JP2014233026A - 圧電型電気音響変換器及び電子機器 - Google Patents
圧電型電気音響変換器及び電子機器 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2014233026A JP2014233026A JP2013113840A JP2013113840A JP2014233026A JP 2014233026 A JP2014233026 A JP 2014233026A JP 2013113840 A JP2013113840 A JP 2013113840A JP 2013113840 A JP2013113840 A JP 2013113840A JP 2014233026 A JP2014233026 A JP 2014233026A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- piezoelectric
- sound
- electroacoustic transducer
- resonance
- sound holes
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Piezo-Electric Transducers For Audible Bands (AREA)
- Details Of Audible-Bandwidth Transducers (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
- Telephone Set Structure (AREA)
Abstract
【課題】音圧レベルを増大させることに貢献する圧電型電気音響変換器が望まれる。【解決手段】圧電型電気音響変換器は、一の面において、複数の第1の音孔が設けられている筐体と、筐体の内部に配設され、複数の第1の音孔のそれぞれと接続された共鳴部と、電気信号が印加されて音響放射をなす複数の圧電アクチュエータと、共鳴部と複数の圧電アクチュエータの音響放射面との間に配設され、複数の第2の音孔が設けられている遮蔽板と、を備える。さらに、複数の共鳴部のそれぞれは、複数の第2の音孔から圧電アクチュエータが放射する音波を入力し、第1の音孔から音波を放射する。【選択図】図1
Description
本発明は、圧電型電気音響変換器及び電子機器に関する。
携帯電話等の携帯端末においては、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ては小型・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要求されている。通常、携帯端末では電気音響変換器として、磁石を用いたステータの磁気回路の作用によりボイスコイルに固定された振動膜を振動させて音波を発生させる動電型電気音響変換器が使用されている。
しかしながら、動電型電気音響変換器の音圧レベルは体積排除量に依存するため、その原理上、薄型化と音圧レベルの増大には限界がある。大音量の再生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、磁束を確保するために、ある程度の磁石容積が必要となるため、大音量化は小型薄型化に対してトレードオフになる。
一方、小型かつ薄型の電気音響変換器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。
なお、電気音響変換器の音圧レベルを高める手法として、変換器の電気音響変換効率を高める手法に加えて、変換器を電子機器に実装する際の構造を工夫する手法が検討されている。例えば、特許文献1において、圧電振動子を保持するプレートを蛇腹構造にすることで、圧電振動子の振幅を大きくし、低域及び高域の音圧を高める技術が開示されている。また、特許文献2及び3において、電気音響変換器の前方に開口部を有する薄板を設置し、かつ、ホーンを付加することで、尖鋭な指向特性を得る電気音響変換器が開示されている。
なお、上記先行技術文献の各開示を、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。
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。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。例えば、動電型は3〜5程度に対して、圧電型では約50程度となる。機械品質係数Qは共振時に先鋭度を示すため、圧電型電気音響変換器では、基本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になる。
このように、圧電型電気音響変換器では、音楽再生等に必要な周波数帯域に渡って十分な音圧の確保が難しく、音圧レベルを上げる手法の検討がなされてきた。例えば、圧電振動子の基本共振周波数を所望の値に調整することで音圧レベルを上げる方法の検討がなされている。しかし、このような基本共振周波数を調整する方法では、特定の帯域の音圧レベルは改善するが、音楽の再生等に必要な帯域の音圧レベルを改善することはできない。
以上の状況を鑑み、本発明は、音圧レベルを増大させることに貢献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。
本発明の第1の視点によれば、一の面において、複数の第1の音孔が設けられている筐体と、前記筐体の内部に配設され、前記複数の第1の音孔のそれぞれと接続された共鳴部と、電気信号が印加されて音響放射をなす複数の圧電振動子と、前記共鳴部と前記圧電振動子の音響放射面との間に配設され、複数の第2の音孔が設けられている遮蔽板と、を備え、前記複数の共鳴部のそれぞれは、複数の前記第2の音孔から前記圧電振動子が放射する音波を入力し、前記第1の音孔から音波を放射する圧電型電気音響変換器が提供される。
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。
本発明の各視点によれば、音圧レベルを増大させることに貢献する圧電型電気音響変換器及び電子機器が、提供される。
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。
上述のように、音圧レベルを増大させることに貢献する圧電型電気音響変換器が望まれる。
そこで、一例として図1に示す断面の構造を備える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、一の面において、複数の第1の音孔101が設けられている筐体102と、筐体102の内部に配設され、複数の第1の音孔101のそれぞれと接続された共鳴部103と、電気信号が印加されて音響放射をなす複数の圧電アクチュエータ104と、共鳴部103と複数の圧電アクチュエータ104の音響放射面との間に配設され、複数の第2の音孔105が設けられている遮蔽板106と、を備える。さらに、複数の共鳴部103のそれぞれは、複数の第2の音孔105から圧電アクチュエータ104が放射する音波を入力し、第1の音孔101から音波を放射する。
圧電型電気音響変換器100は、筐体102の内部に、複数の圧電アクチュエータ104が放射する音波を入力する共鳴部103を形成する。共鳴部103では、これらの音波が互いに干渉し、第1の音孔101から放射する音波の音圧レベルを増大させることができる。
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。
[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。
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。
図2は、本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2を参照すると、圧電型電気音響変換器10の筐体11の一の面には、複数の音孔12が設けられている。なお、図2において、円形状の音孔12を図示しているが、これは音孔12の形状を限定する趣旨ではない。音孔12の形状は、矩形形状や星型形状等、どのような形状であってもよい。
図3は、圧電型電気音響変換器10の内部の構成の一例を示す図である。圧電型電気音響変換器10は、その内部にアレイ状に配列された複数の圧電アクチュエータ13を含んでいる。圧電アクチュエータ13は、フレーム16により区画され、支持されている。なお、図3に示すように、圧電アクチュエータ13の形状は円形である。
図4は、圧電アクチュエータ13の構造の一例を示す断面図である。圧電アクチュエータ13は、圧電素子203と板状部材204から構成される。圧電素子203と板状部材204は、電極202b側の主面で板状部材204に接合(接着等でも可)している。
圧電素子203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。圧電素子203は、電極202aと電極202bの間に圧電セラミックス201が挟み込まれた構造となっている。電極202a及び202bは、圧電セラミックス201の主面の両側に接合した導電性の部材である。電極202a及び202bは、リード線(図示せず)と電気的に接続されており、リード線からの電気信号を圧電セラミックス201に印加させる役割を持つ。圧電素子203の電極202aと電極202bの間に電圧を印加すると、圧電セラミックス201が振動し、圧電素子203と接合された板状部材204を振動させることで音響放射をなす。なお、電極202bは、板状部材204が金属板であれば省略することができ、圧電セラミックス201と板状部材204とを直接接合させてもよい。
圧電セラミックス201としては、例えば、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)などを使用することができる。勿論、各種の多くの圧電セラミックス等の圧電素子を必要に応じ選択して用いることができる。
板状部材204は、板状の部材であって、圧電アクチュエータ13の圧電素子203を拘束する。また、板状部材204は、その側面においてフレーム16と接合(接着等でも可)されている。板状部材204には、例えば、金属板を用いることができる。金属材料としては、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などが例示される。
図5は、図2のA−Aの垂直方向の断面図の一例を示す図である。図5を参照すると、アレイ状に並べられた複数の圧電アクチュエータ13a〜13eが支持部材14a及び14bにより筐体11と接合(接着)されている。支持部材14a及び14bは、金属材料や樹脂材料により構成され、筐体11の上下方向に延伸し、圧電アクチュエータ13を支持する役割を担う。また、筐体11の音孔12が配設された面と圧電アクチュエータ13の音響放射面の間に、遮蔽板15が配置されている。
遮蔽板15の側面は、支持部材14a及び14bの側面に接合(接着等でも可)されると共に、複数の圧電アクチュエータ13の間に設けられたフレーム16a〜16dにより支持される。さらに、遮蔽板15には、複数の音孔17が設けられている。遮蔽板15の音孔17は、遮蔽板15の下方に位置する圧電アクチュエータ13に対応して設けられている。例えば、圧電アクチュエータ13aに対応する遮蔽板15の音孔は、音孔17aである。同様に、圧電アクチュエータ13bに対応する遮蔽板15の音孔は、音孔17bである。圧電アクチュエータ13が放射する音波は、遮蔽板15に設けられた音孔17を介して、遮蔽板15の上方に放射される。
上述のように、筐体11には複数の音孔12が設けられている。筐体11の内部には、音孔12の下方に円錐形状の共鳴部18が形成されている。共鳴部18は、筐体11に設けられた複数の音孔12のそれぞれと、円錐形状の頂点にて接続されるように形成されている。また、共鳴部18は、遮蔽板15に設けられた複数の音孔17に跨がるように形成される。例えば、共鳴部18aは、遮蔽板15の音孔17a及び17bを介して、遮蔽板15の下方の空間と接続されている。換言するならば、共鳴部18aは、遮蔽板15の音孔17aの下方に位置する圧電アクチュエータ13aが放射する音波と、遮蔽板15の音孔17bの下方に位置する圧電アクチュエータ13bが放射する音波と、を入力する。
なお、本実施形態においては、共鳴部18は円錐形状とするが、共鳴空間が形成できる形状であればどのような形状であってもよい。例えば、三角錐や四角錐等の多角錐であってもよい。また、共鳴部18の大きさを規定する直径L1と高さL2に関しても、共鳴空間が形成できればどのような大きさであってもよい。但し、発明者らの検討の結果、高さL2は2mm以上であって、直径L1の高さL2に対する比(L1/L2)が3以上であることが望ましいことが判明している。また、本実施形態においては、1つの圧電アクチュエータ13に対応する遮蔽板15の音孔17は1つとするが、音孔17の数は複数であってもよい。音孔17により、共鳴部18に音波が放射できればよい。
このように、複数の共鳴部18のそれぞれは、複数の音孔17から圧電アクチュエータ13が放射する音波を入力する。あるいは、少なくとも2以上の圧電アクチュエータ13のそれぞれが、対応する音孔17を介して、1つの共鳴部18に音波を放射していると捉えることもできる。共鳴部18が入力する複数の音波は、共鳴部18が有する円錐形状の空間にて、互いに干渉又は共鳴し、筐体11に設けられた音孔12から大気に放射される。なお、遮蔽板15は、その材料を金属とするのが望ましい。遮蔽板15には、例えば、アルミニウムやチタン等の比較的軽い材料を用いるのが、圧電型電気音響変換器10を内蔵する電子機器の軽量化の観点から好適である。
以上のように、遮蔽板15は、共鳴部18同士を遮蔽し、又は共鳴部18と圧電アクチュエータ13が音波を放射する空間を遮蔽する(仕切る)機能を備える。あるいは、遮蔽板15は、各圧電アクチュエータ13が放射する音波を共鳴部18に入力するガイドとしても機能する。
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。
・圧電セラミックス201は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を主材料とし、直径10mm、厚さ0.1mmとする。
・板状部材204は、リン青銅を主材料とし、直径12mm、厚さ0.03mmとする。
・遮蔽板15の音孔17の直径は3mmとする。
・圧電セラミックス201と遮蔽板15との距離(図5のL3)は、0.5mmとする。
・共鳴部18の直径(図5のL1)は12mm、高さ(図5のL2)は2mmとする。
・圧電セラミックス201は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を主材料とし、直径10mm、厚さ0.1mmとする。
・板状部材204は、リン青銅を主材料とし、直径12mm、厚さ0.03mmとする。
・遮蔽板15の音孔17の直径は3mmとする。
・圧電セラミックス201と遮蔽板15との距離(図5のL3)は、0.5mmとする。
・共鳴部18の直径(図5のL1)は12mm、高さ(図5のL2)は2mmとする。
ここで、第1の実施形態に係る圧電型電気音響変換器10と比較例に係る圧電型電気音響変換器は、遮蔽板15と円錐形状の共鳴部18を備えていない点が相違する(図7参照)。なお、図7において図5と同一構成要素には、同一の符号を表し、説明を省略する。
図6を参照すると、第1の実施形態の方が、全体的に音圧レベルが高いことが確認できる。即ち、本実施形態に係る圧電型電気音響変換器10は、複数の圧電アクチュエータ13が放射する音波を円錐形状の共鳴部18における作用(音波の干渉・共鳴)により増幅して、音孔12から大気に放出するため、音圧レベルを増大させることができる。換言するならば、本実施形態に係る圧電型電気音響変換器10は高効率である。
本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。また、圧電型電気音響変換器10を電子機器に搭載する場合には、筐体11を電子機器の筐体と一体化してもよい。その場合には、圧電型電気音響変換器10に電気信号を供給する回路等を搭載する基板を、アレイ状に並べられた複数の圧電アクチュエータ13の下方に配置するのが望ましい。
また、本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。より具体的には、圧電アクチュエータ13から、振幅変調(Amplitude Modulation)や周波数変調(Frequency Modulation)により生成された超音波を共鳴部18に放射する。さらに、複数の圧電アクチュエータ13が放射する超音波を、円錐形状の共鳴部18にて干渉させて、可聴音に復調する。即ち、空気中での非線形現象を利用せずに、共鳴部18にて可聴音への復調が可能であるため、復調効率が向上する。
このように、発振周波数を超音波帯域にすることで、圧電振動子又は圧電型電気音響変換器を小型化できると共に、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、ユーザ位置の近傍に限定されたプライバシ音源の実現が可能となる。即ち、本実施形態に係る圧電型電気音響変換器10は、再生信号を超音波に搬送させて、復調させるパラメトリックスピーカとして、好適に利用できる。
よって、本実施形態に係る圧電型電気音響変換器10は、小型、且つ、大音圧で高音質な再生を高効率で可能な電子機器用の音響デバイスとして、高い工業的価値を有している。
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。
[付記1]
上述の第1の視点に係る圧電型電気音響変換器のとおりである。
[付記2]
前記複数の共鳴部のそれぞれは、円錐形状又は多角錐形状であって、前記共鳴部の頂点に前記第1の音孔が設けられている付記1の圧電型電気音響変換器。
[付記3]
前記複数の圧電振動子は、複数の前記第2の音孔を介して、1つの前記共鳴部に音波を放射する付記1又は2の圧電型電気音響変換器。
[付記4]
前記複数の圧電振動子は、前記筐体の内部にて、アレイ状に配列されている付記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]
パラメトリックスピーカとして利用される付記1乃至4のいずれか一に記載の圧電型電気音響変換器。
[付記6]
上述の第2の視点に係る電子機器のとおりである。
上述の第1の視点に係る圧電型電気音響変換器のとおりである。
[付記2]
前記複数の共鳴部のそれぞれは、円錐形状又は多角錐形状であって、前記共鳴部の頂点に前記第1の音孔が設けられている付記1の圧電型電気音響変換器。
[付記3]
前記複数の圧電振動子は、複数の前記第2の音孔を介して、1つの前記共鳴部に音波を放射する付記1又は2の圧電型電気音響変換器。
[付記4]
前記複数の圧電振動子は、前記筐体の内部にて、アレイ状に配列されている付記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]
パラメトリックスピーカとして利用される付記1乃至4のいずれか一に記載の圧電型電気音響変換器。
[付記6]
上述の第2の視点に係る電子機器のとおりである。
なお、引用した上記の特許文献等の各開示は、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。
10、100 圧電型電気音響変換器
11、102 筐体
12、17、17a、17b、101、105 音孔
13、13a〜13e、104 圧電アクチュエータ
14a、14b 支持部材
15、106 遮蔽板
16、16a〜16d フレーム
18、18a、103 共鳴部
201 圧電セラミックス
202a、202b 電極
203 圧電素子
204 板状部材
11、102 筐体
12、17、17a、17b、101、105 音孔
13、13a〜13e、104 圧電アクチュエータ
14a、14b 支持部材
15、106 遮蔽板
16、16a〜16d フレーム
18、18a、103 共鳴部
201 圧電セラミックス
202a、202b 電極
203 圧電素子
204 板状部材
Claims (6)
- 一の面において、複数の第1の音孔が設けられている筐体と、
前記筐体の内部に配設され、前記複数の第1の音孔のそれぞれと接続された共鳴部と、
電気信号が印加されて音響放射をなす複数の圧電アクチュエータと、
前記共鳴部と前記複数の圧電アクチュエータの音響放射面との間に配設され、複数の第2の音孔が設けられている遮蔽板と、
を備え、
前記複数の共鳴部のそれぞれは、複数の前記第2の音孔から前記圧電アクチュエータが放射する音波を入力し、前記第1の音孔から音波を放射する圧電型電気音響変換器。 - 前記複数の共鳴部のそれぞれは、円錐形状又は多角錐形状であって、前記共鳴部の頂点に前記第1の音孔が設けられている請求項1の圧電型電気音響変換器。
- 少なくとも2以上の前記圧電アクチュエータのそれぞれが、対応する前記第2の音孔を介して、1つの前記共鳴部に音波を放射する請求項1又は2の圧電型電気音響変換器。
- 前記複数の圧電アクチュエータは、前記筐体の内部にて、アレイ状に配列されている請求項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。
- パラメトリックスピーカとして利用される請求項1乃至4のいずれか一項に記載の圧電型電気音響変換器。
- 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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013113840A JP2014233026A (ja) | 2013-05-30 | 2013-05-30 | 圧電型電気音響変換器及び電子機器 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013113840A JP2014233026A (ja) | 2013-05-30 | 2013-05-30 | 圧電型電気音響変換器及び電子機器 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2014233026A true JP2014233026A (ja) | 2014-12-11 |
Family
ID=52126170
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2013113840A Pending JP2014233026A (ja) | 2013-05-30 | 2013-05-30 | 圧電型電気音響変換器及び電子機器 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2014233026A (ja) |
-
2013
- 2013-05-30 JP JP2013113840A patent/JP2014233026A/ja active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5428861B2 (ja) | 圧電音響素子及び電子機器 | |
JP6053827B2 (ja) | 音響発生器およびそれを用いた電子機器 | |
JP5677639B2 (ja) | 音響発生器、音響発生装置および電子機器 | |
JP6053794B2 (ja) | 音響発生器、音響発生装置および電子機器 | |
EP2637418A1 (en) | Oscillator and portable device | |
JP2014160915A (ja) | 圧電型電気音響変換器及びそれを用いた電子機器 | |
JP5602978B2 (ja) | 音響発生器、音響発生装置および電子機器 | |
JP2014127767A (ja) | 音響発生器、音響発生装置および電子機器 | |
JP5909169B2 (ja) | 音響発生器、音響発生装置および電子機器 | |
JP6166038B2 (ja) | 音響発生器、音響発生装置および電子機器 | |
JP2014123812A (ja) | 音響発生器、音響発生装置および電子機器 | |
JP6034182B2 (ja) | 音響発生器、音響発生装置および電子機器 | |
JP2014233026A (ja) | 圧電型電気音響変換器及び電子機器 | |
JP2016184786A (ja) | 音響発生装置およびそれを用いた電子機器 | |
JP2014233027A (ja) | 圧電型電気音響変換器及び電子機器 | |
JP5516180B2 (ja) | 発振装置及び電子機器 | |
JP2012100048A (ja) | 電子機器 | |
JP2015005897A (ja) | 圧電型電気音響変換器及び電子機器 | |
JP2014160914A (ja) | 圧電型電気音響変換器及びそれを用いた電子機器 | |
WO2013114498A1 (ja) | 電気音響変換器及び電子機器 | |
JP2012029086A (ja) | 電子機器 | |
JP5671945B2 (ja) | 発振装置および電子機器 | |
JP5696434B2 (ja) | 電子機器 | |
JP2014086941A (ja) | 電気音響変換器及び電子機器 | |
JP2008092042A (ja) | 動電型電気音響変換器 |