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WO2010137242A1 - 圧電型音響変換器 - Google Patents

圧電型音響変換器 Download PDF

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WO2010137242A1
WO2010137242A1 PCT/JP2010/003134 JP2010003134W WO2010137242A1 WO 2010137242 A1 WO2010137242 A1 WO 2010137242A1 JP 2010003134 W JP2010003134 W JP 2010003134W WO 2010137242 A1 WO2010137242 A1 WO 2010137242A1
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WO
WIPO (PCT)
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piezoelectric
acoustic transducer
substrate
diaphragms
diaphragm
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2010/003134
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English (en)
French (fr)
Inventor
藤瀬明子
松村俊之
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Corp
Original Assignee
Panasonic Corp
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Panasonic Corp filed Critical Panasonic Corp
Priority to US13/055,315 priority Critical patent/US8989412B2/en
Priority to CN201080002164.8A priority patent/CN102106160B/zh
Priority to JP2010550779A priority patent/JP5579627B2/ja
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Definitions

  • the present invention relates to a piezoelectric acoustic transducer, and more particularly to a piezoelectric speaker that achieves both space saving and high sound quality.
  • an electrodynamic speaker is used as a speaker for reproducing an audio signal or a music signal in a mobile device.
  • this electrodynamic speaker is a driving method that requires a magnet and a voice coil, it is difficult to make the speaker thin, and there is a problem that it is necessary to take measures against magnetic leakage because a magnetic circuit is used.
  • a piezoelectric type speaker widely used for audio reproduction of AV equipment and the like attracts attention as a driving method suitable for thinning, and there is a tendency for an example of mounting on a mobile equipment to increase.
  • a piezoelectric speaker is known as an acoustic transducer using a piezoelectric material for an electroacoustic transducer, and is used as an acoustic output means of a small-sized device (see, for example, Patent Document 1).
  • This piezoelectric speaker has a structure in which a piezoelectric element is bonded to a metal plate or the like. Therefore, the piezoelectric speaker has an advantage that it can be easily thinned as compared with an electrodynamic speaker requiring a magnet and a voice coil, and that no countermeasure against magnetic leakage is required. Further, when viewed as an electric element, the electrodynamic speaker mainly operates as a resistance component, whereas the piezoelectric speaker operates as a capacitor.
  • the piezoelectric speaker has an advantage that the power consumption in the low frequency band is significantly lower than that of the electrodynamic speaker.
  • a piezoelectric speaker can reduce power consumption in a normal audio band, particularly in a frequency band of 1 kHz to 2 kHz, as compared to an electrodynamic speaker.
  • the piezoelectric speaker has a disadvantage that the amount of displacement of the piezoelectric diaphragm when applying the same voltage is smaller than that of the dynamic speaker. For this reason, in the low frequency band requiring a large displacement, the sound pressure becomes small (that is, the voltage sensitivity becomes low), and there is a problem that the sound signal can not be reproduced with a sufficient sound pressure. Therefore, in order to overcome this problem, one of the following methods had to be selected.
  • the first method is a method of obtaining the sound pressure by widening the area of the piezoelectric diaphragm.
  • the sound pressure of the piezoelectric speaker is proportional to the effective vibration area of the piezoelectric diaphragm if the displacement of the piezoelectric diaphragm is constant, so the effective vibration area is increased. For example, when the effective vibration area of the piezoelectric diaphragm is doubled, the sound pressure is doubled, that is, the sound pressure level is increased by 6 dB.
  • the second method is to obtain a sound pressure by increasing the drive voltage.
  • the amount of displacement of the piezoelectric diaphragm of the piezoelectric speaker is proportional to the drive voltage if the effective vibration area is constant, so the drive voltage is increased. For example, if the drive voltage is doubled, the sound pressure will be doubled.
  • the third method is a method of obtaining sound pressure by multilayering piezoelectric elements.
  • the driving force of the piezoelectric speaker is proportional to the number of stacked piezoelectric elements if the total thickness of the piezoelectric elements and the driving voltage are constant in a state in which the deformation directions of the piezoelectric members are all the same. It is to do. Therefore, if the number of stacked layers is increased, the sound pressure of the speaker is increased without changing the effective vibration area and drive voltage of the piezoelectric diaphragm.
  • the following problems remain with regard to mounting on a mobile device in terms of arrangement space and sound quality performance.
  • the first method it is necessary to expand the effective vibration area, but there is a limit to the size that can be expanded in mobile devices and AV devices that are required to be thinner and smaller.
  • the deterioration of the low-range reproduction capability is large due to the influence of the back volume shortage of the piezoelectric diaphragm.
  • the second method it is necessary to increase the drive voltage, but in order to achieve this, a boost amplifier for driving the speaker is separately required, which results in an increase in space and cost due to an increase in the number of parts.
  • the third method it is necessary to increase the number of stacked piezoelectric elements, but the cost of the piezoelectric elements increases according to the number of stacked layers.
  • the thickness per layer of the piezoelectric material or the electrode is limited due to the material or the method, the number of layers that can be stacked is also limited.
  • an object of the present invention is to provide a piezoelectric acoustic transducer capable of efficiently reproducing high sound pressure with limited space and cost.
  • the present invention is directed to a piezoelectric acoustic transducer that vibrates in response to an applied voltage.
  • the piezoelectric acoustic transducer according to the present invention comprises a plurality of piezoelectric diaphragms and a plurality of piezoelectric diaphragms, each having a piezoelectric element mounted on at least one main surface of a substrate.
  • the at least one connecting member for aligning the vibration axes of the elements and connecting the adjacent piezoelectric diaphragms of the plurality of piezoelectric diaphragms, the adjacent piezoelectric diaphragms reverse directions according to the voltage applied thereto
  • the polarities of the piezoelectric elements of the plurality of piezoelectric diaphragms are set so as to be displaced in the direction.
  • the piezoelectric diaphragm at one end of the plurality of piezoelectric diaphragms is connected to the non-oscillating fixed frame of the piezoelectric acoustic transducer at the center position of the substrate through at least one connecting member, and the piezoelectric element expands and contracts. It is connected to the adjacent piezoelectric diaphragm at the edge position of the substrate intersecting the direction.
  • the edge of the substrate intersecting the direction in which the piezoelectric element extends and contracts is connected to the fixed frame of the piezoelectric acoustic transducer that does not vibrate, and at least one It is connected to the adjacent piezoelectric vibrating plate at the center position of the substrate via the connecting member.
  • the piezoelectric vibrator further comprises a stretchable edge for supporting the substrate of the piezoelectric diaphragm at the other end of the plurality of piezoelectric diaphragms on a stationary frame of the piezoelectric acoustic transducer which does not vibrate.
  • typical piezoelectric diaphragms are rectangular.
  • a typical piezoelectric element has a structure in which a piezoelectric material is sandwiched between printed wiring formed on the surface of a substrate and a flat electrode.
  • the piezoelectric material either a single crystal piezoelectric body, a ceramic piezoelectric body, or a polymer piezoelectric body can be considered.
  • the adjacent piezoelectric diaphragms may be electrically connected through a conductive portion provided inside or outside of the at least one connection member.
  • the conductive portion provided outside the at least one connection member can be integrally molded with the substrate on the surface of which the printed wiring provided in the piezoelectric diaphragm is formed.
  • the piezoelectric diaphragms of the plurality of speaker circuits are alternately displaced in opposite phases.
  • a larger displacement can be obtained with the same voltage as in the case of one speaker circuit, so that the voltage sensitivity in the low frequency band is increased.
  • FIG. 1 is an exploded view showing a structure of a piezoelectric acoustic transducer 1 according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the piezoelectric acoustic transducer 1 taken along the line AA.
  • FIG. 3A is a view for explaining the vibration operation of the piezoelectric acoustic transducer 1.
  • FIG. 3B is a view for explaining the vibration operation of the piezoelectric acoustic transducer 1.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing another structure of the piezoelectric acoustic transducer 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is an exploded view showing a structure of a piezoelectric acoustic transducer 1 according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the piezoelectric acoustic transducer 1 taken along the line AA.
  • FIG. 5 is an exploded view showing the structure of a piezoelectric acoustic transducer 2 according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the piezoelectric acoustic transducer 2 taken along the line BB.
  • FIG. 7 is an exploded view showing the structure of a piezoelectric acoustic transducer 3 according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of the piezoelectric acoustic transducer 3 taken along the line CC.
  • FIG. 9A is a view for explaining the vibration operation of the piezoelectric acoustic transducer 3.
  • FIG. 9A is a view for explaining the vibration operation of the piezoelectric acoustic transducer 3.
  • FIG. 9B is a view for explaining the vibration operation of the piezoelectric acoustic transducer 3.
  • FIG. 10A is a structural cross-sectional view of a piezoelectric acoustic transducer according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10B is a structural cross-sectional view of a piezoelectric acoustic transducer according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a structural cross-sectional view of a piezoelectric acoustic transducer according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is an external view of a mounting example 1 of the piezoelectric acoustic transducer according to the present invention.
  • FIG. 10A is a structural cross-sectional view of a piezoelectric acoustic transducer according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10B is a structural cross-sectional view of a piezoelectric acoustic transducer according to another embodiment of the
  • FIG. 13 is an external view of a mounting example 2 of the piezoelectric acoustic transducer according to the present invention.
  • FIG. 14 is a top view of a mounting example 3 of the piezoelectric acoustic transducer of the present invention.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view taken along the line DD in the case where the piezoelectric acoustic transducer 1 is mounted on the housing 111.
  • the piezoelectric acoustic transducer of the present invention will be specifically described.
  • an example in which the piezoelectric acoustic transducer of the present invention is applied to a speaker will be described, but the piezoelectric acoustic transducer of the present invention is applied to a vibrator, a sensor, a microphone, etc. May be
  • FIG. 1 is an exploded view showing a structure of a piezoelectric acoustic transducer 1 according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the piezoelectric acoustic transducer 1 shown in FIG. 3A and 3B are diagrams for explaining the vibration operation of the piezoelectric acoustic transducer 1 shown in FIG.
  • the piezoelectric acoustic transducer 1 includes an upper speaker circuit 10, a lower speaker circuit 20, connection members 74 and 75, an edge 76, an upper frame 77, and a lower frame 78. .
  • the upper speaker circuit 10, the lower speaker circuit 20, the edge 76, the upper frame 77, and the lower frame 78 have the same rectangular shape. In FIG. 1, the case where this shape is a rectangle (rectangle) of the outer periphery R is illustrated.
  • the upper speaker circuit 10 is composed of an outer frame portion 11, a first conducting portion 12, a second conducting portion 13, and a piezoelectric diaphragm 14.
  • the outer frame portion 11 is a rectangular frame-shaped substrate having an outer periphery R and a predetermined width w.
  • the outer frame portion 11 is formed with a first electrical wiring 11 a and a second electrical wiring 11 b which are mutually insulated.
  • the piezoelectric vibration plate 14 has a rectangular substrate 15 having an outer periphery r smaller than the inner periphery of the outer frame portion 11, a piezoelectric element 16 mounted on a part of the upper surface of the substrate 15, and a part of the lower surface of the substrate 15 And the mounted piezoelectric element 17.
  • the piezoelectric diaphragm 14 is bendably connected to the outer frame portion 11 by the first conductive portion 12 and the second conductive portion 13.
  • the outer frame portion 11, the substrate 15, the first conductive portion 12, and the second conductive portion 13 are integrally formed by punching out the substrate material without being formed as separate parts. .
  • the piezoelectric elements 16 and 17 are thin plate elements having a structure (not shown) in which the upper and lower sides of the piezoelectric material are sandwiched between flat plate electrodes.
  • the piezoelectric material is a piezoelectric material that expands and contracts in response to an applied voltage.
  • the electrodes are formed of a conductive material such as metal, and the electrodes formed on the substrate surface are also called printed wiring.
  • the piezoelectric elements 16 and 17 have respective electrodes through the substrate 15, the first conducting portion 12, and the second conducting portion 13 so that voltages of polarities whose directions of expansion and contraction are opposite to each other are simultaneously applied between the electrodes.
  • the first and second electric wirings 11a and 11b formed in the outer frame portion 11 are electrically connected. By this connection, the upper speaker circuit 10 performs an operation of curving in the vertical direction according to the voltage applied between the first electric wiring 11 a and the second electric wiring 11 b.
  • the lower speaker circuit 20 also has a structure similar to that of the upper speaker circuit 10, and includes an outer frame portion 21, a first conductive portion 22, a second conductive portion 23, and a piezoelectric diaphragm 24.
  • the outer frame portion 21 is a rectangular frame-shaped substrate having an outer periphery R and a width w.
  • the outer frame portion 21 is formed with a first electrical wiring 21 a and a second electrical wiring 21 b which are mutually insulated.
  • the piezoelectric diaphragm 24 includes a substrate 25 of the outer periphery r, a piezoelectric element 26 mounted on a part of the upper surface of the substrate 25, and a piezoelectric element 27 mounted on a part of the lower surface of the substrate 25.
  • the piezoelectric diaphragm 24 is connected to the outer frame portion 21 so as to be bendable by the first conductive portion 22 and the second conductive portion 23.
  • the piezoelectric elements 26 and 27 are thin plate-like elements (not shown) having a piezoelectric material sandwiched between upper and lower electrodes.
  • the piezoelectric elements 26 and 27 have respective electrodes passing through the substrate 25, the first conducting portion 22, and the second conducting portion 23 so that voltages of polarities whose directions of expansion and contraction are opposite to each other are simultaneously applied between the electrodes.
  • the first and second electric wirings 21a and 21b formed in the outer frame portion 21 are electrically connected. By this connection, the lower speaker circuit 20 performs an operation of curving in the vertical direction according to the voltage applied between the first electric wiring 21 a and the second electric wiring 21 b.
  • first and second electric wires 11a and 11b of the upper speaker circuit 10 voltages with polarities in which the bending direction of the upper speaker circuit 10 and the bending direction of the lower speaker circuit 20 are opposite to each other are simultaneously applied between the electrodes And the first electric wiring 21a or the second electric wiring 21b of the lower speaker circuit 20.
  • the upper frame 77 is a square frame-shaped material having an outer periphery R and a width w.
  • the lower frame 78 is a material having a shape in which a beam 79 is provided at the center of a square frame having an outer periphery R and a width w.
  • the lower surface of the outer frame 21 and a part of the lower electrode of the piezoelectric element 26 are bonded to the upper surface of the lower frame 78, and the upper surface of the outer frame 21 is bonded to the lower surface of the upper frame 77.
  • the lower surface of the outer frame portion 11 is bonded to the upper surface of the upper frame 77, and an edge 76, which is an expandable laminate material, is mounted on the entire upper surface (see FIG. 2).
  • the portion of the substrate 15 on which the piezoelectric elements 16 and 17 of the upper speaker circuit 10 are not mounted and the portion of the substrate 25 on which the piezoelectric elements 26 and 27 of the lower speaker circuit 20 are not mounted It is connected (structurally connected) by connecting members 74 and 75 so that the axis and the oscillation axis of the piezoelectric elements 26 and 27 coincide.
  • the connecting members 74 and 75 are desirably made of a material less rigid than the substrates 15 and 25.
  • the vibration operation of the piezoelectric acoustic transducer 1 having the above structure will be described.
  • a voltage of the first polarity is applied between the first electrical wiring 11a and the second electrical wiring 11b of the upper speaker circuit 10
  • the piezoelectric element 16 and the piezoelectric element 17 expand and contract in opposite directions.
  • the substrate 15 is curved according to the difference between expansion and contraction of the two piezoelectric elements, and the piezoelectric diaphragm 14 is displaced by X in the thickness direction.
  • the voltage of the first polarity is also applied between the first and second electric wires 21a and 21b of the lower speaker circuit 20, and the piezoelectric element 26 and the piezoelectric element 27 expand and contract in opposite directions.
  • the substrate 25 is curved according to the difference between the expansion and contraction of the two piezoelectric elements, and the piezoelectric diaphragm 24 is displaced by ⁇ x in the thickness direction. See Figure 3A.
  • the piezoelectric element 16 and the piezoelectric element 17 are provided.
  • the direction of expansion or contraction changes.
  • the substrate 15 is curved in the direction opposite to that of the first polarity, and the piezoelectric diaphragm 14 is displaced by ⁇ X in the thickness direction.
  • the expansion and contraction directions of the piezoelectric element 26 and the piezoelectric element 27 also change.
  • the substrate 25 is curved in the direction opposite to that of the first polarity, and the piezoelectric diaphragm 24 is displaced by x in the thickness direction. See Figure 3B.
  • the piezoelectric diaphragm 24 is connected to the fixed frame of the piezoelectric acoustic transducer 1 that does not vibrate through the beam 79 functioning as a connecting member, and the piezoelectric diaphragm 14 and the piezoelectric diaphragm 24 are connected. It is connected by members 74 and 75. Therefore, the displacement of the piezoelectric acoustic transducer 1 as a whole when the voltage of the first polarity is applied is “X + x” which is the difference between the displacement X of the piezoelectric diaphragm 14 and the displacement ⁇ x of the piezoelectric diaphragm 24. . See Figure 3A.
  • the displacement of the piezoelectric acoustic transducer 1 as a whole when the voltage of the second polarity is applied is the difference between the displacement ⁇ X of the piezoelectric diaphragm 14 and the displacement x of the piezoelectric diaphragm 24 “ ⁇ X ⁇ x It becomes ". See Figure 3B. Therefore, the piezoelectric acoustic transducer 1 having two piezoelectric diaphragms can obtain a larger displacement at the same voltage as compared to a piezoelectric acoustic transducer having one piezoelectric diaphragm, ie, higher sound Pressure can be generated.
  • the piezoelectric diaphragms 14 and 24 of the two speaker circuits 10 and 20 are displaced in opposite directions.
  • a larger displacement can be obtained with the same voltage as in the case of one speaker circuit, so that the voltage sensitivity in the low frequency band is increased.
  • the rectangular piezoelectric diaphragms 14 and 24 are flexibly supported so as to be bendable by the conductive portions 12, 13, 22 and 23. There is. As a result, the resonance in the long side direction is efficiently excited and the low frequency is easily vibrated in the piezoelectric diaphragms 14 and 24, so that high frequency sound reproduction (lowering of the low frequency reproduction limit) should be performed. Is possible.
  • the edge 76 is attached to the upper speaker circuit 10 in order to block the sound wave of the opposite phase generated from the lower part interfering with the sound wave radiated to the upper part of the piezoelectric acoustic transducer 1 to prevent the sound pressure drop. Therefore, the edge 76 only needs to be able to flexibly support the piezoelectric diaphragm 14 without obstructing the displacement of the piezoelectric diaphragm 14 in the thickness direction. Therefore, as in the first embodiment of the present invention, the entire upper surface of the upper speaker circuit 10 is Alternatively, the gap between the piezoelectric diaphragm 14 and the outer frame portion 11 may only be closed. See FIG.
  • the structure of the connecting members 74 and 75 is not limited to the embodiment in which the piezoelectric diaphragm 14 and the piezoelectric diaphragm 24 are connected at the end position of the substrates 15 and 25 in a rectangular shape.
  • the structure of the connecting members 74 and 75 may be a structure in which the piezoelectric diaphragm 14 and the piezoelectric diaphragm 24 are connected at four corners of the substrates 15 and 25 in a cubic or cylindrical shape. With this structure, resonances in the diagonal direction of the piezoelectric diaphragms 14 and 24 can be efficiently excited to lower the bass reproduction limit.
  • the resonance in the short side direction of the piezoelectric diaphragms 14 and 24 (the resonance frequency is higher than that in the diagonal direction) is efficiently excited, and in the frequency band between the resonance frequency in the diagonal direction and the resonance frequency in the short side direction. Larger displacements can be obtained.
  • FIG. 5 is an exploded view showing the structure of a piezoelectric acoustic transducer 2 according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the piezoelectric acoustic transducer 2 shown in FIG.
  • the piezoelectric acoustic transducer 2 includes an upper speaker circuit 30, a lower speaker circuit 20, connection members 74 and 75, an edge 76, an upper frame 77, and a lower frame 78. .
  • the piezoelectric acoustic transducer 2 differs in the configuration of the piezoelectric acoustic transducer 1 and the upper speaker circuit 30.
  • the same reference numerals will be assigned to the same configuration, the description will be omitted, and only different configurations will be described.
  • the upper speaker circuit 30 is composed of a piezoelectric diaphragm 34 and a third conducting portion 38. Similar to the piezoelectric diaphragm 14 described above, the piezoelectric diaphragm 34 is formed on a rectangular substrate 35 having an outer periphery r, a piezoelectric element 36 mounted on a portion of the upper surface of the substrate 35, and a portion of the lower surface of the substrate 35. And the mounted piezoelectric element 37. The structure of the piezoelectric elements 36 and 37 is the same as that of the piezoelectric elements 16 and 17.
  • the third conductive portion 38 is provided on the substrate 35 in a predetermined shape, and serves to electrically connect the substrate 35 of the upper speaker circuit 30 and the substrate 25 of the lower speaker circuit 20.
  • the piezoelectric diaphragm 24 and the piezoelectric diaphragm 34 have a polarity to be displaced in the opposite direction. Then, the upper and lower electrodes of the piezoelectric elements 36 and 37 of the upper speaker circuit 30 and the upper and lower electrodes of the piezoelectric elements 26 and 27 of the lower speaker circuit 20 are electrically connected.
  • the piezoelectric diaphragms of the two speaker circuits are electrically connected via the third conduction portion 38.
  • the piezoelectric diaphragms 14 and 34 are electrically connected using the third conductive portion 38 provided along the surface of the connecting members 74 and 75 .
  • the piezoelectric diaphragms 14 and 34 may be electrically connected (eg, through holes) through the insides of the connecting members 74 and 75.
  • FIG. 7 is an exploded view showing the structure of a piezoelectric acoustic transducer 3 according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of the piezoelectric acoustic transducer 3 shown in FIG. 7 taken along the line CC.
  • 9A and 9B are diagrams for explaining the vibration operation of the piezoelectric acoustic transducer 3 shown in FIG.
  • the piezoelectric acoustic transducer 3 includes an upper speaker circuit 10, a lower speaker circuit 40, a connecting member 80, an edge 76, an upper frame 77, and a lower frame 81.
  • the piezoelectric acoustic transducer 3 differs in the configuration of the piezoelectric acoustic transducer 1, the lower speaker circuit 40, the connecting member 80, and the lower frame 81.
  • the same reference numerals will be assigned to the same configuration, the description will be omitted, and only different configurations will be described.
  • the lower speaker circuit 40 is composed of an outer frame portion 41 and a piezoelectric diaphragm 44.
  • the outer frame portion 41 is a rectangular frame-shaped substrate having an outer periphery R and a predetermined width w.
  • the outer frame portion 41 is formed with a first electrical wiring 41 a and a second electrical wiring 41 b which are mutually insulated.
  • the piezoelectric vibration plate 44 is mounted on a rectangular substrate 45 connecting both short sides of the outer frame portion 41, a piezoelectric element 46 mounted on a part of the upper surface of the substrate 45, and a part of the lower surface of the substrate 45 And a piezoelectric element 47.
  • the structure of the piezoelectric elements 46 and 47 is the same as that of the piezoelectric elements 16 and 17.
  • the piezoelectric diaphragm 44 is connected to the outer frame portion 41 so as to be bendable.
  • the outer frame portion 41 and the substrate 45 are integrally formed by punching a substrate material.
  • the lower frame 81 is a square frame-shaped material having an outer periphery R and a width w.
  • the lower surface of the outer frame portion 41 is bonded to the upper surface of the lower frame 81, and the upper surface of the outer frame portion 21 is bonded to the lower surface of the upper frame 77.
  • the lower electrode of the piezoelectric element 17 of the upper speaker circuit 10 and the upper electrode of the piezoelectric element 46 of the lower speaker circuit 40 are structurally connected by the connecting member 80 at the central portion. It is desirable that the connecting member 80 be a material that is less rigid than the substrates 15 and 45.
  • the vibration operation of the piezoelectric acoustic transducer 3 with this structure is as shown in FIGS. 9A and 9B.
  • connection member 80 As described above, according to the piezoelectric acoustic transducer 3 according to the third embodiment of the present invention, two speaker circuits are connected by only one connection member 80. Thereby, in addition to the effects of the first embodiment, the number of parts and the material cost can be further reduced.
  • a general plastic material polycarbonate, polyarylate film, polyethylene terephthalate, polyimide or the like
  • a material having insulation such as a liquid crystal polymer
  • the piezoelectric material a single crystal piezoelectric body, a ceramic piezoelectric body, or a polymer piezoelectric body is used.
  • the electrode a thin film material containing any of copper, aluminum, titanium, silver or the like, or an alloy thin film material thereof is used.
  • a flexible plastic material polyether sulfone or the like
  • a rubber-based polymer material SBR, NBR, acrylonitrile or the like
  • a general-purpose plastic material a rubber-based polymer material (SBR, NBR, acrylonitrile or the like), a liquid crystal polymer or the like is used.
  • each piezoelectric diaphragm is mounted with piezoelectric elements on both the upper surface and the lower surface of the substrate.
  • a piezoelectric diaphragm in which a piezoelectric element is mounted on either the upper surface or the lower surface is also applicable to the piezoelectric acoustic transducer of the present invention (for example, FIGS. 10A and 10B).
  • the structure in which two speaker circuits are connected has been described.
  • the piezoelectric acoustic transducer of the present invention is similarly applicable to a structure in which three or more speaker circuits are connected (for example, FIG. 11).
  • FIG. 12 is an external view of the case where the piezoelectric acoustic transducer of the present invention is mounted on a mobile phone terminal.
  • piezoelectric acoustic transducers 103 are the piezoelectric acoustic transducers 1 to 3 of the present invention described above, and are disposed on both sides of a display 102 provided in a casing 101 of a mobile phone terminal. The sound generated from the piezoelectric acoustic transducer 103 is radiated to the external space through the sound hole 104.
  • the piezoelectric acoustic transducer 103 of the present invention can realize space saving and high sound quality without increasing the number of parts. Therefore, by mounting the piezoelectric acoustic transducer 103, it is possible to easily design a mobile phone terminal which achieves both thinning and high sound quality.
  • FIG. 13 is an external view of the case where the piezoelectric acoustic transducer of the present invention is mounted on a flat-screen television.
  • the piezoelectric acoustic transducers 107 of the present invention are the above-described piezoelectric acoustic transducers 1 to 3 of the present invention, and are disposed on both sides of the display 106 provided in the housing 105 of the flat panel television.
  • the mounting area of the speaker in the housing 105 of the flat-screen TV is very narrow and the cabinet volume is small. Therefore, by mounting the piezoelectric acoustic transducer 107, it is possible to easily design a flat-screen television which achieves both thinning and high sound quality. In particular, by using the piezoelectric acoustic transducer 107 as a bass reproduction speaker (woofer), it is possible to reproduce the realism of the audiovisual content without increasing the installation space.
  • a bass reproduction speaker woofer
  • FIG. 14 is a top view of a casing 111 such as a cellular phone terminal or a flat-screen television equipped with the piezoelectric acoustic transducer of the present invention.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view taken along the line DD in the case where the piezoelectric acoustic transducer 1 according to the first embodiment is mounted on the case 111 shown in FIG.
  • the housing 111 is a box having an opening 111a, and the lower inner wall 111c is provided with a projection 112.
  • the lower frame 78 and the lower surface of the beam 79 are mounted on the protrusion 112 with the damping member 114 interposed therebetween.
  • the upper portion of the piezoelectric acoustic transducer 1 is attached to the upper inner wall 111 b of the housing 111 with the vibration isolation member 113 interposed therebetween only in the upper surface of the edge 76 corresponding to the upper frame 77.
  • the vibration of the piezoelectric acoustic transducer 1 can be prevented from propagating to the upper surface of the housing 111. Further, by providing the damping member 114, the frame portion of the piezoelectric acoustic transducer 1 is fixed to the housing 111 via the projection 112, and the vibration of the piezoelectric acoustic transducer 1 is on the lower surface of the housing 111. It is possible to prevent propagation. Thereby, in addition to the above-described effects, it is possible to prevent the generation of unnecessary sound due to the resonance of the casing 111.
  • the attachment of the piezoelectric acoustic transducer 1 to the housing 111 may be only one of the upper inner wall 111b, the lower inner wall 111c, or the side inner wall 111d.
  • the piezoelectric acoustic transducer of the present invention can be used as a speaker, an exciter, a sensor, a microphone, etc., and is particularly useful when space saving and high sound quality are desired to be compatible.
  • Piezoelectric acoustic transducers 10 20, 30, 40 Speaker circuits 11, 21, 41 Outer frame portions 11a, 11b, 21a, 21b, 41a, 41b Electric wires 12, 13, 22, 23, 38 Conducting portion 14, 24, 34, 44 Piezoelectric diaphragm 15, 25, 35, 45 Substrate 16, 17, 26, 27, 36, 37, 46, 47 Piezoelectric element 74, 75, 80 Connecting member 76 Edge 77 78, 81 Frame 79 Beam 101, 105, 111 Housing 102, 106 Display 104 Sound hole 111a Opening 111b, 111c, 111d Inner wall 112 Protrusion 113 Vibration proofing member 114 Damping member

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Abstract

　本発明の圧電型音響変換器(1)は、下部フレーム(78)、下部スピーカ回路(20)は、上部フレーム(77)、上部スピーカ回路(10)、及びエッジ(76)で構成される。上部スピーカ回路(10)は、圧電材の上下を平板電極で挟んだ構造の圧電素子(16,17)を基板(15)の上下面に実装した圧電振動板(14)を有する。下部スピーカ回路(20)は、同じ構造の圧電素子(26,27)を基板(25)の上下面に実装した圧電振動板(24)を有する。圧電振動板(14,24)は、連結部材(74,75)で連結されている。電圧印加時には、圧電振動板(14,24)を、互いに逆方向に湾曲させる。この構造により、圧電型音響変換器(1)の厚み方向の変位が増加し、省スペースによる高音質化を実現できる。

Description

圧電型音響変換器
　本発明は、圧電型音響変換器に関し、より特定的には、省スペース化及び高音質化を両立させた圧電型スピーカに関する。
　近年、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）、及びポータブルナビゲーションデバイス等のモバイル機器は、薄型化及び小型化される傾向が加速している。また、ＡＶ機器等に搭載される部品も、薄型化及び小型化のニーズが高まっている。
　一般に、モバイル機器における音声信号や音楽信号を再生するスピーカには、動電型スピーカが用いられている。しかし、この動電型スピーカは、磁石及びボイスコイルを必要とする駆動方式であるためスピーカの薄型化が困難であり、また磁気回路を用いるために磁気漏洩対策が必須である等の課題がある。そこで、ＡＶ機器等の音声再生に広く用いられてきた圧電型スピーカが、薄型化に適した駆動方式として注目されており、モバイル機器への搭載例も増加する傾向にある。
　従来、圧電型スピーカは、電気音響変換素子に圧電材を用いた音響変換器として知られており、小型機器の音響出力手段として使用されている（例えば、特許文献１を参照）。この圧電型スピーカは、圧電素子を金属板等に接着した構造である。従って、圧電型スピーカは、磁石及びボイスコイルを必要とする動電型スピーカと比較して薄型化が容易であり、また磁気漏洩対策が不要であるというメリットを持つ。また、電気素子としてみた場合、動電型スピーカは主に抵抗成分として動作するのに対して、圧電型スピーカはキャパシタとして動作する。従って、周波数が低いほど電気インピーダンスは高くなるため、圧電型スピーカは、動電型スピーカと比較して低周波帯域での消費電力が著しく低いというメリットを持つ。例えばモバイル機器に用いる場合、圧電型スピーカは、通常の音声帯域、特に１ｋＨｚから２ｋＨｚの周波数帯域での消費電力を、動電型スピーカよりも低減することができる。
　一方、圧電型スピーカは、動電型スピーカと比較して、同一の電圧を与えたときの圧電振動板の変位量が小さいというデメリットを持つ。このため、大きな変位を必要とする低周波帯域では音圧が小さくなり（すなわち、電圧感度が低くなり）、音声信号を十分な音圧で再生できないという課題があった。従って、この課題を克服するためには、下記のいずれかの手法を選択する必要があった。
　第１の手法は、圧電振動板の面積を広くして音圧を得る手法である。圧電型スピーカの音圧は、圧電振動板の変位量を一定とすれば圧電振動板の有効振動面積に比例するため、この有効振動面積を大きくするのである。例えば、圧電振動板の有効振動面積を２倍にすると音圧は２倍になり、すなわち音圧レベルが６ｄＢ上昇する。
　第２の手法は、駆動電圧を高くして音圧を得る手法である。圧電型スピーカの圧電振動板の変位量は、有効振動面積を一定とすれば駆動電圧に比例するため、この駆動電圧を高くするのである。例えば、駆動電圧を２倍にすると、音圧は２倍になる。
　第３の手法は、圧電素子を多層化して音圧を得る手法である。圧電型スピーカの駆動力は、圧電材の変形方向が全て一致する状態において圧電素子の合計厚及び駆動電圧を一定とすれば圧電素子の積層数に比例するため、この圧電素子の積層数を多くするのである。従って、積層数を増加させれば、圧電振動板の有効振動面積及び駆動電圧を変えることなく、スピーカの音圧が上昇する。
特開２００３－２３０１９３号公報
　しかしながら、上述した第１～第３の手法は、配置スペースや音質性能の観点でモバイル機器への搭載について、次の課題が残る。
　第１の手法では、有効振動面積の拡大が必要であるが、薄型化及び小型化が求められるモバイル機器やＡＶ機器では、拡大できるサイズに限界がある。特に、限られた容積のキャビネットでは、圧電振動板の背面容積不足の影響による低域再生能力の劣化が大きい。
　第２の手法では、駆動電圧を高くする必要があるが、実現するためにはスピーカ駆動用の昇圧アンプを別途必要とするため、部品点数の増加によるスペース増大及びコスト増加を招いてしまう。
　第３の手法では、圧電素子の積層数を多くする必要があるが、積層数に応じて圧電素子のコストが増加する。また、圧電材や電極の１層当たりの厚みには材料や工法上の制約があるため、積層できる数にも限界がある。
　それ故に、本発明の目的は、限られたスペース及びコストで、効率よく高い音圧を再生することが可能な圧電型音響変換器を提供することである。
　本発明は、印加される電圧に応じて振動する圧電型音響変換器に向けられている。そして、上記目的を達成するために、本発明の圧電型音響変換器は、それぞれ基板の少なくとも一方の主面に圧電素子が装着された、複数の圧電振動板と、複数の圧電振動板の圧電素子の振動軸を一致させ、かつ、複数の圧電振動板の隣り合う圧電振動板を連結する、少なくとも１つの連結部材とを備え、隣り合う圧電振動板が印加される電圧に応じて互いに逆方向に変位するように、複数の圧電振動板の圧電素子の極性がそれぞれ設定されている。
　複数の圧電振動板の一方端にある圧電振動板は、少なくとも１つの連結部材を介して、基板の中央位置で圧電型音響変換器の振動しない固定フレームに連結されており、圧電素子が伸縮する方向と交わる基板の端辺位置で隣りの圧電振動板と連結されている。又は、複数の圧電振動板の一方端にある圧電振動板は、圧電素子が伸縮する方向と交わる基板の端辺が、圧電型音響変換器の振動しない固定フレームに連結されており、少なくとも１つの連結部材を介して、基板の中央位置で隣りの圧電振動板と連結されている。
　なお、複数の圧電振動板の他方端にある圧電振動板の基板を、圧電型音響変換器の振動しない固定フレームに支持する伸縮自在のエッジをさらに備えることが好ましい。また、典型的な複数の圧電振動板は、矩形である。また、典型的な圧電素子は、基板の表面に形成されたプリント配線と平板の電極とで、圧電材を挟んだ構造である。圧電材は、単結晶圧電体、セラミック圧電体、又は高分子圧電体のいずれかが考えられる。
　隣り合う圧電振動板は、少なくとも１つの連結部材の内部又は外部に設けられた導通部を通じて電気的に接続されていてもよい。この場合、少なくとも１つの連結部材の外部に設けられた導通部は、圧電振動板が備えるプリント配線が表面に形成された基板と一体成形することができる。
　上記本発明によれば、複数のスピーカ回路の圧電振動板を交互に逆位相で変位させる。これにより、１つのスピーカ回路の場合と同じ電圧でより大きな変位を得ることができるので、低周波帯域での電圧感度が高くなる。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る圧電型音響変換器１の構造を示す部品分解図である。 図２は、圧電型音響変換器１のＡ－Ａ断面図である。 図３Ａは、圧電型音響変換器１の振動動作を説明する図である。 図３Ｂは、圧電型音響変換器１の振動動作を説明する図である。 図４は、本発明の第１の実施形態に係る圧電型音響変換器１の他の構造を示す断面図である。 図５は、本発明の第２の実施形態に係る圧電型音響変換器２の構造を示す部品分解図である。 図６は、圧電型音響変換器２のＢ－Ｂ断面図である。 図７は、本発明の第３の実施形態に係る圧電型音響変換器３の構造を示す部品分解図である。 図８は、圧電型音響変換器３のＣ－Ｃ断面図である。 図９Ａは、圧電型音響変換器３の振動動作を説明する図である。 図９Ｂは、圧電型音響変換器３の振動動作を説明する図である。 図１０Ａは、本発明の他の実施形態に係る圧電型音響変換器の構造断面図である。 図１０Ｂは、本発明の他の実施形態に係る圧電型音響変換器の構造断面図である。 図１１は、本発明の他の実施形態に係る圧電型音響変換器の構造断面図である。 図１２は、本発明の圧電型音響変換器の搭載例１における外観図である。 図１３は、本発明の圧電型音響変換器の搭載例２における外観図である。 図１４は、本発明の圧電型音響変換器の搭載例３における上面図である。 図１５は、筐体１１１に圧電型音響変換器１を搭載した場合のＤ－Ｄ断面図である。
　以下、図面を参照して、本発明の圧電型音響変換器について具体的に説明する。
　なお、以下の各実施形態では、本発明の圧電型音響変換器をスピーカに適用した例を説明するが、本発明の圧電型音響変換器は、加振器、センサ、及びマイク等に適用してもよい。
　〔第１の実施形態〕
　図１は、本発明の第１の実施形態に係る圧電型音響変換器１の構造を示す部品分解図である。図２は、図１に示す圧電型音響変換器１のＡ－Ａ断面図である。図３Ａ及びＢは、図１に示す圧電型音響変換器１の振動動作を説明する図である。
　本発明の第１の実施形態に係る圧電型音響変換器１は、上部スピーカ回路１０、下部スピーカ回路２０、連結部材７４及び７５、エッジ７６、上部フレーム７７、及び下部フレーム７８で構成されている。上部スピーカ回路１０、下部スピーカ回路２０、エッジ７６、上部フレーム７７、及び下部フレーム７８は、大きさが同じ方形の形状をしている。図１では、この形状が外周Ｒの矩形（長方形）である場合を例示している。
　まず、圧電型音響変換器１の構造を説明する。
　上部スピーカ回路１０は、外枠部１１、第１の導通部１２、第２の導通部１３、及び圧電振動板１４で構成されている。外枠部１１は、外周Ｒかつ所定の幅ｗを持つ四角枠状の基板である。この外枠部１１には、互いに絶縁された第１の電気配線１１ａ及び第２の電気配線１１ｂが形成されている。圧電振動板１４は、外枠部１１の内周よりも小さい外周ｒを持つ矩形の基板１５と、基板１５の上面の一部に実装された圧電素子１６と、基板１５の下面の一部に実装された圧電素子１７とを含む。この圧電振動板１４は、第１の導通部１２及び第２の導通部１３によって、湾曲可能に外枠部１１と接続されている。典型的には、外枠部１１、基板１５、第１の導通部１２、及び第２の導通部１３は、別部品で構成することなく、基板材料を打ち抜き加工することで一体で成形される。
　圧電素子１６及び１７は、圧電材の上下を平板の電極で挟んだ構造（図示せず）の薄板状素子である。圧電材は、印加される電圧に応じて伸縮する圧電性材料である。電極は、金属等の導電性材料で形成され、基板表面に形成された電極はプリント配線とも呼ばれる。この圧電素子１６及び１７は、伸縮方向が互いに逆になる極性の電圧が同時に電極間に加えられるように、それぞれの電極が基板１５、第１の導通部１２、及び第２の導通部１３を通じて、外枠部１１に形成された第１及び第２の電気配線１１ａ及び１１ｂと電気的に接続されている。この接続により、上部スピーカ回路１０は、第１の電気配線１１ａと第２の電気配線１１ｂとの間に印加される電圧に応じて、上下方向に湾曲する動作を行う。
　下部スピーカ回路２０も、上部スピーカ回路１０と同様の構造であり、外枠部２１、第１の導通部２２、第２の導通部２３、及び圧電振動板２４で構成されている。外枠部２１は、外周Ｒかつ幅ｗを持つ四角枠状の基板である。この外枠部２１には、相互に絶縁された第１の電気配線２１ａ及び第２の電気配線２１ｂが形成されている。圧電振動板２４は、外周ｒの基板２５と、基板２５の上面の一部に実装された圧電素子２６と、基板２５の下面の一部に実装された圧電素子２７とを含む。この圧電振動板２４は、第１の導通部２２及び第２の導通部２３によって、湾曲可能に外枠部２１と接続されている。
　圧電素子２６及び２７は、圧電材を上下の電極で挟んだ構造（図示せず）の薄板状素子である。この圧電素子２６及び２７は、伸縮方向が互いに逆になる極性の電圧が同時に電極間に加えられるように、それぞれの電極が基板２５、第１の導通部２２、及び第２の導通部２３を通じて、外枠部２１に形成された第１及び第２の電気配線２１ａ及び２１ｂと電気的に接続されている。この接続により、下部スピーカ回路２０は、第１の電気配線２１ａと第２の電気配線２１ｂとの間に印加される電圧に応じて、上下方向に湾曲する動作を行う。
　上部スピーカ回路１０の第１及び第２の電気配線１１ａ及び１１ｂは、上部スピーカ回路１０の湾曲方向と下部スピーカ回路２０の湾曲方向とが互いに逆になる極性の電圧が同時に電極間に加えられるように、下部スピーカ回路２０の第１の電気配線２１ａ又は第２の電気配線２１ｂのいずれかとそれぞれ電気的に接続される。
　上部フレーム７７は、外周Ｒかつ幅ｗを持つ四角枠状の物質である。下部フレーム７８は、外周Ｒかつ幅ｗを持つ四角枠の中央に梁部７９を設けた形状の物質である。下部スピーカ回路２０は、外枠部２１の下面及び圧電素子２６の下部電極の一部が下部フレーム７８の上面と接着され、外枠部２１の上面が上部フレーム７７の下面と接着される。上部スピーカ回路１０は、外枠部１１の下面が上部フレーム７７の上面と接着され、上面全体には伸縮自在のラミネート材料であるエッジ７６が装着される（図２を参照）。上部スピーカ回路１０の圧電素子１６及び１７が実装されていない基板１５の部分と、下部スピーカ回路２０の圧電素子２６及び２７が実装されていない基板２５の部分とは、圧電素子１６及び１７の振動軸と圧電素子２６及び２７の振動軸とが一致するように、連結部材７４及び７５によって連結（構造的に接続）されている。この連結部材７４及び７５は、基板１５及び２５より剛性の低い材料であることが望ましい。
　次に、上記構造による圧電型音響変換器１の振動動作を説明する。
　上部スピーカ回路１０の第１の電気配線１１ａと第２の電気配線１１ｂとの間に第１極性の電圧が印加されると、圧電素子１６と圧電素子１７とが互いに逆方向に伸縮する。この結果、２つの圧電素子の伸張と縮小との差に応じて基板１５が湾曲し、圧電振動板１４は厚み方向にＸだけ変位する。一方、この第１極性の電圧は、下部スピーカ回路２０の第１及び第２の電気配線２１ａ及び２１ｂとの間にも印加され、圧電素子２６と圧電素子２７とが互いに逆方向に伸縮する。この結果、２つの圧電素子の伸張と縮小との差に応じて基板２５が湾曲し、圧電振動板２４は厚み方向に－ｘだけ変位する。図３Ａを参照。
　また、上部スピーカ回路１０の第１の電気配線１１ａと第２の電気配線１１ｂとの間に、第１極性と反対である第２極性の電圧が印加されると、圧電素子１６及び圧電素子１７の伸縮方向が変わる。結果、基板１５が第１極性の場合と逆方向に湾曲し、圧電振動板１４は厚み方向に－Ｘだけ変位する。一方、圧電素子２６及び圧電素子２７の伸縮方向も変わる。結果、基板２５が第１極性の場合と逆方向に湾曲し、圧電振動板２４は厚み方向にｘだけ変位する。図３Ｂを参照。
　ここで、圧電振動板２４が、連結部材として機能する梁部７９を介して圧電型音響変換器１の振動しない固定フレームに連結されており、圧電振動板１４と圧電振動板２４とが、連結部材７４及び７５で連結されている。よって、第１極性の電圧の印加時における圧電型音響変換器１の全体としての変位は、圧電振動板１４の変位Ｘと圧電振動板２４の変位－ｘとの差分である「Ｘ＋ｘ」となる。図３Ａを参照。また、第２極性の電圧の印加時における圧電型音響変換器１の全体としての変位は、圧電振動板１４の変位－Ｘと圧電振動板２４の変位ｘとの差分である「－Ｘ－ｘ」となる。図３Ｂを参照。従って、２つの圧電振動板を有する圧電型音響変換器１は、１つの圧電振動板を有する圧電型音響変換器と比較して、同一電圧でより大きな変位を得ることができる、すなわちより高い音圧を発生させることができる。
　以上のように、本発明の第１の実施形態に係る圧電型音響変換器１によれば、２つのスピーカ回路１０及び２０の圧電振動板１４及び２４を逆方向に変位させる。これにより、１つのスピーカ回路の場合と同じ電圧でより大きな変位を得ることができるので、低周波帯域での電圧感度が高くなる。また、背景技術で記載した第１及び第３の手法と比較して、省スペースかつ低コストで低周波帯域での電圧感度がよい高音質の圧電型音響変換器１を実現できる。
　また、本発明の第１の実施形態に係る圧電型音響変換器１によれば、矩形の圧電振動板１４及び２４を導通部１２、１３、２２、及び２３で湾曲可能に柔軟に支持している。これにより、圧電振動板１４及び２４は、長辺方向の共振が効率よく励振されて低周波数が振動し易くなるので、低音の再生を高音質で行う（低域再生限界をより低くする）ことが可能となる。
　なお、エッジ７６は、圧電型音響変換器１の上部に放射される音波に干渉する下部から発生する逆位相の音波を遮断して音圧低下を防ぐために、上部スピーカ回路１０に装着される。従って、エッジ７６は、圧電振動板１４の厚み方向の変位を阻害することなく圧電振動板１４を柔軟に支持できればよいので、本発明の第１の実施形態のように上部スピーカ回路１０の上面全体に装着しなくても、圧電振動板１４と外枠部１１との隙間を塞ぐだけでもよい。図４を参照。
　また、連結部材７４及び７５の構造は、図１に示すように、直方体形状によって基板１５及び２５の端辺位置で圧電振動板１４と圧電振動板２４とを連結する実施例に限られない。例えば、連結部材７４及び７５の構造を、立方体形状や円柱形状によって基板１５及び２５の四隅位置で圧電振動板１４と圧電振動板２４とを連結する構造にしてもよい。この構造にすれば、圧電振動板１４及び２４の対角線方向の共振が効率よく励振されて低音再生限界をより低くすることができる。また、圧電振動板１４及び２４の短辺方向の共振（対角線方向よりも共振周波数が高い）が効率よく励振されて、対角線方向の共振周波数と短辺方向の共振周波数との間の周波数帯域でより大きな変位を得ることができる。
　〔第２の実施形態〕
　図５は、本発明の第２の実施形態に係る圧電型音響変換器２の構造を示す部品分解図である。図６は、図５に示す圧電型音響変換器２のＢ－Ｂ断面図である。
　本発明の第２の実施形態に係る圧電型音響変換器２は、上部スピーカ回路３０、下部スピーカ回路２０、連結部材７４及び７５、エッジ７６、上部フレーム７７、及び下部フレーム７８で構成されている。この圧電型音響変換器２は、上記圧電型音響変換器１と上部スピーカ回路３０の構成が異なる。以下、同一構成については同一の参照符号を付して説明を省略し、異なる構成のみを説明する。
　上部スピーカ回路３０は、圧電振動板３４及び第３の導通部３８で構成されている。圧電振動板３４は、上述した圧電振動板１４と同様に、外周ｒを持つ矩形の基板３５と、基板３５の上面の一部に実装された圧電素子３６と、基板３５の下面の一部に実装された圧電素子３７とを含む。圧電素子３６及び３７の構造は、圧電素子１６及び１７と同じである。第３の導通部３８は、所定の形状で基板３５に設けられており、上部スピーカ回路３０の基板３５と下部スピーカ回路２０の基板２５とを電気的に接続する役割を果たす。具体的には、第１の電気配線２１ａと第２の電気配線２１ｂとの間に電圧が印加されたときに、圧電振動板２４と圧電振動板３４とが逆方向に変位する極性となるように、上部スピーカ回路３０の圧電素子３６及び３７の上下電極と下部スピーカ回路２０の圧電素子２６及び２７の上下電極とを、電気的に接続する。
　以上のように、本発明の第２の実施形態に係る圧電型音響変換器２によれば、第３の導通部３８を介して２つのスピーカ回路の圧電振動板を電気的に接続する。これにより、上記第１の実施形態の効果に加え、上部スピーカ回路３０の圧電振動板３４を外枠部で支持する必要がないため、より大きな変位と振動の線形性とを確保することができる。
　なお、上記第２の実施形態では、連結部材７４及び７５の表面に沿って設けられた第３の導通部３８を用いて圧電振動板１４及び３４を電気的に接続する例を説明したが、連結部材７４及び７５の内部を通って（例えばスルーホール）圧電振動板１４及び３４を電気的に接続してもよい。
　〔第３の実施形態〕
　図７は、本発明の第３の実施形態に係る圧電型音響変換器３の構造を示す部品分解図である。図８は、図７に示す圧電型音響変換器３のＣ－Ｃ断面図である。図９Ａ及びＢは、図７に示す圧電型音響変換器３の振動動作を説明する図である。
　本発明の第３の実施形態に係る圧電型音響変換器３は、上部スピーカ回路１０、下部スピーカ回路４０、連結部材８０、エッジ７６、上部フレーム７７、及び下部フレーム８１で構成されている。この圧電型音響変換器３は、上記圧電型音響変換器１と下部スピーカ回路４０、連結部材８０、及び下部フレーム８１の構成が異なる。以下、同一構成については同一の参照符号を付して説明を省略し、異なる構成のみを説明する。
　下部スピーカ回路４０は、外枠部４１及び圧電振動板４４で構成されている。外枠部４１は、外周Ｒかつ所定の幅ｗを持つ四角枠状の基板である。この外枠部４１には、互いに絶縁された第１の電気配線４１ａ及び第２の電気配線４１ｂが形成されている。圧電振動板４４は、外枠部４１の両短辺を連結する矩形の基板４５と、基板４５の上面の一部に実装された圧電素子４６と、基板４５の下面の一部に実装された圧電素子４７とを含む。圧電素子４６及び４７の構造は、圧電素子１６及び１７と同じである。この圧電振動板４４は、湾曲可能に外枠部４１と接続されている。典型的には、外枠部４１及び基板４５は、基板材料を打ち抜き加工することで一体で成形される。
　下部フレーム８１は、外周Ｒかつ幅ｗを持つ四角枠状の物質である。下部スピーカ回路４０は、外枠部４１の下面が下部フレーム８１の上面と接着され、外枠部２１の上面が上部フレーム７７の下面と接着される。また、上部スピーカ回路１０の圧電素子１７の下部電極と下部スピーカ回路４０の圧電素子４６の上部電極とは、中央部において連結部材８０で構造的に接続されている。この連結部材８０は、基板１５及び４５より剛性の低い材料であることが望ましい。この構造による圧電型音響変換器３の振動動作は、図９Ａ及びＢに示すとおりである。
　以上のように、本発明の第３の実施形態に係る圧電型音響変換器３によれば、１つの連結部材８０だけで２つのスピーカ回路を連結する。これにより、上記第１の実施形態の効果に加え、部品点数や材料コストをさらに削減することができる。
　ここで、圧電型音響変換器の各構成に用いられるデバイスや材料を例示しておく。
　基板には、汎用プラスチック素材（ポリカーボネート、ポリアリレートフィルム、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド等）や、液晶ポリマー等の絶縁性を有する材料が用いられる。圧電材には、単結晶圧電体や、セラミック圧電体や、高分子圧電体が用いられる。電極には、銅、アルミ、チタン、又は銀等のいずれかを含む薄膜材料や、それらの合金薄膜材料が用いられる。エッジは、柔軟なプラスチック素材（ポリエーテルスルホン等）や、ゴム系高分子素材（ＳＢＲ、ＮＢＲ及びアクリロニトリル等）等が用いられる。連結部材には、汎用プラスチック素材や、ゴム系高分子素材（ＳＢＲ、ＮＢＲ及びアクリロニトリル等）や、液晶ポリマー等が用いられる。
　〔他の実施形態〕
　上記第１～第３の実施形態では、各々の圧電振動板が基板の上面及び下面の両方に圧電素子を実装している場合を説明した。しかし、本発明の圧電型音響変換器には、上面又は下面のいずれかに圧電素子を実装している圧電振動板も、同様に適用可能である（例えば、図１０Ａ及びＢ）。
　また、上記第１～第３の実施形態では、２つのスピーカ回路を連結した構造を説明した。しかし、本発明の圧電型音響変換器は、３つ以上のスピーカ回路を連結した構造であっても同様に適用可能である（例えば、図１１）。
　〔圧電型音響変換器の搭載例１〕
　図１２は、本発明の圧電型音響変換器を携帯電話端末に搭載した場合の外観図である。　図１２において、圧電型音響変換器１０３は、上述した本発明の圧電型音響変換器１～３であり、携帯電話端末の筐体１０１に設けられたディスプレイ１０２の両側に配置される。この圧電型音響変換器１０３から発生した音は、音孔１０４を通じて外部空間に放射される。
　上記第１～第３の実施形態で説明したように、本発明の圧電型音響変換器１０３は、部品点数を増やすことなく省スペース化及び高音質化を実現できる。従って、上記圧電型音響変換器１０３を搭載することで、薄型化と高音質とを両立させた携帯電話端末を容易に設計することができる。
　〔圧電型音響変換器の搭載例２〕
　図１３は、本発明の圧電型音響変換器を薄型テレビに搭載した場合の外観図である。図１３において、本発明の圧電型音響変換器１０７は、上述した本発明の圧電型音響変換器１～３であり、薄型テレビの筐体１０５に設けられたディスプレイ１０６の両側に配置される。
　一般に、薄型テレビの筐体１０５におけるスピーカの搭載領域は、大変狭くてキャビネット容積が小さい。そこで、上記圧電型音響変換器１０７を搭載することで、薄型化と高音質とを両立させた薄型テレビを容易に設計することができる。特に、上記圧電型音響変換器１０７を低音再生用スピーカ（ウーハ）として用いることで、設置スペースを増加させることなく映像音響コンテンツの臨場感を再現することができる。
　〔圧電型音響変換器の搭載例３〕
　本発明の圧電型音響変換器を、上述した携帯電話端末や薄型テレビ等の筐体に直接取り付けると、動作時の振動が筐体に伝搬して不要な音（筐体固有振動の励振等）が発生し易いという問題を生じる。そこで、このような場合には、圧電型音響変換器を筐体に取り付ける際に、次のように防振加工及び制振加工を施すことが好ましい。
　図１４は、本発明の圧電型音響変換器を搭載する携帯電話端末や薄型テレビ等の筐体１１１の上面図である。図１５は、図１４に示す筐体１１１に上記第１の実施形態に係る圧電型音響変換器１を搭載した場合のＤ－Ｄ断面図である。
　筐体１１１は、開口部１１１ａを有するボックスであり、下内壁１１１ｃに突起部１１２を備える。圧電型音響変換器１の下部は、下部フレーム７８及び梁部７９の下面が、制振部材１１４を挟んで突起部１１２の上に取り付けられる。圧電型音響変換器１の上部は、エッジ７６の上面のうち上部フレーム７７に対応する部分のみが、防振部材１１３を挟んで筐体１１１の上内壁１１１ｂに取り付けられる。
　この防振部材１１３を設けることによって、圧電型音響変換器１の振動が筐体１１１の上面に伝搬することを防止できる。また、制振部材１１４を設けることによって、圧電型音響変換器１のフレーム部分を突起部１１２を介して筐体１１１に固定すると共に、圧電型音響変換器１の振動が筐体１１１の下面に伝搬することを防止できる。これにより、上述した効果に加えて、筐体１１１の共振による不要な音の発生を防止することができる。　なお、圧電型音響変換器１の筐体１１１への取り付けは、上内壁１１１ｂ、下内壁１１１ｃ、又は側内壁１１１ｄのいずれか１箇所だけであってもよい。
　本発明の圧電型音響変換器は、スピーカ、加振器、センサ、及びマイク等に利用可能であり、特に省スペース化及び高音質化を両立したい場合等に有用である。
１、２、３、１０３、１０７　圧電型音響変換器
１０、２０、３０、４０　スピーカ回路
１１、２１、４１　外枠部
１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２１ｂ、４１ａ、４１ｂ　電気配線
１２、１３、２２、２３、３８　導通部
１４、２４、３４、４４　圧電振動板
１５、２５、３５、４５　基板
１６、１７、２６、２７、３６、３７、４６、４７　圧電素子
７４、７５、８０　連結部材
７６　エッジ
７７、７８、８１　フレーム
７９　梁部
１０１、１０５、１１１　筐体
１０２、１０６　ディスプレイ
１０４　音孔
１１１ａ　開口部
１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄ　内壁
１１２　突起部
１１３　防振部材
１１４　制振部材

Claims (9)

  1. 　印加される電圧に応じて振動する圧電型音響変換器であって、
    　それぞれ基板の少なくとも一方の主面に圧電素子が装着された、複数の圧電振動板と、
    　前記複数の圧電振動板の圧電素子の振動軸を一致させ、かつ、前記複数の圧電振動板の隣り合う圧電振動板を連結する、少なくとも１つの連結部材とを備え、
    　前記隣り合う圧電振動板が印加される電圧に応じて互いに逆方向に変位するように、前記複数の圧電振動板の圧電素子の極性がそれぞれ設定されていることを特徴とする、圧電型音響変換器。
  2. 　前記複数の圧電振動板の一方端にある圧電振動板は、前記少なくとも１つの連結部材を介して、前記基板の中央位置で前記圧電型音響変換器の振動しない固定フレームに連結されており、前記圧電素子が伸縮する方向と交わる前記基板の端辺位置で隣りの圧電振動板と連結されていることを特徴とする、請求項１に記載の圧電型音響変換器。
  3. 　前記複数の圧電振動板の一方端にある圧電振動板は、前記圧電素子が伸縮する方向と交わる前記基板の端辺が、前記圧電型音響変換器の振動しない固定フレームに連結されており、前記少なくとも１つの連結部材を介して、前記基板の中央位置で隣りの圧電振動板と連結されていることを特徴とする、請求項１に記載の圧電型音響変換器。
  4. 　前記複数の圧電振動板の他方端にある圧電振動板の前記基板を、前記圧電型音響変換器の振動しない固定フレームに支持する伸縮自在のエッジをさらに備えることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の圧電型音響変換器。
  5. 　複数の圧電振動板は、矩形であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の圧電型音響変換器。
  6. 　前記圧電素子は、前記基板の表面に形成されたプリント配線と平板の電極とで、圧電材を挟んだ構造であることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載の圧電型音響変換器。
  7. 　前記圧電材は、単結晶圧電体、セラミック圧電体、又は高分子圧電体のいずれかであることを特徴とする、請求項６に記載の圧電型音響変換器。
  8. 　前記隣り合う圧電振動板は、前記少なくとも１つの連結部材の内部又は外部に設けられた導通部を通じて電気的に接続されていることを特徴とする、請求項１、２、４乃至７のいずれかに記載の圧電型音響変換器。
  9. 　前記少なくとも１つの連結部材の外部に設けられた導通部は、前記圧電振動板が備えるプリント配線が表面に形成された基板と一体成形されていることを特徴とする、請求項８に記載の圧電型音響変換器。
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