(57)【要約】【課題】圧空気圧損による音圧減衰と、圧電アクチュエータの裏面から放射された音波の干渉とを抑制できる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】複数の音孔１１、１２、１３、１４を有する筐体１０と、前記筐体１０の主面１０ａに対して振動面２０ａ、２１ａ、２２ａ、２３ａが垂直となるように前記筐体１０内に配置されるとともに、端部にて前記筐体１０に支持される複数の圧電アクチュエータ２０、２１、２２、２３と、を備え、前記複数の圧電アクチュエータ２０、２１、２２、２３は、所定の間隔をおいて並列に配置される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の音孔を有する筐体と、
前記筐体の主面に対して振動面が垂直となるように前記筐体内に配置されるとともに、端部にて前記筐体に支持される複数の圧電アクチュエータと、
を備え、
前記複数の圧電アクチュエータは、並列に配置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】
前記複数の圧電アクチュエータは、互いに形状が異な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】
前記複数の圧電アクチュエータは、互いに振動面の長さが異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４】
前記複数の圧電アクチュエータは、前記筐体の中心側に行くものほど長くなっていることを特徴とする請求項３記載の圧電型電気音響変換器。
【請求項５】
前記複数の音孔は、前記筐体の前記主面の周囲の傾斜した端面に設けられ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】
前記複数の音孔は、前記筐体の前記端面において前記筐体の前記主面に対して垂直方向に貫通するように形成されていることを特徴とする請求項５記載の圧電型電気音響変換器。
【請求項７】
前記複数の音孔は、前記筐体の中心から前記主面に対して水平方向において等間隔に配されていることを特徴とする請求項５又は６記載の圧電型電気音響変換器。
【請求項８】
前記複数の圧電アクチュエータは、前記筐体における傾斜した前記端面の領域の内部に配置されていることを特徴とする請求項５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】
前記音孔は、隣り合う前記圧電アクチュエータ間の部位に形成され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特徴とする電子装置。
【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端末においては、音楽再生、ハンズフリーなどの音響機能を商品価値とした薄型でスタイリッシュなデザインの開発が活発化している。こうした中、携帯端末に実装される電気音響変換器に対しては、小型・薄型でかつ高音質への要求が高く、従来の動電型電気音響変換器に代わり圧電型電気音響変換器の開発が活発になされている。
【０００３】
圧電型電気音響変換器は、圧電アクチュエータの伸縮運動を利用して音波を再生するものである（例えば、特許文献１参照）。このため、圧電型電気音響変換器は、磁石やボイスコイルを用いた動電型電気音響変換器と比べて、薄型化に優位である。また、圧電型電気音響変換器では、圧電アクチュエータ自体が駆動源と振動面を兼ねるため、振幅方向の両面から音波を放射させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−２１６９０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
以下の分析は、本願発明者により与えられる。
【０００６】
しかしながら、圧電アクチュエータは空気負荷によりイナータンスなどの音響因子の影響を受けやすく、実装スペースに制約を受ける薄型の携帯端末では、良好な音響特性を実現するのが困難になってきている。こうした中、下記の２つの問題が挙げられる。
【０００７】
第１の問題は、背面容量である。薄型の携帯端末では、圧電アクチュエータと、その下面と対向する壁面（筐体、基板等の壁面）との間のクリアランス（隙間）が狭小となるため、音響抵抗の負荷を受けて、空気圧損により音圧レベルは著しく減衰するという問題がある。
【０００８】
第２の課題は、音波の干渉である。圧電アクチュエータの場合、主面及び裏面の両面から音波を放射するため、主面から正相の音波が放射されるのに対して、裏面からは正相に対して位相が反転した逆相の音波が放射される。下面から放射された音波が上面からの音波を干渉することで、音圧レベルが減衰するという問題がある。
【０００９】
このため、圧電型電気音響変換器においては、空気圧損による音圧減衰と、圧電アクチュエータの裏面から放射された音波の干渉とを抑制できる画期的な手法が要求される。
【００１０】
本発明の主な課題は、圧空気圧損による音圧減衰と、圧電アクチュエータの裏面から放射された音波の干渉とを抑制できる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】
【００１１】
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、複数の音孔を有する筐体と、前記筐体の主面に対して振動面が垂直となるように前記筐体内に配置されるとともに、端部にて前記筐体に支持される複数の圧電アクチュエータと、を備え、前記複数の圧電アクチュエータは、所定の間隔をおいて並列に配置されることを特徴とする。
【００１２】
本発明の第２の視点においては、電子装置において、前記圧電型電気音響変換器が実装されること特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、空気圧損による音圧減衰と、圧電アクチュエータの下面から放射された音波の干渉とを抑制できるので、高い音圧レベルと、良好な音響特性を実現でき、高効率で大音量の再生が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る電子機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電子機器におけ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３】本発明の一実施形態に係る電子機器において用いられる複数種類の圧電アクチュエータの構成を模式的に示した断面図である。
【図４】比較例に係る電子機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】
【００１５】
本発明の一実施形態に係る電子機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電子機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電子機器におけ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３は、本発明の一実施形態に係る電子機器において用いられる複数種類の圧電アクチュエータの構成を模式的に示した断面図である。
【００１６】
電子機器１は、音響機能を有する携帯型の電子機器であり、例えば、携帯電話機、スマートフォン等の電子機器とすることができる（図１参照）。電子機器１は、筐体１０内に表示装置３０、配線基板３１、電池３２等の電子部品が実装された構成となっている。電子機器１は、音響機能として、圧電型電気音響変換器２を有する（図２参照）。
【００１７】
圧電型電気音響変換器２は、圧電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。圧電型電気音響変換器２は、主な構成部として、筐体１０と、圧電アクチュエータ２０、２１、２２、２３と、を有する。
【００１８】
筐体１０は、表示装置３０、配線基板３１、電池３２等の電子部品を実装するとともに圧電アクチュエータ２０、２１、２２、２３を保持する箱状の部材である。筐体１０は、表示装置３０の表示画面が表れる主面１０ａ（ユーザの顔に対向する面）を有し、主面１０ａの周囲の端部において、傾斜した端面１０ｂを有する。端面１０ｂは、主面１０ａ側から見えるように傾斜している。筐体１０は、端面１０ｂにおいて、外部から内部に貫通した複数の音孔１１、１２、１３、１４を有する。音孔１１、１２、１３、１４は、主面１０ａに対して垂直方向に貫通するように形成されている。これにより、音孔１１、１２、１３、１４は、圧電アクチュエータ２０、２１、２２、２３の主面２０ａ、２１ａ、２２ａ、２３ａに対して垂直方向に圧電アクチュエータ２０、２１、２２、２３の音波を放射することができる。音孔１１、１２、１３、１４は、筐体１０の中心から主面１０ａに対して水平方向において等間隔に配されている。筐体１０は、傾斜した端面１０ｂの領域の内部において、圧電アクチュエータ２０、２１、２２、２３の主面２０ａ、２１ａ、２２ａ、２３ａが筐体１０の主面１０ａに対して垂直となるように、並列で等間隔に配された圧電アクチュエータ２０、２１、２２、２３を保持する。筐体１０には、例えば、樹脂材料、合金等を用いることができる。
【００１９】
圧電アクチュエータ２０、２１、２２、２３は、圧電の電歪効果を利用して振動振幅を発生させるアクチュエータである。圧電アクチュエータ２０、２１、２２、２３は、図３（Ａ）のように、板状部材４１の端部にてフレーム４２と接合し、かつ、板状部材４１の主面上に圧電素子４０が接合した構成とすることができる。また、圧電アクチュエータ２０、２１、２２、２３は、図３（Ｂ）のように、板状部材４１の端部にてフレーム４２と接合し、板状部材４１の主面上に圧電素子４０が接合し、かつ、板状部材４１の裏面上に圧電素子４３が接合した構成とすることができる。圧電アクチュエータ２０、２１、２２、２３は、図３（Ｃ）のように、板状部材４１の裏面の端部近傍の部分にて弾性部材４４と接合し、弾性部材４４の外側の端部にてフレーム４２と接合し、かつ、板状部材４１の主面上に圧電素子４０が接合した構成とすることができる。また、圧電アクチュエータ２０、２１、２２、２３は、図３（Ｄ）のように、板状部材４１の裏面の端部近傍の部分にて弾性部材４４と接合し、弾性部材４４の外側の端部にてフレーム４２と接合し、板状部材４１の主面上に圧電素子４０が接合し、かつ、板状部材４１の裏面上に圧電素子４３が接合した構成とすることができる。なお、図３（Ａ）〜（Ｄ）のフレーム４２の代わりに筐体１０とすることができる。
【００２０】
圧電アクチュエータ２０、２１、２２、２３は、筐体１０の主面１０ａに対して垂直方向に延在するように配されている。つまり、圧電アクチュエータ２０、２１、２２、２３の振動面となる主面２０ａ、２１ａ、２２ａ、２３ａが筐体１０の主面１０ａに対して垂直となるように配されている。圧電アクチュエータ２０、２１、２２、２３は、延在方向の長さが圧電アクチュエータ２０、２１、２２、２３の順に長くなっている。つまり、圧電アクチュエータ２０、２１、２２、２３の延在方向の長さは、筐体１０の中心側に行くものほど長くなっている。圧電アクチュエータ２０、２１、２２、２３は、主面２０ａ、２１ａ、２２ａ、２３ａが互いに平行となるように並列に等間隔で配置されている。圧電アクチュエータ２０、２１、２２、２３は、筐体１０の傾斜した端面１０ｂの領域の内壁にて支持（保持、接合）されている。
【００２１】
圧電素子４０は、圧電の電歪効果を利用して振動振幅を発生させる素子である（図３（Ａ）〜（Ｄ）参照）。圧電素子４０は、圧電フィルム（圧電材料よりなるフィルム；例えば、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等の有機圧電材料）が電極（例えば、銀箔、リン青銅、ステンレス材料等）間に挟み込まれた構造となっている。圧電素子４０は、一方の電極からリード線（図示せず）を介して端子（図示せず）と電気的に接続されており、当該端子からの電気信号が印加され、他方の電極から板状部材４１及び他のリード線（図示せず）を介して他の端子（図示せず）と電気的に接続されており、当該他の端子からの電気信号が印加される。圧電素子４０は、板状部材４１の主面に接合（接着、貼合等でも可）しており、圧電素子４０の主面に対して垂直方向に板状部材４１で拘束される。
【００２２】
板状部材４１は、板状の部材である（図３（Ａ）〜（Ｄ）参照）。板状部材４１には、例えば、金属板を用いることができる。板状部材４１は、主面に対して上方から見て矩形状に形成されている。板状部材４１は、図３（Ａ）〜（Ｄ）の例では、主面上にて圧電素子４０と接合（接着等でも可）しており、図３（Ｂ）及び（Ｄ）の例では、裏面上にて圧電素子４３と接合（接着等でも可）している。板状部材４１は、筐体（図２の１０）の主面（図２の１０ａ）に対して直角方向に延在するように配されている。板状部材４１は、裏面における端部近傍の面にて、弾性部材４４を介してフレーム４２の壁面に支持されている。板状部材４１は、圧電素子４０を支持すると同時に、電気伝導が可能であるため、圧電素子４０の他方の電極としても使用できる。板状部材４１は、他のリード線（図示せず）を介して他の端子（図示せず）と電気的に接続され、当該他の端子からの電気信号を圧電素子４０の他の電極（図示せず）に印加させる役割を持つ。板状部材４１には、導電性を有し、かつ、振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）を用いることができ、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。
【００２３】
フレーム４２は、圧電アクチュエータ２０、２１、２２、２３の板状部材４１を直接（図３（Ａ）及び（Ｂ）参照）、又は、弾性部材４４を介して間接的（図３（Ｃ）及び（Ｄ）参照）に保持する部材である。フレーム４２は、内側の空間において枠状の側壁面を有する構成となっている。フレーム４２は、上方（図３の上側；板状部材４１の主面の上方）から見て矩形状に形成されている。フレーム４２は、内周壁面の複数の所定の位置にて板状部材４１と直接（図３（Ａ）及び（Ｂ）参照）、又は、弾性部材４４を介して間接的（図３（Ｃ）及び（Ｄ）参照）に接合（接着、圧入、圧接、嵌合等でも可）している。フレーム４２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。なお、フレーム４２の代わりに筐体（図２の１０）を用いてもよい。
【００２４】
圧電素子４３は、圧電の電歪効果を利用して振動振幅を発生させる素子である（図３（Ｂ）及び（Ｄ）参照）。圧電素子４３は、圧電フィルム（圧電材料よりなるフィルム；例えば、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等の有機圧電材料）が電極（例えば、銀箔、リン青銅、ステンレス材料等）間に挟み込まれた構造となっている。圧電素子４３は、一方の電極からリード線（図示せず）を介して端子（図示せず）と電気的に接続されており、当該端子からの電気信号が印加され、他方の電極から板状部材４１及び他のリード線（図示せず）を介して他の端子（図示せず）と電気的に接続されており、当該他の端子からの電気信号が印加される。圧電素子４３は、板状部材４１の裏面に接合（接着、貼合等でも可）しており、圧電素子４３の主面に対して垂直方向に板状部材４１で拘束される。
【００２５】
弾性部材４４は、弾性を有する部材である（図３（Ｃ）及び（Ｄ）参照）。弾性部材４４は、圧電アクチュエータ２０、２１、２２、２３の板状部材４１の裏面における端面近傍の部分と接合しており、外側の端部にてフレーム４２の壁面と接合している。弾性部材４４を用いることにより、復元力と内部損失を利用することができる。弾性材料４４には、例えば、ウレタンゴム、二トリル系ゴム等の弾性を有する材料を用いることができる。
【００２６】
次に、本発明の一実施形態に係る電子機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、比較例に係る電子機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。
【００２７】
なお、比較例に係る電子機器１０１は、圧電アクチュエータ５０を１つとし、筐体１０の傾斜した端面１０ｂの領域の内部において、圧電アクチュエータ５０の主面５０ａが筐体１０の主面１０ａに対して平行となるように実装したものである（図４参照）その他の構成は、実施形態と同様である。
【００２８】
図５の周波数音圧特性（パラメトリックスピーカとして復調させた音を示したもの）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３の１）では、周波数音圧特性が比較的に平坦である。
【００２９】
本実施形態によれば、筐体１０の主面１０ａに対して振動面が垂直となるように複数の圧電アクチュエータ２０、２１、２２、２３を筐体１０内に配置し、圧電アクチュエータ２０、２１、２２、２３の主面に対して垂直方向から音波が放射するように筐体１０に音孔１１、１２、１３、１４を設けることで、圧空気圧損による音圧減衰と、圧電アクチュエータの下面から放射された音波の干渉とを抑制でき、高い音圧レベルと、良好な音響特性を実現でき、高効率で大音量の再生が可能となる。
【００３０】
一般的に、圧電アクチュエータは、駆動エネルギーが共振周波数近傍に集中するため、共振周波数では高い音圧レベルが得られるが、それ以外の帯域では音圧レベルが減衰する。これに対して、本実施形態の構成では、異なる共振周波数を持つ複数の圧電アクチュエータ２０、２１、２２、２３から音波を放射させるため、互いに音圧レベルが低い帯域を補完でき、再生周波数の全域で音圧レベルが向上する。
【００３１】
また、本実施形態によれば、互いに異なる長さないし形状の圧電アクチュエータ２０、２１、２２、２３からの音波を干渉させることで、音圧の増加と周波数音圧特性の平坦化が実現できる。
【００３２】
また、本実施形態によれば、隣り合うアクチュエータ２０、２１、２２、２３は互いに異なる共振周波数を有することから、アクチュエータ２０、２１、２２、２３の裏面と主面２０ａ、２１ａ、２２ａ、２３ａとの音波によりキャンセリングを防止することができ、音圧レベルが向上する。
【００３３】
また、本実施形態によれば、圧電アクチュエータ２０、２１、２２、２３が筐体１０の傾斜した端面１０ｂの領域の内部に実装されることで、筐体１０のデッドスペースを有効利用でき、実装効率を向上させることができる。
【００３４】
また、本実施形態によれば、２０ＫＨｚ以上の超音波を発振することもでき、パラメトリックスピーカへの応用も可能である。
【００３５】
また、本実施形態によれば、周波数を超音波に限定することで、音波の指向性が高くなり、垂直面から放射する音波の放射効率を向上させることができる。
【００３６】
以上のように、本実施形態の構成では、電気音響変換器では高い音圧レベルと、良好な音響特性を実現できることから、その工業価値は大きい。
【００３７】
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。
【００３８】
（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、複数の音孔を有する筐体と、前記筐体の主面に対して振動面が垂直となるように前記筐体内に配置されるとともに、端部にて前記筐体に支持される複数の圧電アクチュエータと、を備え、前記複数の圧電アクチュエータは、並列に配置されることを特徴とする。
【００３９】
本発明の前記圧電型電気音響変換器において、前記複数の圧電アクチュエータは、互いに形状が異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、前記複数の圧電アクチュエータは、互いに振動面の長さが異なることが好ましい。
【００４１】
本発明の前記圧電型電気音響変換器において、前記複数の圧電アクチュエータは、前記筐体の中心側に行くものほど長くなっていることが好ましい。
【００４２】
本発明の前記圧電型電気音響変換器において、前記複数の音孔は、前記筐体の前記主面の周囲の傾斜した端面に設けられることが好ましい。
【００４３】
本発明の前記圧電型電気音響変換器において、前記複数の音孔は、前記筐体の前記端面において前記筐体の前記主面に対して垂直方向に貫通するように形成されていることが好ましい。
【００４４】
本発明の前記圧電型電気音響変換器において、前記複数の音孔は、前記筐体の中心から前記主面に対して水平方向において等間隔に配されていることが好ましい。
【００４５】
本発明の前記圧電型電気音響変換器において、前記複数の圧電アクチュエータは、前記筐体における傾斜した前記端面の領域の内部に配置されていることが好ましい。
【００４６】
本発明の前記圧電型電気音響変換器において、前記音孔は、隣り合う前記圧電アクチュエータ間の部位に形成されていることが好ましい。
【００４７】
本発明の第２の視点においては、電子装置において、前記圧電型電気音響変換器が実装されること特徴とする。
【００４８】
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】
【００４９】
１、１０１  電子機器
２  圧電型電気音響変換器
１０  筐体
１０ａ  主面
１０ｂ  端面
１１、１２、１３、１４  音孔
２０、２１、２２、２３、５０  圧電アクチュエータ
２０ａ、２１ａ、２２ａ、２３ａ、５０ａ  主面（振動面）
３０  表示装置
３１  配線基板
３２  電池
４０  圧電素子
４１  板状部材
４２  フレーム
４３  圧電素子
４４  弾性部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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