(57)【要約】【課題】小型かつ高音質で衝撃安定性を有する圧電型電気音響変換器及び電子機器を提供すること。【解決手段】主面に溝部１２ａを有する金属板１２と、前記溝部に埋め込まれた第１弾性部材１３と、前記金属板の前記主面上にて前記金属板及び前記第１弾性部材に接合された圧電体膜１４と、貫通口１０ａを有するフレーム１０と、前記金属板と接合するとともに前記貫通口の壁面と接合する第２弾性部材１１と、を備え、前記第１弾性部材は、前記金属板の前記主面の上側から見て、少なくとも前記圧電体膜の端部と重なる位置に配設される。【選択図】図１
2014239386.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面に溝部を有する金属板と、
前記溝部に埋め込まれた第１弾性部材と、
前記金属板の前記主面上にて前記金属板及び前記第１弾性部材に接合された圧電体膜と、
貫通口を有するフレームと、
前記金属板と接合するとともに前記貫通口の壁面と接合する第２弾性部材と、
を備え、
前記第１弾性部材は、前記金属板の前記主面の上側から見て、少なくとも前記圧電体膜の端部と重なる位置に配設されることを特徴とする圧電型電気音響変換器。
【請求項２】
前記第１弾性部材は、前記圧電体膜の端部に沿って配設されるとともに、前記第１弾性部材の内側の周縁部にて前記圧電体膜の周縁部と接合する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】
前記圧電体膜は、前記金属板の前記主面の上側から見て、円形に形成されており、
前記第１弾性部材は、前記金属板の前記主面の上側から見て、環状に形成されてい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】
前記金属板は、前記金属板の前記主面の上側から見て、円形に形成されており、
前記第２弾性部材は、前記金属板の前記主面の上側から見て、環状に形成されており、
前記フレームは、前記金属板の前記主面の上側から見て、環状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の圧電型電気音響変換器。
【請求項５】
前記第２弾性部材は、前記第２弾性部材の内側の周縁部にて前記金属板の周縁部と接合することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一に記載の圧電型電気音響変換器。
【請求項６】
前記圧電体膜は、前記フレーム、前記第１弾性部材、前記金属板、前記第２弾性部材、及び、前記電極のそれぞれと同心となるように配されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一に記載の圧電型電気音響変換器。
【請求項７】
前記圧電体膜は、圧電有機材料よりなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一に記載の圧電型電気音響変換器。
【請求項８】
前記フレームは、前記貫通口内において前記第２弾性部材の端部と全周に渡って接合されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一に記載の圧電型電気音響変換器。
【請求項９】
前記圧電体膜上にて電極と他の圧電体膜とが交互に積層していることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一に記載の圧電型電気音響変換器。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか一に記載の圧電型電気音響変換器が実装され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】
携帯電話機、スマートフォン等の携帯型の電子機器においては、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。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。動電型電気音響変換器の動作原理は、永久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振動膜（例えば、有機フィルム等）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、ラップトップ型パーソナルコンピュータ等の携帯型の電子機器の需要が増えており、電気音響変換器の小型化への要求が高まりつつある。しかしながら、導電型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、導電型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った。
【０００４】
一方、導電型電気音響変換器において、音圧レベルを向上する手段として、磁気回路の磁気発生力を高め、振動膜の振幅を増加させる手段がある。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し、小型化が困難という問題がある。また、導電型電気音響変換器では、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、小型かつ薄型の電気音響変換器を実現する手段として、圧電アクチュエータを用いた圧電型電気音響変換器がある（例えば、特許文献１参照）。この圧電型電気音響変換器は、圧電アクチュエータ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。圧電アクチュエータは、例えば、上下層を電極材料で挟まれたシート状の圧電セラミックス自体が振動し、圧電セラミックスが駆動源として機能する。そのため、圧電型電気音響変換器は、永久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有する導電型電気音響変換器と比べて、部材点数が少なく、薄型化に優位である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−２３２８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
以下の分析は、本願発明者により与えられる。
【０００８】
しかしながら、圧電型電気音響変換器は、内部損失が低い圧電セラミックス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と比べて、機械品質係数Ｑが高い傾向にある。例えば、動電型電気音響変換器の機械品質係数Ｑは３〜５程度であるのに対して、圧電型電気音響変換器の機械品質係数Ｑでは約５０程度である。
【０００９】
機械品質係数Ｑは共振時に先鋭度を示すため、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、基本共振周波数以外の帯域では音圧が減衰するという特性がある。すなわち、圧電型電気音響変換器では、音圧レベル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という問題がある。
【００１０】
また、圧電型電気音響変換器では、脆性材料であるセラミックスを用いるため、落下時の衝撃安定性が弱く、携帯電話機などの携帯型の電子機器に搭載した場合の信頼性確保に課題がある。
【００１１】
本発明の主な課題は、小型かつ高音質で衝撃安定性を有する圧電型電気音響変換器及び電子機器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１の視点においては、圧電型電気音響変換器において、主面に溝部を有する金属板と、前記溝部に埋め込まれた第１弾性部材と、前記金属板の前記主面上にて前記金属板及び前記第１弾性部材に接合された圧電体膜と、貫通口を有するフレームと、前記金属板と接合するとともに前記貫通口の壁面と接合する第２弾性部材と、を備え、前記第１弾性部材は、前記金属板の前記主面の上側から見て、少なくとも前記圧電体膜の端部と重なる位置に配設されることを特徴とする。
【００１３】
本発明の第２の視点においては、電子機器において、前記圧電型電気音響変換器が実装されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、小型かつ高音質で衝撃安定性を有する圧電型電気音響変換器及び電子機器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る圧電型電気音響変換器の構成を模式的に示した断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る圧電型電気音響変換器の構成を模式的に示した展開斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る圧電型電気音響変換器の変形例の構成を模式的に示した断面図である。
【図４】比較例に係る圧電型電気音響変換器の構成を模式的に示した断面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る圧電型電気音響変換器の周波数音圧特性を模式的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
［実施形態］
本発明の一実施形態に係る圧電型電気音響変換器について図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る圧電型電気音響変換器の構成を模式的に示した断面図である。図２は、本発明の一実施形態に係る圧電型電気音響変換器の構成を模式的に示した展開斜視図である。図３は、本発明の一実施形態に係る圧電型電気音響変換器の変形例の構成を模式的に示した断面図である。
【００１７】
圧電型電気音響変換器１は、圧電アクチュエータ２の電歪効果を利用して振動振幅を発生させる圧電型の電気音響変換器である（図１、図２参照）。圧電型電気音響変換器１は、例えば、携帯電話機、スマートフォン等の携帯型の電子機器に実装される。圧電型電気音響変換器１は、フレーム１０の貫通口１０ａ内に、環状の弾性部材１１を介して金属板１２が装着され、金属板１２上に圧電体膜１４を介して電極１５が配されている。圧電型電気音響変換器１は、主な構成部として、フレーム１０と、弾性部材１１と、金属板１２と、弾性部材１３と、圧電体膜１４と、電極１５と、リード線１６、１７と、を有する。
【００１８】
フレーム１０は、弾性部材１１と金属板１２と圧電体膜１４と電極１５とから組み立てられた圧電アクチュエータ２を支持（又は保持）する部材である。フレーム１０は、弾性部材１１を介して金属板１２を支持する。フレーム１０は、上側（図１の上側）から見て環状に形成されており、中央を貫通した貫通口１０ａを有する。貫通口１０ａは、上方から見て円形状（楕円形状、矩形状でも可）に形成されている。フレーム１０は、貫通口１０ａ内の内壁面にて、環状の弾性部材１１の外周端部と全周に渡って接合（接着、圧入等でも可）している。フレーム１０には、例えば、樹脂材料や、真鍮、ステンレス等を用いることができる。
【００１９】
弾性部材１１は、金属板１２をフレーム１０に対して弾性的に取り付けるための部材であり、圧電アクチュエータ２の構成部材である。弾性部材１１は、中央部に円形状の開口部１１ａを有する。弾性部材１１は、上側（図１の上側）から見て、環状に形成されている。弾性部材１１は、上側（図１の上側）の面における内側の周縁部にて、円形状の金属板１２の下側（図１の下側）の面における周縁部と接合している。弾性部材１１は、外周端部にて、フレーム１０の貫通口１０ａの内壁面に接合（接着等でも可）している。弾性部材１１には、金属板１２の振動が伝播し、座屈により振幅を発生させる。弾性部材１１には、例えば、多孔質材、ウレタン系材料（例えば、ウレタンフォーム）、内部損失の高い樹脂材料、カーボン系材料等を用いることができる。
【００２０】
金属板１２は、金属よりなる板状部材であり、圧電アクチュエータ２の構成部材である。金属板１２は、上側（図１の上側）から見て円形状（楕円形状でも可）に形成されている。金属板１２は、フレーム１０の貫通口１０ａの内壁面から離れており、下側（図１の下側）の面における外周側の周縁部（外周端部でも可）にて、環状の弾性部材１１と接合（接着、貼合等でも可）している。金属板１２は、圧電体膜１４及び電極１５に対して外径が大きい。金属板１２は、上側（図１の上側）の面における中央にて、圧電体膜１４と接合（接着等でも可）している。金属板１２は、圧電体膜１４及び電極１５を支持する支持部材であると同時に、電気伝導が可能であるため、圧電体膜１４の電極としても使用できる。金属板１２には、上側（図１の上側、圧電体膜１４側）の面における圧電体膜１４の外周端面と重なる部分において所定深さの溝部１２ａが形成されている。溝部１２ａは、圧電体膜１４の端部（端面）に沿って環状に形成されている。溝部１２ａの外側の側壁面は、圧電体膜１４の端部（端面）よりも径方向外側に配されている。溝部１２ａの内側の側壁面は、圧電体膜１４の端部（端面）よりも径方向内側に配されている。溝部１２ａには、弾性部材１３が埋め込まれている。金属板１２は、リード線１７と電気的に接続されており、リード線１７からの電気信号を圧電体膜１４に印加させる役割を持つ。金属板１２には、導電性を有し、かつ、震動板として機能する金属材料（合金等の金属系材料を含む）が用いられ、例えば、リン青銅、ステンレス材料等を用いることができる。
【００２１】
弾性部材１３は、金属板１２に溝部１２ａに埋め込まれた弾性材料よりなる部材であり、圧電アクチュエータ２の構成部材である。弾性部材１３は、溝部１２ａ内にて金属板１２と接合している。弾性部材１３は、上側（図１の上側）から見て、溝部１２ａに沿って環状に形成されている。弾性部材１３は、上側（図１の上側）から見て、少なくとも圧電体膜１４の端部（端面）と重なる位置に配設される。弾性部材１３は、圧電体膜１４の端部に沿って配設され、弾性部材１３の上側（図１の上側）の面における内側の周縁部にて圧電体膜１４の下面（図１の下側の主面）における周縁部と接合している。弾性部材１３には、例えば、多孔質材、ウレタン系材料（例えば、ウレタンフォーム）、内部損失の高い樹脂材料、カーボン系材料等を用いることができる。
【００２２】
圧電体膜１４は、金属板１２と電極１５との間に介在した圧電性を有する膜状（シート状、フィルム状）の部材であり、圧電アクチュエータ２の構成部材である。圧電体膜１４は、上面（図１の上側の主面）にて電極１５と接合（接着、貼合等でも可）し、下面（図１の下側の主面）にて金属板１２と接合（接着、貼合等でも可）している。圧電体膜１４の外周端部は、金属板１２の溝部１２ａに埋め込まれた弾性部材１３と重なるように配されている。圧電体膜１４は、下側（図１の下側）の面における周縁部にて弾性部材１３と接合（接着、貼合等でも可）している。すなわち、圧電体膜１４の周縁部が弾性部材１３と接合することで、音響特性と落下衝撃時の安定性を向上させることができる。圧電体膜１４は、上側（図１の上側）から見て円形状（楕円形状でも可）に形成されている。圧電体膜１４は、フレーム１０、弾性部材１１、金属板１２、弾性部材１３、及び、電極１５のそれぞれと同心となるように配されている。圧電体膜１４は、フレーム１０の貫通口１０ａの内壁面から離れている。圧電体膜１４には、圧電材料が用いられ、例えば、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒｘ、Ｔｉ１−ｘ）Ｏ３；チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電セラミックス、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン及び三フッ化エチレンのコポリマーなどの圧電有機材料を用いることができる。圧電体膜１４に圧電有機材料を用いれば、落下時の衝撃安定性を有する。なお、圧電体膜１４が金属膜（電極１５と同様なもの）とユニットになっている場合、圧電体膜１４と金属板１２との間には金属膜があってもよい。
【００２３】
電極１５は、圧電体膜１４上に形成された導電体よりなる膜状の部材である。電極１５は、圧電体膜１４と接合（接着、貼合等でも可）している。電極１５は、上側（図１の上側）から見て円形状（楕円形状でも可）に形成されている。電極１５は、弾性部材１１、１３に対して離れて配されている。電極１５は、フレーム１０の貫通口１０ａの内壁面から離れている。電極１５は、リード線１６と電気的に接続されており、リード線１６からの電気信号を圧電体膜１４に印加させる役割を持つ。電極１５には、導電材料（金属、合金等の金属系材料を含む）が用いられ、例えば、銀箔を用いることができ、金属板１２の材料と同様なリン青銅、ステンレス材料等を用いることができる。
【００２４】
なお、図１では金属板１２上に圧電体膜１４、電極１５を有する単層型の圧電アクチュエータ２を用いているが、図３のように金属板１２上に圧電体膜１４、電極１５、圧電体膜１８、電極１９、圧電体膜２０、電極２１が積層した積層型の圧電アクチュエータ２を用いてもよい。積層型の圧電アクチュエータ２の場合、電極１５と電極２１とが配線２２等によって電気的に接続されるとともに、電極１５と金属板１２とが配線２３等によって電気的に接続され、電極２１がリード線１６に電気的に接続され、金属板１２がリード線１７に電気的に接続される。積層型の圧電アクチュエータ２を利用することで、電界強度を向上でき、電圧印加量の低減や、振動振幅の拡大が可能となる。
【００２５】
リード線１６、１７は、対応する電極１５、金属板１２に電気信号を供給するための配線である。リード線１６、１７は、コントローラ、アンプ回路などに電気的に接続される。リード線１６、１７には、導電線材（例えば、銅線材）だけでなく金属箔（例えば、銅箔）を用いてもよい。
【００２６】
以上の圧電型電気音響変換器１は、以下のようにして製造することができる。まず、金属板１２の上面（図１の上側）の所定の位置に溝部１２ａを形成し、溝部１２ａに弾性部材１３を埋め込む。その後、弾性部材１１、金属板１２（弾性部材１３含む）、圧電体膜１４、電極１５を貼り合わせて圧電アクチュエータ２を作製し、圧電アクチュエータ２をフレーム１０の貫通口１０ａ内に装着する。
【００２７】
また、圧電型電気音響変換器１は、以下のようにして動作する。圧電体膜１４は、金属板１２及び電極１５に電気信号を印加することにより、電歪効果により振動を発生し、振幅運動を発生し、音波を放射する。すなわち、圧電体膜１４に電圧を印加することで、圧電体膜１４の主面に対して径広がり運動が発生する。この伸縮運動が成長することで、圧電体膜１４を拘束する金属板１２、及び弾性部材１１に横方向の振動を伝播する。フレーム１０の拘束による座屈運動により、圧電体膜１４の主面に対して垂直方向に振幅が発生し、これが音波に変換される。この振動メカニズムの中で、駆動力となる圧電体膜１４の端部が応力集中箇所になる。この応力集中箇所を内部損失の大きい弾性部材１３により拘束することで、振動の先鋭度を低下させ、圧電型電気音響変換器１の機械品質係数Ｑを低減させることができる。また、応力集中箇所である圧電体膜１４の端部を伸縮性に富む弾性部材１３で拘束することで、圧電体膜１４の端部の振動可動範囲を拡大させ、振動振幅を拡大させることができる。さらに、弾性部材１３の介在により金属板１２の剛性を低減させることができ、圧電型電気音響変換器１自体の基本共振周波数を低下させることができる。また、落下時に応力集中箇所である圧電体膜１４の端部の振動が弾性部材１３による吸収されることで落下時の衝撃安定性も向上するという効果を奏する。
【００２８】
次に、本発明の一実施形態に係る圧電型電気音響変換器の周波数音圧特性について、比較例を比較しながら図面を用いて説明する。図４は、比較例に係る圧電型電気音響変換器の構成を模式的に示した断面図である。図５は、本発明の一実施形態に係る圧電型電気音響変換器の周波数音圧特性を模式的に示した図である。
【００２９】
なお、図４の比較例に係る圧電型電気音響変換器１０１は、図１の実施形態に係る金属板１２における溝部１２ａ、及び、弾性部材１１、１３をなくし、金属板１２の周縁部を環状のフレーム２５、２６で挟み込んで接合させたものである。その他の構成は、実施形態と同様である。
【００３０】
図５の周波数音圧特性を参照すると、比較例に係る圧電型電気音響変換器（図４の１０１）では、周波数音圧特性において複数のピークを有するのに対して、本実施形態に係る圧電型電気音響変換器（図１の１）では、周波数音圧特性が比較的に平坦である。
【００３１】
本実施形態によれば、金属板１２を弾性部材１１を介してフレーム１０に支持するとともに、金属板１２に形成された溝部１２ａに埋め込まれた弾性部材１３により応力集中箇所となる圧電体膜１４の端部を拘束することで、小型のまま、圧電体膜１４の端部の振動可動範囲を拡大させ、振動振幅を拡大させることができるので、音圧レベル周波数特性において、音響特性の山谷が平坦化され、高い音質が得られるようになる。また、落下時に、圧電アクチュエータ２の振動が弾性部材１１により吸収されるとともに、応力集中箇所である圧電体膜１４の端部の振動が弾性部材１３により吸収されることで、落下時の衝撃安定性を向上させることができる。このように、本実施形態に係る圧電型電気音響変換器１によれば、落下時の強度が高いため、携帯電話機などの携帯型の電子機器用の電気音響変換器として好適であり、小型・薄型の音響デバイスとして工業価値は大きい。
【００３２】
なお、本出願において図面参照符号を付している場合は、それらは、専ら理解を助けるためのものであり、図示の態様に限定することを意図するものではない。
【００３３】
（付記）
本発明の第１の視点においては、圧電型電気音響変換器において、主面に溝部を有する金属板と、前記溝部に埋め込まれた第１弾性部材と、前記金属板の前記主面上にて前記金属板及び前記第１弾性部材に接合された圧電体膜と、貫通口を有するフレームと、前記金属板と接合するとともに前記貫通口の壁面と接合する第２弾性部材と、を備え、前記第１弾性部材は、前記金属板の前記主面の上側から見て、少なくとも前記圧電体膜の端部と重なる位置に配設されることを特徴とする。
【００３４】
本発明の前記圧電型電気音響変換器において、前記第１弾性部材は、前記圧電体膜の端部に沿って配設されるとともに、前記第１弾性部材の内側の周縁部にて前記圧電体膜の周縁部と接合することが好ましい。
【００３５】
本発明の前記圧電型電気音響変換器において、前記圧電体膜は、前記金属板の前記主面の上側から見て、円形に形成されており、前記第１弾性部材は、前記金属板の前記主面の上側から見て、環状に形成されていることが好ましい。
【００３６】
本発明の前記圧電型電気音響変換器において、前記金属板は、前記金属板の前記主面の上側から見て、円形に形成されており、前記第２弾性部材は、前記金属板の前記主面の上側から見て、環状に形成されており、前記フレームは、前記金属板の前記主面の上側から見て、環状に形成されていることが好ましい。
【００３７】
本発明の前記圧電型電気音響変換器において、前記第２弾性部材は、前記第２弾性部材の内側の周縁部にて前記金属板の周縁部と接合することが好ましい。
【００３８】
本発明の前記圧電型電気音響変換器において、前記圧電体膜は、前記フレーム、前記第１弾性部材、前記金属板、前記第２弾性部材、及び、前記電極のそれぞれと同心となるように配されていることが好ましい。
【００３９】
本発明の前記圧電型電気音響変換器において、前記圧電体膜は、圧電有機材料よりなることが好ましい。
【００４０】
本発明の前記圧電型電気音響変換器において、前記フレームは、前記貫通口内において前記第２弾性部材の端部と全周に渡って接合されていることが好ましい。
【００４１】
本発明の前記圧電型電気音響変換器において、前記圧電体膜上にて電極と他の圧電体膜とが交互に積層していることが好ましい。
【００４２】
本発明の第２の視点においては、電子機器において、前記圧電型電気音響変換器が実装されることを特徴とする。
【００４３】
なお、本発明の全開示（請求の範囲及び図面を含む）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、請求の範囲及び図面を含む全開示、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】
【００４４】
１、１０１  圧電型電気音響変換器
２  圧電アクチュエータ
１０、２５、２６  フレーム
１０ａ  貫通口
１１  弾性部材（第２弾性部材）
１１ａ  開口部
１２  金属板
１２ａ  溝部
１３  弾性部材（第１弾性部材）
１４  圧電体膜
１５  電極
１６、１７  リード線
１８  圧電体膜
１９  電極
２０  圧電体膜
２１  電極
２２、２３  配線
【図１】
2014239386.tif 000003
【図２】
2014239386.tif 000004
【図３】
2014239386.tif 000005
【図４】
2014239386.tif 000006
【図５】
2014239386.tif 000007