す樹脂層２０は、不定形の樹脂が互いに部分的に結合した構造のマトリックスにより形成されている。なお、樹脂層２０の表面の形状は、樹脂に含まれる主剤、溶媒、反応開始剤の種類、あるいは硬化条件の違いにより変化させることができる。この場合、樹脂中に含まれる主剤など上記の成分が硬化する際の収縮挙動に影響を与え、樹脂層２０の表面に凹凸模様を発生させる。この場合、樹脂層２０の表面において単位面積あたりに凹凸数を多く形成できるという点で樹脂としてエポキシ樹脂が好ましい。
【００３３】
このように、樹脂層２０の表面が凹凸模様となっている場合には、樹脂層２０中に厚みの薄い部分が多く存在するので、樹脂層２０の表面が平滑である場合に比べて樹脂層２０の剛性を下げることができる。かかる剛性の低下によって、圧電素子１から発せられる振動を樹脂層２０において緩和させることができる結果、振動体が持つ第１次の共振周波数を引き下げることができる。
【００３４】
したがって、第１形態の音響発生器によれば、低周波域における音圧を向上させることができる。
【００３５】
［製法］
本発明の音響発生器の製法について説明する。
【００３６】
最初に、バイモルフ型の圧電素子１を準備する。かかる圧電素子１は、圧電材料の粉末にバインダー、分散剤、可塑材、溶剤を混練し、スラリーを作製する。圧電材料としては、鉛系、非鉛系のうちいずれでも使用することができる。
【００３７】
次に、上記のスラリーをシート状に成形し、グリーンシートを得ることができ、このグリーンシートに内部電極ペーストを印刷して内部電極パターンを形成し、この電極パターンが形成されたグリーンシートを３枚積層し、最上層にはグリーンシートのみ積層して、積層成形体を作製する。
【００３８】
次に、上記の積層成形体を脱脂、焼成し、所定寸法にカットすることによって積層体１３を得ることができる。積層体１３は、必要に応じて外周部を加工し、積層体１３の圧電体層７の積層方向の主面に表面電極層１５ａ、１５ｂのペーストを印刷し、引き続き、積層体１３の長手方向ｘの両端面に外部電極１７、１９を印刷し、所定の温度で電極の焼付けを行うことによって図１Ａ及び図１Ｂに示すバイモルフ型の圧電素子１を得ることができる。
【００３９】
次に、バイモルフ型の圧電素子１に圧電性を付与するために、表面電極層１５ａ、１５ｂ又は外部電極１７、１９を通じて直流電圧を印加して、バイモルフ型の圧電素子１の圧電体層７の分極を行う。かかる分極は、図１Ｂに矢印で示す方向となるように、ＤＣ電圧を印加して行う。
【００４０】
次に、支持体となるフィルム３を準備し、このフィルム３の外周部を枠部材５ａ、５ｂ間に挟み、フィルム３に張力をかけた状態で固定する。この後、フィルム３に接着剤を塗布して、そのフィルム３上にバイモルフ型の圧電素子１の表面電極層１５ａ側を押し当て、この後、接着剤を熱や紫外線を照射することによって硬化させる。そして、特定の樹脂を枠部材５ａの内側に流し込み、バイモルフ型の圧電素子１を完全に埋設させ、樹脂層２０を所定の条件にて硬化させることによって第１形態の音響発生器を得ることができる。
【００４１】
以上のように構成された音響発生器では、表面に凹凸模様を有する樹脂層２０が形成されることになる。このように、表面に凹凸模様を有する樹脂層２０は、表面が平滑な樹脂層２０に比べて樹脂層２０の剛性を下げることができる。かかる剛性の低下によって、圧電素子１から発せられる振動を樹脂層２０において緩和させることができる。この結果、振動体が持つ第１次の共振周波数を引き下げることができ、低周波域における音圧を向上させることができる。
【００４２】
（２）第２形態
さて、これまで実施形態の各形態について説明したが、本実施形態は上述した形態以外にも、種々の異なる形態にて実施されてよいものである。そこで、以下では、本実施形態に含まれる他の形態を説明する。
【００４３】
［適用範囲］
例えば、上記の第１形態では、バイモルフ型の圧電素子を例示したが、本発明はこれに限定されない。すなわち、本発明は、圧電素子がバイモルフ型である場合に限定されず、ユニモルフ型であっても上記の第１形態と同様に表面に凹凸模様を有する樹脂層を採用することによって同様の効果を得ることができる。
【００４４】
［スピーカ装置］
また、上記の第１形態で説明した音響発生器は、当該音響発生器を収納する筐体、いわゆる共鳴ボックスへ収納することによって音響発生装置、いわゆる「スピーカ装置」として構成することもできる。例えば、テレビやパーソナルコンピュータ等に用いられる大型のスピーカ装置として構成することもできれば、スマートフォン、携帯電話機、ＰＨＳ（Personal  Handyphone  System）、ＰＤＡ（Personal  Digital  Assistants）などのモバイル端末に搭載される中型または小型のスピーカ装置として構成することもできる。なお、スピーカ装置は、上記の用途に限定されず、掃除機、洗濯機や冷蔵庫などの任意の電子機器に搭載するスピーカ装置として構成することができる。
【００４５】
［電子機器］
さらに、上記の第１形態で説明した音響発生器は、当該音響発生器に接続された電子回路と、該電子回路および音響発生器を収容する筐体とを少なくとも有しており、音響発生器から音響を発生させる機能を有する電子機器として構成することもできる。かかる電子機器の一例としては、テレビやパーソナルコンピュータを始め、各種のモバイル端末などが挙げられる。
【符号の説明】
【００４６】
１    圧電素子
３    フィルム
５、５ａ、５ｂ    枠部材
７、７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ    圧電体層
９、９ａ、９ｂ、９ｃ    内部電極層
１３    積層体
１５ａ、１５ｂ    表面電極層
１７、１９    外部電極
２０    樹脂層
ｘ    積層体の長手方向
ｙ    圧電素子の厚み方向
【図１Ａ】
2014039094.tif 000003
【図１Ｂ】
2014039094.tif 000004
【図２】
2014039094.tif 000005
【図３】
2014039094.tif 000006