(57)【要約】【課題】圧電素子を用いた電気音響変換器において、分割振動の発生を抑制し、音圧レベルを向上させる圧電型電気音響変換器を提供する。【解決手段】圧電型電気音響変換器は、第１の圧電素子と、第２の圧電素子と、金属部材と、を備える。第２の圧電素子は、第１の圧電素子と連結され、第１の圧電素子の形状よりも対称性が低い形状を持つ。金属部材は、第１の圧電素子と接続される。また、第１の圧電素子と第２の圧電素子に入力する電気信号の位相は逆相の関係にある。【選択図】図１
2015005897.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の圧電素子と、
前記第１の圧電素子と連結され、前記第１の圧電素子の形状よりも対称性が低い形状を持つ第２の圧電素子と、
前記第１の圧電素子と接続される金属部材と、
を備え、
前記第１及び第２の圧電素子に入力する電気信号の位相は逆相の関係にある、圧電型電気音響変換器。
【請求項２】
前記第１及び第２の圧電素子は、弾性部材を介して連結されている請求項１の圧電型電気音響変換器。
【請求項３】
前記第２の圧電素子に入力する電気信号の周波数は、前記第１の圧電素子に電気信号を印加することにより生じる分割振動の周波数に基づき定まる請求項１又は２の圧電型電気音響変換器。
【請求項４】
前記第２の圧電素子の形状は、十字形状である請求項１乃至３のいずれか一項に記載の圧電型電気音響変換器。
【請求項５】
前記十字形状の先端は、湾曲した形状である請求項４の圧電型電気音響変換器。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の圧電型電気音響変換器を備える電子機器。
【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電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話等の携帯端末において、音楽再生、ハンズフリーなどの多彩な音響機能が要求されている。また、モビリティの追求から装置の薄型・小型化が促進されている。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、小型・薄型でかつ高音質への要求が高く、高音質の再生が可能な薄型電気音響変換器の開発が進められている。
【０００３】
このような要望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。この圧電型電気音響変換器は、圧電セラミックス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て、音波を発生させるものである。上下層を電極材料で拘束された圧電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多数の部材から構成される磁気回路に比べ、部材点数が少なく薄型化に優位である。このように、圧電型電気音響変換器は、圧電セラミックスの自己伸縮運動を利用するものであるため、磁気回路を用いて構成される動電型電気音響変換器と比較して、利点が多い。
【０００４】
ここで、特許文献１において、正方形の平板型振動板と、平板型振動板に圧着された十字形金属板と、からなる平板型スピーカが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実公昭６０−００５６８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
なお、上記先行技術文献の開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。以下の分析は、本発明者らによってなされたものである。
【０００７】
上述のように、圧電型電気音響変換器は、小型かつ薄型の電気音響変換器を実現する手段として有効である。
【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。機械品質係数Ｑは共振時の先鋭度を示すため、圧電型電気音響変換器では、共振周波数の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傾向がある。
【０００９】
つまり、圧電型電気音響変換器では、共振周波数近傍にエネルギーが集中し、音圧レベルに関する周波数特性には山谷（凹凸）が生じる事が多い。また、圧電型電気音響変換器は、基本共振周波数以降の高次振動モードにおいて、分割振動を生じさせる問題が起きる。分割振動は、基本共振周波数以降に発生する高次の振動モードが互いに重なり合うことで形成され、放射面内に上下逆の動きをする多数の振動モードが混在する。
【００１０】
例えば、図６の点線の波形（図７に示す圧電型電気音響変換器２０の周波数特性）を参照すると、基本共振周波数（図６では１ｋＨｚの近傍）以降にて、４ｋＨｚ〜６ｋＨｚには音圧のピークが生じる反面、２ｋＨｚ近傍では音圧が減衰していることが確認できる。このことは、局所的に正相と逆相の振動姿態が重なりあい、音波放射の際に干渉（キャンセリング）が発生し、音圧レベルが著しく低下することを意味している。
【００１１】
以上の事情を鑑み、本発明は、圧電素子を用いた電気音響変換器において、分割振動の発生を抑制し、音圧レベルを向上させることに寄与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を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１の視点によれば、第１の圧電素子と、前記第１の圧電素子と連結され、前記第１の圧電素子の形状よりも対称性が低い形状を持つ第２の圧電素子と、前記第１の圧電素子と接続される金属部材と、を備え、前記第１及び第２の圧電素子に入力する電気信号の位相は逆相の関係にある、圧電型電気音響変換器が提供される。
【００１３】
本発明の第２の視点によれば、上記圧電型電気音響変換器を備える電子機器が提供される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の各視点によれば、圧電素子を用いた電気音響変換器において、分割振動の発生を抑制し、音圧レベルを向上させることに寄与する圧電型電気音響変換器及び電子機器が、提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】一実施形態の概要を説明するための図である。
【図２】第１の実施形態に係る圧電型電気音響変換器１０の分解図の一例を示す図である。
【図３】第１の実施形態に係る圧電型電気音響変換器１０の正面図の一例を示す図である。
【図４】第１の実施形態に係る圧電型電気音響変換器１０の断面図の一例を示す図である。
【図５】第２の圧電素子１２の別の形状を示す図である。
【図６】第１の実施形態に係る圧電型電気音響変換器１０と、比較例に係る圧電型電気音響変換器２０の音圧レベルの周波数特性を示すグラフである。
【図７】比較例に係る圧電型電気音響変換器２０の断面図の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
初めに、図１を用いて一実施形態の概要について説明する。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、この概要の記載はなんらの限定を意図するものではない。
【００１７】
上述のように、圧電素子を用いた電気音響変換器において、分割振動の発生を抑制し、音圧レベルを向上させる圧電型電気音響変換器が望まれる。
【００１８】
そこで、一例として図１に示す断面を持つ圧電型電気音響変換器１００を提供する。圧電型電気音響変換器１００は、第１の圧電素子１０１と、第１の圧電素子１０１と連結され、第１の圧電素子１０１の形状よりも対称性が低い形状を持つ第２の圧電素子１０２と、第１の圧電素子１０１と接続される金属部材１０３と、を備える。また、第１の圧電素子１０１と第２の圧電素子１０２に入力する電気信号の位相は逆相の関係にある。
【００１９】
圧電型電気音響変換器１００は、第２の圧電素子１０２に対して、第１の圧電素子１０１に入力する電気信号とは逆相の電気信号を入力する。逆相の電気信号を入力することで、第１の圧電素子１０１が振動することにより生じる分割振動を抑制する。また、第２の圧電素子１０２の形状を調整することにより、第２の圧電素子１０２固有の振動モードを制御する。その際、第２の圧電素子１０２の振動モードを、第１の圧電素子１０１の振動モードに重ねることで、音圧レベルの低い帯域での音圧を補完する。
【００２０】
以下に具体的な実施の形態について、図面を参照してさらに詳しく説明する。
【００２１】
［第１の実施形態］
第１の実施形態について、図面を用いてより詳細に説明する。
【００２２】
図２は、第１の実施形態に係る圧電型電気音響変換器１０の分解図の一例を示す図である。図３は、第１の実施形態に係る圧電型電気音響変換器１０の正面図の一例を示す図である。図４は、第１の実施形態に係る圧電型電気音響変換器１０の断面図の一例を示す図である。なお、図４は、図３に示すＡ−Ａ間の断面図の一例である。
【００２３】
図２〜図４を参照すると、圧電型電気音響変換器１０は、第１の圧電素子１１と、第２の圧電素子１２と、金属部材１３と、フレーム１４と、弾性部材１５と、を含んで構成される。
【００２４】
第１の圧電素子１１、金属部材１３、フレーム１４はそれぞれ、円形形状である。一方、第２の圧電素子１２は、十字形状である。なお、第２の圧電素子１２の形状は、第１の圧電素子１１の形状よりも対称性が低いものであればよい。そのため、第１の実施形態では、第２の圧電素子１２の形状を十字形状としている。
【００２５】
図３を参照すると、第２の圧電素子１２は、第１の圧電素子１１の中心部に配置されるように、弾性部材１５により支持される。
【００２６】
図４を参照すると、金属部材１３に第１の圧電素子１１が接合（接着でも可）される。また、第１の圧電素子１１と弾性部材１５が接合され、弾性部材１５と第２の圧電素子１２が接合されている。つまり、図４に示すように、第１の圧電素子１１と第２の圧電素子１２が、合成ゴム等の弾性部材１５を介して、連結されている。
【００２７】
第１の圧電素子１１と第２の圧電素子１２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。第１の圧電素子１１と第２の圧電素子１２は、それぞれ、２つの電極（図示せず）の間に圧電セラミックス（図示せず）が挟み込まれた構造となっている。なお、圧電セラミックスとしては、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などを使用できる。
【００２８】
２つの電極は、圧電セラミックスの主面の両側に接合した導電性の部材であって、電気信号を圧電セラミックスに印加させる役割を担う。第１の圧電素子１１が備える２つの電極に電圧を印加すると、圧電セラミックスが振動する。その結果、第１の圧電素子１１と接続された金属部材１３が振動し、音響放射をなす。
【００２９】
また、第２の圧電素子１２が備える２つの電極に電圧を印加すると、第２の圧電素子１２を形成する圧電セラミックスが振動する。
【００３０】
金属部材１３は、第１の圧電素子１１を拘束する。また、金属部材１３は、その側面においてフレーム１４と接合されている。金属部材１３の材料としては、例えば、リン青銅、ステンレス、マグネシウム、アルミニウム、チタン又はベリリウム、或いはこれらの合金等を用いることができる。フレーム１４の材料には、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、各部材の接合には、エポキシ樹脂等を用いることができる。
【００３１】
上述のように、第１の圧電素子１１と第２の圧電素子１２はそれぞれ電気信号を入力する電極を持つことから、これらを個別に駆動できる。圧電型電気音響変換器１０の主たる駆動力となる第１の圧電素子１１に電気信号を入力すると、金属部材１３が振動する。その際、金属部材１３では局所的に互いに位相の異なった変形が生じ、分割振動を発生させる。
【００３２】
一方、第２の圧電素子１２に対して第１の圧電素子１１に入力する電気信号とは逆相の電気信号を入力すると、第２の圧電素子１２には、第１の圧電素子１１とは逆相の振動が生じる。第２の圧電素子１２に入力する電気信号の周波数を、第１の圧電素子１１の振動により生じた分割振動の周期に合わせて選択すると、第１の圧電素子１１と第２の圧電素子１２は、弾性部材１５により連結されているため、第２の圧電素子１２に生じた振動は、第１の圧電素子１１による分割振動を抑制する作用をもたらす。
【００３３】
例えば、図６に示すように、２ｋＨｚにて音圧レベルの谷（ディップ）が生じ、４ｋＨｚ〜６ｋＨｚにて音圧レベルの山（ピーク）が生じる分割振動が発生している場合には、第２の圧電素子１２に対して、２ｋＨｚ〜６ｋＨｚの周波数帯域にて、第１の圧電素子１１に入力する電気信号とは逆相の電気信号を入力する。その結果、第１の圧電素子１１の振動により生じた分割振動を抑制できる。このように、第２の圧電素子１２に入力する電気信号の周波数は、第１の圧電素子１１に電気信号を印加することにより生じる分割振動の周波数に基づき、定まる。
【００３４】
また、圧電素子の形状が異なると、それぞれが異なる固有の振動モードを有することになる。具体的には、圧電素子の形状を、対称性の低い形状（例えば、十字形状に加えて、三角形状、楕円形状等）にすると、振動の縮退が抑制され、より多くの振動モードを有することになる。
【００３５】
即ち、圧電素子の振動モードは、圧電素子の形状を変更することで制御できる。例えば、第２の圧電素子１２の形状は十字形状であるが、２本のアームの長さを調整することで、振動モードの調整ができる。
【００３６】
あるいは、図５に示すように、第２の圧電素子１２において、十字形状の先端を湾曲させることで、さらなる振動モードを付加することもできる。
【００３７】
圧電素子が振動する際のエネルギーは、共振周波数近傍に集中するため、共振周波数近傍での音圧レベルは高くなるが、それ以外の帯域では音圧が低下してしまう。しかし、第２の圧電素子１２の形状を調整することで、第２の圧電素子１２の振動モードを、第１の圧電素子１１の振動モードに重ねることで、音圧レベルの低い帯域での音圧を補完できる。即ち、圧電型電気音響変換器１０における再生帯域の全体的な音圧レベルを向上させることができる。
【００３８】
図６は、第１の実施形態に係る圧電型電気音響変換器１０と、比較例に係る圧電型電気音響変換器２０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。なお、図６に示すグラフは、以下の条件の下での実験結果である。
・第１の圧電素子１１は直径１２ｍｍの円形形状とし、厚みを０．１ｍｍとする。
・第２の圧電素子１２は十字形状とし、２本のアームの長さを１０ｍｍ、厚みを０．１ｍとする。
・第１の圧電素子１１と第２の圧電素子１２は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を主材料とする圧電セラミックスを含む。
・金属部材１３は、直径１５ｍｍの円形形状とし、厚みを０．２ｍｍとする。
・金属部材１３の主材料はステンレスとする。
・フレーム１４は、内径１４ｍｍ、外径１６ｍｍの形状とし、真鍮を主材料とする。
・弾性部材１５は、直径１ｍｍであって、合成ゴムを主材料とする。
【００３９】
ここで、第１の実施形態に係る圧電型電気音響変換器１０との比較例に係る圧電型電気音響変換器２０は、第２の圧電素子１２と弾性部材１５を備えていない構成とする（図７参照）。なお、図７において図４と同一構成要素には、同一の符号を表し、説明を省略する。
【００４０】
図６を参照すると、第１の実施形態の方が、全体的に周波数特性がフラットであって、２ｋＨｚ近辺の音圧が減衰する現象がみられず、音圧レベルが向上している。
【００４１】
第１の実施形態に係る圧電型電気音響変換器１０は、第２の圧電素子１２に対して、第１の圧電素子１１に入力する電気信号とは逆相の関係にある電気信号を入力することで分割振動を抑制する。また、第２の圧電素子１２の形状を適切に選択する事で、音圧レベルの低い帯域での音圧を補完する。これらの作用により、第１の実施形態に係る圧電型電気音響変換器１０では、音圧レベルに関する周波数特性が改善する。
【００４２】
なお、特許文献１が開示する平板型スピーカでは、平板を面均一に駆動するために、十字形状の圧電素子を配置している。一方、第１の実施形態に係る圧電型電気音響変換器１０では、第２の圧電素子１２に入力する電気信号の周波数と、第２の圧電素子１２の形状を、適切に調整することで、周波数帯域の平坦化を実現する。
【００４３】
第１の実施形態に係る圧電型電気音響変換器１０は、携帯端末等の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である。
【００４４】
また、第１の実施形態に係る圧電型電気音響変換器１０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、圧電型電気音響変換器１０をパラメトリックスピーカの振動源として利用する場合には、発振周波数は２０ｋＨｚ以上の超音波帯域とすることが望ましい。発振周波数を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た指向性の制御が可能だからである。
【００４５】
上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載され得るが、以下には限られない。
【００４６】
［付記１］
第１の圧電素子と、
前記第１の圧電素子と連結され、前記第１の圧電素子の形状よりも対称性が低い形状を持つ第２の圧電素子と、
前記第１の圧電素子と接続される金属部材と、
を備え、
前記第１及び第２の圧電素子に入力する電気信号の位相は逆相の関係にある、圧電型電気音響変換器。
［付記２］
前記第１及び第２の圧電素子は、弾性部材を介して連結されている付記１の圧電型電気音響変換器。
［付記３］
前記第２の圧電素子に入力する電気信号の周波数は、前記第１の圧電素子に電気信号を印加することにより生じる分割振動の周波数に基づき定まる付記１又は２の圧電型電気音響変換器。
［付記４］
前記第２の圧電素子の形状は、十字形状である付記１乃至３のいずれか一に記載の圧電型電気音響変換器。
［付記５］
前記十字形状の先端は、湾曲した形状である付記４の圧電型電気音響変換器。
［付記６］
付記１乃至５のいずれか一に記載の圧電型電気音響変換器を備える電子機器。
【００４７】
なお、引用した上記の特許文献の開示は、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。特に、本書に記載した数値範囲については、当該範囲内に含まれる任意の数値ないし小範囲が、別段の記載のない場合でも具体的に記載されているものと解釈されるべきである。
【符号の説明】
【００４８】
１０、２０、１００  圧電型電気音響変換器
１１、１０１  第１の圧電素子
１２、１０２  第２の圧電素子
１３、１０３  金属部材
１４  フレーム
１５  弾性部材
【図１】
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【図２】
2015005897.tif 000004
【図３】
2015005897.tif 000005
【図４】
2015005897.tif 000006
【図５】
2015005897.tif 000007
【図６】
2015005897.tif 000008
【図７】
2015005897.tif 000009