(57)【要約】  スピーカ装置（１００）は、回路基板（１０）と、圧電素子（２０）と、圧電素子（２０）と回路基板（１０）との間に配置されているスペーサ（３０）と、空気室（４０）と、を有している。スペーサ（３０）は、圧電素子（２０）と回路基板（１０）との間に内部空間（３１）が形成されるように、圧電素子（２０）を回路基板（１０）に対して固定している。内部空間（３１）と空気室（４０）とが連通している。例えば、内部空間（３１）と空気室（４０）とが空気媒体のみを介して連通している。
2013183098.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路基板と、
振動により音波を放射する圧電素子と、
前記圧電素子と前記回路基板との間に配置され、前記圧電素子と前記回路基板との間に内部空間が形成されるように、前記圧電素子を前記回路基板に固定しているスペーサと、
前記内部空間とは別個に設けられた空気室と、
を有し、
前記内部空間と前記空気室とが連通しているスピーカ装置。
【請求項２】
前記内部空間と前記空気室とが空気媒体のみを介して連通している請求項１に記載のスピーカ装置。
【請求項３】
前記内部空間と前記空気室とを合わせた空間が閉じた空間となっている請求項１又は２に記載のスピーカ装置。
【請求項４】
前記空気室は前記回路基板を挟んで前記圧電素子及び前記スペーサとは反対側に配置され、
前記内部空間と前記空気室とは、前記回路基板に形成された貫通孔を介して相互に連通している請求項１乃至３の何れか一項に記載のスピーカ装置。
【請求項５】
前記空気室と前記スペーサとが前記回路基板の同一の面に配置されている請求項１乃至３の何れか一項に記載のスピーカ装置。
【請求項６】
前記空気室と前記スペーサとが互いに隣接して配置され、前記内部空間と前記空気室とは、前記スペーサに形成された貫通孔を介して相互に連通している請求項５に記載のスピーカ装置。
【請求項７】
前記空気室が前記内部空間よりも広い請求項１乃至６の何れか一項に記載のスピーカ装置。
【請求項８】
スピーカ装置を有し、
前記スピーカ装置は、
回路基板と、
振動により音波を放射する圧電素子と、
前記圧電素子と前記回路基板との間に配置され、前記圧電素子と前記回路基板との間に内部空間が形成されるように、前記圧電素子を前記回路基板に固定しているスペーサと、
前記内部空間とは別個に設けられた空気室と、
を有し、
前記内部空間と前記空気室とが連通している電子機器。
【請求項９】
前記内部空間と前記空気室とが空気媒体のみを介して連通している請求項８に記載の電子機器。
【請求項１０】
前記内部空間と前記空気室とを合わせた空間が閉じた空間となっている請求項８又は９に記載の電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピーカ装置及び電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話機に代表されるように、音響機能（音楽再生機能、ハンズフリー通話機能など）を有する各種の小型の電子機器が開発されている。それらの電子機器に対しては、更なる小型化・薄型化への強い要求が常に存在する。【０００３】
音響機能を担うスピーカ装置に対しては、小型化・薄型化への要求に加えて、高音質化への要求もある。このような状況の中、動電型に代わる圧電型の薄型スピーカ装置の開発が活発になされている。【０００４】
特許文献１、２には、スピーカを構成する圧電素子を、スペーサを介してケース及び液晶表示モジュールに固定することが記載されている。更に、特許文献１、２には、スペーサの内部空間を導音路に連通させることが記載されている。【０００５】
特許文献３には、圧電素子を表面板に設け、この表面板をスペーサを介して背面板と接続した圧電スピーカについて記載されている。【０００６】
特許文献４には、圧電素子を、スペーサを介して板状の絶縁カバーに設けることによって、圧電素子と絶縁カバーとの間に第１空気室を形成し、絶縁カバーにおける第１空気室とは反対側の面に第２空気室を設けることが記載されている。第１空気室と第２空気室との間には、絶縁カバーに形成された制動孔が配置されている。特許文献４の技術は、スピーカの制振に関するものである。第１空気室と第２空気室との間には、発泡性プラスチックからなるブロック状の制動体または不織布やプラスチックメッシュ布等の制動膜が配置されており、第１空気室と第２空気室とは直接的には連通していない。【０００７】
特許文献５には、マイクロホンを構成する圧電性ダイヤフラムを、スペーサを介して印刷回路に固定することが記載されている。スペーサの内部空間は、圧電性ダイヤフラムと印刷回路との間に位置する壁によって２つの空間に分割され、これら空間は、壁に形成された孔を介して連通している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−１２４６３４号公報
【特許文献２】特開２００８−０７９１８０号公報
【特許文献３】特開平１１−１１３０９３号公報
【特許文献４】実開昭６３−０９０３９５号公報
【特許文献５】特開昭５９−１７４０９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
圧電型のスピーカ装置は、圧電素子の伸縮運動を利用して音波を再生する。このため、磁石やボイスコイルから構成される動電型スピーカ装置に比べて薄型化に有利である。また、圧電素子自体が駆動源と振動面とを兼ねるため、振幅方向の両面からそれぞれ音波を放射させることができるという利点もある。【００１０】
しかし、圧電素子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い。このため、実装スペースに制約がある薄型携帯電話などの小型電子機器に圧電型のスピーカ装置を搭載する場合、良好な音響特性を実現するためにはいくつかの課題がある。【００１１】
第一の課題は、背面容量の不足による音圧レベルの低下である。薄型携帯電話などの小型電子機器では、圧電素子と、当該圧電素子の背面に位置する基板とのクリアランスが狭小となる。このため、圧電素子が音響抵抗の負荷を受けて、音圧レベルが著しく減衰してしまう。【００１２】
第二の課題は、音波の干渉による音圧レベルの低下である。圧電素子の場合、表裏両面から音波を放射する。ここで、表面からは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。このため、圧電素子の両面から放射された音波が互いに干渉することによって、音圧レベルが減衰してしまう。【００１３】
本発明の目的は、音圧レベルを容易に向上させることが可能な圧電型のスピーカ装置及び電子機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、回路基板と、
振動により音波を放射する圧電素子と、
前記圧電素子と前記回路基板との間に配置され、前記圧電素子と前記回路基板との間に内部空間が形成されるように、前記圧電素子を前記回路基板に固定しているスペーサと、
前記内部空間とは別個に設けられた空気室と、
を有し、
前記内部空間と前記空気室とが連通しているスピーカ装置を提供する。【００１５】
また、本発明は、
スピーカ装置を有し、
前記スピーカ装置は、
回路基板と、
振動により音波を放射する圧電素子と、
前記圧電素子と前記回路基板との間に配置され、前記圧電素子と前記回路基板との間に内部空間が形成されるように、前記圧電素子を前記回路基板に固定しているスペーサと、
前記内部空間とは別個に設けられた空気室と、
を有し、
前記内部空間と前記空気室とが連通している電子機器を提供する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、音圧レベルを容易に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。【００１８】
【図１】第１の実施形態に係るスピーカ装置の模式図である。
【図２】スピーカ装置の発振装置の模式的な断面図である。
【図３】圧電素子の層構造を示す模式的な断面図である。
【図４】第１の実施形態に係るスピーカ装置の他の例を示す模式的な断面図である。
【図５】第１の実施形態に係る電子機器の模式的な断面図である。
【図６】第２の実施形態に係るスピーカ装置の模式的な断面図である。
【図７】第２の実施形態に係る電子機器の模式的な断面図である。
【図８】比較例に係るスピーカ装置を有する電子機器の模式的な断面図である。
【図９】第１の実施形態、第２の実施形態及び比較例のそれぞれにおける音声出力特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様の構成要素には同一の符号を付し、適宜に説明を省略する。
【００２０】
〔第１の実施形態〕
図１は第１の実施形態に係るスピーカ装置１００の模式図である。このうち図１（ｂ）は平面図、図１（ａ）は図１（ｂ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図４は第１の実施形態に係るスピーカ装置１００の他の例を示す模式的な断面図である。
【００２１】
図１に示すように、本実施形態に係るスピーカ装置１００は、回路基板１０と、振動により音波を放射する圧電素子２０と、圧電素子２０と回路基板１０との間に配置されているスペーサ３０と、空気室４０と、を有している。スペーサ３０は、圧電素子２０と回路基板１０との間にスペーサ３０の内部空間３１が形成されるように、圧電素子２０を回路基板１０に対して固定している。換言すれば、圧電素子２０は、圧電素子２０と回路基板１０との間に内部空間３１が形成されるように、スペーサ３０を介して回路基板１０に対して固定されている。空気室４０は、内部空間３１とは別個に設けられている。内部空間３１と空気室４０とが連通している。
【００２２】
内部空間３１と空気室４０とを合わせた空間は、圧電素子２０の後気室として機能する。すなわち、内部空間３１に空気室４０を付加することによって。後気室が構成されている。このため、後気室の容量を十分に確保することができる。また、空気室４０を配置する場所は、圧電素子２０及びスペーサ３０を配置する場所とは独立して設定することができるため、空気室４０のレイアウト上の制約は緩い。
【００２３】
内部空間３１と空気室４０とを合わせた空間、すなわち後気室は、閉じた空間となっている。このため、圧電素子２０の裏面側から放射された音波は、この空間内に閉じ込められる。つまり、圧電素子２０の裏面側から放射された音波の音漏れを抑制できる。このため、圧電素子２０の裏面側から放射された音波と、圧電素子２０の表側から放射された音波と、の干渉を抑制できる。
【００２４】
例えば、空気室４０内の空間は、内部空間３１よりも広い。このようにすることにより、後気室における音響容量を十分に確保でき、音質を向上させることができる。
【００２５】
本実施形態の場合、空気室４０は回路基板１０を挟んで圧電素子２０及びスペーサ３０とは反対側に配置されている。内部空間３１と空気室４０とは、回路基板１０に形成された貫通孔１１を介して相互に連通している。つまり、本実施形態の場合、圧電素子２０の裏面側から放射された音波を回路基板１０、スペーサ３０及び空気室４０によって遮蔽するようになっている。
【００２６】
ここで、スペーサ３０の内部空間３１と空気室４０とは、空気媒体のみを介して連通している。換言すれば、貫通孔１１内、または貫通孔１１に面する領域には、特許文献４に記載された制動体や制動膜のような実体のある部材が存在しておらず、内部空間３１と空気室４０とが直接的に連通している。
【００２７】
スペーサ３０は、例えば、筒状に形成されている。より具体的には、例えば、スペーサ３０は、軸方向における長さが、その外径よりも短い筒状をなしている。
【００２８】
図２はスピーカ装置１００の発振装置の模式的な断面図である。
【００２９】
発振装置は、例えば、シート状の振動部材６１と、シート状の弾性部材６２と、圧電素子２０と、支持部材６４と、を備えている。
【００３０】
振動部材６１は、例えば、樹脂フィルムにより構成されている。弾性部材６２は、振動部材６１の一方の面に取り付けられている。圧電素子２０は、弾性部材６２における振動部材６１側とは反対側の面に取り付けられている。
【００３１】
支持部材６４は、振動部材６１の縁を支持している。なお、支持部材６４は、図１（ａ）に示すように上記のスペーサ３０と一体に構成（スペーサ３０の一部分として構成）されていても良いし、図４に示すようにスペーサ３０とは別体に構成され且つ該スペーサ３０により支持されていても良い。
【００３２】
弾性部材６２は、圧電素子２０から発生した振動によって振動し、例えば周波数が２０ｋＨｚ以上の音波を発振する。圧電素子２０も、自身が振動することによって、例えば周波数が２０ｋＨｚ以上の音波を発振する。振動部材６１も、圧電素子２０から発生した振動によって振動し、例えば周波数が２０ｋＨｚ以上の音波を発振する。
【００３３】
弾性部材６２は、圧電素子２０の基本共振周波数を調整する。機械振動子の基本共振周波数は、負荷重量と、コンプライアンスに依存する。コンプライアンスは振動子の機械剛性であるため、弾性部材６２の剛性を制御することにより、圧電素子２０の基本共振周波数を制御することができる。弾性部材６２の厚みは５μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。弾性部材６２は、剛性を示す指標である縦弾性係数が１Ｇｐａ以上５００ＧＰａ以下であることが好ましい。弾性部材６２を構成する材料は、金属や樹脂など、脆性材料である圧電素子２０に対して高い弾性率を持つ材料であれば特に限定されないが、加工性やコストの観点からリン青銅やステンレスなどが好ましい。
【００３４】
圧電素子２０の平面形状は、例えば円形である。ただし圧電素子２０の平面形状は円形に限定されない。圧電素子２０は、弾性部材６２に対向する面の全面が接着剤によって弾性部材６２に固定されている。これにより、圧電素子２０の片面の全面が弾性部材６２によって拘束されている。
【００３５】
入力部５０は、圧電素子２０にパラメトリックスピーカ用の変調信号を入力することによって、圧電素子２０より超音波を発振させる。変調信号の輸送波は、例えば、周波数が２０ｋＨｚ以上の超音波であり、具体的には、例えば１００ｋＨｚの超音波である。入力部５０は、所定の発振出力となるように圧電素子２０を制御する。
【００３６】
図３は、圧電素子２０の厚さ方向の層構造を示す断面図である。圧電素子２０は、圧電体２１、上面電極２２及び下面電極２３を有している。
【００３７】
圧電体２１は厚さ方向に分極している。圧電体２１を構成する材料は、圧電効果を有する材料であれば、無機材料及び有機材料のいずれであってもよい。ただし、圧電体２１を構成する材料は、電気機械変換効率が高い材料、例えばジルコン酸チタン酸塩（ＰＺＴ）やチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）であるのが好ましい。圧電体２１の厚さは、例えば１０μｍ以上１ｍｍ以下である。
【００３８】
上面電極２２及び下面電極２３を構成する材料は特に限定されないが、例えば、銀や銀／パラジウムを使用することができる。銀は低抵抗で汎用的な電極材料として使用されているため、製造プロセスやコストなどに利点がある。銀／パラジウムは耐酸化に優れた低抵抗材料であるため、信頼性の観点から利点がある。また、上面電極２２及び下面電極２３の厚さは特に限定されないが、その厚さが１μｍ以上５０μｍ以下であるのが好ましい。
【００３９】
入力部５０は、上面電極２２及び下面電極２３に対し、パラメトリックスピーカ用の変調信号を入力する。
【００４０】
パラメトリックスピーカは、複数の発振源それぞれからＡＭ変調やＤＳＢ変調、ＳＳＢ変調、ＦＭ変調をかけた超音波（輸送波）を空気中に放射し、超音波が空気中に伝播する際の非線形特性により、可聴音を出現させるものである。ここでの非線形とは、流れの慣性作用と粘性作用の比で示されるレイノルズ数が大きくなると、層流から乱流に推移することを示す。音波は流体内で微少にじょう乱しているため、音波は非線形で伝播している。特に超音波周波数帯では音波の非線形性が容易に観察できる。そして超音波を空気中に放射した場合、音波の非線形性に伴う高調波が顕著に発生する。また音波は、空気中において分子密度に濃淡が生じる疎密状態である。そして空気分子が圧縮するよりも復元するのに時間を要した場合、圧縮後に復元できない空気が、連続的に伝播する空気分子と衝突し、衝撃波が生じる。この衝撃波により可聴音が発生する。
【００４１】
図５（ａ）及び図５（ｂ）は、それぞれ第１の実施形態に係る電子機器１５０の模式的な断面図である。
【００４２】
図５に示すように、電子機器１５０は、スピーカ装置１００を有している。電子機器１５０は、例えば、携帯電話機或いはその他の小型の携帯端末装置である。電子機器１５０は、スピーカ装置１００の他に、例えば、筐体１１０と、液晶表示装置１２０と、二次電池１３０と、カメラ１４０と、を有している。スピーカ装置１００、液晶表示装置１２０、二次電池１３０及びカメラ１４０が筐体１１０内に設けられている。回路基板１０上には、圧電素子２０の駆動用の回路である入力部５０（図２）の他に、液晶表示装置１２０の動作制御用の回路、カメラ１４０の動作制御用の回路などが設けられている。
【００４３】
筐体１１０は、例えば、扁平な箱形形状である。筐体１１０の一方の面には、液晶表示装置１２０の表示画面１２１を電子機器１５０の外面に露出させる開口１１２が形成されている。更に、筐体１１０の一方の面（開口１１２が形成されている面）には、圧電素子２０の表側の面と対向する音孔１１１が形成されている。これにより、表示画面１２１が形成されている面から音声を出力することができる。この場合、液晶表示装置１２０と圧電素子２０とは、回路基板１０を基準として同じ側に配置されている。
【００４４】
支持部材６４と筐体１１１の内面との間には、圧電素子２０等から発振される音波を音孔１１１へ導く導音壁２５が設けられている。なお、導音壁２５は、図５（ａ）に示すように上記のスペーサ３０と一体に構成（スペーサ３０の一部分として構成）されていても良い。或いは、導音壁２５は、図５（ｂ）に示すようにスペーサ３０とは別体に構成され且つ該スペーサ３０により支持（例えば支持部材６４を介してスペーサ３０により支持）されていても良い。
【００４５】
ここで、近年、小型の携帯端末装置の表示画面１２１の面積が拡大する傾向があるため、圧電素子２０の配置スペースが制約を受けつつある。特に、圧電素子２０の後気室のスペースの確保が困難となりつつある。
【００４６】
このような事情に対し、本実施形態では、回路基板１０に貫通孔１１を形成し、回路基板１０の裏面側に空気室４０を配置することによって、回路基板１０の裏面側のスペースを利用して、後気室を形成（より具体的には後気室を拡大）することができる。
【００４７】
以上のような第１の実施形態によれば、スピーカ装置１００は、圧電素子２０がスペーサ３０を介して回路基板１０に固定され、且つ、圧電素子２０と回路基板１０との間に内部空間３１が形成されている。更に、スピーカ装置１００は、内部空間３１とは別個に設けられた空気室４０を有し、内部空間３１と空気室４０とが連通している。これにより、圧電素子２０の背面側の音響空間すなわち後気室の容量を十分に確保でき、音質を改善することができる。ここで、空気室４０は、スペーサ３０とは独立して配置されているため、空気室４０のレイアウト上の制約は緩い。このため、スピーカ装置１００の実装上の制約を極力低減しつつ、より良好な音響特性を実現することができる。
【００４８】
また、内部空間３１と空気室４０とを合わせた空間が閉じた空間となっている。これにより、圧電素子２０の裏面側から放射された音波の音漏れを抑制でき、圧電素子２０の裏面側から放射された音波と、圧電素子２０の表側から放射された音波と、の干渉を抑制できる。
【００４９】
また、空気室４０は回路基板１０を挟んで圧電素子２０及びスペーサ３０とは反対側に配置され、スペーサ３０の内部空間３１と空気室４０とは、回路基板１０に形成された貫通孔１１を介して相互に連通している。よって、回路基板１０を基準として圧電素子２０と同じ側の空間のレイアウト上の制約を緩くできるとともに、回路基板１０を基準として圧電素子２０とは反対側の空間を有効利用することができる。
【００５０】
また、空気室４０がスペーサ３０の空間よりも広いことにより、後気室の容量を十分に確保でき、音質を改善することができる。
【００５１】
〔第２の実施形態〕
図６は第２の実施形態に係るスピーカ装置２００の模式的な断面図である。本実施形態に係るスピーカ装置２００は、以下に説明する点でのみ、上記の第１の実施形態に係るスピーカ装置１００と相違し、その他の点については、スピーカ装置１００と同様に構成されている。
【００５２】
本実施形態の場合、圧電素子２０及びスペーサ３０と、空気室４０と、が回路基板１０の同一の面に配置されている。
【００５３】
より具体的には、例えば、空気室４０とスペーサ３０とが互いに隣接して配置されている。そして、内部空間３１と空気室４０とは、スペーサ３０に形成された貫通孔３２を介して相互に連通している。
【００５４】
図７は第２の実施形態に係る電子機器２５０の模式的な断面図である。本実施形態に係る電子機器２５０は、スピーカ装置１００に代えてスピーカ装置２００を有している点でのみ、上記の第１の実施形態に係る電子機器１５０と相違し、その他の点については、電子機器１５０と同様に構成されている。
【００５５】
なお、筐体１１０内のスペースの効率化を図るため、空気室４０は、液晶表示装置１２０と回路基板１０との間に配置されていることが好ましい。
【００５６】
以上のような第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５７】
ここで、上記の第１の実施形態に係る電子機器１５０と、上記の第２の実施形態に係る電子機器２５０と、比較例に係る電子機器３５０と、のそれぞれの音声出力特性について説明する。
【００５８】
図８に示すように、比較例に係る電子機器３５０は、上記の発振装置（図２）に代えて、動電型スピーカ７０を有する点でのみ第１の実施形態に係る電子機器１５０と相違し、その他の点では、電子機器１５０と同様に構成されている。
【００５９】
図９は、電子機器１５０、２５０、３５０のそれぞれにおける音声出力特性を示す図であり、横軸は周波数（単位：Ｈｚ）、縦軸は音圧レベル（単位：ｄＢ）を示す。図９に示すように、第１及び第２の実施形態に係る電子機器１５０、２５０によれば、可聴音域において、比較例に係る電子機器３５０と比べて、高い音圧レベルを実現することができる。
【００６０】
この出願は、２０１２年６月６日に出願された日本出願特願２０１２−１２８８１３を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【図１】
2013183098.tif 000003
【図２】
2013183098.tif 000004
【図３】
2013183098.tif 000005
【図４】
2013183098.tif 000006
【図５】
2013183098.tif 000007
【図６】
2013183098.tif 000008
【図７】
2013183098.tif 000009
【図８】
2013183098.tif 000010
【図９】
2013183098.tif 000011
【国際調査報告】
2013183098.tif 000012
2013183098.tif 000013
2013183098.tif 000014
2013183098.tif 000015