JP4215788B2

JP4215788B2 - 圧電型電気音響変換器

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Publication number: JP4215788B2
Application number: JP2006228538A
Authority: JP
Inventors: 悟藤原; 有加永田
Original assignee: Hosiden Corp
Current assignee: Hosiden Corp
Priority date: 2006-08-25
Filing date: 2006-08-25
Publication date: 2009-01-28
Anticipated expiration: 2026-08-25
Also published as: JP2008054068A; CN101132651A; US20080049955A1; EP1892998A2; EP1892998A3; US8107650B2

Description

本発明は、携帯電話機、ＰＤＡ、ＰＣ、デジタルカメラ等の電子機器に内蔵され、音源として使用される圧電型電気音響変換器に関する。

図１に、一般的な圧電型電気音響変換器の構造を示す。図において、１は圧電セラミックスの両面に電極を形成してなる圧電素子２を金属円板からなる振動板３に貼り付けた圧電振動子であり、振動板３の外周部３Ａを板状でリング状の樹脂フィルムからなる支持部材４の内周部４Ａに重ね合わせて接着し、この支持部材４の外周部４Ｂをフレーム５に固定して、圧電振動子１の周辺部を支持部材４でフレーム５に支持している。圧電素子２の電極間に駆動電圧を印加すると、圧電素子２が径方向に変位し、振動板３に撓みを起こすことで、圧電振動子１が支持部材４の外周固定端を支点６にして振動し、音を発する。

このような、従来の圧電型電気音響変換器は、特許文献１で知られている。
特開２００１−３３９７９１号公報

しかしながら、従来の圧電型電気音響変換器のように、振動板３の外周部３Ａと支持部材４の内周部４Ａを単に重ね合わせて接着した場合は、圧電振動子１の駆動源である圧電素子２と支点６との間に振動板３の板厚段差７ができ、この段差７による圧電振動子１の駆動力のロスで、低域音圧が低下するという問題があった。また、振動板３と支持部材４を接着する際に、位置精度を確保し難いと共に、貼りズレを起こし易く、しかも貼りズレ検出もし難いため、生産性が低下すると共に、音響特性にバラツキを生じるという問題があった。

本発明は、上記のような従来の圧電型電気音響変換器の問題に鑑みてなされたもので、その目的は、圧電振動子の振動源である圧電素子と支点との間に振動板の板厚段差ができないように、圧電振動子の周辺部を支持部材でフレームに支持し、これにより圧電型電気音響変換器の低域音圧の向上を図ると共に、生産性の向上と音響特性の安定化を図ることにある。

上記のような目的を達成する本発明の圧電型電気音響変換器は、フレームと、金属板に圧電素子が接合されてなる圧電振動子と、この圧電振動子の周辺部を前記フレームに支持する板状でリング状の支持部材とを備える圧電型電気音響変換器において、前記支持部材に前記金属板の板厚分の段差を設け、この段差の内側に前記金属板を埋め込むように接着していることを特徴とする。

本発明の圧電型電気音響変換器によれば、支持部材に金属板の板厚分の段差を設け、この段差部の内側に金属板を埋め込むように接着しているので、圧電振動子の振動源である圧電素子と支持部材の外周固定端の支点との間にできていた金属板の板厚段差を無くすことができ、この金属板の板厚段差による圧電振動子の駆動力のロスを無くすことができ、圧電型電気音響変換器の低域音圧の向上を図ることができる。

また、支持部材に設けた金属板の板厚分の段差が、金属板と支持部材を接着する際の位置決めとなり、位置精度を確保し易いと共に、貼りズレ防止にもなり、しかも貼りズレ検出もし易くなるため、圧電型電気音響変換器の生産性の向上と音響特性の安定化を図ることができる。

以上のように、本発明の圧電型電気音響変換器によれば、低域音圧、生産性が改善され、音響特性の安定化も図られた圧電型電気音響変換器を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図２に、本発明の実施の形態に係る圧電型電気音響変換器の構造を示す。図２に示すように、本発明の実施の形態に係る圧電型電気音響変換器１０は、フレーム１５と、薄い円板状の金属板１３の両面（表裏面）に薄い円板状の第１及び第２の圧電素子１２Ａ，１２Ｂが同芯状に接合されてなる圧電振動子１１と、圧電振動子１１とフレーム１５の間に設け、圧電振動子１１の周辺部をフレーム１５に支持するリング状の支持部材１４と、から構成される。

金属板１３の直径（圧電振動子１０の直径）は、第１及び第２の圧電素子１２Ａ，１２Ｂの直径より大きい。図２には、同径（同じ表面積）の第１及び第２の圧電素子１２Ａ，１２Ｂを示したが、異径の第１及び第２の圧電素子を使用してもよい。

金属板１３には、例えば厚みが数十μｍのニッケル鉄合金、真鍮、リン青銅等の銅合金やステンレス等の金属円板が好適に使用される。

第１の圧電素子１２Ａは、薄い円板状の圧電体１２ａの両面に薄膜状の電極１２ｂ，１２ｃを形成したものである。第２の圧電素子１２Ｂも同様に、薄い円板状の圧電体１２ａの両面に薄膜状の電極１２ｂ，１２ｃを形成したものである。圧電体１２ａには、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の厚みが数十μｍの圧電セラミックスが好適に使用される。

電極１２ｂ，１２ｃは、例えば圧電体１２ａの両面に、蒸着法やスパッタ法により厚み数μｍの金属薄膜電極として形成したものである。又は圧電体１２ａの両面に、銀成分を含むペースト状の電極材料をスクリーン印刷した後、それを焼成することにより厚み数μｍの電極として形成したものである。

第１の圧電素子１２Ａと金属板１３との接合は、第１の圧電素子１２Ａをこの片面側にある例えば電極１２ｃが金属板１３と接触導通するように、第１の圧電素子１２Ａを電極１２ｃ側の片面で接着剤により貼り合わせて行われる。第２の圧電素子１２Ｂと金属板１３との接合も同様に、第２の圧電素子１２Ｂをこの片面側にある例えば電極１２ｃが金属板１３と接触導通するように、第２の圧電素子１２Ｂを電極１２ｃ側の片面で接着剤により貼り合わせて行われる。

上記のように圧電振動子１１は、薄い円板状の金属板１３の両面に薄い円板状の第１及び第２の圧電素子１２Ａ，１２Ｂが同芯状に接合されてバイモルフ型に構成されている。

バイモルフ型の圧電振動子１１には、第１の圧電素子１２Ａの非接合側の電極１２ｂに第１のリード線１８が半田１９により機械的に固定されて電気的に接続されると共に、第２の圧電素子１２Ｂの非接合側の電極１２ｂに第２のリード線２０が半田２１により機械的に固定されて電気的に接続され、金属板１３の外周部１３Ａの片面側に第３のリード線２２が半田２３により機械的に固定されて電気的に接続される。

そして、第１のリード線１８と第２のリード線２０を短絡した状態で、これらと第３のリード線２２との間に外部回路から駆動電圧を印加し、即ち第１の圧電素子１２Ａの両面に形成された電極１２ｂ，１２ｃ間及び第２の圧電素子１２Ｂの両面に形成された電極１２ｂ，１２ｃ間に外部回路から駆動電圧を印加すると、第１及び第２の圧電素子１２Ａ，１２Ｂが径方向に変位し、その変位により金属板１３に撓みを起こすことで圧電振動子１１が支持部材１４の外周固定端を支点１６にして振動し、音を発する。

なお、第１及び第２の圧電素子１２Ａ，１２Ｂは、板厚方向に分極するように、予め所定の高電圧を印加することにより電気的分極処理を施してある。また、第１の圧電素子１２Ａの変位と第２の電圧素子１２Ｂの変位が相殺されないように、第１の圧電素子１２Ａにこの分極方向と同方向の電界が印加された場合、第２の圧電素子１２Ｂにはこの分極方向と逆向きの電界を印加するようになっている。

フレーム１５は、後述する支持部材１４の外周部１４Ａを上下（表裏）から挟む第１の枠フレーム１５Ａと第２の枠フレーム１５Ｂと、から構成される。これらは同一構造のため、第１の枠フレーム１５Ａのみを説明し、第２の枠フレーム１５Ｂの説明を省略する。第１の枠フレーム１５Ａは、例えば板厚が数百μｍの樹脂板や金属板の中央部に、円形の貫通孔を同芯状に開口してリング状に形成したものである。第１の枠フレーム１５Ａの内径は、圧電振動子１１の外径（金属板１３の直径）より大きく、且つ、後述する支持部材１４の外径より小さい。第１の枠フレーム１５Ａの外形（大きさ）は、その一辺が後述する支持部材１４の外径と略同じ長さを有する。なお、第１の枠フレーム１５Ａと第２の枠フレーム１５Ｂ、即ちフレーム１５の外形は、一般的には丸形が多いが、角形やかまぼこ形に形成してもよい。

支持部材１４は、板状であって、リング状の樹脂フィルムから構成される。この支持部材１４の樹脂には、例えば剛性に優れ、成型が容易で材料コストも安価であることから、厚みが数十μｍのポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）樹脂、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）樹脂、ポリイミド（ＰＩ）樹脂、ポリアミド（ＰＡ）樹脂等の樹脂フィルムが好適に使用される。又は、その板状であって、リング状の樹脂フィルムを２枚貼り合わせた２層構造の樹脂フィルムを使用してもよい。支持部材１４の内径は、第１及び第２の圧電素子１２Ａ，１２Ｂの直径より大きく、かつ金属板１３の外径（圧電振動子１１の外径）より小さい。支持部材１４の外径は、フレーム１５の外径寸法と略同寸法とされる。

また、支持部材１４には、金属板１３の外形に沿って、金属板１３の板厚分の段差１４Ｃが設けられ、この段差１４Ｃの内側に金属板１３を埋め込むことができるようになっている。

上記のような構成部品から本発明の実施の形態に係る圧電型電気音響変換器１０を組み立てるには、支持部材１４に設けられた金属板１３の板厚分の段差１４Ｃの内側に圧電振動子１１の金属板１３を埋め込み（嵌め込み）、支持部材１４の段差１４Ｃより内側の内周部１４Ｂの上に金属板１３の外周部１３Ａを重ね合わせ、支持部材１４の段差１４Ｃとそれに対向する金属板１３の周端面１３Ｂと、支持部材１４の段差１４Ｃより内側の内周部１４Ｂの片面とそれと対向する金属板１３の外周部１３Ａの片面とを連続的に、例えばＪＩＳＡ硬度で４０以下のゴム系の弾性接着剤等により接着し、圧電振動子１１の周囲に支持部材１４を同芯状に取り付ける。この取り付け状態では、支持部材１４の段差１４Ｃで金属板１３の板厚が吸収され、金属板１３の支持部材１４に対する接着面となる片面と、支持部材１４の金属板１３に対する接着面となる片面で、その片面に設けられた段差１４Ｃより外側の面が略面一になる状態で、金属板１３の周端面１３Ｂから径方向外側に支持部材１４の段差１４Ｃより外側の部分が延出され、圧電振動子１１の駆動源である第１及び第２の圧電素子１２Ａ，１２Ｂと支持部材１４の外周固定端の支点１６が略一直線上に位置している。また、支持部材１４に設けられた段差１４Ｃは、金属板１３と支持部材１４を接着する際の位置決めとなり、位置精度を確保し易いと共に、貼りズレ防止にもなり、しかも貼りズレ検出もし易くなるため、本発明の実施の形態に係る圧電型電気音響変換器１の生産性の向上と音響特性の安定化を図ることができる。なお、金属板１３の支持部材１４に対する接着面とそれと略面一になる支持部材１４の金属板１３に対する接着面となる片面で、その片面に設けられた段差１４Ｃより外側の面との境目にも同じ接着剤を塗布している。

また、上記のようにして圧電振動子１０の周囲に取り付けた支持部材１４の外周部１４Ａを下側の第１の枠フレーム１５Ａの上に重ね合わせ、例えばＪＩＳＡ硬度で１０以下のゴム系の弾性接着剤、アクリル系接着剤等により接着し、第１の枠フレーム１５Ａの内側に支持部材１４を介して圧電振動子１０を同芯状に取り付けた後、上側の第２の枠フレーム１５Ｂを支持部材１４の外周部１４Ａの上に重ね合わせ、同じ接着剤により接着し、支持部材１４の外周部１４Ａを上下の第１の枠フレーム１５Ａと第２の枠フレーム１５Ｂとの間に挟み込んだ状態でフレーム１５に固定し、上下面を開口したフレーム１５の内側に支持部材１４を介して圧電振動子１１を上下に振動可能に支持した本発明の実施の形態に係る圧電型電気音響変換器１０の半製品を組み立てる。

さらに、上記のようにして本発明の実施の形態に係る圧電型電気音響変換器１０の半製品を組み立てた後、第１のリード線１８を第１の圧電素子１２Ａの非接合側の電極１２ｂに半田付けで固定・接続すると共に、第２のリード線２０を第２の圧電素子１２Ｂの非接合側の電極１２ｂに半田付けで固定・接続し、さらに第３のリード線２２を、金属板１３の外周部１３Ａの支持部材１４の段差１４Ｃより内側の片面に半田付けで固定・接続し、本発明の実施の形態に係る圧電型電気音響変換器１０の組み立てを完了する。

本発明の実施の形態に係る圧電型電気音響変換器１０の組み立ては、上記の他、支持部材１４の外周部１４Ａを下側の第１の枠フレーム１５Ａの上に重ね合わせて接着し、支持部材１４の外周部１４Ａの上に第２の枠フレーム１５Ｂを重ね合わせて接着する前、或いは、支持部材１４の外周部１４Ａの上に第２の枠フレーム１５Ｂを重ね合わせて接着した後で、支持部材１４の段差１４Ｃの内側に圧電振動子１１の金属板１３を埋め込み、支持部材１４の段差１４Ｃより内側の内周部１４Ｂの上に金属板１３の外周部１３Ａを重ね合わせて接着し、本発明の実施の形態に係る圧電型電気音響変換器１０の半製品を組み立ててもよい。この場合も、第１〜第３のリード線１８，２０，２２の半田接続は、本発明の実施の形態に係る圧電型電気音響変換器１０の半製品を組み立て後に行われる。圧電振動子１１の金属板１３の外周部１３Ａと支持部材１４の段差１４Ｃより内側の内周部１４Ｂとの接着は、周波数特性の広帯域化を図る等の目的で、金属板１３が撓み易いように、柔らかい軟質の接着剤を用いた。第１の枠フレーム１５Ａ及び第２の枠フレーム１５Ｂ、即ちフレーム１５に対する支持部材１４の外周部１４Ａの固定には、圧電振動子１１を駆動した際、この圧電振動子１１と支持部材１４がフレーム１５から外れないように、強い接着力を有し、耐久性に優れた硬質の接着剤を用いたが、支持部材１４の外周部１４Ａとフレーム１５の間に音漏れの原因となる隙間を生じないように、軟質の接着剤を用いることができる。第１〜第３のリード線１８，２０，２２の接続は、半田付けの他、溶接や導電性接着剤等の接続手段を用いることができる。

本発明の実施の形態に係る圧電型電気音響変換器１０は、フレーム１５の上下面（表裏面）に円形の開口部が形成されるため、放音はどちらの面からでも行うことができる。即ち圧電振動子１１の第１の圧電素子１２Ａの側及び第２の圧電素子１２Ｂの側どちらからでも放音することができる。フレーム１５は、第１の枠フレーム１５Ａと第２の枠フレーム１５Ｂの２ピース構造であるが、第１の枠フレーム１５Ａと第２の枠フレーム１５Ｂをより確実に一体化し、それを確実に維持するように、フレーム１５の外周に金属カバー等を被着し、第１の枠フレーム１５Ａと第２の枠フレーム１５Ｂをクランプすることができる。フレーム１５の外形は、丸形にしたが、角形やかまぼこ形にすることもできる。フレーム１５には、１ピース構造の枠フレームを用いることができる。この場合、内壁面に段差面を設け、この段差面に支持部材１４の外周部１４Ａを接着することにより、圧電振動子１１を支持することができる。また、リング状の押さえ部材を用いて支持部材１４の外周部１４Ａを段差面との間に挟み込むこともできる。

本発明の実施の形態に係る圧電型電気音響変換器１０は、例えば携帯電話機のハウジングに設けられる音孔の内側に装着され、圧電振動子１１の平面部に対し、正面方向から音を発音してもよいし、或いは、側面方向から音を発音するように構成してもよい。また、第１〜第３のリード線１８，２０，２２を回路基板の所定の電極に電気接続することにより、圧電スピーカとして使用される。なお、フレーム１５の第１の枠フレーム１５Ａ或いは第２の枠フレーム１５Ｂに一対の端子を一体的に設け、第１及び第２のリード線１８，２０を一方の金属端子に半田付けで固定・接続し、残りの第３のリード線２２を他方の端子に半田付けで固定・接続し、これら一対の端子を介して第１〜第３のリード線１８，２０，２２を回路基板の所定の電極に電気接続することが好ましい。

上記のような本発明の実施の形態に係る圧電型電気音響変換器１０では、第１の圧電素子１２Ａの両面に形成された電極１２ｂ，１２ｃ間及び第２の圧電素子１２Ｂの両面に形成された電極１２ｂ，１２ｃ間に外部回路から駆動電圧を印加すると、第１及び第２の圧電素子１２Ａ，１２Ｂが径方向に変位し、その変位により金属板１３に撓みを起こすことで圧電振動子１１が支持部材１４の外周固定端を支点１６にして振動するが、その際、支持部材１４に金属板１３の板厚分の段差１４Ｃを設け、この段差１４Ｃの内側に圧電振動子１１の金属板１３を埋め込むように接着しているので、従来構造では圧電振動子１１の駆動源である第１及び第２の圧電素子１２Ａ，１２Ｂと支持部材１４の外周固定端の支点１６の間にできていた金属板の板厚段差（図１の符号７参照）が無くすことができ、圧電振動子１１の駆動源である第１及び第２の圧電素子１２Ａ，１２Ｂと支持部材１４の外周固定端の支点１６が略一直線上に位置し、圧電振動子１１の駆動力が支点１６に一点集中的に掛かり易くなり、金属板の板厚段差による圧電振動子１１の駆動力のロスを無くすことができ、圧電型電気音響変換器１０の低域音圧の向上を図ることができる。

図３は、上記のような本発明の実施の形態に係る圧電型電気音響変換器１０と同じ構造の本発明の実施例に係る圧電型電気音響変換器（以下、「実施例」という。）と、従来の圧電型電気音響変換器（以下、「比較例」という。）との周波数−音圧特性の例を示したグラフである。前者を実線で、後者を破線で示している。

なお、比較例は、支持部材１４に金属板１３の板厚分の段差１４Ｃを設けていないこと以外、実施例と同じ構造にした。

そして、実施例と比較例それぞれについて、それを所定位置に設置すると共に、音源から１０ｃｍの場所にマイクを設置し、第１の圧電素子１２Ａの両面に形成された電極１２ｂ，１２ｃ間及び第２の圧電素子１２Ｂの両面に形成された電極１２ｂ，１２ｃ間に数ボルトの駆動電圧を印加し、周波数−音圧特性を測定した結果、図２から明らかなように、実施例では１ＫＨｚ以下の周波数において比較例に比べて高い音圧レベルが得られていることがわかる。

以上から明らかなように、本発明の実施の形態に係る圧電型電気音響変換器１０では、支持部材１４に金属板１３の板厚分の段差１４Ｃを設け、この段差１４Ｃの内側に圧電振動子１１の金属板１３を埋め込むように接着しているので、従来構造では圧電振動子１１の駆動源である第１及び第２の圧電素子１２Ａ，１２Ｂと支持部材１４の外周固定端の支点１６の間にできていた金属板の板厚段差（図１の符号７参照）を無くすことができ、この金属板の板厚段差による圧電振動子１１の駆動力のロスを無くすことができ、圧電型電気音響変換器の低域音圧の向上を図ることができる。また、支持部材１４に設けた金属板１３の板厚分の段差１４Ｃが、金属板１３と支持部材１４を接着する際の位置決めとなり、位置精度を確保し易いと共に、貼りズレ防止にもなり、しかも貼りズレ検出もし易くなるため、圧電型電気音響変換器の生産性の向上と音響特性の安定化を図ることができる。よって、低域音圧、生産性が改善され、音響特性の安定化も図られた圧電型電気音響変換器を提供することができる。

以上、本実施の形態は本発明の好適な一実施の形態を示したが、本発明はそれに限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々変形実施することができる。例えば本発明は、金属板の片面のみに圧電素子が接合されてなるユニモルフ型の圧電振動子を使用することもできる。

従来の一般的な圧電型電気音響変換器の構造を示す断面図である。本発明の一実施の形態に係る圧電型電気音響変換器の構造を示す断面図である。本発明の実施例に係る圧電型電気音響変換器とそれと対比すべき比較例の周波数−音圧特性を示すグラフである。

符号の説明

１０圧電型電気音響変換器
１１圧電振動子
１２Ａ第１の圧電素子
１２Ｂ第２の圧電素子
１３金属板
１４支持部材
１４Ｃ段差

Claims

フレームと、金属板に圧電素子が接合されてなる圧電振動子と、この圧電振動子の周辺部を前記フレームに支持する板状でリング状の支持部材とを備える圧電型電気音響変換器において、前記支持部材に前記金属板の板厚分の段差を設け、この段差の内側に前記金属板を埋め込むように接着していることを特徴とする圧電型電気音響変換器。