(57)【要約】【課題】分割振動の発生を抑制でき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】振動板１２と、前記振動板の一方の主面上にて前記振動板に接合された第１圧電体膜１３と、前記振動板の他方の主面上にて前記振動板に接合された第２圧電体膜１５と、貫通口１０ａを有するフレーム１０と、前記振動板と接合するとともに前記貫通口の壁面と接合する弾性部材１１と、を備え、前記第２圧電体膜は、前記第１圧電体膜と剛性が異なる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動板と、
前記振動板の一方の主面上にて前記振動板に接合された第１圧電体膜と、
前記振動板の他方の主面上にて前記振動板に接合された第２圧電体膜と、
貫通口を有するフレームと、
前記振動板と接合するとともに前記貫通口の壁面と接合する弾性部材と、
を備え、
前記第２圧電体膜は、前記第１圧電体膜と剛性が異な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圧電体膜は、円形に形成されており、
前記第２圧電体膜は、中心部から径方向に複数本延在した部分を有する形状に形成されてい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】
前記第２圧電体膜は、十字形状であ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】
前記第２圧電体膜の膜厚は、前記第１圧電体膜の膜厚と異な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圧電体膜の材料は、前記第１圧電体膜の材料と異な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】
前記第２圧電体膜の中心部上に接合された慣性体を備え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】
前記振動板は、円形に形成されており、
前記第２弾性部材は、環状に形成されており、
前記フレームは、環状に形成されてい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】
前記弾性部材は、前記弾性部材の内側の周縁部にて前記振動板の周縁部と接合す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い。これらの要望を解決する手段としては、振動板に接合された圧電素子を駆動源とする圧電型電気音響変換器が開発されている（例えば、特許文献１、２参照）。圧電型音響変換器は、圧電素子の自己伸縮運動を利用するため、磁気回路から構成される動電型電気音響変換器より、薄型となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１７５２９８号公報
【特許文献２】実開昭５８−１８４９９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
以下の分析は、本願発明者により与えられる。
【０００５】
しかしながら、圧電型音響変換器は、機械品質係数Ｑが高く、共振周波数近傍にエネルギーが集中するため、凹凸のある音圧レベル周波数特性になる。また、圧電素子では、基本共振周波数以降の高次振動モードにおいて、分割振動を発生する問題点がある。ここで、分割振動とは、振動板が一体ではなく分割したように振動する高次の振動モードであり、基本振動モードが重畳することで成長する。ここでは、振動板において局所的に正相と逆相の振動姿態が重なり合い、音波放射に際に、干渉（キャンセリング）が発生し、音圧レベルが著しく低下する問題がある。このため、圧電素子を用いた圧電型電気音響変換器においては、分割振動の発生を抑制できる画期的な技術が必要とされる。
【０００６】
本発明の主な課題は、分割振動の発生を抑制でき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】
【０００７】
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、振動板と、前記振動板の一方の主面上にて前記振動板に接合された第１圧電体膜と、前記振動板の他方の主面上にて前記振動板に接合された第２圧電体膜と、貫通口を有するフレームと、前記振動板と接合するとともに前記貫通口の壁面と接合する弾性部材と、を備え、前記第２圧電体膜は、前記第１圧電体膜と剛性が異なることを特徴とする。
【０００８】
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】
【０００９】
本発明によれば、圧電体膜１３と圧電体膜１５との剛性を異なるようにすることで、分割振動の発生を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【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展開斜視図である。
【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断面図である。
【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構成を模式的に示した平面図である。
【図４】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底面図である。
【図５】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６】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】
【００１１】
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展開斜視図である。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断面図である。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構成を模式的に示した平面図である。図４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底面図である。
【００１２】
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することができる。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を介して振動板１２が装着され、振動板１２の上面（図２の上側の面）に圧電体膜１３を介して電極１４が配され、振動板１２の下面（図２の下側の面）に圧電体膜１５を介して電極１６が配され、電極１６の下面（図２の下側の面）に慣性体１７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、振動板１２と、圧電体膜１３と、電極１４と、圧電体膜１５と、電極１６と、慣性体１７と、リード線１８、１９、２０と、を有する（図１、図２参照）。
【００１３】
フレーム１０は、弾性部材１１と振動板１２と圧電体膜１３と電極１４と圧電体膜１５と電極１６と慣性体１７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（図１〜図４参照）。フレーム１０は、弾性部材１１を介して振動板１２を支持する。フレーム１０は、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、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。
【００１４】
弾性部材１１は、振動板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（図１〜図４参照）。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、環状に形成されている。弾性部材１１は、上面（図２の上側の面）における内側の周縁部にて、円形状の振動板１２の下面（図２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、全周に渡ってフレーム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、振動板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、絶縁性及び弾性を有する材料が用いられ、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。
【００１５】
振動板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（図１〜図４参照）。振動板１２は、円形状（楕円形状でも可）に形成されている。振動板１２は、フレーム１０の貫通口１０ａの内壁面から離れており、下面（図２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。振動板１２は、圧電体膜１３、電極１４、圧電体膜１５、及び、電極１６に対して外径が大きい。振動板１２は、上面（図２の上側の面）における中央にて、圧電体膜１３と接合（接着等でも可）しており、下面（図２の上側の面）における中央にて、圧電体膜１５と接合（接着等でも可）している。振動板１２は、圧電体膜１３、電極１４、圧電体膜１５、及び、電極１６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１３の電極としても使用できる。振動板１２は、リード線１９と電気的に接続されており、リード線１９からの電気信号を圧電体膜１３、１５に印加させる役割を持つ。振動板１２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）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。
【００１６】
圧電体膜１３は、振動板１２と電極１４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（図１、図２参照）。圧電体膜１３は、上面（図２の上側の主面）にて電極１４と接合（接着、貼合等でも可）し、下面（図２の下側の主面）にて振動板１２と接合（接着、貼合等でも可）している。圧電体膜１３は、円形状（楕円形状でも可）に形成されている。圧電体膜１３は、フレーム１０、弾性部材１１、振動板１２、電極１４、圧電体膜１５、及び、電極１６のそれぞれと同心となるように配されている。圧電体膜１３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１３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１３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１３が金属膜（電極１４と同様なもの）とユニットになっている場合、圧電体膜１３と振動板１２との間には金属膜があってもよい。
【００１７】
電極１４は、圧電体膜１３上に形成された導電体よりなる膜状の部材である（図１〜図３参照）。電極１４は、圧電体膜１３と接合（接着、貼合等でも可）している。電極１４は、円形状（楕円形状でも可）に形成されている。電極１４は、弾性部材１１に対して離れている。電極１４は、フレーム１０の貫通口１０ａの内壁面から離れている。電極１４は、リード線１８と電気的に接続されており、リード線１８からの電気信号を圧電体膜１３に印加させる役割を持つ。電極１４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、振動板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。
【００１８】
圧電体膜１５は、振動板１２と電極１６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（図１、図２参照）。圧電体膜１５は、上面（図２の上側の主面）にて振動板１２と接合（接着、貼合等でも可）し、下面（図２の下側の主面）にて電極１６と接合（接着、貼合等でも可）している。圧電体膜１５は、圧電体膜１３と剛性が異なる。圧電体膜１５は、圧電体膜１３と剛性を異なるようにするために、中心部から径方向に複数本延在した部分を有する形状（例えば、図１では中心部から等角度に径方向に４本延在した部分を有する十字形状）に形成することができる。なお、圧電体膜１５は、圧電体膜１３の形状、膜厚、材料等の構成要素のいずれかと異なるようにして、圧電体膜１３と剛性を異なるようにしてもよい。圧電体膜１５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１５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１５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１５は、圧電体膜１３の形状、膜厚等の構成要素（材料以外の構成要素）のいずれかと異なるようにして圧電体膜１３と同じ材料を用いることができ、圧電体膜１３の形状、膜厚等の構成要素（材料以外の構成要素）と同じにして圧電体膜１３と異なる材料を用いることができる。また、圧電体膜１５が金属膜（電極１６と同様なもの）とユニットになっている場合、圧電体膜１５と振動板１２との間には金属膜があってもよい。
【００１９】
電極１６は、圧電体膜１５上に形成された導電体よりなる膜状の部材である（図１、図２、図４参照）。電極１６は、圧電体膜１５と接合（接着、貼合等でも可）している。電極１６は、圧電体膜１５と同様な形状（中心部から径方向に複数本延在した部分を有する形状；例えば、図１では中心部から等角度で４本延在した部分を有する十字形状）に形成することができる。電極１６は、弾性部材１１に対して離れている。電極１６は、フレーム１０の貫通口１０ａの内壁面から離れている。電極１６は、リード線２０と電気的に接続されており、リード線２０からの電気信号を圧電体膜１５に印加させる役割を持つ。電極１６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、振動板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。
【００２０】
慣性体１７は、電極１６（振動板１２）の中心部に接合された部材である（図１、図２、図４参照）。慣性体１７は、圧電アクチュエータ２の振動の際に慣性により振動振幅を拡大するとともに、重量負荷により基本共振周波数を低減するためのものである。慣性体１７は、電極１６の下面（図２の下側）の中央部に接合（接着、貼合等でも可）している。慣性体１７は、平面形状が円形で表面（接合面を除く）が曲面となっているものを用いることができる。慣性体１７には、金属、樹脂等を用いることができる。
【００２１】
リード線１８、１９、２０は、対応する電極１４、振動板１２、電極１６に電気信号を供給するための配線である。リード線１８、１９、２０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１８、１９、２０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。
【００２２】
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、弾性部材１１、振動板１２、圧電体膜１３、電極１４、圧電体膜１５、電極１６、及び、慣性体１７を貼り合わせて圧電アクチュエータ２を作製する。その後、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。
【００２３】
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１３、１５は、振動板１２及び電極１４、１６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１３、１５に電圧を印加することで、圧電体膜１３、１５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１３、１５を拘束する振動板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１３、１５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。
【００２４】
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５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６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。
【００２５】
なお、図５の比較例に係る圧電型電気音響変換器１０１は、図１の実施形態に係る弾性部材１１及び慣性体１７をなくし、振動板１２の外周端部を全周に渡ってフレーム１０の貫通口１０ａの内壁面に接合し、圧電体膜１５及び電極１６を圧電体膜１３及び電極１４と同様な構成にしたものである。その他の構成は、実施形態と同様である。
【００２６】
図６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５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２の１）では、周波数音圧特性が比較的に平坦である。
【００２７】
本実施形態によれば、圧電体膜１３と圧電体膜１５との剛性を異なるようにすることで、分割振動の発生を抑制できる。また、圧電体膜１５の形状、膜厚、材料等により剛性を調整することで、所望の共振周波数に制御できる。また、圧電体膜１３と圧電体膜１５を同時に駆動することで振動を発生させることができる。また、分割振動モードにおいては、圧電体膜１３と圧電体膜１５を互いに異なる位相で駆動させることもできる。
【００２８】
また、本実施形態によれば、圧電体膜１５の形状を中心部から径方向に複数本延在した部分を有する形状にすることで、円形とした場合と比べて、円形の圧電体膜１３に対して対称性が崩れるために振動モードの縮退を防止できる。また、圧電体膜１５の形状を中心部から径方向に複数本延在した部分を有する形状にすることで、振動の節になる対角部の剛性を高まるので、低次の振動モードにおいて、分割振動を抑制することができる。
【００２９】
また、本実施形態によれば、慣性体１７の配置によって、振動の際に慣性の効果により振動振幅を拡大できると同時に、重量負荷により基本共振周波数を低減することができる。また、振動板１２の中心部に慣性体１７を配置することで、圧電体膜１３、１５の剛性も強化でき、分割振動を抑制することができる。
【００３０】
さらに、本実施形態によれば、発振周波数を２０ｋＨｚ以上の超音波帯域にすることで、振動子の小型化できると同時に、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、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にも利用できる。
【００３１】
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。
【００３２】
また、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。また、本願に記載の数値及び数値範囲については、明記がなくともその任意の中間値、下位数値、及び、小範囲が記載されているものとみなされる。
【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、振動板と、前記振動板の一方の主面上にて前記振動板に接合された第１圧電体膜と、前記振動板の他方の主面上にて前記振動板に接合された第２圧電体膜と、貫通口を有するフレームと、前記振動板と接合するとともに前記貫通口の壁面と接合する弾性部材と、を備え、前記第２圧電体膜は、前記第１圧電体膜と剛性が異な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圧電体膜は、円形に形成されており、前記第２圧電体膜は、中心部から径方向に複数本延在した部分を有する形状に形成されていることが好ましい。
【００３５】
本発明の前記圧電型電気音響変換器において、前記第２圧電体膜は、十字形状であることが好ましい。
【００３６】
本発明の前記圧電型電気音響変換器において、前記第２圧電体膜の膜厚は、前記第１圧電体膜の膜厚と異なることが好ましい。
【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圧電体膜の材料は、前記第１圧電体膜の材料と異なることが好ましい。
【００３８】
本発明の前記圧電型電気音響変換器において、前記第２圧電体膜の中心部上に接合された慣性体を備えることが好ましい。
【００３９】
本発明の前記圧電型電気音響変換器において、前記振動板は、円形に形成されており、
前記第２弾性部材は、環状に形成されており、前記フレームは、環状に形成されていることが好ましい。
【００４０】
本発明の前記圧電型電気音響変換器において、前記弾性部材は、前記弾性部材の内側の周縁部にて前記振動板の周縁部と接合することが好ましい。
【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。
【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。
【符号の説明】
【００４３】
１、１０１  圧電型電気音響変換器
２  圧電アクチュエータ
１０  フレーム
１０ａ  貫通口
１１  弾性部材
１１ａ  開口部
１２  振動板
１３、１５  圧電体膜
１４、１６  電極
１７  慣性体
１８、１９、２０  リード線
【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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【図６】
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