JP6034182B2 - 音響発生器、音響発生装置および電子機器 - Google Patents

Description

開示の実施形態は、音響発生器、音響発生装置および電子機器に関する。

従来、アクチュエータを用いた音響発生器が知られている（たとえば、特許文献１参照）。かかる音響発生器は、振動板に取り付けたアクチュエータに電圧を印加して振動させることによって振動板を振動させて音響を出力するものである。

特開２００９−１３０６６３号公報

しかしながら、上記した従来の音響発生器は、振動板の共振を積極的に利用するが故に、音圧の周波数特性においてピーク（周囲よりも音圧が高い部分）およびディップ（周囲よりも音圧が低い部分）が生じやすく、良質な音質を得にくいという問題があった。

実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、良好な音圧の周波数特性を得ることができる音響発生器、音響発生装置および電子機器を提供することを目的とする。

実施形態の一態様に係る音響発生器は、電気信号が入力されて振動する励振器と、この励振器が取り付けられており、励振器の振動によって励振器とともに振動する扁平な振動体と、この振動体を張設するとともに励振器の振動によって励振器および振動体とともに振動する支持体とを少なくとも有する音響発生器であって、支持体に接してダンピング材が配置されていることを特徴とする。

実施形態の一態様によれば、良好な音圧の周波数特性を得ることができる。

（Ａ）は基本的な音響発生器の概略構成を示す模式的な平面図であり、（Ｂ）は図１ＡのＡ−Ａ’線断面図である。 音圧の周波数特性の一例を示す図である。 （Ａ）は実施形態に係る音響発生器の構成を示す模式的な平面図であり、（Ｂ）は図３ＡのＢ−Ｂ’線略断面図である。 （Ａ）はダンピング材の具体的な配置例を示す模式的な平面図（その１）であり、（Ｂ）はダンピング材の具体的な配置例を示す模式的な平面図（その２）である。 （Ａ）はダンピング材の具体的な配置例を示す模式的な平面図（その３）であり、（Ｂ）はダンピング材の具体的な配置例を示す模式的な平面図（その４）である。 （Ａ）はダンピング材の具体的な配置例を示す正面模式図（その１）、（Ｂ）はダンピング材の具体的な配置例を示す正面模式図（その２）、（Ｃ）はダンピング材の具体的な配置例を示す正面模式図（その３）である。 （Ａ）は実施形態に係る音響発生装置の構成を示す図でり、（Ｂ）は実施形態に係る電子機器の構成を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本願の開示する音響発生器、音響発生装置および電子機器の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

まず、実施形態に係る音響発生器１の説明に先立って、基本的な音響発生器１’の概略構成について、図１Ａおよび図１Ｂを用いて説明する。図１Ａは、音響発生器１’の概略構成を示す模式的な平面図であり、図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ａ’線断面図である。

なお、説明を分かりやすくするために、図１Ａおよび図１Ｂには、鉛直上向きを正方向とし、鉛直下向きを負方向とするＺ軸を含む３次元の直交座標系を図示している。かかる直交座標系は、後述の説明に用いる他の図面でも示す場合がある。また、図１Ａにおいては、樹脂層７の図示を省略している。

また、同じく説明を分かりやすくするために、図１Ｂは、音響発生器１’を厚み方向（Ｚ軸方向）に大きく誇張して示している。

図１Ａに示すように、音響発生器１’は、枠体２と、振動板３と、圧電素子５とを備える。なお、図１Ａに示すように、以下の説明では、明記しない限り圧電素子５が１個である場合を例示するが、圧電素子５の個数を限定するものではない。

枠体２は、矩形の枠状の同じ形状を有する２枚の枠部材によって構成されており、振動板３の周縁部を挟み込んで振動板３を支持する支持体として機能している。振動板３は、板状やフィルム状の形状を有しており、その周縁部が枠体２に挟まれて固定されている。すなわち、振動板３は、枠体２の枠内に張った状態で支持されている。なお、振動板３のうち枠体２よりも内側に位置する部分、すなわち、振動板３のうち枠体２に挟まれておらず自由に振動することができる部分を振動体３ａとする。したがって、振動体３ａは、枠体２の枠内において略矩形状をなす部分である。

また、振動板３は、樹脂や金属等の種々の材料を用いて形成することができる。例えば、厚さ１０〜２００μｍ程度のポリエチレン、ポリイミド等の樹脂フィルムで振動板３を構成することができる。

枠体２の厚みや材質などは、特に限定されるものではない。金属や樹脂など種々の材料を用いて枠体２を形成することができる。例えば、機械的強度および耐食性に優れるという理由から、厚さ１００〜１０００μｍ程度のステンレス製のものなどを枠体２として好適に用いることができる。

なお、図１Ａには、その内側の領域の形状が略矩形状である枠体２を示しているが、平行四辺形、台形および正ｎ角形といった多角形であってもよい。本実施形態では、図１Ａに示すように、略矩形状である例を示している。

圧電素子５は、振動体３ａの表面に貼り付けられるなどして設けられ、電圧の印加を受けて振動することによって振動体３ａを励振する励振器である。

かかる圧電素子５は、図１Ｂに示すように、たとえば、４層のセラミックスからなる圧電体層５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄと、３層の内部電極層５ｅが交互に積層された積層体と、かかる積層体の上面および下面に形成された表面電極層５ｆ、５ｇと、内部電極層５ｅが露出した側面に形成された外部電極５ｈ、５ｊとを備える。また、外部電極５ｈ、５ｊに
は、リード端子６ａ、６ｂが接続される。

なお、圧電素子５は板状であり、上面側および下面側の主面が長方形状または正方形状といった多角形をなしている。また、圧電体層５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄは、図１Ｂに矢印で示すように分極されている。すなわち、ある瞬間に加えられる電界の向きに対する分極の向きが厚み方向（図のＺ軸方向）における一方側と他方側とで逆転するように分極されている。

そして、リード端子６ａ、６ｂを介して圧電素子５に電圧が印加されると、たとえば、ある瞬間において、振動体３ａに接着された側の圧電体層５ｃ、５ｄは縮み、圧電素子５の上面側の圧電体層５ａ、５ｂは伸びるように変形する。よって、圧電素子に交流信号を与えることにより、圧電素子５が屈曲振動し、振動体３ａに屈曲振動を与えることができる。

また、圧電素子５は、その主面が、振動体３ａの主面と、エポキシ系樹脂等の接着剤により接合されている。

なお、圧電体層５ａ、５ｂ、５ｃおよび５ｄを構成する材料としては、ＰＺＴ（lead zirconate titanate）、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、従来から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。

また、内部電極層５ｅの材料としては、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５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄを構成するセラミック成分とを含有した場合、圧電体層５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄと内部電極層５ｅとの熱膨張差による応力を低減することができるので、積層不良のない圧電素子５を得ることができる。また、リード端子６ａ、６ｂは、種々の金属材料を用いて形成することができる。例えば、銅またはアルミニウムなどの金属箔を樹脂フィルムで挟んだフレキシブル配線を用いてリード端子６ａ、６ｂを構成すると、圧電素子５の低背化を図ることができる。

また、図１Ｂに示すように、音響発生器１’は、枠体２の枠内において圧電素子５および振動体３ａの表面に被せるように配置されて、振動体３ａおよび圧電素子５と一体化された樹脂層７をさらに備える。

樹脂層７は、たとえば、アクリル系樹脂を用いてヤング率が１ＭＰａ〜１ＧＰａの範囲程度となるように形成されることが好ましい。なお、かかる樹脂層７によって圧電素子５を埋設することで、適度なダンピング効果を誘発させることができるので、共振現象を抑制して、音圧の周波数特性におけるピークやディップを小さく抑えることができる。

また、図１Ｂには、樹脂層７が、枠体２と同じ高さとなるように形成された状態を示しているが、圧電素子５が埋設されていればよく、たとえば、樹脂層７が枠体２の高さよりも高くなるように形成されてもよい。

また、図１Ｂでは、圧電素子５として、バイモルフ型の積層型圧電素子を例に挙げたが、これに限られるものではない。例えば、伸縮する圧電素子を振動体３ａに貼り付けたユニモルフ型であっても構わない。

ところで、本例の音響発生器は、図１Ａおよび図１Ｂに示したように、枠体２に張設された振動体３ａに圧電素子５が取り付けられるとともに樹脂層７で被覆されて、枠体２，振動体３ａ，圧電素子５および樹脂層７が一体化されており、その枠体２，振動体３ａ，
圧電素子５および樹脂層７が一体的に振動する。

このような枠体２，振動体３ａ，圧電素子５および樹脂層７によって構成される複合振動体において、枠体２，振動体３ａ，および樹脂層７は、振動源である圧電素子５の振動が伝搬されると、それぞれの大きさ（縦の長さ，横の長さ，対角線の長さおよび厚み）や硬度により、それぞれが固有の周波数で振動し、これらの振動が合算されて音響発生器の周波数−音圧特性となる。

しかしながら、このような枠体２，振動体３ａ，圧電素子５および樹脂層７によって構成される複合振動体が全体として対称性を有しているような場合、特定の周波数にピークが集中して、急峻なピークやディップが生じやすい。かかる点を、図２に図示する。

一例として、図２において破線の閉曲線ＰＤで囲んで示した部分に着目する。このようなピークが生じる場合、周波数によって音圧にばらつきが生じるため、良好な音質を得にくくなる。

かかる場合、ピークＰの高さを下げ（図中の矢印２０１参照）、かつ、ピーク幅を広げ（図中の矢印２０２参照）ピークやディップを小さくするような方策をとることが有効である。

そこで、本実施形態では、まず、音響発生器１を、枠体２に接してダンピング材８が配置されているものとした。なお、枠体２に接してダンピング材８が配置されているとは、ダンピング材８が枠体２の上面や側面、角部に接触するように配置されていることを意味し、ダンピング材８が振動体３ａや圧電素子５にも接触して配置していることがより好ましい。

このように、枠体２に接してダンピング材８を配置することにより、ダンピング材８により音圧の共振ピークが抑制されるため、ピークディップが低減し、周波数−音圧特性の平坦性が改善される。

また、本実施形態の音響発生器１は、平面視したときに、ダンピング材８はその重心が音響発生器１の重心と重ならないように配置されていることが好ましい。これにより、音圧のピークやディップをより小さくすることが可能となる。

さらに、ダンピング材８は、複数であることが好ましい。ダンピング材８を複数にすることにより、音質改善の対象となる周波数領域を選択的に改善でき、より良好な音質を得ることが可能となる。

また、複数のダンピング材８は、音響発生器１の重心に対して非対象の位置に配置されていること、面積が異なること、厚みが異なること、材質が異なること、あるいは質量が異なることが好ましい。このような複数のダンピング材８を配置することにより、よりピンポイントに音圧の共振ピークを抑制することが可能となり、周波数−音圧特性の平坦性の改善が図れる。

なお、ダンピング材８は、枠体２に接して配置すればよく、樹脂層７の有無に関係なく効果を奏することが可能となる。

以下、図３Ａ〜図４Ｂを用いて具体的に説明する。図３Ａは、実施形態に係る音響発生器１の構成を示す模式的な平面図であり、図３Ｂは、図３Ａに示すＢ−Ｂ’線略断面図である。また、図４Ａ〜図４Ｂは、振動板３を平面視したダンピング材８の配置説明図（そ
の１）〜（その２）である。

図３Ａに示すように、音響発生器１は、図１Ａおよび図１Ｂに示した音響発生器１’に加えて、ダンピング材８を備える。なお、図３Ａには、１個の矩形状のダンピング材８が枠体２と振動体３ａとに跨り枠体２に接している場合を例示しているが、その形状や個数、配置の領域を限定するものではなく、ダンピング材８が枠体２と接していればよい。

ダンピング材８は、機械的損失を有するものであればよいが、機械的損失係数が高い、言い換えれば、機械的品質係数（いわゆる、メカニカルＱ）が低い部材であることが望ましい。

このようなダンピング材８は、たとえば、種々の弾性体を用いて形成することができるが、柔らかく変形しやすいことが望ましいため、ウレタンゴム等のゴム材料を用いて好適に形成することができる。

特に、ウレタンフォーム等の多孔質なゴム材料を好適に用いることができる。また、ダンピング材８は、図１Ｂに示した枠体２および樹脂層７の表面に取り付けられて、枠体２，振動体３ａ，圧電素子５および樹脂層７と一体化されている。

そして、このようにダンピング材８を設けることによって、ダンピング材８が配置された領域は、樹脂層７や枠体２を介してダンピング材８による振動損失を受け、これにより共振現象が抑制されることとなる。

なお、ダンピング材８の外周形状は、図４Ａ〜Ｂに示すような楕円形状、矩形状にとどまらず、半円形状や三日月形状、星型形状等の異形形状や、五角形状や六角形状等の多角形状、円形状などの形状でも良い。

また、平面視したときに、ダンピング材８はその重心が音響発生器１の重心と重ならないように配置されていることが好ましい。ダンピング材８の重心と音響発生器１の重心とが重なった場合、逆に音圧のピークやディップを大きくしてしまう危険性がある。

次に、実施形態の他の一態様に係る音響発生器は、図５Ａ〜図５Ｂに示すように、複数のダンピング材８を有するものである。図５Ａは、２個のダンピング材８がいずれも枠体２と振動体３ａとに枠体２に跨がるとともに枠体２に接して配置された平面図であり、図５Ｂは、２個のダンピング材８のうちの１個が枠体２と振動体３ａとに跨って配置されるとともにもう１個が振動体３ａの上部で枠体２と接して配置された平面図である。

ダンピング材８を複数にすることにより、音質改善の対象となる周波数領域を選択的に改善でき、より良好な音質を得ることが可能となる。

また、複数のダンピング材８は、音響発生器１の重心に対して非対象の位置に配置されていることが好ましい。複数のダンピング材８を音響発生器１の重心に対して非対象の位置に配置することにより、音響発生器１や圧電素子５の対角線や縦、横の長さに起因するそれぞれの共振周波数や反共振周波数により生起されるピークやディップを抑制することができ、その結果、音圧のピークやディップのレベルをより小さくすることが可能となる。

また、複数のダンピング材８の面積を異ならせる、外周形状を異ならせる、厚みを異ならせる、材質を異ならせる、あるいは質量を異ならせることにより、上記と同様の効果が得られる。

つづいて、図６Ａ〜図６Ｃは、ダンピング材８の具体的な配置例を示す断面図（その１）〜（その３）である。なお、図６Ａ〜図６Ｃは、音響発生器１のＡ−Ａ’線（図１Ａ参照）断面図となっている。

図６Ａは、ダンピング材８が、圧電素子５が設けられた振動板３の主面側の枠体２と振動体３ａとに跨って配置された配置例であり、図６Ｂは、ダンピング材８が、圧電素子５が設けられた振動板３の主面側と反対側の主面の振動体３ａに枠体２と接するように配置された配置例である。

また、図６Ｃに示すように、たとえば、バイモルフ型の圧電素子５が、振動板３を両面から挟みつけて取り付けられるような場合、振動板３の下面側にも樹脂層７を形成し、下面側に枠体２と接するようにダンピング材８を設けてもよい。

次に、これまで説明してきた実施形態に係る音響発生器１を搭載した音響発生装置および電子機器について、図７Ａおよび図７Ｂを用いて説明する。図７Ａは、実施形態に係る音響発生装置２０の構成を示す図であり、図７Ｂは、実施形態に係る電子機器５０の構成を示す図である。なお、両図には、説明に必要となる構成要素のみを示しており、一般的な構成要素についての記載を省略している。

音響発生装置２０は、いわゆるスピーカのような発音装置であり、図７Ａに示すように、たとえば、音響発生器１と、音響発生器１を収容する筐体３０を備える。筐体３０は、音響発生器１の発する音響を内部で共鳴させるとともに、筐体３０に形成された図示せぬ開口から音響を外部へ放射する。このような筐体３０を有することにより、例えば低周波数帯域における音圧を高めることができる。

また、音響発生器１は、種々の電子機器５０に搭載することができる。たとえば、次に示す図７Ｂでは、電子機器５０が、携帯電話やタブレット端末のような携帯端末装置であるものとする。

図７Ｂに示すように、電子機器５０は、電子回路６０を備える。電子回路６０は、たとえば、コントローラ５０ａと、送受信部５０ｂと、キー入力部５０ｃと、マイク入力部５０ｄとから構成される。電子回路６０は、音響発生器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。音響発生器は電子回路から入力された音声信号に基づいて音響を発生させる。

また、電子機器５０は、表示部５０ｅと、アンテナ５０ｆと、音響発生器１とを備える。また、電子機器５０は、これら各デバイスを収容する筐体４０を備える。

なお、図７Ｂでは、１つの筐体４０にコントローラ５０ａをはじめとする各デバイスがすべて収容されている状態をあらわしているが、各デバイスの収容形態を限定するものではない。本実施形態では、少なくとも電子回路６０と音響発生器１とが、１つの筐体４０に収容されていればよい。

コントローラ５０ａは、電子機器５０の制御部である。送受信部５０ｂは、コントローラ５０ａの制御に基づき、アンテナ５０ｆを介してデータの送受信などを行う。

キー入力部５０ｃは、電子機器５０の入力デバイスであり、操作者によるキー入力操作を受け付ける。マイク入力部５０ｄは、同じく電子機器５０の入力デバイスであり、操作者による音声入力操作などを受け付ける。

表示部５０ｅは、電子機器５０の表示出力デバイスであり、コントローラ５０ａの制御に基づき、表示情報の出力を行う。

そして、音響発生器１は、電子機器５０における音響出力デバイスとして動作する。なお、音響発生器１は、電子回路６０のコントローラ５０ａに接続されており、コントローラ５０ａによって制御された電圧の印加を受けて音響を発することとなる。

ところで、図７Ｂでは、電子機器５０が携帯用端末装置であるものとして説明を行ったが、電子機器５０の種別を問うものではなく、音響を発する機能を有する様々な民生機器に適用されてよい。たとえば、薄型テレビやカーオーディオ機器は無論のこと、「話す」といった音響を発する機能を有する製品、例を挙げれば、掃除機や洗濯機、冷蔵庫、電子レンジなどといった種々の製品に用いられてよい。

なお、上述した実施形態では、振動体３ａの一方の主面に圧電素子５を設けた場合を主に例示して説明を行ったが、これに限られるものではなく、振動体３ａの両面に圧電素子５が設けられてもよい。

また、上述した実施形態では、枠体の内側の領域の形状が略矩形状である場合を例に挙げ、多角形であればよいこととしたが、これに限られるものではなく、円形や楕円形であってもよい。

また、上述した実施形態では、枠体２の枠内において圧電素子５および振動体３ａを覆ってしまうように樹脂層７を形成する場合を例に挙げたが、かかる樹脂層を必ずしも形成しなくともよい。

また、上述した実施形態では、樹脂フィルムなどの薄膜で振動板を構成する場合を例に挙げたが、これに限られるものではなく、たとえば、板状の部材で構成することとしてもよい。

また、上述した実施形態では、振動体３ａを支持する支持体が枠体２であり、振動体３ａの周縁を支持する場合を例に挙げたが、これに限られるものではない。たとえば、振動体３ａの長手方向あるいは短手方向の両端のみを支持することとしてもよい。この場合、ダンピング材８は、振動体３ａを支持する部材に接して配置されていればよい。

また、上述した実施形態では、励振器が圧電素子５である場合を例に挙げて説明したが、励振器としては、圧電素子に限定されるものではなく、電気信号が入力されて振動する機能を有しているものであれば良い。例えば、スピーカ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、電磁型の励振器であっても構わない。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。

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１、１’ 音響発生器
２ 枠体
３ 振動板
３ａ 振動体
５ 圧電素子
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ 圧電体層
５ｅ 内部電極層
５ｆ、５ｇ 表面電極層
５ｈ、５ｊ 外部電極
６ａ、６ｂ リード端子
７ 樹脂層
８ ダンピング材
２０ 音響発生装置
３０、４０ 筐体
５０ 電子機器
５０ａ コントローラ
５０ｂ 送受信部
５０ｃ キー入力部
５０ｄ マイク入力部
５０ｅ 表示部
５０ｆ アンテナ
６０ 電子回路
Ｐ ピーク

Claims (8)

1. 電気信号が入力されて振動する励振器と、
   該励振器が取り付けられており、該励振器の振動によって該励振器とともに振動する扁平な振動体と、
   該振動体を張設するとともに前記励振器の振動によって該励振器および前記振動体とともに振動する支持体と、
   前記励振器および該励振器が取り付けられた前記振動体の表面に被せるように配置された樹脂層と、
   前記樹脂層および前記支持体に接触するとともに前記励振器および前記振動体と非接触となるように設けられたダンピング材と、を有すること
   を特徴とする音響発生器。
2. 前記ダンピング材は、
   平面視したときに、該ダンピング材の重心が前記音響発生器の重心と重ならないように配置されていること
   を特徴とする請求項１に記載の音響発生器。
3. 前記ダンピング材は、
   複数であること
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載の音響発生器。
4. 複数の前記ダンピング材は、前記音響発生器の重心に対して非対称の位置に配置されていること
   を特徴とする請求項３に記載の音響発生器。
5. 複数の前記ダンピング材は、面積が異なること
   を特徴とする請求項３または４に記載の音響発生器。
6. 複数の前記ダンピング材は、厚みが異なること
   を特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の音響発生器。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の音響発生器と、
   該音響発生器を収容する筐体と、を備えること
   を特徴とする音響発生装置。
8. 請求項１〜６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、
   該電子回路および前記音響発生器を収容する筐体と、を備え、
   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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