JP4662072B2 - 圧電音響素子、音響装置及び携帯端末装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子を振動源とする圧電音響素子と、圧電素子を振動源とする圧電音響素子を備えた音響装置及び携帯端末装置とに関するものである。

圧電素子を振動源とする圧電音響素子は、小型軽量で消費電力が少なく、漏洩磁束も無いといった様々な利点を有することから携帯端末機器の音響部品として期待されている。特に、従来の電磁式音響素子に比べて実装容積を大幅に削減できるので、携帯電話をさらに小型化するための重要な技術の一つと考えられている。

しかし、圧電音響素子の音源は、圧電素子の変形に伴って屈曲する振動板である。従って、音楽再生に必要とされる一般的な音圧レベルを確保するためには、振動板をある程度以上に屈曲させる必要があり、大型の振動板が必要となる。例えば、従来の圧電音響素子では、圧電素子に１[V]の電圧を印加した際に９０[dB]の音圧を得るために、直径２０[mm]の振動板が必要であり、小型軽量といった圧電音響素子の利点が損なわれる結果となっていた。

次に、従来の圧電音響素子の周波数特性について述べる。圧電音響素子は、次のような問題を有する。
（１）可聴域に基本共振周波数が現れる。
（２）共振周波数近傍において突出した音圧を発生させる周波数特性を有する。
（３）圧電素子の圧電材料として用いられているセラミックは剛性が高いので、基本共振周波数が高くなり、低周波数域で十分な音圧が得られない。

原音を忠実に再生するためには、基本共振周波数を５００[Hz]以下に調整する必要がある。そこで、特開平２−１２７４４８号公報には、振動板に炭素板（膨張黒鉛板）を使用することによって、上記周波数特性を改善する技術が開示されている。また、振動板を楕円形にすることによって周波数特性がある程度改善されることも知られている。

次に、従来の圧電音響素子の周波数音圧特性について述べる。従来の圧電音響素子が圧電素子を振動源として利用していることは前述の通りである。圧電素子の圧電材料には、弾性振動における機械的エネルギーの損失が小さいセラミック材料等が一般的に用いられている。このため、共振点近傍では非常に高い音圧が得られるが、共振点以外の周波数域では振幅変化の大きな凸凹した周波数音圧特性となってしまう。周波数音圧特性の振幅変化の大きいと、特定周波数の音のみが強調されてしまい音質が悪化する。そこで、実開昭６３−８１４９５号公報には、軟質発泡体内に圧電振動子を埋設することによって、周波数音圧特性を平坦化させる技術が開示されている。また、特開昭６０−２０８３９９号公報には、表面に接着剤層が形成された発泡体によって薄型音響素子の外縁を支持することによって、周波数音圧特性を平坦化させる技術が開示されている。
特開平２−１２７４４８号公報 実開昭６３−８１４９５号公報 特開昭６０−２０８３９９号公報

特開平２−１２７４４８号公報に開示されている技術や楕円形の振動板を用いることによって、上記（１）（２）の問題を改善することはできるが、音圧特性が大きく劣化してしまう。また、実開昭６３−８１４９５号公報や特開昭６０−２０８３９９号公報に開示されている技術を用いることによって、圧電音響素子の周波数音圧特性をある程度平坦化することはできる。しかし、原音を忠実に再生するために十分な程度にまで周波数音圧特性を改善することはできない。また、全体的な音圧特性の劣化を招いてしまう。以上のように、小型で低消費電力でありながら良好な周波数特性及び周波数音圧特性を有する圧電音響素子の実現は困難であった。

本発明の目的は、小型軽量、かつ、低消費電力で、優れた音響特性を有する圧電音響素子を実現することにある。

上記目的を達成する本発明の圧電音響素子は、少なくとも１つの開口部を有する中空の筐体と、筐体の内部に設けられ、電圧が印加されると屈曲する圧電素子と、筐体の開口部に設けられた振動膜とを有し、圧電素子と振動膜とが弾性を有する振動伝達部材を介して接合され、圧電素子が屈曲すると振動膜が振動して音が発生する。圧電素子の長手方向一端又は両端は、直接又は支持部材を介して筐体の内面に固定することができる。支持部材は、弾性を有するものであっても、弾性を有さないものであってもよい。

振動膜及び振動伝達部材をそれぞれ２以上設け、２以上の振動膜同士及び／又は振動伝達部材同士の厚み、素材、寸法の少なくとも１つを互いに異ならせることができる。圧電素子を挟んで２枚の振動膜を対向するように配置し、それら２つの振動膜を別々の振動伝達部材を介して圧電素子に接合させることができる。圧電素子に弾性板を接合し、圧電素子に接合された弾性板を振動伝達部材を介して振動膜に接合させることもできる。

導体層と圧電材料層とが交互に重ねられた積層構造を有する圧電素子を本発明の圧電音響素子の振動源として用いることができる。また、振動伝達部材にはバネを用いることができる。振動膜には、ポリエチレンテレフタレートフィルム、ポリエーテルサルフォンフィルム、ポリエステルフィルム、ポリプロピレンフィルムのいずれかを用いることができる。

本発明の音響装置又は携帯端末装置には、上記本発明の圧電音響素子が搭載される。

本発明の圧電音響素子は、振動源である圧電素子と振動膜とが弾性を有する振動伝達部材を介して接合されているので、圧電素子の屈曲作用と振動伝達部材の弾性復元作用とが相乗して振動膜が大きく振動する。従って、圧電素子の屈曲自体が小さくても振動膜を大きく振動させて十分な音圧を得ることができる。また、面積の小さな振動膜を用いても十分な音圧が得られる。この結果、薄型小型、低消費電力、低コストでありながら、音圧特性や周波数特性に優れた圧電音響素子が実現される。また、かかる効果を有する圧電音響素子を音響装置や携帯端末装置の音響部品として採用すれば、これら装置の小型薄型化、低消費電力化、高音質化等が実現される。

上記及びそれ以外の本発明の目的、特徴及び利点は、下記の記載及び本発明の一例を示す添付図面の参照によって明らかになる。

実施形態１の圧電音響素子の構造を示す縦断面図である。 振動膜の振動変位状態を示す縦断面図である。 振動膜の振動変位状態を示す縦断面図である。 実施形態２の圧電音響素子の構造を示す縦断面図である。 実施形態３の圧電音響素子の構造を示す縦断面図である。 実施形態４の圧電音響素子の構造を示す縦断面図である。 実施形態５の圧電音響素子の構造を示す縦断面図である。 実施形態６の圧電音響素子の構造を示す縦断面図である。 実施形態７の圧電音響素子が備える圧電素子の構造を示す分解斜視図である。 実施形態８の圧電音響素子の構造を示す縦断面図である。 実施例１の圧電音響素子の構造を示す縦断面図である。 実施例１の圧電音響素子の構造を示す横断面図である。 図９に示されている圧電素子の構造を示す分解斜視図である。 図９に示されている振動伝達部材の側面図である。 実施例２の圧電音響素子の構造を示す縦断面図である。 実施例２の圧電音響素子の構造を示す横断面図である。 実施例３の圧電音響素子の構造を示す縦断面図である。 実施例３の圧電音響素子の構造を示す横断面図である。 実施例４の圧電音響素子の構造を示す縦断面図である。 実施例５の圧電音響素子の構造を示す縦断面図である。 図１５に示されている圧電素子の構造を示す分解斜視図である。 実施例６の圧電音響素子の構造を示す縦断面図である。 図１７に示されている圧電素子及び弾性板の拡大斜視図である。 実施例７の圧電音響素子の構造を示す縦断面図である。 図１９に示されている圧電素子及び弾性板の拡大斜視図である。 実施例８の圧電音響素子の構造を示す縦断面図である。 図２１に示されているバネの拡大斜視図である。 比較例１の音響素子の構造を示す縦断面図である。 比較例２の音響素子の構造を示す縦断面図である。 比較例３の音響素子の構造を示す縦断面図である。 比較例４の音響素子の構造を示す縦断面図である。

符号の説明

１ 圧電音響素子
２ 底面
３ 開口部
５ 筐体
６ 支持部材
７ 圧電素子
８ 振動膜
９ 振動伝達部材
１０ 上面
１１ 天井面
１２ 空間
１３ 下面
１５ 弾性板
１６ 下部絶縁層
１７ 上部絶縁層
１８ 導体層
１９ 圧電材料層
２０ 電極パッド
２１ 発泡ゴム
２２ 上部材
２３ 下部材
２５ 脚部材
３０ 音響素子
３１ 筐体
３２ 圧電素子
３３ 支持部材
３４ 底
３５ 孔
３６ 連結部材
３７ 振動板
３８ 永久磁石
３９ ボイスコイル
４０ 振動板
４１ 電極端子

（実施形態１）
以下、本発明の圧電音響素子の実施形態の一例について説明する。図１Ａ〜図１Ｃは、本例の圧電音響素子の概略構造を示す縦断面図である。図１Ａに示すように、本例の圧電音響素子１は、底面２に開口部３が形成された中空の筐体５と、支持部材６を介して一端（固定端）が筐体５の内面に固定された圧電素子７と、筐体５の開口部３に張られた振動膜８とを有する。圧電素子７の他端（自由端）側は、振動伝達部材９を介して振動膜８に接合されている。支持部材６及び振動伝達部材９は、共に弾性材料によって形成されている。また、圧電素子７の上面１０と筐体５の天井面１１との間には、高さ（ｈ）の空間１２が設けられている。

電圧が印加された圧電素子７は伸縮運動を繰り返し、圧電素子７の伸縮運動は振動伝達部材９を介して振動膜８に伝搬され、振動膜８は上下に振動する。より具体的には、図１Ｂに示すように、順方向又は逆方向の電圧が印加された圧電素子７は固定端を支点として上方に屈曲し、振動膜８を同方向に撓ませる。このとき、空間１２は、圧電素子７が上方へ変位するためのクリアランスとしての役割を果たす。一方、図１Ｃに示すように、逆方向又は順方向の電圧が印加された圧電素子７は固定端を支点として下方に屈曲し、振動膜８を同方向に撓ませる。このように、圧電素子７に交流電圧が印加されると、振動膜８が上下に連続して撓んで（振動して）、音が発生する。ここで、本例の圧電音響素子１では、圧電素子７と振動膜８とが弾性を有する振動伝達部材９を介して接合されている。従って、圧電素子７の伸縮運動に伴って振動伝達部材９が弾性変形し、反発作用が発生する。この結果、圧電素子７の伸縮運動が助長され、振動膜８の振動変位量が増大し、音圧が向上する。さらに、振動伝達部材９が接合された圧電素子７は、重量が増加しているので、圧電素子７が伸縮運動する際により大きな慣性が働き、発生する音の基本共振周波数が低減される。加えて、圧電素子７の固体端が弾性を有する支持部材６を介して筐体５に固定され、自由端が弾性を有する振動伝達部材９を介して振動膜８に接合されているので、落下等によって筐体８が衝撃を受けても、その衝撃の多くは支持部材６及び／又は振動伝達部材９によって吸収され、圧電素子７の破損が回避される。

図１に示す圧電素子７は、下部絶縁層、下部電極層（導体層）、圧電材料層、上部電極層（導体層）、上部絶縁層が順次積層された層構造を有する。圧電材料層の材料に、ジルコン酸やジルコン酸チタン酸鉛を使用した場合、セラミック焼結後の反りを低減することができ、圧電素子としての信頼性が向上する。また、セラミック焼結後の研磨等の平坦化工程を省略することもでき、製造コストの低減に寄与する。また、電極層の材料に、銀や銀／パラジウム合金を使用した場合、電極層と圧電材料層との一体焼結時の焼結歪みが低減されるので、一体焼結によって圧電素子を製造し易くなる。もっとも、圧電材料層や電極層の材料には、上記材料以外の既存の材料を適宜選択して使用することができる。

従来の圧電音響素子は、特定周波数において強調された音を発生する。これは、圧電音響素子を電気回路素子と等価と見た際のＱが高いためである。そこで図１に示す振動膜８をＱの低い材料によって形成すれば、圧電音響素子のＱを抑制し、周波数の等音化を図ることができる。また、変位動作に対する耐久性が高い材料によって振動膜８を形成すれば、高い音圧を得ることができる。さらに、加工が容易な材料によって振動膜８を形成すれば、膜厚のバラツキが少なくなり、品質が安定する。以上の事項を総合的に勘案すると、ポリエチレンテレフタレートフィルム（ＰＥＴフィルム）、ポリエーテルサルフォンフィルム（ＰＥＳフィルム）、ポリエステルフィルム（ＰＥフィルム）、又はポリプロピレンフィルム（ＰＰフィルム）が振動膜８の材料として適している。

（実施形態２）
次に、本発明の圧電音響素子の実施形態の他例について説明する。図２は、本例の圧電音響素子の概略構造を示す縦断面図である。図２に示すように、本例の圧電音響素子１の基本構造は、実施形態１の圧電音響素子と同一である。異なるのは、次の２点である。一つは、圧電素子７の固定端が弾性を有さない支持部材６を介して筐体５の内面に固定されている点である。他の一つは、電圧素子７の自由端が振動膜８に接合されている点である。尚、図１に示す圧電音響素子１では、圧電素子７の長手方向略中央と自由端との間における任意の位置が振動膜８に接合されている。固定端が筐体５に固定された圧電素子７においては、自由端の変位量が最も大きい。従って、自由端を振動膜８に接合することによって振動膜８をより効果的に振動させることができる。すなわち、本例の圧電音響素子１は、振動膜８の面積が小さくても十分な音圧を確保できるといった利点を有する。

以上の説明より、圧電素子７を長尺化すれば、自由端の変動量がさらに増大し、振動膜８をより大きく振動させることが可能であることが理解できる。また、圧電素子７の長さと、振動膜８の面積とを好適な組み合わせとすることによって、必要な音圧を確保しながら圧電音響素子を小型化することが可能であることも理解できる。

（実施形態３）
次に、本発明の圧電音響素子の実施形態のさらに他例について説明する。図３は、本例の圧電音響素子の概略構造を示す縦断面図である。図３に示すように、本例の圧電音響素子１の基本構造は、実施形態１の圧電音響素子１と同一である。異なるのは、圧電素子７の長手方向両端が支持部材６ａ、６ｂを介して筐体５の内面に固定されている点である。本例の圧電音響素子１は、実施形態１の圧電音響素子と同一の基本構造を有し、同一の作用効果を有する。さらに、圧電素子７の長手方向両端が筐体５の内面に固定されていることを特徴とする本例の圧電音響素子は、圧電素子７と筐体５との接合強度がより向上するといった利点を有する。

また、２つの支持部材６ａ、６ｂの弾性率、厚み、面積等を互いに異ならせることによって、発生する音の基本共振周波数を調整することができるといった利点も有する。尚、本例の圧電音響素子１では、圧電素子７の長手方向両端を筐体５に固定する構成を採用したことに伴って、圧電素子７の長手方向略中央が振動膜８に接合されている。しかし、圧電素子７と振動膜８との接合位置は図示された位置に限定されない。

（実施形態４）
次に、本発明の圧電音響素子の実施形態のさらに他例について説明する。図４は、本例の圧電音響素子の概略構造を示す縦断面図である。図４に示すように、本例の圧電音響素子１の基本構造は、実施形態１の圧電音響素子と同一である。異なるのは次の２点である。一つは、筐体５の底面２に独立した２つの開口部３ａ、３ｂが形成され、それら開口部３ａ、３ｂに振動膜８ａ、８ｂがそれぞれ張られている点である。他の一つは、単一の圧電素子７が独立した２つの振動伝達部材９ａ、９ｂを介して２つの振動膜８ａ、８ｂにそれぞれ接合されている点である。

本例の圧電音響素子１は、実施形態１の圧電音響素子１と同一の基本構造を有し、同一の作用効果を有する。さらに、圧電素子７が独立した２つの振動伝達部材９ａ、９ｂを介して２つの振動膜８ａ、８ｂにそれぞれ接合されていることを特徴とする本例の圧電音響素子１は、２枚の振動板８ａ、８ｂから音が発生するので、より高い音圧が得られるといった利点を有する。また、２つの振動伝達部材９ａ、９ｂの厚み、高さ、材質等を互いに異ならせたり、２つの振動膜８ａ、８ｂの厚みや材質等を互いに異ならせたりすることによって、発生する音に異なる共振周波数を与えることができるといった利点も有する。これら利点は、再生可能な音の周波数帯域を拡大可能であることを意味する。また、筐体５が落下等によって衝撃を受けた場合、その衝撃の多くが振動伝達部材や支持部材によって吸収され、圧電素子に伝わらないという利点は、これまで説明した圧電音響素子と共通である。しかし、独立した２つの振動伝達部材９ａ、９ｂを有する本例の圧電音響素子１では、衝撃が２つの振動伝達部材９ａ、９ｂに分散されて吸収されるので、安全性がより高まる。

（実施形態５）
次に、本発明の圧電音響素子の実施形態のさらに他例について説明する。図５は、本例の圧電音響素子の概略構造を示す縦断面図である。図５に示すように、本例の圧電音響素子１は、筐体５に形成された２つの開口部３ａ、３ｂに振動膜８ａ、８ｂが張られている点において実施形態４の圧電音響素子と共通する。異なるのは、２つの開口部３ａ、３ｂが筐体５の異なる２つの面に形成されている点である。尚、単一の圧電素子７が独立した２つの振動伝達部材９ａ、９ｂを介して２つの振動膜８ａ、８ｂに接合されている点については、実施形態４の圧電音響素子と共通である。よって、この構造によって得られる作用効果も実施形態４の圧電音響素子と共通である。但し、本例の圧電音響素子１では、圧電素子７の上下（両側）に振動膜８ａ、８ｂが配置されているので、実施形態４の圧電音響素子に比べて圧電素子７を短尺化することが可能である。また、各振動膜８ａ、８ｂが同一面積である場合、２枚の振動膜８ａ、８ｂを配置するために必要なスペースが実施形態４の圧電音響素子に比べて少なくて済む。

図４及び図５に示す圧電音響素子１が備える振動膜８ａ、８ｂの面積は、図１等に示す圧電音響素子１（振動膜８が１枚の圧電音響素子１）に比べて小さい。しかし、図４及び図５に示す圧電音響素子１では、２枚の振動膜８ａ、８ｂが同時に振動するので、得られる音圧は図１等に示す圧電音響素子１と同レベルである。

（実施形態６）
次に、本発明の圧電音響素子の実施形態のさらに他例について説明する。図６は、本例の圧電音響素子の概略構造を示す縦断面図である。図６に示すように、本例の圧電音響素子１の基本構造は、実施形態１の圧電音響素子１と同一である。異なるのは、圧電素子７の下面に弾性板１５が貼られている点である。本例の圧電音響素子１は、実施形態１の圧電音響素子１と同一の基本構造を有し、同一の作用効果を有する。

但し、弾性板１５が一体化された圧電素子７は、弾性板１５を具備していない同種の圧電素子に比べて見かけ上の剛性が低下するので、屈曲に伴う変位量が増大する。換言すれば、図６に示す圧電素子７は、弾性板１５を具備していない同種の圧電素子に比べて、振動膜８をより大きく振動させることができる。かかる観点からは、圧電素子７の厚みと弾性板１５の厚みの合計の１／８以上を弾性体１５の厚みが占めることが望ましい。また、弾性板１５が一体化された圧電素子７は、弾性板１５を具備しない同種の圧電素子に比べて重量が増加するので、圧電素子７が屈曲した際により大きな慣性が働き、発生する音の基本周波数がより低減する。

また、弾性板１５を金属等の質量の大きな材料によって形成すれば、圧電素子７が屈曲した際により一層大きな慣性が働き、基本周波数がより一層低減する。このことは、圧電素子７に安価な弾性板１５を付加することによって、高価な圧電セラミックの寸法や形状を変更することなく、圧電素子７の変位量や発生する音の共振周波数を調整可能であることを意味する。加えて、弾性板１５が一体化された圧電素子７は、耐久性が向上し、割れ等が発生し難くなる。金属製の弾性板１５の材料としては、例えば、真ちゅうが適している。

弾性板１５に弾性係数が高い板バネを使用すれば、圧電素子７の見かけ上の弾性が高くなり、電圧印加時の圧電素子７の変位量が増加する。また、板バネにスリットを設ければ、圧電素子７の見かけ上の弾性がさらに高くなると共に、板バネと圧電素子７との接合面積が減少するので、製造が容易になる。

（実施形態７）
次に、本発明の圧電音響素子の実施形態のさらに他例について説明する。本例の圧電音響素子の基本構造は、実施形態１の圧電音響素子と同一である。異なるは、振動源としての圧電素子７の構造である。図７に、本例の圧電音響素子が備える圧電素子の構造を模式的に示す。圧電素子７は、下部絶縁層１６と上部絶縁層１７との間に、導体層１８と圧電材料層１９とが交互に積層された多層構造（積層構造）を有する。図７に示すような多層構造の圧電素子７は、実施形態１の圧電素子７に比べて消費電力が少なく、振動変位量が大きいことが知られている。従って、本例の圧電音響素子は、より少ない電力で十分な音圧を得ることができるといった利点を有する。また、図７に示す構造の圧電素子７は、製造時における導電層材料の焼結促進効果によって、焼結時の反りや変形が防止される。このため、別途平坦化処理を施さなくても高い平坦度を有し、図６に示す弾性板１５等を隙間なく接合させることが可能となる。

（実施形態８）
次に、本例の圧電音響素子の実施形態のさらに他例について説明する。図８は、本例の圧電音響素子の概略構造を示す縦断面図である。図８に示すように、本例の圧電音響素子１の基本構成は、実施形態１の圧電音響素子１と同一である。異なるは、振動伝達部材９が略円錐形のコイルバネである点である。本例の圧電音響素子１は、実施形態１の圧電音響素子１と同一の基本構造を有し、同一の作用効果を有する。さらに、コイルバネ９が、圧電素子７の伸縮運動に伴ってエネルギーの蓄積と開放を繰り返すことによって、圧電素子７の伸縮運動が助長される。この結果、本例の圧電音響素子１は、振動膜８の振動変位量が大きく、音圧が高いといった利点を有する。また、筐体の５落下等に起因する衝撃がコイルバネ９によって吸収され、圧電素子７の破損が防止される。コイルバネ９は、板バネや渦巻きバネに替えることもできる。いずれにしても、適当なバネ係数を有するバネを選択することによって、振動膜８の振動を最大限に大きくして高い音圧を得ることができる。

（実施例１）
本発明の圧電音響素子について、実施例を挙げてさらに詳細に説明する。図９Ａは、本例の圧電音響素子１の概略構造を示す縦断面図であり、図９Ｂは横断面図である。

本例の圧電音響素子１では、厚み０．３[mm]のポリプロピレン樹脂からなる筐体５の内部に、図１０に示す構造を有する圧電素子７が振動源として実装されている。圧電素子７の下部絶縁層１６及び上部絶縁層１７は、長さ１５[mm]、幅４[mm]、厚み５０[μm]である。圧電材料層１９は、長さ１５[mm]、幅４[mm]、厚み３００[μm]である。上下の電極層（導体層）１８の厚みは、３[μm]である。従って、圧電素子７の外形寸法は、長さ１５[mm]、幅４[mm]、厚み約０．４[mm]である。また、下部絶縁層１６、上部絶縁層１７及び圧電材料層１９には、ジルコン酸チタン酸鉛系セラミックが使用され、電極層１８には、銀／パラジウム合金（重量比７：３）が使用されている。さらに、圧電素子７はグリーンシート法によって製造されており、大気中１１００℃で２時間焼成されている。さらに、電極層１８を電気的に接続するための外部電極として厚み８[μm]の銀電極が形成されている。また、圧電材料層１９は、分極処理によって膜厚方向に分極されている。上部絶縁層１７の表面に形成された電極パッド２０は、８[μm]の銅箔によって電気的に接続されている。さらに、電気的に接続された電極パッド２０から、直径１[mm]、高さ０．５[mm]の半田部を介して、直径０．２[mm]の２本の電極端子リード線が引き出されている。

本例の圧電音響素子では、圧電素子７を振動膜８に接合させる振動伝達部材９として、図１１に示す円錐コイルバネが使用されている。円錐コイルバネは、高さ（ｈ）が０．４[mm]、最小コイル半径（Ｒ1）が２[mm]、最大コイル半径（Ｒ2）が４[mm]であり、ステンレス鋼線によって形成されている。また、図９Ａに示すように、コイルバネの最小コイル半径面が圧電素子７の下面１３に、最大コイル半径面が振動膜８にそれぞれエポキシ系接着剤によって接合されている。さらに、図９Ａ、図９Ｂに示す振動膜８は、直径１５[mm]、厚み０．１[mm]の円形のポリエチレンテレフタレートフィルムである。

以上の構造を有する本例の圧電音響素子１は、図９Ｂに示すように、全体として略楕円形の平面形状を呈し、全長（Ｌ）が２３[mm]、全幅（Ｗ）が１６[mm]である。また、全高（Ｈ）は、１．５[mm]（振動膜８の厚み（０．１mm）＋円錐コイルバネ９の高さ（０．４mm）＋圧電素子７の厚み（０．４mm）＋空間１２の高さ（０．３mm）＋筐体５の厚み（０．３mm））である。

（実施例２）
以下、本発明の圧電音響素子の他の実施例について説明する。図１２Ａは、本例の圧電音響素子１の概略構造を示す縦断面図であり、図１２Ｂは模式的横断面図である。本例の圧電音響素子１では、実施例１の圧電素子と同一の圧電素子７が筐体５の上下に形成された２つの開口部３ａ、３ｂに張られた振動膜８ａ、８ｂに接合されている。開口部３ａに張られている振動膜８ａは、厚さ０．１[mm]のポリエチレンテレフタレートフィルムであり、振動伝達部材９ａとしての円錐コイルバネ（高さ０．４mm）を介して圧電素子７の上面１０に接合されている。一方、開口部３ｂに張られた振動膜８ｂは、厚さ０．０５[mm]のポリエチレンテレフタレートフィルムであり、振動伝達部材９ｂとしての円錐コイルバネ（高さ０．２mm）を介して圧電素子７の下面１３に接合されている。但し、２枚の振動膜８ａ、８ｂの直径（１０[mm]）は、共通である。

図１２Ｂに示すように、本例の圧電音響素子１は、実施例１の圧電音響素子と実質的に同一の形状を有する。但し、本例の圧電音響素子１が備える振動膜８ａ、８ｂの直径は、実施例１の圧電音響素子が備える振動膜に比べて小さい（振動膜の面積が小さい）従って、本例の圧電音響素子１の全長（Ｌ）は２０[mm]、全幅（Ｗ）は１１[mm]である。すなわち、本例の圧電音響素子１は、実施例１の圧電音響素子よりも小型である。また、全高（Ｈ）は、１．１５[mm]（振動膜８ｂの厚み（０．０５mm）＋円錐コイルバネ９ｂの高さ（０．２mm）＋圧電素子７の厚み（０．４mm）＋円錐コイルバネ９ａの高さ（０．４mm）＋振動膜８ａの厚み（０．１mm））である。

尚、本例の圧電音響素子１が備える筐体８及び圧電素子７は、実施例１の圧電音響素子が備えるそれらと同一である。また、本例の圧電音響素子１が備える円錐コイルバネは、寸法の点を除いて実施例１の圧電音響素子が備える円錐コイルバネと同一である。

（実施例３）
以下、本発明の圧電音響素子のさらに他の実施例について説明する。図１３Ａは、本例の圧電音響素子１の概略構造を示す縦断面図であり、図１３Ｂは横断面図である。本例の圧電音響素子１では、圧電素子７の長手方向両端が発泡ゴム２１に接合され、その発泡ゴム２１が支持部材６に接合され、支持部材６が筐体５の内面に接合されている。すなわち、圧電素子７の長手方向両端が発泡ゴム２１及び支持部材６を介してそれぞれ筐体５に固定されている。また、圧電素子７の長手方向略中央の下面１３が振動伝達部材９としての円錐コイルバネを介して振動膜８に接合されている。圧電素子７の上面１０と筐体５の天井面１１との間には、高さ０．３[mm]の空間１２が形成されている。圧電素子７は、実施例１の圧電素子と同一の材料及び製法で製造されている。また、圧電素子７の外形寸法は、長さ２０[mm]、幅４[mm]、厚み０．４[mm]である。円錐コイルバネ９には、実施例１の円錐コイルバネと同一のものが使用されている。さらに、振動膜８には、厚み０．１[mm]、直径１８[mm]の円形のポリエチレンテレフタレートフィルムが使用されている。また、筐体５の厚みは０．３[mm]である。

図１３Ｂから分るように、本例の圧電音響素子１は、略円形の平面形状を有し、直径（Ｌ）は２２[mm]である。また、全高（Ｈ）は１．５[mm]である。

（実施例４）
以下、本発明の圧電音響素子のさらに他の実施例について説明する。図１４は、本例の圧電音響素子１の概略構造を示す縦断面図である。本例の圧電音響素子１では、実施例１の圧電素子と同種の圧電素子７が筐体５の上下に形成された開口部３ａ、３ｂに張られた振動膜８ａ、８ｂに接合されている。２つの開口部３ａ、３ｂに張られている振動膜８ａ、８ｂは、直径１０[mm]、厚み０．０５[mm]の真円形状のポリエチレンテレフタレートフィルムである。また、圧電素子７の上面１０と振動膜８ａとの間に介在している振動伝達部材９ａは、高さ０．２[mm]の円錐コイルバネである。圧電素子７の下面１３と振動膜８ｂとの間に介在している振動伝達部材９ｂは、高さ０．４[mm]の円錐コイルバネである。本例の圧電素子７は、実施例１の圧電素子と同一の材料及び製法で製造されたものである。また、圧電素子７の外形寸法は、長さ１２[mm]、幅４[mm]、厚み０．４[mm]である。振動伝達部材９ａ、９ｂとしての円錐コイルバネは、実施例２の円錐コイルバネと同一である。圧電素子７の両端は、実施例３と同様に、発泡ゴム２１及び支持部材６を介して筐体５の内面に固定されている。本例の圧電音響素子１は、実施例３の圧電音響素子と同様に、全体として略円形の平面形状を有するが、直径（Ｌ）は１４[mm]、全高（Ｈ）は１．１[mm]であり、実施例３の圧電音響素子よりも小型で薄型である。

（実施例５）
以下、本発明の圧電音響素子のさらに他の実施例について説明する。図１５は、本例の圧電音響素子１の概略構造を示す縦断面図である。本例の圧電音響素子１は、図１６に示す構造の圧電素子７を使用したことを特徴とする。図１６に示す圧電素子７は、下部絶縁層１６と上部絶縁層１７との間に、導電層１８と圧電材料層１９とが交互に積層された多層構造（積層構造）を有する。上下の絶縁層１６、１７及び圧電材料層１９は、長さ１６[mm]、幅４[mm]、厚み４０[μm]である。導体層１８は、長さ１６[mm]、幅４[mm]、厚み３[μm]である。また、圧電材料層１９は８層、導体層１８は９層である（便宜上、図１６では一部の層が省略されている）。従って、圧電素子７の外形寸法は、長さ１６[mm]、幅４[mm]、厚み約０．４[mm]である。下部絶縁層１６、上部絶縁層１７及び圧電材料層１９には、ジルコン酸チタン酸鉛系セラミックが使用され、導体層１８には銀／パラジウム合金（重量比７：３）が使用されている。さらに、圧電素子７はグリーンシート法によって製造されており、大気中１１００℃で２時間焼成されている。加えて、各導体層１８を電気的に接続する銀電極を形成した後、圧電材料層１９に分極処理を施し、上部絶縁層１７の表面に形成した電極パッド２０同士を銅箔によって電気的に接続した。

本例の圧電音響素子１の外形及び寸法は、実施例１の圧電音響素子と同一である。すなわち、全体として略楕円形の平面形状を有し、全長（Ｌ）は２３[mm]、全高（Ｈ）は１．５[mm]、全幅は１６[mm]である。

（実施例６）
以下、本発明の圧電音響素子のさらに他の実施例について説明する。図１７は、本例の圧電音響素子１の概略構造を示す縦断面図である。本例の圧電音響素子１では、圧電素子７の下面１３に金属製の弾性板１５がエポキシ系接着剤によって接合され、その弾性板１５の一端が筐体５の内面に支持部材６を介して固定されている。また、弾性板１５の他端下面が振動伝達部材９としての円錐コイルバネを介して振動膜８に接合されている。図１８に、本例の圧電音響素子１が備える圧電素子７及び弾性板１５の拡大図を示す。圧電素子７は、実施例５の圧電素子と同一の積層構造を有し、長さ（ｌ₁）は１２[mm]、幅（ｗ₁）は４[mm]、厚み（ｔ₁）は０．４[mm]である。また、弾性板１５の長さ（ｌ₂）は１５[mm]、幅（ｗ₂）は４[mm]、厚み（ｔ₂）は０．２[mm]である。弾性板１５の材質はＳＵＳ３０４である。

本例の圧電音響素子１は、実施例１の圧電音響素子と同様に全体として略楕円形の平面形状を有する。また、全長（Ｌ）は２３[mm]、全高（Ｈ）は１．７[mm]、全幅は１６[mm]である。尚、実施例１の圧電音響素子に比べて全高（Ｈ）が０．２[mm]増加しているのは、弾性板１５の厚みによるものである。

（実施例７）
以下、本発明の圧電音響素子のさらに他の実施例について説明する。図１９は、本例の圧電音響素子1の概略構造を示す縦断面図である。本例の圧電音響素子１は、実施例６の圧電音響素子に比べて圧電素子７が短いことを特徴とする。具体的には、図２０に示すように、長さ（ｌ₁）８[mm]、幅（ｗ₁）４[mm]、厚み（ｔ₁）０．４[mm]の圧電素子７に、長さ（ｌ₂）１６[mm]、幅（ｗ₂）４[mm]、厚み（ｔ₂）０．２[mm]の金属製弾性板１５がエポキシ系接着剤によって接合されている。圧電素子７以外の構造は、実施例６の圧電音響素子と同一である。

（実施例８）
以下、本発明の圧電音響素子のさらに他の実施例について説明する。図２１は、本例の圧電音響素子１の概略構造を示す縦断面図である。本例の圧電音響素子１は、圧電素子７と振動膜８とを接合させる振動伝達部材としてバネを使用したことを特徴とする。このバネは、図２２に示すように、直径２[mm]の円盤状の上部材２２の周縁と、直径４[mm]のリング状の下部材２３の周縁とが薄板状の脚部材２５によって連結され、主に矢印方向の弾性を有する。尚、バネの高さは０．４[mm]である。振動伝達部材９以外の構造については実施例１の圧電音響素子と同一であり、全長（Ｌ）は２３[mm]、全高（Ｈ）は１．５[mm]、全幅は１６[mm]である。

（特性評価）
これまでに説明した実施例１〜８の圧電音響素子の特性と、比較例１〜４の音響素子の特性とを測定した結果について説明する。まず、比較例１〜４の構造を図面に基づいて概説し、その後に測定結果について説明する。

（比較例１）
比較例１の音響素子３０の概略構造を図２３に示す。この音響素子３０は、圧電音響素子であって、実施例１の筐体と同一材料によって形成された同一寸法の筐体３１内に、実施例１の圧電素子と同一の圧電素子３２が実装されている。圧電素子３２の一端は、実施例１の支持部材と同一の支持部材３３を介して筐体３１の内面に固定され、他端は自由端とされている。また、筐体３１の底３４には孔３５が形成され、圧電素子３２に電圧が印加されると、孔３５から音が放射される。

（比較例２）
比較例２の音響素子３０の概略構造を図２４に示す。この音響素子３０も圧電音響素子であって、基本的に比較例１の音響素子と同一の構造を有する。異なるのは、圧電素子３２の両端が筐体３１の内面に固定されている点と、孔３５が筐体３１の底３４の中央に形成されている点である。

（比較例３）
比較例３の音響素子３０の概略構造を図２５に示す。この音響素子３０も圧電音響素子であって、基本的に比較例１の音響素子と同一の構造を有する。異なるのは、圧電素子３２の自由端に連結部材３６を介して金属製の振動板３７が装着されている点である。

（比較例４）
比較例４の音響素子３０の概略構造を図２６に示す。この音響素子３０は、永久磁石３８、ボイスコイル３９、振動板４０を有する電磁式音響素子である。電気端子４１を介してボイスコイル３９に電流が入力されると、磁力が発生し、発生した磁力によって振動板４０が振動させられて音が発生する。

（測定結果１）
実施例１〜８の圧電音響素子及び比較例１〜４の音響素子の基本共振周波数を測定したところ次のような結果が得られた。

実施例１：４４３[Ｈｚ]
実施例２：４５２[Ｈｚ]及び３１６[Ｈｚ]
実施例３：４９６[Ｈｚ]
実施例４：４９１[Ｈｚ]及び３２０[Ｈｚ]
実施例５：３９６[Ｈｚ]
実施例６：２７６[Ｈｚ]
実施例７：２６３[Ｈｚ]
実施例８：３７０[Ｈｚ]
比較例１：１０８７[Ｈｚ]以上
比較例２：１０６７[Ｈｚ]
比較例３：１０２７[Ｈｚ]
比較例４：７３０[Ｈｚ]
以上の測定結果より、本発明の圧電音響素子が広い周波数帯域を有することがわかる。特に、実施例２及び実施例４の圧電音響素子は、基本共振周波数を２つ有しており、周波数帯域が拡大されていることがわかる。

（測定結果２）
実施例１〜８の圧電音響素子及び比較例１〜４の音響素子に、１[Ｖ]の電圧を印加した際の音圧レベルを測定したところ次のような結果が得られた。

実施例１：９６[ｄＢ]
実施例２：９２[ｄＢ]
実施例３：９１[ｄＢ]
実施例４：９９[ｄＢ]
実施例５：１０７[ｄＢ]
実施例６：１０６[ｄＢ]
実施例７：１１８[ｄＢ]
実施例８：９７[ｄＢ]
比較例１：３８[ｄＢ]
比較例２：５７[ｄＢ]
比較例３：７４[ｄＢ]
比較例４：７２[ｄＢ]
以上の測定結果より、本発明の圧電音響素子が十分に高い音圧を再生可能であることがわかる。特に、実施例５の圧電音響素子に０．５[Ｖ]の電圧を印加した際の音圧レベルは９１[ｄＢ]であった。すなわち、印加電圧が１／２にも関わらず、実施例１〜３の圧電音響素子とほぼ同レベルの音圧が得られた。

（測定結果３）
周波数５００[Ｈｚ]〜２０００[Ｈｚ]における実施例１〜８及び比較例１〜４の音響素子の音圧を測定し、最大音圧と最小音圧の乖離率を算出したところ次のような結果が得られた。

実施例１〜８：２５％以内
比較例１〜３：４０％よりも大きい
比較例４ ：２５％よりも大きく４０％以下
以上の測定結果より、本発明の圧電音響素子が平坦な音圧周波数特性を有することがわかる。

（測定結果４）
実施例１〜８の圧電音響素子及び比較例１〜４の音響素子を直上５０cmから自然落下させた前後で音圧レベルを測定し、変化率を算出したところ次のような結果が得られた。

実施例１、２：３％以内
実施例３ ：３％よりも大きく１０％以下
実施例４〜７：３％以内
実施例８ ：３％よりも大きく１０％以下
比較例１〜４：１０％よりも大きい
以上の測定結果より、本発明の圧電音響素子が耐衝撃性に優れていることがわかる。

（測定結果５）
実施例１〜８の圧電音響素子及び比較例１〜４の音響素子を１００時間連続して駆動し、その前後で音圧レベルを測定し、変化率を算出したところ次のような結果が得られた。

実施例１、２：３％よりも大きく１０％以下
実施例３〜８：３％以内
比較例１〜４：１０％以上
以上の測定結果より、本発明の圧電音響素子が十分な耐久性を有し、信頼性が高いことがわかる。

（測定結果６）
実施例１〜８の圧電音響素子及び比較例１〜４の音響素子をそれぞれ５０個製造し、それぞれに１[Ｖ]の電圧を印加したときの音圧レベルを測定し、最大値と最小値の乖離率を算出したところ次のような結果が得られた。

実施例１、２：５％以内
実施例３ ：５％よりも大きく１５％以内
実施例４〜７：５％以内
実施例８ ：５％よりも大きく１５％以内
比較例１〜４：１５％よりも大きい
以上の測定結果より、本発明の圧電音響素子は製品間のバラツキが少ないことがわかる。

上記測定結果１〜６をまとめた表１を示す。尚、測定結果１に関しては、基本共振周波数が３００[Ｈｚ]以下の場合を「◎」、３００[Ｈｚ]よりも大きく５００[Ｈｚ]以下の場合を「○」、７００[Ｈｚ]よりも大きく１０００[Ｈｚ]以下の場合を「△」、１０００[Ｈｚ]よりも大きい場合を「×」と表した。

測定結果２に関しては、音圧レベルが９０[ｄＢ]よりも大きい場合を「◎」、９０[ｄＢ]以下の場合を「×」と表した。

測定結果３及び６に関しては、乖離率が２５％以内の場合を「○」、２５％よりも大きいが４０％以下である場合を「△」、４０％よりも大きい場合を「×」と表した。

測定結果４及び５に関しては、音圧変化が３％以内の場合を「○」、３％よりも大きく１０％以内の場合を「△」、１０％よりも大きい場合を「×」と表した。

測定結果６に関しては、乖離率が５％以内の場合を「○」、５％よりも大きく１５％以下である場合を「△」、１５％よりも大きく場合を「×」と表した。

これまでの説明及び測定結果１〜６を総合すると、本発明の圧電音響素子が、薄型小型、低電圧駆動可能、高音圧再生可能、広周波数特性、低コスト、高信頼性といった様々な利点を有することがわかる。

また、本発明の圧電音響素子が音響装置や携帯端末装置を始めとする幅広い分野に応用可能であることがわかる。例えば、音響装置に搭載すれば、小型で高音質の音響装置が実現される。また、従来の携帯電話やＰＤＡ（Personal Digital Assistance）に搭載されている電磁式音響素子に代えて、本発明の圧電音響素子を搭載すれば、携帯電話やＰＤＡの小型化や動作時間の延長を図りつつ、より高音質を実現することができる。

本発明の選択された実施形態は特定の用語を用いて記載されているが、この記載は例示のみを目的とするものであり、下記の請求の範囲の要旨及び範囲から逸脱することなく変更及び変形が可能なことが理解される。

Claims (11)

1. 圧電素子を振動源とする圧電音響素子であって、
   少なくとも１つの開口部を有する中空の筐体と、
   前記筐体の内部に設けられ、電圧が印加されると屈曲する圧電素子と、
   前記筐体の開口部に設けられた振動膜と、を有し、
   前記圧電素子と前記振動膜とが弾性を有する振動伝達部材を介して接合されている圧電音響素子。
2. 前記圧電素子の長手方向一端又は両端が支持部材を介して前記筐体の内面に固定されている請求項１記載の圧電音響素子。
3. 前記支持部材が弾性を有する請求項２記載の圧電音響素子。
4. 厚み、素材、寸法の少なくとも１つが互いに異なる２以上の振動膜及び／又は振動伝達部材を有する請求項１記載の圧電音響素子。
5. 前記圧電素子を挟んで対向する２つの振動膜を有し、それら２つの振動膜が別々の振動伝達部材を介して前記圧電素子に接合されている請求項１記載の圧電音響素子。
6. 前記圧電素子に接合された弾性板を有し、前記弾性板が前記振動伝達部材を介して前記振動膜に接合されている請求項１記載の圧電音響素子。
7. 前記圧電素子が導体層と圧電材料層とが交互に重ねられた積層構造を有する請求項１記載の圧電音響素子。
8. 前記振動伝達部材がバネである請求項１記載の圧電音響素子。
9. 前記振動膜がポリエチレンテレフタレートフィルム、ポリエーテルサルフォンフィルム、ポリエステルフィルム、ポリプロピレンフィルムのいずれかである請求項１記載の圧電音響素子。
10. 請求項１記載の圧電音響素子が搭載された音響装置。
11. 請求項１記載の圧電音響素子が搭載された携帯端末装置。

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