JP2014143649A - 音響発生器およびそれを用いた電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 信頼性の優れた音響発生器およびそれを用いた電子機器を提供する。
【解決手段】 扁平な振動体３と、振動体３の一方の主面である第１の面３ａに取り付けられており、電気信号が入力されて振動することによって、振動体３を屈曲振動させる励振器１と、振動体３が取り付けられた筐体とを少なくとも有しており、振動体３は、振動体３の他方の主面である第２の面３ｂが外部に露出し、第１の面３ａが筐体内部に面するように、筐体へ取り付けられていることを特徴とする音響発生器およびそれを用いた電子機器する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、音響発生器およびそれを用いた電子機器に関するものである。

従来、ケースに振動板を取り付けるとともに、振動板に取り付けた圧電素子によって振動板を振動させて音響を発生させるスピーカーが知られている（例えば、特許文献１を参照。）。

特開２００４−２３４３６

上述した従来のスピーカーは、圧電素子が外部に露出しているため、圧電素子やそれに接続する電気配線に異物や水が接触することによって、音質の低下や動作不良が発生することがあるという問題があった。

本発明はこのような従来の技術における問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、信頼性の優れた音響発生器およびそれを用いた電子機器を提供することにある。

本発明の音響発生器は、扁平な振動体と、該振動体の一方の主面である第１の面に取り付けられており、電気信号が入力されて振動することによって、前記振動体を屈曲振動させる励振器と、前記振動体が取り付けられた筐体とを少なくとも有しており、前記振動体は、該振動体の他方の主面である第２の面が外部に露出し、前記第１の面が前記筐体内部に面するように、前記筐体へ取り付けられていることを特徴とするものである。

本発明の電子機器は、前記音響発生器と、該音響発生器に接続された電子回路とを少なくとも有しており、前記音響発生器から音響を発生させる機能を有することを特徴とするものである。

本発明の音響発生器によれば、信頼性の優れた音響発生器を得ることができる。本発明の電子機器によれば、信頼性の優れた電子機器を得ることができる。

本発明の実施の形態の第１の例の音響発生器を模式的に示す斜視図である。 図１のＡ−Ａ’線断面図である。 図１の音響発生器における壁部材２１ａを透視した状態を示す平面図である。 本発明の実施の形態の第２の例の音響発生器を模式的に示す斜視図である。 図４のＢ−Ｂ’線断面図である。 図４の音響発生器における壁部材２１ａを透視した状態を示す平面図である。 本発明の実施の形態の第３の例の電子機器を模式的に示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態の例である音響発生器およびそれを用いた電子機器を添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。

（実施の形態の第１の例）
図１は、本発明の実施の形態の第１の例の音響発生器を模式的に示す平面図である。図２は、図１におけるＡ−Ａ’線断面図である。図３は、図１の音響発生器における壁部材２１ａを透視した状態を示す平面図である。なお、図１〜図３においては、互いに直交するｘ軸，ｙ軸，ｚ軸からなる直交座標によって方向を表している。本例の音響発生器は、図１〜図３に示すように、励振器１と、振動体３と、フレーム５ａ，５ｂと、エンクロージャー２１と、第１空間２２と、ダクト２３とを有している。

振動体３は、扁平な形状を有しており、詳細には、フィルム状（膜状）の形状を有している。また、振動体３は、ｘ軸方向に長い形状を有しており、ｘ軸方向が長さ方向でありｙ軸方向が幅方向である長方形状の平面形状を有しており、ｚ軸方向が厚み方向となっている。また、振動体３は、種々の材料を用いて形成することができ、例えば、ポリエチレン、ポリイミド、ポリプロピレン、ポリスチレン等の樹脂や、または、パルプや繊維等からなる紙等によって振動体３を形成することができる。振動体３の厚みは、例えば、１０〜２００μｍとされる。また、振動体３は、扁平な形状を有していれば良く、例えば、板状であっても構わない。

フレーム５ａ，５ｂは、それぞれ長方形の枠状の形状を有しており、例えば０．１ｍｍ〜１０ｍｍ程度の厚みを有している。また、フレーム５ａ、５ｂは、ｘ軸方向に長い形状を有しており、ｘ軸方向が長さ方向であり、ｙ軸方向が幅方向であり、ｚ軸方向が厚み方向となっている。フレーム５ａ，５ｂの材質および形状は特に限定されるものではないが、振動体３よりも変形し難いものであることが望ましい。例えば、硬質樹脂、プラスチック、エンジニアリングプラスチック等の樹脂や、セラミックスや、ステンレス等の金属などを用いてフレーム５ａ，５ｂを形成することができる。

そして、振動体３は、張力をかけられた状態で、長方形状の周縁部の全体をフレーム５ａ，５ｂで挟み込まれて接着剤で固定されており、フレーム５ａ，５ｂによって振動可能に支持されている。なお、フレーム５ｂを有さない場合には、例えば、フレーム５ａの＋ｚ方向の表面に振動体３を接着すればよい。

励振器１は、ｘ軸方向が長さ方向であり、ｙ軸方向が幅方向であり、ｚ軸方向が厚み方向である直方体状の形状を有する圧電素子である。すなわち、励振器１は、ｘ軸方向に長い形状を有している。そして、励振器１は、＋ｚ方向側の表面の全体が、振動体３の第１の面３ａ（−ｚ方向側の主面）の中央部に接合されている。詳細な図示を省略するが、励振器１は、圧電セラミックスからなる圧電体層と内部電極層とを交互に積層してなる積層体と、この積層体の上下面（ｚ軸方向の両端面）に形成された表面電極層と、積層体の長手方向（ｘ軸方向）の両端面にそれぞれ設けられた一対の端子電極とで構成されている。なお、表面電極および内部電極層は、積層体の長手方向（ｘ軸方向）の両端面に交互に引き出されており、それぞれ端子電極に接続されている。そして、図示せぬ配線を介して一対の端子電極に電気信号が加えられる。

励振器１は、バイモルフ型の圧電素子とされており、電気信号が入力されたときに、任意の瞬間において、厚み方向（ｚ軸方向）における一方側と他方側とで伸縮が逆になるようにされている。よって、励振器１は、電気信号が入力されるとｚ軸方向に屈曲振動し、自身が振動することによって、ｚ軸方向に振動体３を屈曲振動させる。そして、振動体３が振動することによって音響が発生する。このように、本例の音響発生器は、振動体３を
屈曲振動させ、振動体３の振動において発生する多数の共振モードを積極的に利用して音響を発生させるものである。

なお、励振器１として、例えば、電気信号が入力されて伸縮振動する圧電素子と金属板とを張り合わせて構成したモノモルフ型の振動素子を用いても構わない。また、励振器１の振動体３側の主面と振動体３とは、例えば、エポキシ系樹脂、シリコン系樹脂、ポリエステル系樹脂等の既知の接着剤や両面テープ等によって接着されている。

励振器１の圧電体層としては、ジルコン酸鉛（ＰＺ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、Ｂｉ層状化合物、タングステンブロンズ構造化合物等の非鉛系圧電体材料等、従来用いられている圧電セラミックスを用いることができる。圧電体層の１層の厚みは、低電圧駆動という観点から、１０〜１００μｍ程度とするのが望ましい。また、大きな屈曲撓み振動を誘起させ音圧を高めるために、圧電体層の圧電ｄ３１定数が１８０ｐｍ／Ｖ以上であることが望ましい。

励振器１の内部電極層としては、既知の種々の金属材料を用いることができる。例えば、銀とパラジウムとからなる金属成分と圧電体層を構成する材料成分とを含有する内部電極層とすると、圧電体層と内部電極層との熱膨張差による応力を低減することができるが、他の材料を用いて形成しても構わない。励振器１の表面電極層および端子電極は、既知の種々の金属材料を用いて形成することができる。例えば、銀からなる金属成分およびガラス成分を含有する材料を用いて形成すると、圧電体層や内部電極層と、表面電極層や端子電極との密着性を高めることができるが、他の材料を用いて形成しても構わない。

エンクロージャー２１は、外形が直方体の箱状の形状を有しており、それぞれ長方形の板状である複数の壁部材２１ａ〜２１ｇが接合されて構成されている。詳細には、＋ｚ方向側に配置された壁部材２１ａと、−ｚ方向側に配置された壁部材２１ｂとが、ｚ軸方向に間隔をあけて対向しており、壁部材２１ａ，２１ｂの周縁の４つの辺が、壁部材２１ｃ〜２１ｆによって接続されている。すなわち、壁部材２１ａ，２１ｂの＋ｙ方向の端部同士が、壁部材２１ｆによって全体的に接続されており、壁部材２１ａ，２１ｂの−ｙ方向の端部同士が、壁部材２１ｅによって全体的に接続されており、壁部材２１ａ，２１ｂの−ｘ方向の端部同士が、壁部材２１ｄによって全体的に接続されている。

そして、壁部材２１ａ，２１ｂの＋ｘ方向の端部同士は、＋ｙ方向の端部を除いて、壁部材２１ｃによって接続されている。すなわち、壁部材２１ｃの−ｙ方向の端部は壁部材２１ｅに接続されているが、壁部材２１ｃの＋ｙ方向の端部と壁部材２１ｆとの間には隙間（開口２１ｈ）が形成されている。すなわち、エンクロージャー２１は、＋ｘ方向の側面の＋ｙ方向の端部に、開口２１ｈを有している。

また、壁部材２１ａ，２１ｂの間には、ｘ軸方向に伸びるように、壁部材２１ａと２１ｂとを接続する壁部材２１ｇが配置されている。また、壁部材２１ｇの＋ｘ方向の端部は壁部材２１ｃの＋ｙ方向の端部に接続されているが、壁部材２１ｇの−ｘ方向の端部と壁部材２１ｄとの間には隙間２１ｍが形成されている。すなわち、エンクロージャー２１の壁部材２１ａ〜２１ｆによって囲まれた空間は、壁部材２１ｇによって、＋ｙ方向側の空間と−ｙ方向側の空間に仕切られているが、２つの空間が隙間２１ｍによって接続されている。なお、＋ｙ方向側の空間は、−ｙ方向側の空間に比べて小さく、ｘ軸方向に細長い形状とされている。

また、壁部材２１ａにおける壁部材２１ｇが接合された部分より−ｙ方向側に長方形の開口２１ｋが形成されており、壁部材２１ａの−ｚ方向側の主面の開口２１ｋの周縁に、フレーム５ｂを介して振動体３の＋ｚ方向側の主面の周縁が接合されている。すなわち、
開口２１ｋが振動体３によってふさがれており、開口２１ｋを介して振動体３の＋ｚ方向の主面が外部空間に露出している。

このように、エンクロージャー２１およびフレーム５ａ、５ｂによって筐体が構成されており、その筐体に振動体３が取り付けられている。そして、エンクロージャー２１およびフレーム５ａ、５ｂによって構成された筐体と振動体３とによって囲まれた第１空間２２が形成されている。詳細には、振動体３と、フレーム５ａ、５ｂと、エンクロージャー２１の壁部材２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ，２１ｇとによって囲まれることによって第１空間２２が形成されている。なお、振動体３は、励振器１が取り付けられた第１の面３ａ（−ｚ方向側の主面）が筐体内部に面する（すなわち、第１空間２２に面する）とともに、第２の面３ｂ（＋ｚ方向側の主面）が外部に露出するように筐体に取り付けられている。

また、エンクロージャー２１の壁部材２１ａ，２１ｂ，２１ｄ，２１ｆ，２１ｇによって囲まれた空間によってダクト２３が形成されている。ダクト２３の一方端は隙間２１ｍを介して第１空間２２に接続されており、ダクト２３の他方端は開口２１ｈを介して外部空間に接続されている。すなわち、ダクト２３は、第１空間２２と外部空間とを接続している。

なお、エンクロージャー２１は、少なくとも第１空間を構成できれば良く、エンクロージャー２１の形状は特に限定されるものではない。例えば、球状や角錐状など、種々の形状であっても構わない。また、エンクロージャー２１の材質も特に限定されるものではなく、例えば、木材、合成樹脂、金属等の既知の材料を用いて形成することができる。

また、本例では、エンクロージャー２１およびフレーム５ａ、５ｂによって筐体が構成された例を示したが、フレーム５ａ，５ｂは必須ではなく、エンクロージャー２１のみで筐体が構成されるようにしても構わない。この場合には、壁部材２１ａの開口２１ｋの周縁に振動体３が直接接合されるようにすれば良い。

本例の音響発生器は、扁平な振動体３と、振動体３の一方の主面である第１の面３ａに取り付けられており、電気信号が入力されて振動することによって、振動体３を屈曲振動させる励振器１と、振動体３が取り付けられた筐体とを少なくとも有しており、振動体３は、振動体３の他方の主面である第２の面３ｂが外部に露出し、第１の面３ａが筐体内部に面するように、筐体へ取り付けられている。これにより、励振器１や、励振器１に電気信号を供給するために励振器１に接続される図示せぬ配線を、筐体の内部に位置させることができる。よって、励振器１や配線に異物や水などが接触することによる音質の低下や動作不良の発生を低減することができるので、信頼性の優れた音響発生器を得ることができる。

また、本例の音響発生器は、エンクロージャー２１およびフレーム５ａ、５ｂによって構成された筐体および振動体３によって囲まれた第１空間２２が形成されており、振動体３が第１空間２２を形成する壁の一部を構成している。これにより、振動体３から発生する音響を効率的に外部へ放射できるとともに信頼性の優れた音響発生器を、単純な構成で実現することができる。

また、本例の音響発生器は、筐体（エンクロージャー２１およびフレーム５ａ、５ｂ）および振動体３を、水を通さないものとするとともに、筐体と振動体３とを水が侵入しないように接続することにより、さらに信頼性の優れた音響発生器を得ることができる。

本例の音響発生器は、例えば、次のようにして製造することができる。まず、圧電材料
の粉末にバインダー、分散剤、可塑剤、溶剤を添加して掻き混ぜて、スラリーを作製する。圧電材料としては、鉛系、非鉛系のうちいずれでも使用することができる。次に、得られたスラリーをシート状に成形し、グリーンシートを作製する。このグリーンシートに導体ペーストを印刷して内部電極となる導体パターンを形成し、この導体パターンが形成されたグリーンシートを積層して、積層成形体を作製する。

次に、この積層成形体を脱脂、焼成し、所定寸法にカットすることにより積層体を得ることができる。必要に応じて、積層体の外周部を加工する。次に、積層体の積層方向の主面に、導体ペーストを印刷して表面電極層となる導体パターンを形成し、積層体の長手方向（ｘ軸方向）の両側面に、導体ペーストを印刷して一対の端子電極となる導体パターンを形成する。そして、所定の温度で電極の焼付けを行うことにより、励振器１となる構造体を得ることができる。その後に、励振器１に圧電性を付与するために表面電極層または一対の端子電極を通じて直流電圧を印加して、励振器１の圧電体層の分極を行う。このようにして励振器１を得ることができる。

次に、張力をかけた状態の振動体３の周縁部を、フレーム５ａ，５ｂで挟んで接着剤で接合し、励振器１を接着剤で振動体３に接合する。そして、壁部材２１ａの開口部２１ｋの周縁部にフレーム５ｂを接着剤で接合した後に、壁部材２１ａ〜２１ｇを接着剤で接合してエンクロージャー２１を形成する。このようにして、本例の音響発生器を得ることができる。

（実施の形態の第２の例）
図４は、本発明の実施の形態の第２の例の音響発生器を模式的に示す斜視図である。図５は、図４のＢ−Ｂ’線断面図である。図６は、図４の音響発生器における壁部材２１ａを透視した状態を示す平面図である。なお、図４〜図６においては、互いに直交するｘ軸，ｙ軸，ｚ軸からなる直交座標によって方向を表している。また、本例においては、前述した実施の形態の第１の例の音響発生器と異なる点のみについて説明し、同様の構成要素には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する。

本例の音響発生器は、図４〜図６に示すように、開口２１ｈ，ダクト２３，壁部材２１ｇを有しておらず、壁部材２１ｃの＋ｙ方向の端部は壁部材２１ｆに接合されている。すなわち、エンクロージャー２１およびフレーム５ａ、５ｂからなる筐体と振動体３とによって１つの閉じた空間である第１空間２２ｂが形成されている。そして、この第１空間２２ｂは気密性を有する空間とされている。

本例の音響発生器によれば、第１空間２２ｂが閉じた空間であることから、さらに信頼性の優れた音響発生器を得ることができる。また、第１空間２２ｂが、気密性のある空間であることにより、さらに信頼性の優れた音響発生器を得ることができる。このような音響発生器は、例えば水中でも使用することが可能となる。なお、第１空間２２ｂは、気密性を有さない空間であっても構わない。

また、図５に示すように、本例の音響発生器は、さらに樹脂層２０を有している。樹脂層２０は、励振器１を埋設するように、フレーム５ａの内側の全体に渡って充填されている。このような樹脂層２０を有する構成とすることにより、信頼性を高めることができるとともに、音質を改善することができる。樹脂層２０は、既知の種々の材料を用いて形成することができる。例えば、アクリル系樹脂、シリコン系樹脂等の樹脂や、あるいはゴム等を用いることができ、例えば、ヤング率が１ＭＰａ〜１ＧＰａの範囲にあるものが望ましい。また、樹脂層２０の厚みは、スプリアスを抑制するという点から、励振器１を完全に覆う程度の厚みであることが望ましい。

（実施の形態の第３の例）
図７は、本発明の実施の形態の第３の例の電子機器を模式的に示す断面図である。なお、本例においては、前述した実施の形態の第２の例の音響発生器と異なる点のみについて説明し、同様の構成要素には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する。

本例の電子機器は、図７に示すように、図４〜図６に示した実施の形態の第２の例の音響発生器と、電子回路６０とを有している。電子回路６０は、エンクロージャー２１およびフレーム５ａ、５ｂからなる筐体と振動体３とによって囲まれた第１空間２２ｂ内に配置されている。また、電子回路６０は、図示せぬ配線により音響発生器（音響発生器の励振器１）に接続されており、音響発生器へ音声信号を出力する機能を有している。

このように、本例の電子機器は、音響発生器と、音響発生器に接続された電子回路６０とを少なくとも有しており、音響発生器から音響を発生させる機能を有している。このような本例の電子機器は、前述した実施の形態の第２の例のような音響発生器を用いて音響を発生させることから、信頼性の高い電子機器を得ることができる。また、本例の電子機器は、電子回路６０が、閉じた空間である第１空間２２内に収容されていることから、さらに信頼性の高い電子機器を得ることができる。また、本例の電子機器は、電子回路６０が、気密性を有する空間である第１空間２２内に収容されていることから、さらに信頼性の高い電子機器を得ることができる。また、例えば水中でも使用可能な電子機器を得ることができる。

なお、本例の電子機器においては、電子回路６０が、エンクロージャー２１およびフレーム５ａ、５ｂからなる筐体と振動体３とによって囲まれた第１空間２２ｂ内に配置されている例を示したが、これに限定されるものではなく、電子回路６０が第１空間２２ｂの外に配置されていても構わない。例えば、電子回路６０が第１空間２２ｂの外に配置されており、音響発生器と電子回路６０とがケーブルで接続されるようにしても構わない。

また、電子機器は、音響発生器と、電子回路６０とを少なくとも有していればよいが、他の構成要素を有していても良い。電子回路６０も、音響発生器へ音声信号を出力する機能に加えて、他の機能を有していても構わない。本例の電子機器は、例えば、携帯電話，タブレット端末，テレビ，オーディオ機器，掃除機，洗濯機，冷蔵庫，電子レンジ等の、音響を発生させる機能を有する種々の電子機器であってよい。なお、電子機器における音響発生器以外の構成要素は、第１空間２２ｂの外側に配置されていても構わない。

（変形例）
本発明は上述した実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更，改良が可能である。

例えば、前述した実施の形態の例においては、図示を容易にするために、振動体３の第１の面３ａに１個の励振器１が取り付けられた例を示したが、これに限定されるものではなく、もっと多数の励振器１を取り付けても構わない。

また、前述した実施の形態の例においては、励振器１として圧電素子を用いた例を示したが、これに限定されるものではない。励振器１は、電気信号を機械的振動に変換する機能を有していればよく、電気信号を機械的振動に変換する機能を有する他のものを励振器１として用いても構わない。例えば、スピーカーを振動させる励振器としてよく知られた、動電型の励振器や、静電型の励振器や、電磁型の励振器を励振器１として用いても構わない。なお、動電型の励振器は、永久磁石の磁極の間に配置されたコイルに電流を流してコイルを振動させるようなものであり、静電型の励振器は、向き合わせた２つの金属板にバイアスと電気信号とを流して金属板を振動させるようなものであり、電磁型の励振器は
、電気信号をコイルに流して薄い鉄板を振動させるようなものである。

１：励振器
３：振動体
２２，２２ｂ：第１空間
６０：電子回路

Claims (4)

1. 扁平な振動体と、
   該振動体の一方の主面である第１の面に取り付けられており、電気信号が入力されて振動することによって、前記振動体を屈曲振動させる励振器と、
   前記振動体が取り付けられた筐体とを少なくとも有しており、
   前記振動体は、該振動体の他方の主面である第２の面が外部に露出し、前記第１の面が前記筐体内部に面するように、前記筐体へ取り付けられていることを特徴とする音響発生器。
2. 前記振動体および前記筐体によって囲まれた第１空間が形成されており、前記振動体が前記第１空間を形成する壁の一部を構成していることを特徴とする請求項１に記載の音響発生器。
3. 前記第１空間が気密性を有することを特徴とする請求項２に記載の音響発生器。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の音響発生器と、該音響発生器に接続された電子回路とを少なくとも有しており、前記音響発生器から音響を発生させる機能を有することを特徴とする電子機器。

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