(57)【要約】【課題】機械的な衝撃に対する高い信頼性を備え、かつ、平坦な周波数特性を有し、かつ、小型であっても大きな音声出力を可能とする圧電型電気音響変換器を提供する。【解決手段】トーラス状の圧電セラミックス３を、支持部材のフレーム６に一方の端面が固定された弾性部材４によって拘束した状態に配置し、圧電セラミックス３からの振動を伝達する振動伝達部材２と該振動伝達部材２からの振動を音波として放射する振動膜１とを少なくとも備える構造とすることにより、落下時における衝撃を柔軟性が高い振動伝達部材２、振動膜１によって吸収し、かつ、内部損失が大きい弾性部材４を介して振動膜１を振動させる形にして、機械品質係数Ｑを低減させて、音圧周波数特性の平坦化を図るとともに、収縮性を有する振動伝達部材２の慣性や復元力により振動振幅を拡大して振動膜１に伝達することを可能とする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トーラス状の圧電セラミックスを、支持部材に一方の端面が固定された弾性部材によって拘束した状態に配置した圧電型電気音響変換器であって、前記圧電セラミックスからの振動を伝達する振動伝達部材と該振動伝達部材からの振動を音波として放射する振動膜とを少なくとも備えて、前記圧電セラミックスから前記振動伝達部材を介して伝播してきた振動を前記振動膜から音波として出力することを特徴とする圧電型電気音響変換器。
【請求項２】
トーラス状の前記圧電セラミックスの中空部に配置した保持部材上に前記振動伝達部材の一端を接合し、該振動伝達部材の他端を、周縁部を前記支持部材に接合した前記振動膜の中央部に連結することを特徴とする請求項１に記載の圧電型電気音響変換器。
【請求項３】
前記支持部材に一方の端面を固定した前記弾性部材の表面と裏面とのそれぞれに中空部の大きさが異なるトーラス状の圧電セラミックスをそれぞれ配置することを特徴とする請求項１または２に記載の圧電型電気音響変換器。
【請求項４】
前記振動伝達部材は、樹脂またはカーボン系素材からなり、前記振動膜は、樹脂材料からなり、前記弾性部材は、金属板からなっていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の圧電型電気音響変換器。
【請求項５】
音声出力機能を有する電子機器において、電気信号を音声信号に変換する電気音響変換器として請求項１ないし４のいずれかに記載の圧電型電気音響変換器を用いていることを特徴とする電子機器。
【請求項６】
電気信号を音声信号に変換する電気音響変換方法であって、トーラス状の圧電セラミックスを、支持部材に一方の端面が固定された弾性部材によって拘束した状態に配置し、かつ、前記圧電セラミックスからの振動を伝達する振動伝達部材と該振動伝達部材からの振動を音波として放射する振動膜とを少なくとも備えて、前記圧電セラミックスから前記振動伝達部材を介して伝播してきた振動を前記振動膜から音波として出力することを特徴とする電気音響変換方法。
【請求項７】
トーラス状の前記圧電セラミックスの中空部に配置した保持部材上に前記振動伝達部材の一端を接合し、該振動伝達部材の他端を、周縁部を前記支持部材に接合した前記振動膜の中央部に連結することを特徴とする請求項６に記載の電気音響変換方法。
【請求項８】
前記支持部材に一方の端面を固定した前記弾性部材の表面と裏面とのそれぞれに中空部の大きさが異なるトーラス状の圧電セラミックスをそれぞれ配置することを特徴とする請求項６または７に記載の電気音響変換方法。
【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、それを用いた電子機器および電気音響変換方法に関し、特に、周波数特性が良好でかつ小型でも高出力が可能な圧電型電気音響変換器、それを用いた電子機器および電気音響変換方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話機においては、音楽再生、ハンズフリーヘッドセットなどの音響機能を商品価値とした薄型スタイリッシュ携帯電話機の開発が活発化している。
【０００３】
携帯電話機等の電子機器に搭載される音響機能のうち、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。通常の携帯電話機等の電子機器の場合は、特許文献１の特開２００８−１７７６９２号公報「電気音響変換器」にも記載されているように、スピーカとして、構造が簡単でかつ音響特性の点から、一般に、動電型（ダイナミック型）スピーカが利用されている。
【０００４】
しかしながら、磁気回路を用いる動電型スピーカの音圧レベルは、体積排除量に依存するため、その原理上、音圧レベルには限界がある。このため、大音圧化には振動振幅量の増大が必要であるが、磁気回路の駆動力を考慮した場合、磁束が因子となるため、磁石の容積とトレードオフの関係になるという問題点がある。また、薄型化に際しても、磁石薄型化とともに、ボイスコイルの細線化が必要であるが、大電流が流れる磁気回路においては、細線化されたボイスコイルの焼損などの問題点を伴っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１７７６９２号公報（第４−６頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述のような動電型の問題を解決するために、動電型に代わる薄型の電気音響変換器として、圧電型電気音響変換器がある。圧電型の電気音響変換器は、圧電の電歪効果を利用して振動振幅を発生させるものである。圧電型電気音響変換器の場合は、圧電素子自体が振動源になるため、薄型化に優位である。しかしながら、圧電型電気音響変換器の課題として、機械品質係数（Mechanical  Quality  Factor）Ｑが高いことと、落下安定性に欠けることがある。
【０００７】
つまり、圧電型電気音響変換器は機械品質係数Ｑが高いため、共振周波数近傍においては、大きな音圧レベルが得られるものの、共振周波数近傍から離れた周波数帯域においては、音圧レベルが急激に減衰する。この結果、音圧周波数特性において山谷が発生し、高音質化の不可欠な因子である、平坦な音圧周波数特性が劣化する。
【０００８】
また、圧電素子に利用する圧電セラミックスは脆性材料であるため、特定箇所に応力が集中した場合、割れや欠けなどの破損が生じる。この結果、落下等の衝撃が加わった場合に、破損する可能性が高い。携帯電話機等の電子機器においては、高い対落下衝撃性が要求されるため、実用性の観点から問題がある。
【０００９】
また、圧電セラミックスは剛性が高いため、低い共振周波数を得るためには大きな形状が必要である。小型化が求められる携帯電話機等の電子機器においては実用上に問題があった。このため、圧電型電気音響変換器を携帯電話機等の電子機器に採用しようとする場合においては、機械的な衝撃に対する高い信頼性を有し、かつ、高音質音を再生させる画期的な施策が必要とされていた。
【００１０】
（本発明の目的）
本発明は、かかる問題に鑑みてなされたものであり、機械的な衝撃に対する高い信頼性を備え、かつ、平坦な周波数特性を有し、かつ、小型であっても大きな音声出力を可能とする圧電型電気音響変換器、それを用いた電子機器および電気音響変換方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前述の課題を解決するため、本発明による圧電型電気音響変換器、それを用いた電子機器および電気音響変換方法は、主に、次のような特徴的な構成を採用している。
【００１２】
（１）本発明による圧電型電気音響変換器は、トーラス状の圧電セラミックスを、支持部材に一方の端面が固定された弾性部材によって拘束した状態に配置した圧電型電気音響変換器であって、前記圧電セラミックスからの振動を伝達する振動伝達部材と該振動伝達部材からの振動を音波として放射する振動膜とを少なくとも備えて、前記圧電セラミックスから前記振動伝達部材を介して伝播してきた振動を前記振動膜から音波として出力することを特徴とする。
【００１３】
（２）本発明による電子機器は、音声出力機能を有する電子機器において、電気信号を音声信号に変換する電気音響変換器として少なくとも前記（１）に記載の圧電型電気音響変換器を用いていることを特徴とする。
【００１４】
（３）本発明による電気音響変換方法は、電気信号を音声信号に変換する電気音響変換方法であって、トーラス状の圧電セラミックスを、支持部材に一方の端面が固定された弾性部材によって拘束した状態に配置し、かつ、前記圧電セラミックスからの振動を伝達する振動伝達部材と該振動伝達部材からの振動を音波として放射する振動膜とを少なくとも備えて、前記圧電セラミックスから前記振動伝達部材を介して伝播してきた振動を前記振動膜から音波として出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の圧電型電気音響変換器、それを用いた電子機器および電気音響変換方法によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００１６】
第１に、圧電素子を形成する圧電セラミックスが、支持部材（フレーム）に一方の端面が固定されている弾性部材によって拘束された状態で配置されているので、内部損失が大きい弾性部材を介して、振動膜を振動させる形になって、圧電型電気音響変換器の機械品質係数Ｑを低減させることができ、音圧周波数特性の平坦化を図ることができる。
【００１７】
第２に、圧電型電気音響変換器を誤って落下させるような事態が発生しても、落下時における衝撃を、柔軟性が高い振動伝達部材、振動膜によって吸収することができ、機械的な脆性部材からなる圧電セラミックスの機械的な衝撃に対する信頼性を向上させることができる。
【００１８】
第３に、振動伝達部材は、樹脂やカーボン系素材等からなり、収縮性を有する材料から構成されていることから、慣性や復元力の効果により、圧電セラミックスからの振動振幅を拡大して、振動膜に伝達することができ、音声出力幅を拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の圧電型電気音響変換器の内部構成の一例を実施例１として示す断面図である。
【図２】図１に示した圧電型電気音響変換器を斜め上方向から眺めた斜視図である。
【図３】本発明の圧電型電気音響変換器の内部構成の図１とは異なる構成例を実施例２として示す断面図である。
【図４】従来の圧電型電気音響変換器の内部構成の一例を比較例１として示す断面図である。
【図５】従来の圧電型電気音響変換器の内部構成の他の例を比較例２として示す断面図である。
【図６】図１、図３に示した実施例１，２の圧電型電気音響変換器の音圧レベルの周波数特性を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明による圧電型電気音響変換器、それを用いた電子機器および電気音響変換方法の好適な実施形態について添付図を参照して説明する。なお、以下の説明においては、本発明による圧電型電気音響変換器および電気音響変換方法について説明するが、本発明による圧電型電気音響変換器を搭載する電子機器は、携帯電話機やＰＨＳ（Personal  Handy−Phone  System）、ＰＤＡ（Personal  Digital  Assistants）、ＰＣ（Personal  Computer）、スマートフォン端末、タブレット端末、音楽プレーヤ端末等、音声出力機能を有する電子機器であれば如何なる機器であっても構わないことは言うまでもない。
【００２１】
（本発明の特徴）
本発明の実施形態の説明に先立って、本発明の特徴について、その概要をまず説明する。本発明は、圧電型の電気音響変換器の構造に関するものであり、圧電型の電気音響変換器として、支持部材に一方の端面が固定された弾性部材によって拘束した状態の圧電素子からの振動を伝達する振動伝達部材と該振動伝達部材からの振動を音波として放射する振動膜とを備えた構造とすることにより、機械的な高い信頼性を備え、かつ、平坦な周波数特性を有し、かつ、小型であっても高効率で大音量の再生が可能な電気音響変換器を実現することを主要な特徴としている。
【００２２】
（実施形態の構成例）
（実施例１）
次に、本発明の圧電型電気音響変換器の構成例について、図１を用いて説明する。図１は、本発明の圧電型電気音響変換器の内部構成の一例を実施例１として示す断面図である。図１に示す圧電型電気音響変換器１０は、振動膜１、振動伝達部材２、圧電セラミックス３、弾性部材４、保持部材５、フレーム６を少なくとも含んで構成される。
【００２３】
図１に示す圧電型電気音響変換器１０において、トーラス（torus）状(円環状）の圧電セラミックス３（圧電素子）が弾性部材４によって拘束された状態で形成される。弾性部材４は金属板によって構成されており、その一方の端面が支持部材であるフレーム６に直接接合されて固定されている。
【００２４】
圧電セラミックス３（圧電素子）は圧電セラミックと電極層とからなっている。圧電セラミックには、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸塩PbZr1-xTixO3:ペロブスカイト型酸化物強誘電体）やチタン酸バリウム等を使用することができ、電極層には、銀や銀／パラジウム合金等を用いることができる。
【００２５】
また、トーラス状の圧電セラミックス３（圧電素子）の中空部には、金属からなる保持部材５が配置され、保持部材５の上に振動伝達部材２が配置される。振動伝達部材２は、樹脂やカーボン系素材等からなり、フレーム６に周縁部が接合した振動膜１の中央部に連結される。振動膜１は、樹脂材料等からなっており、音波を放射する振動面として機能する。
【００２６】
図２は、図１に示した圧電型電気音響変換器１０を斜め上方向から眺めた斜視図であり、支持部材として側壁を形成しているフレーム６の上方側の部材を取り除いて内部を露出させた状態を示している。図２に示すように、圧電型電気音響変換器１０は円柱形状からなっており、上から、振動膜１、振動伝達部材２、圧電セラミックス３、弾性部材４、保持部材５が同心円状に順次配置され、支持部材のフレーム６によって覆われている。
【００２７】
（実施例２）
次に、本発明の圧電型電気音響変換器の内部構成の図１とは異なる構成例について、図３を用いて説明する。図３は、本発明の圧電型電気音響変換器の内部構成の図１とは異なる構成例を実施例２として示す断面図である。図３に示す圧電型電気音響変換器１０Ａは、図１の場合の圧電セラミックス３とは異なり、弾性部材４の表面側と裏面側との両面に中空部の大きさが異なるトーラス状の圧電セラミックス３ａ，３ｂをそれぞれ固着させた形状からなっている。
【００２８】
つまり、図３に示す圧電型電気音響変換器１０Ａにおいては、フレーム６に一方の端面が固定された弾性部材４を、表面側の圧電セラミックス３ａ全体を拘束する状態で配置し、かつ、弾性部材４の裏面側に、圧電セラミックス３ａよりも中空部が大きなトーラス状の圧電セラミックス３ｂ全体を拘束するようにしている。
【００２９】
そして、トーラス状の圧電セラミックス３ａ，３ｂの中空部に配置される保持部材５は、図１の場合のように圧電セラミックス３に直接接触した場合とは異なり、弾性部材４の裏面側に接触した形に配置され、保持部材５の上には、図１の場合と同様、振動伝達部材２が配置される。振動伝達部材２は、図１の場合と同様、樹脂やカーボン系素材等からなり、フレーム６に周縁部が接合した振動膜１の中央部に連結される。振動膜１は、図１の場合と同様、樹脂材料等からなっており、音波を放射する振動面として機能する。
【００３０】
（実施例１，２の圧電型電気音響変換器１０，１０Ａの作用効果）
図１、図３に示した実施例１，２の圧電型電気音響変換器１０，１０Ａの作用効果について次に説明する。
【００３１】
図１に示す圧電型電気音響変換器１０において圧電素子を形成する圧電セラミックス３や、図３に示す圧電型電気音響変換器１０Ａにおいて圧電素子を形成する圧電セラミックス３ａ，３ｂに対して電圧を印加することにより、圧電効果によって圧電セラミックス３、圧電セラミックス３ａ，３ｂに伸縮運動が生起して、機械的な振動が発生する。圧電セラミックス３、圧電セラミックス３ａ，３ｂからの振動は、圧電セラミックス３、圧電セラミックス３ａ，３ｂに接合している保持部材５、振動伝達部材２を介して、周縁部がフレーム６に接合している振動膜１の中央部に伝播され、振動膜１から音波として放射される。
【００３２】
ここで、圧電素子を形成する圧電セラミックス３、圧電セラミックス３ａ，３ｂが、フレーム６に一方の端面が固定されている弾性部材４によって拘束された状態で配置されているので、内部損失が大きい弾性部材４を介して、振動膜１を振動させる形になって、圧電型電気音響変換器１０，１０Ａの機械品質係数Ｑを低減させることができ、音圧周波数特性の平坦化を図ることができる。
【００３３】
また、図１、図３に示す実施例１，２の圧電型電気音響変換器１０，１０Ａを誤って落下させるような事態が発生しても、落下時における衝撃を、柔軟性が高い振動伝達部材２、振動膜１によって吸収することができ、機械的な脆性部材からなる圧電セラミックス３、圧電セラミックス３ａ，３ｂの機械的な衝撃に対する信頼性を向上させることができる。
【００３４】
さらに、振動伝達部材２は、樹脂やカーボン系素材等からなり、収縮性を有する材料から構成されていることから、慣性や復元力の効果により、圧電セラミックス３、圧電セラミックス３ａ，３ｂからの振動振幅を拡大して、振動膜１に伝達することができ、音声出力幅を拡大することができる。
【００３５】
次に、図１、図３に示した実施例１，２の圧電型電気音響変換器１０，１０Ａの電気的な特性について、従来の圧電型電気音響変換器の内部構成を用いた場合と比較した結果を図６の特性図を用いて説明する。図６は、図１、図３に示した実施例１，２の圧電型電気音響変換器１０，１０Ａの音圧レベルの周波数特性を示す特性図であり、本実施例１，２の特性改善効果を示すために、従来の圧電型電気音響変換器の場合についても破線で示している。
【００３６】
ここで、従来の圧電型電気音響変換器の内部構成は、図４または図５に示すような構造から構成されている。図４は、従来の圧電型電気音響変換器の内部構成の一例を比較例１として示す断面図であり、本発明の実施例２として示した図３の圧電型電気音響変換器１０Ａから振動伝達部材２、振動膜１を取り除いた構成からなっている。また、図５は、従来の圧電型電気音響変換器の内部構成の他の例を比較例２として示す断面図であり、フレーム６に全端面を固定した弾性部材４ａの表面側と裏面側との両面に円筒状の圧電セラミックス３ｃ，３ｄを固着させた形状からなっている場合を示している。
【００３７】
図６に示すように、図１、図３に示した実施例１，２の圧電型電気音響変換器１０，１０Ａのいずれも、図４、図５に示した比較例１，２の従来の圧電型電気音響変換器に比して、ほぼすべての周波数帯域において高い音圧レベルを得ることができるとともに、平坦な周波数特性を実現していることが分かる。
【００３８】
したがって、図１、図３に示した実施例１，２の圧電型電気音響変換器１０，１０Ａのいずれも、従来の圧電型電気音響変換器に比して、小型でありながら高い音圧レベルと平坦な周波数特性とを同時に得ることができ、かつ、前述したように、機械的な衝撃に対しても高い信頼性を確保することができるので、高音質の音声出力機能を必要とする各種の電子機器に搭載して、実用に供することができる。
【００３９】
ここで、実施例１，２の圧電型電気音響変換器１０，１０Ａのような圧電型電気音響変換器を搭載する電子機器としては、携帯電話機やＰＨＳ（Personal  Handy−Phone  System）、ＰＤＡ（Personal  Digital  Assistants）、ＰＣ（Personal  Computer）、スマートフォン端末、タブレット端末、音楽プレーヤ端末等、音声出力機能を有する電子機器であれば如何なる機器であっても構わない。
【００４０】
以上、本発明の好適な実施形態の構成を説明した。しかし、かかる実施形態は、本発明の単なる例示に過ぎず、何ら本発明を限定するものではないことに留意されたい。本発明の要旨を逸脱することなく、特定用途に応じて種々の変形変更が可能であることが、当業者には容易に理解できよう。
【符号の説明】
【００４１】
１      振動膜
２      振動伝達部材
３      圧電セラミックス
３ａ    圧電セラミックス
３ｂ    圧電セラミックス
３ｃ    圧電セラミックス
３ｄ    圧電セラミックス
４      弾性部材
４ａ    弾性部材
５      保持部材
６      フレーム（支持部材）
１０    圧電型電気音響変換器
１０Ａ  圧電型電気音響変換器
【図１】
2013153314.tif 000003
【図２】
2013153314.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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