電気音響変換器および電子機器
【課題】広指向性且つ大音圧レベルで、電子機器への搭載に適した小型の電気音響変換器を提供する。
【解決手段】電気音響変換器１００は、電界の状態に応じて振動する圧電フィルムの両面に電極を形成した圧電フィルム振動板１を複数備え、この複数の圧電フィルム振動板１を多面体状に配置している。各圧電フィルム振動板１は、多面体状のフレーム２の各面に形成された開口部に嵌挿される。
【解決手段】電気音響変換器１００は、電界の状態に応じて振動する圧電フィルムの両面に電極を形成した圧電フィルム振動板１を複数備え、この複数の圧電フィルム振動板１を多面体状に配置している。各圧電フィルム振動板１は、多面体状のフレーム２の各面に形成された開口部に嵌挿される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯電話機等の電子機器に搭載可能な、広指向性且つ大音圧レベルの小型の電気音響変換器、および電気音響変換器を搭載する電子機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話機の高機能化に伴い、ＡＶ（Audio/Visual）機能を訴求した機種が活発に開発されてきている。また、携帯電話機の小型化が進んでいる。そして、ＡＶ機能の高度化に伴って、動画再生などのアプリケーションの要求が高くなり、音響部品としては、大音量且つ広指向性の小型の電気音響変換器が必要とされている。
【０００３】
電気音響変換器を大音量化する技術としては、特許文献１に開示されるように、複数個の動電型スピーカを配置する技術がある。しかしながら、特許文献１に開示された技術では、複数個の動電型スピーカを配置するため、電気音響変換器のサイズが著しく増加するので、携帯電話機などの電子機器への搭載には適していない。
特許文献２には、メインスピーカとマイクとを同一平面に配置し、マイクで収音をしないときにはマイクをスピーカとして使用し、マイクから発する音とメインスピーカから発する音との干渉により音を増幅させる技術が開示されている。しかしながら、特許文献２に開示された技術では、マイクから発する音圧がメインスピーカから発生する音圧に比べて僅少であるため、大音量の再生が不十分という問題点があった。
【０００４】
一方、電気音響変換器の広指向性を達成する技術として、特許文献３に開示されるように、複数個の動電型スピーカを多面的に配置する技術がある。しかしながら、特許文献３に開示された技術では、特許文献１に開示された技術と同様に複数個の動電型スピーカを配置するため、電気音響変換器のサイズが著しく増加するので、携帯電話機などの電子機器への搭載には適していない。
一方、特許文献４には、湾曲面を有する圧電フィルム振動板を用いる技術が開示されている。特許文献４によれば、圧電フィルム振動板を用いることにより、高音圧レベルおよび広帯域の再生が可能であるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１１１８３６号公報
【特許文献２】特開２００２−２８１１３５号公報
【特許文献３】特開平１０−３４１４９３号公報
【特許文献４】特開２００３−２５９４８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以上のように、特許文献１、特許文献３に開示された複数個の動電型スピーカを配置する技術では、電気音響変換器のサイズが増加するという問題点があった。
また、特許文献２に開示された技術では、音圧レベルが不十分という問題点があった。
一方、特許文献４に開示された技術では、高音圧レベルを得るために湾曲面を有する圧電フィルム振動板を用いているので、電気音響変換器のサイズが増加するという問題点があった。特に、携帯電話機などの小型の電子機器では、縦横の大きさと厚さの制限が厳しいため、特許文献４に開示されたような湾曲面を有する圧電フィルム振動板を搭載できない可能性があった。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、広指向性且つ大音圧レベルで、携帯電話機などの電子機器への搭載に適した小型の電気音響変換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の電気音響変換器は、電界の状態に応じて振動する圧電フィルムの両面に電極を形成した圧電フィルム振動板を複数備え、この複数の圧電フィルム振動板を多面体状に配置したことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、複数の圧電フィルム振動板を多面体状に配置し、複数面から音波を放射することで、広指向性且つ大音圧レベルで小型の電気音響変換器を実現することができる。多面体状に配置された圧電フィルム振動板は、電極に電圧を印加することで放射面が振動する。本発明では、圧電フィルム振動板を使用しているため、変換器の機械品質係数（Ｑｍ）が減少し、音圧周波数特性の平坦化が可能となる。本発明の電気音響変換器では、圧電フィルム振動板を使用しているため、従来の動電型スピーカに比べて、磁石などの部品が不必要で小型化を促進できる。また、本発明では、従来の電気音響変換器のように湾曲面を有する圧電フィルム振動板を用いる必要がなく、多面体形状の電子機器の筐体をフレームとして、フレームの各面に平板状の圧電フィルム振動板を配置すればよいので、携帯電話機などの小型の電子機器への搭載に好適である。また、本発明の電気音響変換器は、製造性に優れ、落下時の衝撃安定性も高いので、携帯電話機などの小型の電子機器への搭載に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る電気音響変換器の外観図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る圧電フィルム振動板の構造を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る圧電フィルムの分極方向を示す断面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る圧電材料の固体結晶イオン配置を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係るフレームの構造を示す断面図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る電気音響変換器の評価方法を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る電気音響変換器の外観図である。
本実施の形態の電気音響変換器１００は、図１に示すように、電圧の印加によって振動する複数の圧電フィルム振動板１と、圧電フィルム振動板１を固定するフレーム２と、圧電フィルム振動板１に電圧を供給する配線３ａ，３ｂと、端子４ａ，４ｂとから構成される。
【００１２】
図２は圧電フィルム振動板１の構造を示す断面図である。圧電フィルム振動板１は、図２に示すように圧電フィルム１０の主面の各々に上部電極層１１、下部電極層１２を形成したものである。
圧電フィルム１０は、圧電特性を有する高分子材料からなる。圧電フィルム１０に電気信号を与えると圧電効果によって振動が発生し、音波を生じさせることができる。圧電フィルム１０の材質は、圧電効果を有する高分子材料であれば特に限定されないが、たとえばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などが挙げられる。
【００１３】
上部電極層１１および下部電極層１２の材質としては、金属などの導電性材料を使用できるが、好ましくは銀ペースト（銀、銀−パラジウム）が使用できる。上部電極層１１および下部電極層１２の厚さは、５μｍから３００μｍが最適である。上部電極層１１および下部電極層１２の厚さが５μｍ未満では、膜厚が薄いために製造上で面内に膜厚のバラツキが生じ、電極材料として十分な機能を得ることができない。一方、上部電極層１１および下部電極層１２の厚さが３００μｍを超えた場合、上部電極層１１および下部電極層１２が圧電フィルム１０の動きを拘束するので、圧電フィルム１０の振幅を減衰させてしまうことになる。
なお、本実施の形態では、図３に示すように音響放射面（図３上面）側の上部電極層１１を正極（＋）、反対側の下部電極層１２を負極（−）とし、分極方向は負極から正極に向かって形成される。
【００１４】
以下に、圧電フィルム振動板１の振動発生のメカニズムを説明する。本実施の形態の圧電フィルム振動板１では、１対の上部電極層１１と下部電極層１２に電気信号を入力することで圧電フィルム１０に振動が発生する。圧電材料は、圧力を加えることで生じる歪で電圧が発生する効果、すなわち圧電効果を有している。圧電効果は可逆的な現象であるため、圧電材料に電圧を印加すると歪が発生する。圧電効果は、図４に示す圧電材料の固体結晶イオン配置に起因するもので、原子上格子状の結晶中に配置されたイオンの位置ずれが、圧力を加えることで大きくなり、結晶の一方の端がプラスを帯び結晶のもう一方の端がマイナスを帯びる現象、すなわち電気分極を発生し、電圧が発生するものである。図４における４０はＢａ2+，Ｐｂ2+，Ｌａ3+などのイオン、４１はＴｉ4+，Ｚｒ4+などのイオン、４２は酸素イオンである。なお、圧電効果は上記のように可逆的に発生するため、圧電材料に電圧を加えると伸縮運動が生じ、振動を発生する効果を持つ。本実施の形態の電気音響変換器１００は、この圧電効果を利用して圧電フィルム１０に振動を発生させ、音波を発生させるものである。
【００１５】
本実施の形態では、圧電フィルム振動板１は、フレーム２に固定される。フレーム２は、複数の面を持つ多面体の形状、例えば正５角形が１２面配置される正１２面体の形状を有する。この正１２面体の各面に圧電フィルム振動板１が配置されている。フレーム２の各面には、図５（Ａ）に示すように開口部２０が形成されており、フレーム２の開口部２０の周辺部には、圧電フィルム振動板１を取り付けるための凹み２１が形成されている。圧電フィルム振動板１は、図５（Ｂ）に示すようにフレーム２の開口部２０に嵌挿され、圧電フィルム振動板１の縁がフレーム２の凹み２１に接着される。これにより、圧電フィルム振動板１の縁は、位置ずれを起こさないようにフレーム２に固定される。
【００１６】
従来の圧電セラミックスで振動板を構成する場合、圧電セラミックスが脆性材料であるため、貼り付け作業などで破損が発生し易く組み立てが困難である。圧電セラミックスが破損しやすいことから製造コストも増加する。さらに、圧電セラミックスが破損し易いため、使用場所も限定されてしまうという問題点があった。これに対して、圧電フィルム１０は樹脂材料で出来ているため、落下時の衝撃を吸収することができ、電気音響変換器１００の落下強度も向上させることができる。また、圧電フィルム１０は、樹脂材料であるため、加工性がよく任意の形状に加工が可能である。
【００１７】
本実施の形態の電気音響変換器１００で使用するフレーム２の材質は、金属や樹脂材料など特に限定されないが、アルミニウムやステンレスを使用することが好ましい。フレーム２に剛性が高いステンレスやアルミニウムの金属材料を用いることで、フレーム２の強度が上がるので、電気音響変換器１００の可搬性を向上させることができる。さらに、高剛性のフレーム２に圧電フィルム振動板１を貼り付けることで圧電フィルム駆動の際に生じるフレーム２の振動を減衰できる。すなわち、振動エネルギーの損失を抑制することができ、電気エネルギーから振動エネルギーへの変換効率を向上させることができる。
【００１８】
フレ−ム２の厚さは、３０μｍから１０００μｍが好ましい。フレーム２の厚さが３０μｍ未満の場合は、フレーム２の剛性が弱くなる上に、圧電フィルム振動板１の接着面積が小さくなり、製造上好ましくない。また、フレーム２の厚さが１０００μｍを超えると、電気音響変換器のサイズが増大してしまうので、携帯電話機などの電子機器への搭載には適していない。
【００１９】
本実施の形態の電気音響変換器１００では、圧電フィルム１０に電気信号を印加するため、一対の配線３ａ，３ｂと一対の端子４ａ，４ｂとを利用する。配線３ａの一端は各圧電フィルム振動板１の上部電極層１１と半田を介して接続され、配線３ａの他端は端子４ａと接続されている。配線３ｂの一端は各圧電フィルム振動板１の下部電極層１２と半田を介して接続され、配線３ｂの他端は端子４ｂと接続されている。配線３ａ，３ｂの材質は電気伝導性を持つ導電性材料であれば特に限定されないが、好ましくは配線３ａ，３ｂとしてポリウレタン皮膜付銅線を使用することが望ましい。端子４ａ，４ｂの材質は電気伝導性を持つ導電性材料であれば特に限定されないが、外部との接続部分以外は絶縁性材料で覆われていることが好ましい。端子４ａ，４ｂとしては、例えばフレキシブル基板を使用することが望ましい。
【００２０】
本実施の形態の電気音響変換器１００の動作を以下に説明する。端子４ａ，４ｂを介して各圧電フィルム振動板１の上部電極層１１、下部電極層１２に電気信号を入力することで、各圧電フィルム振動板１の圧電フィルム１０が振動し、音波が発生する。
本実施の形態の電気音響変換器１００では、圧電フィルム振動板１を多面に配置しているため、複数の放射面から音波が発生し、音圧レベルが増大する。通常、音圧レベルは、空気媒体への圧力変化によって決定されるため、放射面積と振動振幅に依存する。つまり、本実施の形態では、立体的に複数の放射面を配置することで、見かけ上の放射面積を増大させることができ、音圧レベル向上に有用である。
【００２１】
また、本実施の形態の電気音響変換器１００では、音圧レベルを増大させることができると同時に、音圧周波数特性の平坦化を実現することができる。すなわち、本実施の形態では、振動板を機械的損失が大きい圧電フィルム１０から構成するため、従来のセラミックス材料と比較して機械品質係数（Ｑｍ）が小さく共振点近傍で発生した音圧ピークが減衰するので、より平坦な音響特性を実現することができる。
【００２２】
また、本実施の形態の電気音響変換器１００では、再生する周波数帯域を拡大することができる。通常の音響素子においては、音圧レベルは基本共振周波数以降から立ち上がるため、低音再生を実現するためには、音響素子の基本共振周波数を低減する必要があった。例えば携帯電話機においては、音の再生帯域が１００Ｈｚから２０ｋＨｚであり、この帯域内で良好な音の再生を実現するためには、音響素子の基本共振周波数を８００Ｈｚ以下にする必要があった。しかしながら、基本共振周波数ｆ０は、式（１）に示すように、負荷重量ｍと振動板の剛性ｃと振動板の長さｌとで決定されるため、従来の高剛性なセラミックス材料では、所望の基本共振周波数ｆ０に調整することが困難であった。
【００２３】
【数１】
【００２４】
本実施の形態では、振動板として圧電フィルム１０を用いるため、振動板の剛性が低く、基本共振周波数ｆ０の低減が可能であり、低域再生に最適である。
また、柔軟性に富む圧電フィルム１０を用いているため、落下時の衝撃が樹脂材料に吸収されるので、携帯電話機などの小型の電子機器への搭載に好適である。
【００２５】
また、本実施の形態の電気音響変換器１００では、多方面に音波を放射するため、広指向性を実現することができる。従来の音響部品では、放射方向が一方向のために、再生する周波数によって指向性が大きく変化していた。例えば、低周波数帯域では、音波が回り込むため、広い指向性が得られるが、音波の直進性が強い高周波数帯域では、指向性が狭くなる。これに対して、本実施の形態では、多面方向で音波の指向性特性の影響を受けず、いずれの周波数においても広い指向性を得ることができる。
【００２６】
以上、要約すると、本実施の形態によれば、広指向性且つ大音量で小型の電気音響変換器１００を実現することができる。本実施の形態では、特許文献４に開示された電気音響変換器のように湾曲面を有する圧電フィルム振動板を用いる必要がなく、多面体形状の電子機器の筐体をフレーム２として、フレーム２の各面に平板状の圧電フィルム振動板１を配置すればよいので、携帯電話機などの小型の電子機器への搭載に好適である。また、本実施の形態の電気音響変換器１００は、製造性に優れ、落下時の衝撃安定性も高いので、携帯電話機などの小型の電子機器への搭載に好適である。
【００２７】
次に、本実施の形態の電気音響変換器１００の音響特性および指向特性を評価した結果を以下に示す。電気音響変換器１００から１０ｃｍ離れたマイクで１ｋＨｚの音圧レベルを測定した結果、電気音響変換器１００の１ｋＨｚの音圧レベルは９３ｄＢであった。指向特性は、図６に示すように電気音響変換器１００とマイク１０１−１，１０１−２，１０１−３，１０１−４とを配置して測定した。電気音響変換器１００とマイク１０１−１，１０１−２，１０１−３，１０１−４との距離はそれぞれ１０ｃｍである。測定周波数は、１ｋＨｚ、３ｋＨｚ、５ｋＨｚの３種類に設定し、各方向で３種類の周波数を測定し、計１２点のデータ取得を実施した。指向特性の測定結果を表１に示す。
【００２８】
【表１】
【００２９】
広指向性の判定基準は、各測定結果全体の最大値と最小値との差を３ｄＢ以内とする。表１の測定結果によれば、各測定結果全体の最大値９３ｄＢと最小値９１ｄＢとの差が３ｄＢ以内であったことから、広指向性が得られた判断した。
【００３０】
［第２の実施の形態］
第２の実施の形態では、第１の実施の形態の圧電フィルム１０の厚みを３０μｍとして、電気音響変換器を作製した。この電気音響変換器の特性を測定した結果、１ｋＨｚの音圧レベルは９３ｄＢであり、第１の実施の形態と同様の良好な広指向性が得られた。
【００３１】
［第３の実施の形態］
第３の実施の形態では、第１の実施の形態の圧電フィルム１０の厚みを１００μｍとして、電気音響変換器を作製した。この電気音響変換器の特性を測定した結果、１ｋＨｚの音圧レベルは９０ｄＢであり、第１の実施の形態と同様の良好な広指向性が得られた。
【００３２】
［第４の実施の形態］
第４の実施の形態では、第１の実施の形態のフレーム２の形状を立方体形状に変更して、電気音響変換器を作製した。この電気音響変換器の特性を測定した結果、１ｋＨｚの音圧レベルは９３ｄＢであり、第１の実施の形態と同様の良好な広指向性が得られた。
【００３３】
［第５の実施の形態］
第５の実施の形態では、第１の実施の形態のフレーム２の形状を三角錐に変更して、電気音響変換器を作製した。この電気音響変換器の特性を測定した結果、１ｋＨｚの音圧レベルは９３ｄＢであり、第１の実施の形態と同様の良好な広指向性が得られた。
【００３４】
［第６の実施の形態］
第６の実施の形態では、第１の実施の形態の上部電極層１１および下部電極層１２の厚みを１００μｍとして、電気音響変換器を作製した。この電気音響変換器の特性を測定した結果、１ｋＨｚの音圧レベルは９３ｄＢであり、第１の実施の形態と同様の良好な広指向性が得られた。
【００３５】
［第７の実施の形態］
第７の実施の形態では、第１の実施の形態の上部電極層１１および下部電極層１２の厚みを５０μｍとして、電気音響変換器を作製した。この電気音響変換器の特性を測定した結果、１ｋＨｚの音圧レベルは９３ｄＢであり、第１の実施の形態と同様の良好な広指向性が得られた。
【００３６】
［第８の実施の形態］
第８の実施の形態では、第１の実施の形態のフレーム２の材質としてステンレスを採用し、電気音響変換器を作製した。この電気音響変換器の特性を測定した結果、１ｋＨｚの音圧レベルは９３ｄＢであり、第１の実施の形態と同様の良好な広指向性が得られた。
【００３７】
［第９の実施の形態］
第９の実施の形態では、第１の実施の形態のフレーム２の材質としてアルミニウムを採用し、電気音響変換器を作製した。この電気音響変換器の特性を測定した結果、１ｋＨｚの音圧レベルは９３ｄＢであり、第１の実施の形態と同様の良好な広指向性が得られた。
【００３８】
［第１０の実施の形態］
第１０の実施の形態では、第１の実施の形態の圧電フィルム振動板１を２倍の枚数に増やして、電気音響変換器を作製した。この電気音響変換器の特性を測定した結果、１ｋＨｚの音圧レベルは１１０ｄＢであり、第１の実施の形態と同様の良好な広指向性が得られた。
【００３９】
なお、第１〜第１０の実施の形態では、電気音響変換器の全ての圧電フィルム振動板１に共通の電気信号を印加するようにしているが、これに限るものではなく、一部の圧電フィルム振動板１の上部電極層１１、下部電極層１２に別の電気信号を印加するようにしてもよい。これにより、１台の電気音響変換器から複数種類の音波を放射することができる。１台の電気音響変換器から複数種類の音波を放射するには、圧電フィルム振動板１のグループ毎に配線３ａ，３ｂと端子４ａ，４ｂとを設ければよい。グループ毎に異なる電気信号をそのグループの端子４ａ，４ｂに入力してやれば、各グループの圧電フィルム振動板１は、グループ毎に異なる音波を放射することになる。なお、音圧レベルを確保するという点では、グループ毎に複数の圧電フィルム振動板１を設けることが好ましい。
【００４０】
また、第１〜第１０の実施の形態では、電気音響変換器を搭載する電子機器の例として携帯電話機を例に挙げて説明しているが、これに限るものではなく、他の電子機器にも電気音響変換器を搭載可能であることは言うまでもない。
【００４１】
上記の実施の形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
【００４２】
（付記１）電界の状態に応じて振動する圧電フィルムの両面に電極を形成した圧電フィルム振動板を複数備え、この複数の圧電フィルム振動板を多面体状に配置したことを特徴とする電気音響変換器。
【００４３】
（付記２）付記１記載の電気音響変換器において、前記圧電フィルムは、圧電高分子材料からなることを特徴とする電気音響変換器。
【００４４】
（付記３）付記１または２に記載の電気音響変換器において、各圧電フィルム振動板は、多面体状のフレームの各面に形成された開口部に嵌挿されることを特徴とする電気音響変換器。
【００４５】
（付記４）付記１乃至３のいずれか１項に記載の電気音響変換器において、各圧電フィルム振動板は、複数のグループに分かれ、グループ毎に異なる電気信号を前記電極に入力可能であることを特徴とする電気音響変換器。
【００４６】
（付記５）付記１乃至４のいずれか１項に記載の電気音響変換器を備えたことを特徴とする電子機器。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、小型の電気音響変換器に適用することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１…圧電フィルム振動板、２…フレーム、３ａ，３ｂ…配線、４ａ，４ｂ…端子、１０…圧電フィルム、１１…上部電極層、１２…下部電極層、２０…開口部、２１…凹み、１００…電気音響変換器。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯電話機等の電子機器に搭載可能な、広指向性且つ大音圧レベルの小型の電気音響変換器、および電気音響変換器を搭載する電子機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話機の高機能化に伴い、ＡＶ（Audio/Visual）機能を訴求した機種が活発に開発されてきている。また、携帯電話機の小型化が進んでいる。そして、ＡＶ機能の高度化に伴って、動画再生などのアプリケーションの要求が高くなり、音響部品としては、大音量且つ広指向性の小型の電気音響変換器が必要とされている。
【０００３】
電気音響変換器を大音量化する技術としては、特許文献１に開示されるように、複数個の動電型スピーカを配置する技術がある。しかしながら、特許文献１に開示された技術では、複数個の動電型スピーカを配置するため、電気音響変換器のサイズが著しく増加するので、携帯電話機などの電子機器への搭載には適していない。
特許文献２には、メインスピーカとマイクとを同一平面に配置し、マイクで収音をしないときにはマイクをスピーカとして使用し、マイクから発する音とメインスピーカから発する音との干渉により音を増幅させる技術が開示されている。しかしながら、特許文献２に開示された技術では、マイクから発する音圧がメインスピーカから発生する音圧に比べて僅少であるため、大音量の再生が不十分という問題点があった。
【０００４】
一方、電気音響変換器の広指向性を達成する技術として、特許文献３に開示されるように、複数個の動電型スピーカを多面的に配置する技術がある。しかしながら、特許文献３に開示された技術では、特許文献１に開示された技術と同様に複数個の動電型スピーカを配置するため、電気音響変換器のサイズが著しく増加するので、携帯電話機などの電子機器への搭載には適していない。
一方、特許文献４には、湾曲面を有する圧電フィルム振動板を用いる技術が開示されている。特許文献４によれば、圧電フィルム振動板を用いることにより、高音圧レベルおよび広帯域の再生が可能であるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１１１８３６号公報
【特許文献２】特開２００２−２８１１３５号公報
【特許文献３】特開平１０−３４１４９３号公報
【特許文献４】特開２００３−２５９４８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以上のように、特許文献１、特許文献３に開示された複数個の動電型スピーカを配置する技術では、電気音響変換器のサイズが増加するという問題点があった。
また、特許文献２に開示された技術では、音圧レベルが不十分という問題点があった。
一方、特許文献４に開示された技術では、高音圧レベルを得るために湾曲面を有する圧電フィルム振動板を用いているので、電気音響変換器のサイズが増加するという問題点があった。特に、携帯電話機などの小型の電子機器では、縦横の大きさと厚さの制限が厳しいため、特許文献４に開示されたような湾曲面を有する圧電フィルム振動板を搭載できない可能性があった。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、広指向性且つ大音圧レベルで、携帯電話機などの電子機器への搭載に適した小型の電気音響変換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の電気音響変換器は、電界の状態に応じて振動する圧電フィルムの両面に電極を形成した圧電フィルム振動板を複数備え、この複数の圧電フィルム振動板を多面体状に配置したことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、複数の圧電フィルム振動板を多面体状に配置し、複数面から音波を放射することで、広指向性且つ大音圧レベルで小型の電気音響変換器を実現することができる。多面体状に配置された圧電フィルム振動板は、電極に電圧を印加することで放射面が振動する。本発明では、圧電フィルム振動板を使用しているため、変換器の機械品質係数（Ｑｍ）が減少し、音圧周波数特性の平坦化が可能となる。本発明の電気音響変換器では、圧電フィルム振動板を使用しているため、従来の動電型スピーカに比べて、磁石などの部品が不必要で小型化を促進できる。また、本発明では、従来の電気音響変換器のように湾曲面を有する圧電フィルム振動板を用いる必要がなく、多面体形状の電子機器の筐体をフレームとして、フレームの各面に平板状の圧電フィルム振動板を配置すればよいので、携帯電話機などの小型の電子機器への搭載に好適である。また、本発明の電気音響変換器は、製造性に優れ、落下時の衝撃安定性も高いので、携帯電話機などの小型の電子機器への搭載に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る電気音響変換器の外観図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る圧電フィルム振動板の構造を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る圧電フィルムの分極方向を示す断面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る圧電材料の固体結晶イオン配置を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係るフレームの構造を示す断面図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る電気音響変換器の評価方法を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る電気音響変換器の外観図である。
本実施の形態の電気音響変換器１００は、図１に示すように、電圧の印加によって振動する複数の圧電フィルム振動板１と、圧電フィルム振動板１を固定するフレーム２と、圧電フィルム振動板１に電圧を供給する配線３ａ，３ｂと、端子４ａ，４ｂとから構成される。
【００１２】
図２は圧電フィルム振動板１の構造を示す断面図である。圧電フィルム振動板１は、図２に示すように圧電フィルム１０の主面の各々に上部電極層１１、下部電極層１２を形成したものである。
圧電フィルム１０は、圧電特性を有する高分子材料からなる。圧電フィルム１０に電気信号を与えると圧電効果によって振動が発生し、音波を生じさせることができる。圧電フィルム１０の材質は、圧電効果を有する高分子材料であれば特に限定されないが、たとえばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などが挙げられる。
【００１３】
上部電極層１１および下部電極層１２の材質としては、金属などの導電性材料を使用できるが、好ましくは銀ペースト（銀、銀−パラジウム）が使用できる。上部電極層１１および下部電極層１２の厚さは、５μｍから３００μｍが最適である。上部電極層１１および下部電極層１２の厚さが５μｍ未満では、膜厚が薄いために製造上で面内に膜厚のバラツキが生じ、電極材料として十分な機能を得ることができない。一方、上部電極層１１および下部電極層１２の厚さが３００μｍを超えた場合、上部電極層１１および下部電極層１２が圧電フィルム１０の動きを拘束するので、圧電フィルム１０の振幅を減衰させてしまうことになる。
なお、本実施の形態では、図３に示すように音響放射面（図３上面）側の上部電極層１１を正極（＋）、反対側の下部電極層１２を負極（−）とし、分極方向は負極から正極に向かって形成される。
【００１４】
以下に、圧電フィルム振動板１の振動発生のメカニズムを説明する。本実施の形態の圧電フィルム振動板１では、１対の上部電極層１１と下部電極層１２に電気信号を入力することで圧電フィルム１０に振動が発生する。圧電材料は、圧力を加えることで生じる歪で電圧が発生する効果、すなわち圧電効果を有している。圧電効果は可逆的な現象であるため、圧電材料に電圧を印加すると歪が発生する。圧電効果は、図４に示す圧電材料の固体結晶イオン配置に起因するもので、原子上格子状の結晶中に配置されたイオンの位置ずれが、圧力を加えることで大きくなり、結晶の一方の端がプラスを帯び結晶のもう一方の端がマイナスを帯びる現象、すなわち電気分極を発生し、電圧が発生するものである。図４における４０はＢａ2+，Ｐｂ2+，Ｌａ3+などのイオン、４１はＴｉ4+，Ｚｒ4+などのイオン、４２は酸素イオンである。なお、圧電効果は上記のように可逆的に発生するため、圧電材料に電圧を加えると伸縮運動が生じ、振動を発生する効果を持つ。本実施の形態の電気音響変換器１００は、この圧電効果を利用して圧電フィルム１０に振動を発生させ、音波を発生させるものである。
【００１５】
本実施の形態では、圧電フィルム振動板１は、フレーム２に固定される。フレーム２は、複数の面を持つ多面体の形状、例えば正５角形が１２面配置される正１２面体の形状を有する。この正１２面体の各面に圧電フィルム振動板１が配置されている。フレーム２の各面には、図５（Ａ）に示すように開口部２０が形成されており、フレーム２の開口部２０の周辺部には、圧電フィルム振動板１を取り付けるための凹み２１が形成されている。圧電フィルム振動板１は、図５（Ｂ）に示すようにフレーム２の開口部２０に嵌挿され、圧電フィルム振動板１の縁がフレーム２の凹み２１に接着される。これにより、圧電フィルム振動板１の縁は、位置ずれを起こさないようにフレーム２に固定される。
【００１６】
従来の圧電セラミックスで振動板を構成する場合、圧電セラミックスが脆性材料であるため、貼り付け作業などで破損が発生し易く組み立てが困難である。圧電セラミックスが破損しやすいことから製造コストも増加する。さらに、圧電セラミックスが破損し易いため、使用場所も限定されてしまうという問題点があった。これに対して、圧電フィルム１０は樹脂材料で出来ているため、落下時の衝撃を吸収することができ、電気音響変換器１００の落下強度も向上させることができる。また、圧電フィルム１０は、樹脂材料であるため、加工性がよく任意の形状に加工が可能である。
【００１７】
本実施の形態の電気音響変換器１００で使用するフレーム２の材質は、金属や樹脂材料など特に限定されないが、アルミニウムやステンレスを使用することが好ましい。フレーム２に剛性が高いステンレスやアルミニウムの金属材料を用いることで、フレーム２の強度が上がるので、電気音響変換器１００の可搬性を向上させることができる。さらに、高剛性のフレーム２に圧電フィルム振動板１を貼り付けることで圧電フィルム駆動の際に生じるフレーム２の振動を減衰できる。すなわち、振動エネルギーの損失を抑制することができ、電気エネルギーから振動エネルギーへの変換効率を向上させることができる。
【００１８】
フレ−ム２の厚さは、３０μｍから１０００μｍが好ましい。フレーム２の厚さが３０μｍ未満の場合は、フレーム２の剛性が弱くなる上に、圧電フィルム振動板１の接着面積が小さくなり、製造上好ましくない。また、フレーム２の厚さが１０００μｍを超えると、電気音響変換器のサイズが増大してしまうので、携帯電話機などの電子機器への搭載には適していない。
【００１９】
本実施の形態の電気音響変換器１００では、圧電フィルム１０に電気信号を印加するため、一対の配線３ａ，３ｂと一対の端子４ａ，４ｂとを利用する。配線３ａの一端は各圧電フィルム振動板１の上部電極層１１と半田を介して接続され、配線３ａの他端は端子４ａと接続されている。配線３ｂの一端は各圧電フィルム振動板１の下部電極層１２と半田を介して接続され、配線３ｂの他端は端子４ｂと接続されている。配線３ａ，３ｂの材質は電気伝導性を持つ導電性材料であれば特に限定されないが、好ましくは配線３ａ，３ｂとしてポリウレタン皮膜付銅線を使用することが望ましい。端子４ａ，４ｂの材質は電気伝導性を持つ導電性材料であれば特に限定されないが、外部との接続部分以外は絶縁性材料で覆われていることが好ましい。端子４ａ，４ｂとしては、例えばフレキシブル基板を使用することが望ましい。
【００２０】
本実施の形態の電気音響変換器１００の動作を以下に説明する。端子４ａ，４ｂを介して各圧電フィルム振動板１の上部電極層１１、下部電極層１２に電気信号を入力することで、各圧電フィルム振動板１の圧電フィルム１０が振動し、音波が発生する。
本実施の形態の電気音響変換器１００では、圧電フィルム振動板１を多面に配置しているため、複数の放射面から音波が発生し、音圧レベルが増大する。通常、音圧レベルは、空気媒体への圧力変化によって決定されるため、放射面積と振動振幅に依存する。つまり、本実施の形態では、立体的に複数の放射面を配置することで、見かけ上の放射面積を増大させることができ、音圧レベル向上に有用である。
【００２１】
また、本実施の形態の電気音響変換器１００では、音圧レベルを増大させることができると同時に、音圧周波数特性の平坦化を実現することができる。すなわち、本実施の形態では、振動板を機械的損失が大きい圧電フィルム１０から構成するため、従来のセラミックス材料と比較して機械品質係数（Ｑｍ）が小さく共振点近傍で発生した音圧ピークが減衰するので、より平坦な音響特性を実現することができる。
【００２２】
また、本実施の形態の電気音響変換器１００では、再生する周波数帯域を拡大することができる。通常の音響素子においては、音圧レベルは基本共振周波数以降から立ち上がるため、低音再生を実現するためには、音響素子の基本共振周波数を低減する必要があった。例えば携帯電話機においては、音の再生帯域が１００Ｈｚから２０ｋＨｚであり、この帯域内で良好な音の再生を実現するためには、音響素子の基本共振周波数を８００Ｈｚ以下にする必要があった。しかしながら、基本共振周波数ｆ０は、式（１）に示すように、負荷重量ｍと振動板の剛性ｃと振動板の長さｌとで決定されるため、従来の高剛性なセラミックス材料では、所望の基本共振周波数ｆ０に調整することが困難であった。
【００２３】
【数１】
【００２４】
本実施の形態では、振動板として圧電フィルム１０を用いるため、振動板の剛性が低く、基本共振周波数ｆ０の低減が可能であり、低域再生に最適である。
また、柔軟性に富む圧電フィルム１０を用いているため、落下時の衝撃が樹脂材料に吸収されるので、携帯電話機などの小型の電子機器への搭載に好適である。
【００２５】
また、本実施の形態の電気音響変換器１００では、多方面に音波を放射するため、広指向性を実現することができる。従来の音響部品では、放射方向が一方向のために、再生する周波数によって指向性が大きく変化していた。例えば、低周波数帯域では、音波が回り込むため、広い指向性が得られるが、音波の直進性が強い高周波数帯域では、指向性が狭くなる。これに対して、本実施の形態では、多面方向で音波の指向性特性の影響を受けず、いずれの周波数においても広い指向性を得ることができる。
【００２６】
以上、要約すると、本実施の形態によれば、広指向性且つ大音量で小型の電気音響変換器１００を実現することができる。本実施の形態では、特許文献４に開示された電気音響変換器のように湾曲面を有する圧電フィルム振動板を用いる必要がなく、多面体形状の電子機器の筐体をフレーム２として、フレーム２の各面に平板状の圧電フィルム振動板１を配置すればよいので、携帯電話機などの小型の電子機器への搭載に好適である。また、本実施の形態の電気音響変換器１００は、製造性に優れ、落下時の衝撃安定性も高いので、携帯電話機などの小型の電子機器への搭載に好適である。
【００２７】
次に、本実施の形態の電気音響変換器１００の音響特性および指向特性を評価した結果を以下に示す。電気音響変換器１００から１０ｃｍ離れたマイクで１ｋＨｚの音圧レベルを測定した結果、電気音響変換器１００の１ｋＨｚの音圧レベルは９３ｄＢであった。指向特性は、図６に示すように電気音響変換器１００とマイク１０１−１，１０１−２，１０１−３，１０１−４とを配置して測定した。電気音響変換器１００とマイク１０１−１，１０１−２，１０１−３，１０１−４との距離はそれぞれ１０ｃｍである。測定周波数は、１ｋＨｚ、３ｋＨｚ、５ｋＨｚの３種類に設定し、各方向で３種類の周波数を測定し、計１２点のデータ取得を実施した。指向特性の測定結果を表１に示す。
【００２８】
【表１】
【００２９】
広指向性の判定基準は、各測定結果全体の最大値と最小値との差を３ｄＢ以内とする。表１の測定結果によれば、各測定結果全体の最大値９３ｄＢと最小値９１ｄＢとの差が３ｄＢ以内であったことから、広指向性が得られた判断した。
【００３０】
［第２の実施の形態］
第２の実施の形態では、第１の実施の形態の圧電フィルム１０の厚みを３０μｍとして、電気音響変換器を作製した。この電気音響変換器の特性を測定した結果、１ｋＨｚの音圧レベルは９３ｄＢであり、第１の実施の形態と同様の良好な広指向性が得られた。
【００３１】
［第３の実施の形態］
第３の実施の形態では、第１の実施の形態の圧電フィルム１０の厚みを１００μｍとして、電気音響変換器を作製した。この電気音響変換器の特性を測定した結果、１ｋＨｚの音圧レベルは９０ｄＢであり、第１の実施の形態と同様の良好な広指向性が得られた。
【００３２】
［第４の実施の形態］
第４の実施の形態では、第１の実施の形態のフレーム２の形状を立方体形状に変更して、電気音響変換器を作製した。この電気音響変換器の特性を測定した結果、１ｋＨｚの音圧レベルは９３ｄＢであり、第１の実施の形態と同様の良好な広指向性が得られた。
【００３３】
［第５の実施の形態］
第５の実施の形態では、第１の実施の形態のフレーム２の形状を三角錐に変更して、電気音響変換器を作製した。この電気音響変換器の特性を測定した結果、１ｋＨｚの音圧レベルは９３ｄＢであり、第１の実施の形態と同様の良好な広指向性が得られた。
【００３４】
［第６の実施の形態］
第６の実施の形態では、第１の実施の形態の上部電極層１１および下部電極層１２の厚みを１００μｍとして、電気音響変換器を作製した。この電気音響変換器の特性を測定した結果、１ｋＨｚの音圧レベルは９３ｄＢであり、第１の実施の形態と同様の良好な広指向性が得られた。
【００３５】
［第７の実施の形態］
第７の実施の形態では、第１の実施の形態の上部電極層１１および下部電極層１２の厚みを５０μｍとして、電気音響変換器を作製した。この電気音響変換器の特性を測定した結果、１ｋＨｚの音圧レベルは９３ｄＢであり、第１の実施の形態と同様の良好な広指向性が得られた。
【００３６】
［第８の実施の形態］
第８の実施の形態では、第１の実施の形態のフレーム２の材質としてステンレスを採用し、電気音響変換器を作製した。この電気音響変換器の特性を測定した結果、１ｋＨｚの音圧レベルは９３ｄＢであり、第１の実施の形態と同様の良好な広指向性が得られた。
【００３７】
［第９の実施の形態］
第９の実施の形態では、第１の実施の形態のフレーム２の材質としてアルミニウムを採用し、電気音響変換器を作製した。この電気音響変換器の特性を測定した結果、１ｋＨｚの音圧レベルは９３ｄＢであり、第１の実施の形態と同様の良好な広指向性が得られた。
【００３８】
［第１０の実施の形態］
第１０の実施の形態では、第１の実施の形態の圧電フィルム振動板１を２倍の枚数に増やして、電気音響変換器を作製した。この電気音響変換器の特性を測定した結果、１ｋＨｚの音圧レベルは１１０ｄＢであり、第１の実施の形態と同様の良好な広指向性が得られた。
【００３９】
なお、第１〜第１０の実施の形態では、電気音響変換器の全ての圧電フィルム振動板１に共通の電気信号を印加するようにしているが、これに限るものではなく、一部の圧電フィルム振動板１の上部電極層１１、下部電極層１２に別の電気信号を印加するようにしてもよい。これにより、１台の電気音響変換器から複数種類の音波を放射することができる。１台の電気音響変換器から複数種類の音波を放射するには、圧電フィルム振動板１のグループ毎に配線３ａ，３ｂと端子４ａ，４ｂとを設ければよい。グループ毎に異なる電気信号をそのグループの端子４ａ，４ｂに入力してやれば、各グループの圧電フィルム振動板１は、グループ毎に異なる音波を放射することになる。なお、音圧レベルを確保するという点では、グループ毎に複数の圧電フィルム振動板１を設けることが好ましい。
【００４０】
また、第１〜第１０の実施の形態では、電気音響変換器を搭載する電子機器の例として携帯電話機を例に挙げて説明しているが、これに限るものではなく、他の電子機器にも電気音響変換器を搭載可能であることは言うまでもない。
【００４１】
上記の実施の形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
【００４２】
（付記１）電界の状態に応じて振動する圧電フィルムの両面に電極を形成した圧電フィルム振動板を複数備え、この複数の圧電フィルム振動板を多面体状に配置したことを特徴とする電気音響変換器。
【００４３】
（付記２）付記１記載の電気音響変換器において、前記圧電フィルムは、圧電高分子材料からなることを特徴とする電気音響変換器。
【００４４】
（付記３）付記１または２に記載の電気音響変換器において、各圧電フィルム振動板は、多面体状のフレームの各面に形成された開口部に嵌挿されることを特徴とする電気音響変換器。
【００４５】
（付記４）付記１乃至３のいずれか１項に記載の電気音響変換器において、各圧電フィルム振動板は、複数のグループに分かれ、グループ毎に異なる電気信号を前記電極に入力可能であることを特徴とする電気音響変換器。
【００４６】
（付記５）付記１乃至４のいずれか１項に記載の電気音響変換器を備えたことを特徴とする電子機器。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、小型の電気音響変換器に適用することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１…圧電フィルム振動板、２…フレーム、３ａ，３ｂ…配線、４ａ，４ｂ…端子、１０…圧電フィルム、１１…上部電極層、１２…下部電極層、２０…開口部、２１…凹み、１００…電気音響変換器。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界の状態に応じて振動する圧電フィルムの両面に電極を形成した圧電フィルム振動板を複数備え、
この複数の圧電フィルム振動板を多面体状に配置したことを特徴とする電気音響変換器。
【請求項２】
請求項１記載の電気音響変換器において、
前記圧電フィルムは、圧電高分子材料からなることを特徴とする電気音響変換器。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電気音響変換器において、
各圧電フィルム振動板は、多面体状のフレームの各面に形成された開口部に嵌挿されることを特徴とする電気音響変換器。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電気音響変換器において、
各圧電フィルム振動板は、複数のグループに分かれ、グループ毎に異なる電気信号を前記電極に入力可能であることを特徴とする電気音響変換器。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電気音響変換器を備えたことを特徴とする電子機器。
【請求項１】
電界の状態に応じて振動する圧電フィルムの両面に電極を形成した圧電フィルム振動板を複数備え、
この複数の圧電フィルム振動板を多面体状に配置したことを特徴とする電気音響変換器。
【請求項２】
請求項１記載の電気音響変換器において、
前記圧電フィルムは、圧電高分子材料からなることを特徴とする電気音響変換器。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電気音響変換器において、
各圧電フィルム振動板は、多面体状のフレームの各面に形成された開口部に嵌挿されることを特徴とする電気音響変換器。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電気音響変換器において、
各圧電フィルム振動板は、複数のグループに分かれ、グループ毎に異なる電気信号を前記電極に入力可能であることを特徴とする電気音響変換器。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電気音響変換器を備えたことを特徴とする電子機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−２２８８８１（Ｐ２０１１−２２８８８１Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−９５８３０（Ｐ２０１０−９５８３０）
【出願日】平成２２年４月１９日（２０１０．４．１９）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月１９日（２０１０．４．１９）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
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