(57)【要約】【課題】動電型電気音響変換器の代替となる、小型で高音質な再生ができる圧電型電気音響変換器を提供するための画期的な技術が要求されている。【解決手段】圧電型電気音響変換器は、圧電素子と、前記圧電素子を支持ないし収容するフレームと、前記フレームに支持されると共に前記圧電素子に直接又は間接的に連結される振動板であって、前記振動板を横断するよう形成された高剛性部と、前記高剛性部と前記フレームの間に形成された低剛性部と、を有する振動板と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子と、
前記圧電素子を支持ないし収容するフレームと、
前記フレームに支持されると共に前記圧電素子に直接又は間接的に連結される振動板であって、前記振動板を横断するよう形成された高剛性部と、前記高剛性部と前記フレームの間に形成された低剛性部と、を有する振動板と、
を備える、ことを特徴とする圧電型電気音響変換器。
【請求項２】
前記高剛性部は、前記振動板の対角線上に形成され、Ｘ字状を成すことを特徴とする請求項１記載の圧電型電気音響変換器。
【請求項３】
前記低剛性部は、前記高剛性部の縁部と前記フレームの内縁との間に形成されることを特徴とする請求項１又は２記載の圧電型電気音響変換器。
【請求項４】
前記圧電素子の一面の中央部が、連結部材を介して、前記振動板ないし前記高剛性部の中央部に連結される、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか記載の圧電型電気音響変換器。
【請求項５】
前記圧電素子の一面の中心が、前記連結部材を介して、前記振動板ないし前記高剛性部の中心に連結される、ことを特徴とする請求項４記載の圧電型電気音響変換器。
【請求項６】
前記圧電素子の他面が、少なくとも弾性部材を介して、前記フレームに支持されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか記載の圧電型電気音響変換器。
【請求項７】
前記高剛性部は、前記振動板の中央から端に向かって徐々に幅広となることを特徴とする請求項２記載の圧電型電気音響変換器。
【請求項８】
前記高剛性部は金属製であり、前記低剛性部は樹脂製である、ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか記載の圧電型電気音響変換器。
【請求項９】
パラメトリックスピーカとして利用されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか記載の圧電型電気音響変換器。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか記載の圧電型電気音響変換器を用い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、圧電型電気音響変換器及びそれを用いた電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話等の電子機器の音響部品として、動電型電気音響変換器が利用されている。この動電型電気音響変換器は、永久磁石とボイスコイルと振動膜から構成されている。その動作原理は、磁石を用いたステータの磁気回路の作用によりボイスコイルに固定された有機フィルム等の振動膜が振動し、音波を発生させるものである。
【０００３】
ところで、近年、携帯電話機やラップトップ型パーソナルコンピュータのような携帯端末の需要が増加しているため、電気音響変換器の小型化への要求が高まりつつある。電気音響変換器の音響性能において、重要な示強量である音圧レベルは、振動膜の空気に対する体積排除によって決定される。従って、電気音響変換器を小型化する場合、振動膜の放射面面積が減少するため、音圧レベルが低下する問題がある。
【０００４】
音圧レベルを向上する手段として、磁気回路の発生力を高め、振動膜の振幅を増加させる方法がある。しかしながら、この手段においては磁束密度の増加や駆動電流の増加が必要とされ、永久磁石の体積増加やボイスコイルの太線化により、磁気回路の厚みが増加するという問題がある。さらに、電流量増大に伴う消費電力の増加などの問題もある。
【０００５】
一方、小型で薄型の電気音響変換器を実現する手段として、圧電セラミックスによる圧電効果を利用した圧電型電気音響変換器がある。この圧電方式は、セラミックス素材の圧電効果を利用して、電気信号の入力による電歪作用により、振動振幅を発生させるものである。圧電型電気音響変換器では、上下層を電極材料で拘束されたセラミックス自体が振動し、これが駆動源として機能するため、磁石やボイスコイルなどの多数の部材から構成される磁気回路を備える動電型電気音響変換器に比べて、部材点数が少なくなり、薄型化に関して優位である。
【０００６】
特許文献１には、圧電素子と、全体が樹脂製の振動板と、を備えるスピーカが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−２４９９９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
以下の分析は、本発明によって与えられたものである。
【０００９】
圧電型電気音響変換器は、内部損失が低いセラミックス材料を振動源とするため、有機フィルムを通して振幅を発生させる動電型電気音響変換器に比べ、機械品質係数Ｑが高い傾向にある。例えば、動電型は３〜５程度に対して、圧電型では約５０程度となる。機械品質係数Ｑは共振時に先鋭度を示すため、要約すれば、圧電型電気音響変換器では、基本共振周波数近傍では音圧が高く、それ以外の帯域では音圧が減衰することを意味する。すなわち、音圧レベルの周波数特性において、音響特性の山谷が発生し、特定周波数の音が強調されたたり、消失されたりして、音楽再生などに十分な音質が得られない問題を持つ。
【００１０】
また、特許文献１のスピーカにおいては、全体が樹脂製である振動板の剛性が低く、分割振動が発生しやすいという問題がある。
【００１１】
一方、全体が金属製である振動板は、内部損失が小さいため、振動が長期間継続して音色が乱れやすいという問題がある。
【００１２】
このため、動電型電気音響変換器の代替となる、小型で高音質な再生ができる圧電型電気音響変換器を提供するための画期的な技術が要求されている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
第１の視点の圧電型電気音響変換器は、圧電素子と、前記圧電素子を支持ないし収容するフレームと、前記フレームに支持されると共に前記圧電素子に直接又は間接的に連結される振動板であって、前記振動板を横断するよう形成された高剛性部と、前記高剛性部と前記フレームの間に形成された低剛性部と、を有する振動板と、を備えている。
【００１４】
第２の視点の電子機器は、第１の視点の圧電型電気音響変換器をスピーカとして用いる。
【発明の効果】
【００１５】
第１の視点は、動電型電気音響変換器の代替となる、小型で高音質な再生ができる圧電型電気音響変換器の提供に貢献し、第２の視点は、小型で高音質な再生ができる電子機器の提供に貢献する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】（Ａ）は実施形態１に係る圧電型電気音響変換器の平面図、（Ｂ）は同断面図である。
【図２】実施形態２に係る圧電型電気音響変換器の分解図である。
【図３】比較例に係る圧電型電気音響変換器の断面図である。
【図４】実施形態１の圧電型電気音響変換器と、比較例に係る圧電型電気音響変換器の音圧レベルの周波数特性をそれぞれ示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
好ましくは、振動板の高剛性部は、振動板の対角線上に形成されてＸ字状を成す。
【００１８】
好ましくは、振動板の低剛性部は、高剛性部の縁部とフレームの内縁との間に形成される。
【００１９】
好ましくは、圧電素子の一面の中央部が、連結部材を介して、振動板ないしその高剛性部の中央部に連結される。さらに好ましくは、圧電素子の一面の中心が、連結部材を介して、振動板ないしその高剛性部の中心に連結される。
【００２０】
好ましくは、圧電素子の他面が、少なくとも弾性部材を介して、フレームに支持される。
【００２１】
好ましくは、振動板の高剛性部は、振動板の中央から端に向かって徐々に幅広となる。
【００２２】
好ましくは、振動板の高剛性部は金属製であり、振動板の低剛性部は樹脂製である。
【００２３】
好ましくは、実施形態の圧電型電気音響変換器は、パラメトリックスピーカとして利用される。
【００２４】
本発明の一実施形態の概要について、図面を参照して説明する。なお、この概要に付記した図面参照符号は、理解を助けるための一例として各要素に便宜上付記したものであり、本発明を図示の態様に限定することを意図するものではない。
【００２５】
図１を参照すると、圧電型電気音響変換器１は、圧電素子２と、圧電素子２を支持ないし収容するフレーム４と、フレーム４に支持されると共に圧電素子２に直接又は間接的に連結される振動板３と、を備えている。振動板３は、振動板３を横断するよう形成された高剛性部３ａと、高剛性部３ａとフレーム４の間に形成された低剛性部３ｂと、を有している。
【００２６】
高剛性部３ａは、振動板３の剛性を高め、振動板３の分割振動を防止し、音圧レベルを高める。また、高剛性部３ａ自体も振動変形することによって、振動板３全体がピストン運動することを助ける。これらの作用によって、音圧レベルは高められ、高効率な再生が可能となる。低剛性部３ｂは、内部損失が大きいため、振動板３の振動を減衰させ、音質を改善する。
【００２７】
また、圧電素子１は、振動板３の高剛性部（金属板）３ａに拘束され、高剛性部３ａが樹脂フィルムなどの低剛性部３ｂを介してフレーム４に接合される。これによって、振動板３の応力が集中する端部の剛性が低減され、振動可動範囲が拡大される。加えて、低剛性部３ｂによって、振動に減衰を与えられ、機械品質係数Ｑが低減される。
【００２８】
通常の圧電型電気音響変換器では複数の振動モードがあるため、分割振動の発生により、山谷のある周波数音圧特性となる。実施形態の圧電型電気音響変換器１によれば、剛性が異なる複数の部分から構成される振動板３によって、振動姿態を制御することにより分割振動を抑制し、良好な音響特性を得ることができる。
【００２９】
好ましくは、圧電型電気音響変換器１は、図１に示すように、圧電素子２と、フレーム４に支持される振動板３と、圧電素子２の一面と振動板３を連結する連結部材５と、圧電素子２の他面に接合され該他面を拘束する金属板６と、金属板６をフレーム４に連結する弾性部材７と、を備えている。振動板３は、金属製の高剛性部３ａと、樹脂製の低剛性部３ｂと、を含んでいる。高剛性部３ａは、振動板３ないし振動面の対角線上に配置されている。高剛性部３ａの外縁には、低剛性部３ｂが接合されている。
【００３０】
高剛性部は、厚み１００μｍ以下の金属薄膜から形成することが好ましい。
【００３１】
好ましくは、圧電素子と振動板の間に、連結部材を介在させる。連結部材を介して、圧電素子（圧電アクチュエータ）からの振動を振動板に伝播させることにより、振動板に応力を集中させ、その振動変位を拡大させることができる。また、振動体の形状を調整することにより、容易に共振周波数を制御できるメリットもある。
【００３２】
実施形態の圧電型電気音響変換器は小型で高効率であり、携帯端末用の電気音響変換器として有用である。また、これをパラメトリックスピーカの音源に利用することで、高音質な再生が可能である。なお、実施形態の圧電型電気音響変換器は、２０kHz以上の超音波を再生することもできる。このように、発振周波数を超音波帯域にすることで、圧電素子ないし圧電型電気音響変換器を小型化できると共に、超音波の直進性を利用して指向性を制御することが可能となり、ユーザーの位置近傍にのみ限定されたプライバシ音源の実現が可能となる。よって、更に、実施形態の圧電型電気音響変換器は、音声信号を超音波に搬送させて、空気中で復調させるパラメトリックスピーカとして、好適に利用できる。
【００３３】
よって、圧電型電気音響変換器は、小型かつ薄型で、大音圧で高音質な再生を高効率で可能な電子機器用の音響デバイスとして、高い工業的価値を有している。
【００３４】
実施形態の圧電型電気音響変換器は、携帯端末などの携帯電子機器全般に好適に適用され、例えば、携帯電話、スマートフォン、ゲーム機、タブレットＰＣ(Personal Computer)、ノートＰＣ、ＰＤＡ(Personal Data Assistants：携帯情報端末)、デジタルカメラ等に好適に適用される。
【００３５】
好ましくは、圧電セラミックスの上下主面は電極により拘束されて圧電素子を形成する。また、好ましくは、圧電素子は金属板により拘束され、この金属板を介在してフレームに接合される。この金属板の厚みや材質の変更による剛性調整によって、圧電素子の共振周波数を容易に制御することができる。この金属板は、金属材料単体ではなく、樹脂との複合材料ないし積層材料などから形成してもよい。
【００３６】
なお、圧電素子（機械振動子）の共振周波数は形状や、その重量や剛性によって支配される。通常の圧電素子は、圧電セラミックスが脆性材料であることにより、任意の形状に加工することが困難なため、錘を付加することなどの手法によって、共振周波数を調整している。このような手法では、重量付加により共振周波数は低減できるが、振幅部位を錘で拘束するため、振動振幅が減衰するなどの問題点がある。
【００３７】
振動板において、高剛性部と低剛性部の比弾性率の比率（＝高剛性部の比弾性率／低剛性部の比弾性率）は、例えば、数倍から数千倍の範囲、数倍〜数百倍の範囲、又は、数倍から数十倍の範囲になるよう調整される。
【００３８】
振動板において、高剛性部の比弾性率は、例えば、１０７（Ｅ／ρ）ｍ２／ｓ２以上のオーダに設定され、低剛性部の比弾性率は、それ未満のオーダに設定される。好ましくは、高剛性部は、ステンレス、リン青銅、マグネシウム、アルミニウム、チタン又はベリリウム又はこれらの合金などの金属材料から形成され、低剛性部は、ポリエチレン系、ポリプロピレン系、ポリスチレン系又はポリアミド系、或いはウレタン系などの樹脂材料から形成される。また、振動板を各種複合材料から形成してもよい。
【００３９】
圧電素子は、圧電セラミックスと一対の電極から構成することができる。圧電素子には、種々のタイプの圧電素子を用いることができ、例えば、二個の圧電素子が金属材に拘束された構造、すなわち、いわゆるバイモルフ構造の圧電素子を用いることができる。圧電素子の圧電セラミックスとしては、ＰＺＴ（ジルコン酸チタン鉛）などを用いることができる。
【００４０】
連結部材は、金属や樹脂などの様々な材料から形成することができ、金属の場合、比較的軽い金属が好ましく、例えば、マグネシウム、アルミニウム、チタン又はベリリウム又はこれらの合金などの金属材料が例示される。から形成することが好ましい。
【００４１】
続いて、本発明の一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以降の記述において、多くの具体的事項は、説明のため、本発明の理解を助けるためになされたものである。
【実施形態１】
【００４２】
図１（Ａ）は、実施形態１に係る圧電型電気音響変換器の平面図であり、図１（Ｂ）は、その断面図である。図１（Ａ）および（Ｂ）を参照すると、圧電型電気音響変換器１は、圧電素子２と、圧電素子２を支持ないし収容するフレーム４と、フレーム４の端面上に支持されると共に圧電素子２に直接又は間接的に連結されて、圧電素子２の電歪作用に伴って振動する振動板３と、を備えている。
【００４３】
特に、図１（Ａ）を参照すると、振動板３は、振動板３を横断するよう形成された金属製の高剛性部３ａと、高剛性部３ａとフレーム４の間に形成された樹脂製の低剛性部３ｂと、を有している。高剛性部３ａは、振動板３の対角線上に形成され、Ｘ字状を成している。低剛性部３ｂは、高剛性部３ａの縁部とフレーム４の内縁との間に形成されている。高剛性部３ａは、振動板３の中央ないし中心から端に向かって徐々に幅広に形成されている。
【００４４】
振動板３は、リブ状の高剛性部３ａとフィルム状の低剛性部３ｂを積層して形成することができる。或いは、高剛性部３ａの外縁とフレーム４の内縁との間に樹脂を充填して、高剛性部３ａと同層に低剛性部３ｂを形成してもよい。好ましくは、低剛性部３ｂを介して、高剛性部３ａをフレーム４に接合する。
【００４５】
圧電素子２の一方の主面（一面）の中央部は、連結部材５を介して、振動板３ないし高剛性部３ａの中央部に連結されている。図示の形態においては、特に、圧電素子の一方の主面の中心が、横断面が円状の連結部材５を介して、振動板３ないし高剛性部３ａの中心に連結されている。
【００４６】
圧電素子２の他方の主面（他面）は、金属板６と弾性部材７を介して、フレーム４に支持されている。金属板６は、圧電素子２の他方の主面（他面）を拘束している。詳細には、圧電素子２の両端が、金属板６と複数の弾性部材７，７を介して、フレーム４の内壁に支持されている。
【００４７】
なお、圧電型電気音響変換器１を電子機器に搭載する場合、フレーム４を電子機器のフレームに取り付けてもよく、圧電型電気音響変換器１のフレーム４と電子機器のフレームを一体化してもよい。
【００４８】
圧電型電気音響変換器１の特徴的な機能を説明する。高剛性部３ａは、振動板３の分割振動を防止し、又、高剛性部３ａ自体も振動変形することによって、振動板３全体が大きくピストン運動することを助ける。低剛性部３ｂは、内部損失が大きいため、振動板３の振動を減衰させ、機械品質係数Ｑを低減すると共に、振動板３の応力が集中する端部の剛性を低減し、振動板３の可動範囲を拡大する。
【００４９】
また、圧電素子２の振動を、連結部材５を介して、振動板３に局所的に伝播することにより、振動板３の中央部ないし中心に応力が集中され、振動板３の振動変位を拡大させることができる。
【実施形態２】
【００５０】
図２は、実施形態２に係る圧電型電気音響変換器の分解図である。なお、本実施形態２においては、主として前記実施形態１との相違点について説明し、両実施形態の共通点については前記実施形態１の記載を適宜参照するものとする。
【００５１】
図２を参照すると、圧電型電気音響変換器１１は、圧電素子２の一方の電極に接合された平板状の連結部材１５と、圧電素子２の他方の電極に接合された平板状の弾性部材１７と、を備えている。連結部材１５は全面的に圧電素子２の一方の主面に接合されて、圧電素子２を比較的高剛性でもって拘束している。圧電素子１の他方の主面は、全面的に弾性部材１７に接合され、弾性部材１７は圧電素子２を弾性的に拘束している。
【００５２】
また、圧電素子２の一方の主面（一面）の中央部は、連結部材１５を介して、振動板３ないし高剛性部３ａの中央部に連結されている。
【００５３】
次に、図１に示した実施形態１ないし実施例の圧電型電気音響変換器と、図３に示す比較例に係る圧電型電気音響変換器の音圧レベルの周波数特性を検証した。なお、振動板３の高剛性部（金属部）３ａにはステンレス、同低剛性部３ｂにはポリエチレン、連結部材５にはウレタンゴム、圧電セラミックス２ａにはＰＺＴ（ジルコン酸チタン鉛）を用いた。
【００５４】
図３を参照すると、比較例の圧電型電気音響変換器３１は、圧電セラミックス３２ａとそれを挟む一対の電極３２ｂ，３２ｃから構成される圧電素子３２と、圧電素子３２の一方の主面全体が接合されて、圧電素子３２とフレーム３４の内壁の間に連結された金属製振動板３３と、を有している。金属製振動板３３は、一面全体が圧電素子３１の一方の主面全体に接合してそれを拘束している。圧電素子３２の両端はそれぞれ、金属製振動板３３と弾性部材３７を介して、フレーム３４の内壁に支持されている。
【００５５】
図４は、実施形態１の圧電型電気音響変換器と、比較例に係る圧電型電気音響変換器の音圧レベルの周波数特性をそれぞれ示すグラフである。図４を参照すると、実施形態１の方が、全体的に音圧レベルが高く、尖鋭なピークがないことが分かる。よって、実施形態１の圧電型電気音響変換器によって、音響特性の山谷が小さく、特定周波数の音が強調されすぎたりすることなく、大音圧で高音質な再生が可能であることが分かる。
【００５６】
以上、本発明の一実施形態等を説明したが、本発明は、上記した一実施形態等に限定されるものではなく、本発明の基本的技術的思想を逸脱しない範囲で、更なる変形、置換又は調整を加えることができる。
【００５７】
なお、上記の特許文献の開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示（請求の範囲を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素（各請求項の各要素、各実施形態ないし実施例の各要素、各図面の各要素等を含む）の多様な組み合わせ、ないし選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。
【符号の説明】
【００５８】
１，１１  圧電型電気音響変換器
２  圧電素子（圧電アクチュエータ）
２ａ  圧電セラミックス
２ｂ，２ｃ  電極
３  振動板
３ａ  高剛性部（金属部）
３ｂ  低剛性部（樹脂部、樹脂フィルム）
４  フレーム
５  連結部材
６  金属板
７  弾性部材
１１  圧電型電気音響変換器
１５  連結部材
１７  弾性部材
【図１】
2014160914.tif 000003
【図２】
2014160914.tif 000004
【図３】
2014160914.tif 000005
【図４】
2014160914.tif 000006