JP2014075671A - 音響デバイス及びそれを用いた電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、高い音圧レベルの超音波を放射することに寄与する音響デバイスおよびそれを用いた電子機器を提供すること。
【解決手段】超音波を放射するよう発振される圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータを内蔵するフレームと、前記フレーム内で前記圧電アクチュエータの正面側に配置された前気室と、前記フレーム内で、前記圧電アクチュエータの背面側に前記前気室と仕切られて配置された後気室と、前記フレーム内に形成され、前記後気室と連通する音道と、前記フレームに形成され、前記前気室と前記フレーム外気を連通するメイン音孔と、前記フレームに形成され、前記音道を通じて前記後気室と前記フレーム外気を連通するサブ音孔と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、音響デバイス及びそれを用いた電子機器に関し、特に、圧電型電気音響変換器及びそれを用いた電子機器に関し、中でも、超音波を放射する圧電型電気音響変換器及びそれを用いた電子機器に関する。

携帯電話においては、音楽再生やハンズフリーなどの音響機能を商品価値とした薄型スタイリッシュ携帯の開発が活発化している。この中、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、従来の動電型に代わる圧電型の薄型電気音響変換器の開発が活発になされている。

圧電型電気音響変換器は、圧電素子の伸縮運動を利用して音波を再生するものである。このため、磁石やボイスコイルから構成される動電型電気音響変換器に比べて、薄型化に優位である。また、圧電素子自体が駆動源と振動面を兼ねるため、振幅方向の両面から音波を放射させることができる。

また、特許文献１には、スピーカのフレーム内に前気室の開口部を設け、同じくフレーム内において後気室と前気室の開口部に通じるダクトを設け、フレーム内において前気室の開口部付近で、振動子の正面から放射された音波と、振動子の背面から放射された逆位相の音波とを干渉させ、スピーカから放射される音波の音圧レベルを減衰させる、スピーカが提案されている。

特開２００８−０１１４２５号公報

以下の分析は、本発明によって与えられたものである。

圧電素子は空気負荷によりイナータンスなどの音響因子に影響を受けやく、実装スペースに制約を受ける薄型携帯電話では、良好な音響特性を実現するのに下記のような問題点がある。

第一の問題点は背面容量である。薄型携帯電話では、圧電振動子と背面基板とのクリアランスが狭小となるため、音響抵抗の負荷を受けて、音圧レベルは著しく減衰するという問題がある。

第二の問題点は音波の干渉である。圧電振動子の場合、上下両面から音波を放射するため、上面から正相の音波に対して、下面からは位相が反転した逆相の音波が放射される。下面から放射された音波が上面からの音波を干渉することで、音圧レベルが減衰する問題点がある。このため、圧電型電気音響変換器において、背面音の干渉と空気圧損による音圧減衰を抑制できる画期的な手法が要求される。

超音波を搬送波として可聴音を送出するパラメトリックスピーカの場合、指向性の高い音場を形成するためには、高い音圧が求められる。特許文献１のスピーカは、フレーム内で、振動子正面からの音波と同背面からの逆位相の音波を干渉させて、音圧を低減しているため、高い音圧をもった音波を放射することが困難である。

本発明は、高い音圧レベルの超音波を放射することに寄与する音響デバイスおよびそれを用いた電子機器を提供することを目的とする。

本発明は、第１の視点において、超音波を放射するよう発振される圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータを内蔵するフレームと、前記フレーム内で前記圧電アクチュエータの正面側に配置された前気室と、前記フレーム内で、前記圧電アクチュエータの背面側に前記前気室と仕切られて配置された後気室と、前記フレーム内に形成され、前記後気室と連通する音道と、前記フレームに形成され、前記前気室と前記フレーム外気を連通するメイン音孔と、前記フレームに形成され、前記音道を通じて前記後気室と前記フレーム外気を連通するサブ音孔と、を有する音響デバイス提供する。

本発明は、第２の視点において、第１の視点に基づく音響デバイスを搭載し、前記圧電アクチュエータを２０ｋＨｚ以上の超音波を放射するよう発振させる電子機器を提供する。

本発明による音響デバイスおよびそれを用いた電子機器は、圧電アクチュエータの背面側から放射される超音波を、圧電アクチュエータの正面側から放射される音波と同方向および同位相で、フレーム外に放射することに寄与し、さらに、正面側からの超音波が増幅されて、フレーム外に放射される超音波の音圧レベルが高くなることに寄与する。

本発明の一実施形態に係る音響デバイスの構造を説明するための断面図である。 図１に示した音響デバイスの動作を説明するための断面図である。 図１に示した音響デバイスを搭載する電子機器の構造を説明する断面図である。 比較例に係る音響デバイスの構造を説明するための断面図である。 図１に示した本発明の一実施形態に係る音響デバイスと、図４に示した比較例に係る音響デバイスと、をそれぞれ用いた実験結果を説明するグラフである。

本発明の一実施形態の概要について、図面を参照して説明する。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、本発明を図示の態様に限定することを意図するものではない。

本発明の一実施形態に係る音響デバイスによれば、図２に示すように、圧電アクチュエータ２の背面からの超音波は、音道６を介してサブ音孔８から大気中に放射される。圧電アクチュエータ２の背面からの超音波が、圧電アクチュエータ２の正面からの超音波に、同方向・同位相で重畳されることによって、音響デバイスから放射される音波は増幅されて音圧レベルが高くなる。さらに、サブ音孔８を通じて、空気が後気室５に循環するため、後気室５での音響抵抗が緩和される。これによって、本発明の一実施形態に係る音響デバイスを狭小空間に実装した場合においても、音圧レベルの減衰を抑制することができる。

また、本発明の一実施形態に係る音響デバイスは、好ましくは、２０ＫＨｚ以上の超音波を放射する。このような高周波数帯域を利用することによって、放射される音波の指向性が高くなり、正面と背面からの両音波の干渉による減衰を抑制することが可能となる。さらに、高周波数帯域の音波は、低周波帯域の音波と比較して並進性が低いため、開口部からの音波の放射流路の形成が容易となり、又、音孔形状の小型化が可能である。また、本発明の一実施形態に係る音響デバイスの実装時、音孔形状を選択することによって、より良好な音響特性を実現できるため、本発明による音響デバイスの工業的価値は大きい。

［第１の実施形態］
続いて、本発明の第１の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以降の記述において、多くの具体的事項は、説明のため、本発明の理解を助けるためになされたものである。

図１は、本発明の一実施形態に係る音響デバイスの構造を説明するための断面図である。

本発明の一実施形態に係る音響デバイス１は、超音波を放射するよう発振される圧電アクチュエータ２と、圧電アクチュエータを内蔵するフレーム３と、フレーム３内で圧電アクチュエータ２の正面側に配置された前気室４と、フレーム３内で、圧電アクチュエータ２の背面側に前気室４と仕切られて配置された後気室５と、フレーム３内に形成され、後気室５と連通する音道６と、フレーム３に形成され、前気室４とフレーム３の外気を連通するメイン音孔７と、フレーム３に形成され、音道６を通じて後気室５とフレーム３の外気を連通するサブ音孔８と、を有している。

詳細には、フレーム３内に内包された圧電アクチュエータ２は、圧電セラミックス２ａと金属板２ｂから構成され、金属板２ｂがフレームに直接接合されている。なお、金属板２ｂとフレーム３の間に、樹脂材料を介在させることも可能である。このように、樹脂材料を介在させることで、振動発生時に応力が集中する、金属板２ｂとフレーム３の接合部の剛性を緩和でき、振動振幅が改善される。前気室４と後気室５は、直接的に連通しないよう、金属板２ｂ等によって仕切られる。圧電アクチュエータ２は、高い音圧レベルを得るため、好ましくは２０ｋＨｚ以上の超音波を放射するよう発振される。

音道６は、フレーム３の側部内壁と、圧電アクチュエータ２の側部との間に形成されている。メイン音孔７およびサブ音孔８は、圧電アクチュエータ２の正面と対向するフレームの前壁に形成されている。サブ音孔８は、メイン音孔７の周囲に配置されている。また、サブ音孔８は、圧電アクチュエータ２を取り囲むフレーム３の側部内壁を介して、メイン音孔７から放射される超音波と同方向に超音波が放射できるよう形成されている。さらに、サブ音孔７は、外気が後気室５を循環するようフレーム３に形成されている。

後気室５内には、圧電アクチュエータ２の背面側で発生した超音波の放射方向を制御する構造を設けることができる。好ましくは、後気室５内に、圧電アクチュエータ２の背面側で発生した音波の放射方向を制御する円錐構造９を設ける。円錐構造９として、フレーム３ないし後気室５の内底面に設けた円錐状の金属板を採用することができる。円錐構造９によって、圧電アクチュエータ２の背面側から放射される超音波の放射方向が、より音道６に向かうように、さらには、よりサブ音孔８に向かうよう制御される。さらに、円錐構造９によって、後気室ないし圧電アクチュエータ２の背面空間に発生した内圧に対抗して、空気の排入出を行う循環経路が形成されやすくなり、背面空間の内圧抵抗を緩和できる。また、円錐構造９によって、背面空間から放射される逆相の超音波を、一定箇所に集音することも可能である。

図２は、図１に示した音響デバイスの動作を説明するための断面図である。図２を参照して、圧電アクチュエータ２が発振されると、圧電アクチュエータ２の正面側からは、メイン音孔７を通じて、超音波が放射される。同時に、圧電アクチュエータ２の背面側からも、逆位相の超音波が放射される。この逆位相の超音波は、後気室５および音道６内を伝播することによって、サブ音孔８から、正面側からの超音波と同位相となって放射される。加えて、サブ音孔８は、サブ音孔８から放射される超音波が、メイン音孔７から放射される超音波と同方向となるよう形成されている。かくして、フレーム３外では、圧電アクチュエータ２の背面側からの超音波が、圧電アクチュエータ２の正面側からの音波と、同方向および同位相で重畳し、高い音圧レベルの超音波が放射される。

次に、本発明の一実施形態に係る音響デバイスの適用例を説明する。図３は、図１に示した音響デバイスを搭載する電子機器の構造を説明する断面図である。

図３を参照すると、図１に示した音響デバイス１を搭載する電子機器１１は、電子機器１１のフレーム１３の正面に配置されたＬＣＤ（液晶表示画面）１２と、フレーム１３に内蔵され音響デバイス１およびＬＣＤ１２を制御する基板１４と、音響デバイス１、ＬＣＤ１２および基板１４の電源となる電池１４と、を有している。電子機器１１のフレーム１３は、音響デバイス１のフレーム３と一体化されている。

電子機器１１は、例えば、各種通信端末、楽器又はスピーカである。音響デバイス１ないし電子機器１１は、２０ｋＨｚ以上の超音波を放射する、パラメトリックスピーカないしパラメトリックスピーカ付き電子機器として用いられる。

次に、本発明の一実施形態に係る音響デバイスと、背面側からの超音波が遮断されている比較例に係る音響デバイスを用いて、これらの音響デバイスからそれぞれ放射される超音波の音圧レベルの周波数特性を対比した。

図４は、比較例に係る音響デバイスの構造を説明するための断面図である。

図１と図４を対比すると、比較例に係る音響デバイス２１は、音道６およびサブ音孔８を有しておらず、圧電アクチュエータ２の背面側から放射される超音波は遮断されている。

図５は、図１に示した本発明の一実施形態に係る音響デバイスと、図４に示した比較例に係る音響デバイスと、をそれぞれ用いた実験結果を説明するグラフである。

図１、図４および図５を参照すると、高周波数帯域、すなわち、超音波の帯域に近づくにつれて、本発明の一実施形態に係る音響デバイス１から放射される音波の音圧レベルが、比較例に係る音響デバイスから放射される音波の音圧レベルよりも、高くなっている。したがって、本発明の一実施形態に係る音響デバイス１は、２０ｋＨｚ以上の超音波を利用し、高い音圧レベルが求められるパラメトリックスピーカとして好適である。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は、上記した位置実施形態に限定されるものではなく、本発明の基本的技術的思想を逸脱しない範囲で、更なる変形・置換・調整を加えることができる。

なお、上記特許文献の開示を、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。

１ 音響デバイス
２ 圧電アクチュエータ
２ａ 圧電セラミックス
２ｂ 金属板
３ フレーム（筐体）
４ 前気室
５ 後気室
６ 音道
７ メイン音孔
８ サブ音孔
９ 円錐構造（円錐状金属板）
１１ 電子機器
１２ ＬＣＤ（液晶表示画面）
１３ フレーム
１４ 基板
１５ 電池
２１ 比較例に係る音響デバイス

Claims (11)

1. 超音波を放射するよう発振される圧電アクチュエータと、
   前記圧電アクチュエータを内蔵するフレームと、
   前記フレーム内で前記圧電アクチュエータの正面側に配置された前気室と、
   前記フレーム内で、前記圧電アクチュエータの背面側に前記前気室と仕切られて配置された後気室と、
   前記フレーム内に形成され、前記後気室と連通する音道と、
   前記フレームに形成され、前記前気室と前記フレーム外気を連通するメイン音孔と、
   前記フレームに形成され、前記音道を通じて前記後気室と前記フレーム外気を連通するサブ音孔と、
   を有することを特徴とする音響デバイス。
2. 前記メイン音孔および前記サブ音孔は、前記圧電アクチュエータの正面と対向する前記フレームの前壁に形成される、ことを特徴とする請求項１記載の音響デバイス。
3. 前記サブ音孔は、前記メイン音孔の周囲に配置される、ことを特徴とする請求項１記載の音響デバイス。
4. 前記音道は、前記フレームの側部内壁と、前記圧電アクチュエータの側部との間に形成される、ことを特徴とする請求項１記載の音響デバイス。
5. 前記サブ音孔は、前記圧電アクチュエータを取り囲む前記フレームの側部内壁を介して、前記メイン音孔から放射される超音波と同方向に超音波が放射できるよう形成される、ことを特徴とする請求項１記載の音響デバイス。
6. 前記圧電アクチュエータの背面側からの超音波が、前記圧電アクチュエータの正面側からの超音波と、同方向および同位相で重畳する、ことを特徴とする請求項１記載の音響デバイス。
7. 前記サブ音孔は、外気が前記後気室を循環するよう前記フレームに形成される、ことを特徴とする請求項１記載の音響デバイス。
8. 前記後気室内に、前記圧電アクチュエータの背面側で発生した超音波の放射方向を制御する構造を設ける、ことを特徴とする請求項１記載の音響デバイス。
9. 前記後気室内に、前記圧電アクチュエータの背面側で発生した超音波の放射方向を制御する円錐構造を設ける、ことを特徴とする請求項１記載の音響デバイス。
10. 前記圧電アクチュエータは、２０ｋＨｚ以上の超音波を放射するよう発振されることを特徴とする請求項１記載の音響デバイス。
11. 請求項１〜１０のいずれか一記載の音響デバイスを搭載し、前記圧電アクチュエータを２０ｋＨｚ以上の超音波を放射するよう発振させることを特徴とする電子機器。

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