JP2012015755A - Oscillation device and electronic equipment - Google Patents

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Yasuharu Onishi
康晴 大西
Yuichiro Kishinami
雄一郎 岸波
Shigeo Sato
重夫 佐藤
Motoyoshi Komoda
元喜 菰田
Nobuhiro Kawashima
信弘 川嶋
Atsushi Kuroda
淳 黒田
Yukio Murata
行雄 村田
Tatsuya Uchikawa
達也 内川
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an oscillation device that is capable of oscillating at a plurality of resonance frequencies with a simple structure.SOLUTION: A plurality of piezoelectric oscillators 110 and 120 obtained by forming electrode layers 112, 113, and 122 on front faces and rear faces of piezoelectric layers 111 and 121 are stacked in order on a front face of an elastic diaphragm 101 having elasticity, with resonance frequencies in a main mode of the plurality of the piezoelectric oscillators 110 and 120 differing each other at least partially. This enables oscillation at a plurality of resonance frequencies with a simple structure.

Description

本発明は、圧電振動子を備えた発振装置に関し、特に、振動部材に圧電振動子が装着されている発振装置、この発振装置を有する電子機器、に関する。   The present invention relates to an oscillating device including a piezoelectric vibrator, and more particularly to an oscillating device in which a piezoelectric vibrator is mounted on a vibrating member, and an electronic apparatus having the oscillating device.

近年、携帯電話機やノート型コンピュータなどの携帯型の電子機器の需要が拡大している。このような電子機器では、テレビ電話や動画再生、ハンズフリー電話などの音響機能を商品価値とした薄型の携帯端末の開発が進められている。このような開発の中、音響部品である電気音響変換器(スピーカ装置)に対して、高音質でかつ小型・薄型化への要求が高まっている。   In recent years, demand for portable electronic devices such as mobile phones and notebook computers has been increasing. In such an electronic device, development of a thin portable terminal whose commercial value is an acoustic function such as a videophone, a video playback, and a hands-free phone is being promoted. Under such development, there is an increasing demand for high-quality sound, small size, and thinness for electroacoustic transducers (speaker devices) that are acoustic components.

従来、携帯電話等の電子機器には、電気音響変換器として動電型電気音響変換器が利用されてきた。この動電型電気音響変換器は、永久磁石とボイスコイルと振動膜から構成されている。   Conventionally, electrodynamic electroacoustic transducers have been used as electroacoustic transducers in electronic devices such as mobile phones. This electrodynamic electroacoustic transducer is composed of a permanent magnet, a voice coil, and a diaphragm.

しかし、動電型電気音響変換器は、その動作原理および構造から、薄型化には限界がある。一方、特許文献1、2には、圧電振動子を電気音響変換器として使用することが記載されている。   However, there is a limit to reducing the thickness of electrodynamic electroacoustic transducers due to their operating principles and structures. On the other hand, Patent Documents 1 and 2 describe using a piezoelectric vibrator as an electroacoustic transducer.

また、圧電振動子を用いる発振装置の他の例としては、スピーカ装置のほか、圧電振動子から発振された音波を用いて対象物までの距離などを検出する音波センサ(特許文献3を参照)など、種々の発振装置や電子機器が知られている。   As another example of an oscillation device using a piezoelectric vibrator, in addition to a speaker device, a sound wave sensor that detects a distance to an object using a sound wave oscillated from the piezoelectric vibrator (see Patent Document 3). Various oscillators and electronic devices are known.

例えば、同一形状で同一材料の二個の圧電振動子を振動部材に二段に積層することで、バイモルフの発振装置を実現する提案がある(特許文献4)。また、平面形状のサイズが相違する二個の圧電振動子を振動部材の両面に一個ずつ配置することで、バイモルフの発振装置を実現する提案もある(特許文献5)   For example, there is a proposal for realizing a bimorph oscillation device by stacking two piezoelectric vibrators of the same shape and the same material on a vibrating member in two stages (Patent Document 4). There is also a proposal for realizing a bimorph oscillation device by arranging two piezoelectric vibrators having different planar shapes one on each side of a vibrating member (Patent Document 5).

再表2007−026736号公報No. 2007-026736 再表2007−083497号公報Table 2007-083497 特開平03−270282号公報Japanese Patent Laid-Open No. 03-270282 特開2002−112391号公報JP 2002-112391 A 特開2008−28593号公報JP 2008-28593 A

圧電振動子を用いる発振装置は、圧電層の圧電効果を利用して、電気信号の入力による電歪作用により、振動振幅を発生させるものである。そして、動電型電気音響変換器がピストン型の進退運動によって振動を発生させるのに対して、圧電振動子を用いる発振装置は屈曲型の振動姿態をとるために振幅が小さくなる。このため、上記した動電型の電気音響変換器に対して薄型化に優位である。   An oscillating device using a piezoelectric vibrator generates a vibration amplitude by an electrostrictive action by inputting an electric signal by using a piezoelectric effect of a piezoelectric layer. The electrodynamic electroacoustic transducer generates vibration by a piston-type forward / backward movement, whereas the oscillation device using the piezoelectric vibrator has a bending-type vibration state and thus has a small amplitude. For this reason, it is superior in reducing the thickness of the electrodynamic electroacoustic transducer described above.

しかしながら、発振装置の物理指標の一つである主モードの共振周波数は、その圧電振動子の形状や材料などにより一つに決定される。しかし、発振装置をスピーカ装置として利用するような場合には、共振周波数が一つでは単調な音声しか出力することができない。   However, the resonance frequency of the main mode, which is one of the physical indices of the oscillation device, is determined as one depending on the shape and material of the piezoelectric vibrator. However, when the oscillation device is used as a speaker device, only a monotone sound can be output with a single resonance frequency.

本発明は上述のような課題に鑑みてなされたものであり、簡単な構造で複数の共振周波数で発振することができる発振装置、この発振装置を利用した電子機器、を提供するものである。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and provides an oscillation device that can oscillate at a plurality of resonance frequencies with a simple structure, and an electronic apparatus using the oscillation device.

本発明の発振装置は、弾発性を有する振動部材と、圧電層の表面と裏面とに電極層が形成されていて振動部材の表面に順番に積載されている複数の圧電振動子と、を有し、複数の圧電振動子の少なくとも一部は、主モードの共振周波数が相違している。   An oscillation device according to the present invention includes a vibration member having elasticity, and a plurality of piezoelectric vibrators in which electrode layers are formed on a front surface and a back surface of a piezoelectric layer and are sequentially stacked on the surface of the vibration member. At least some of the plurality of piezoelectric vibrators have different main-mode resonance frequencies.

本発明の第一の電子機器は、本発明の発振装置と、発振装置に可聴域の音波を出力させる発振駆動部と、を有する。   A first electronic device of the present invention includes the oscillation device of the present invention and an oscillation drive unit that causes the oscillation device to output an audible sound wave.

本発明の第二の電子機器は、本発明の発振装置と、発振装置から発振されて測定対象物で反射した超音波を検知する超音波検知部と、検知された超音波から測定対象物までの距離を算出する測距部と、を有する。   A second electronic device according to the present invention includes an oscillation device according to the present invention, an ultrasonic detection unit that detects an ultrasonic wave oscillated from the oscillation device and reflected by the measurement object, and from the detected ultrasonic wave to the measurement object. And a distance measuring unit for calculating the distance.

なお、本発明で平面形状が相違しているとは、相似形状でサイズが相違していることも内包する。   In addition, the fact that the planar shape is different in the present invention includes that the shape is similar and the size is different.

本発明の発振装置では、振動部材に順番に積載されている複数の圧電振動子の主モードの共振周波数が相違しているため、簡単な構造で複数の共振周波数で発振することができる。   In the oscillation device of the present invention, since the resonance frequencies of the main modes of the plurality of piezoelectric vibrators stacked in order on the vibration member are different, the oscillation can be performed at a plurality of resonance frequencies with a simple structure.

本発明の実施の第一の形態の発振装置である電気音響変換器の構造を示す模式的な縦断正面図である。It is a typical longitudinal section front view showing the structure of the electroacoustic transducer which is the oscillation device of the first embodiment of the present invention. 電気音響変換器の構造を示す模式的な平面図である。It is a typical top view which shows the structure of an electroacoustic transducer. 二個の圧電振動子の分極方向を示す模式的な縦断正面図である。It is a typical vertical front view which shows the polarization direction of two piezoelectric vibrators. 一の変形例の電気音響変換器の構造を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the electroacoustic transducer of one modification. 他の変形例の電気音響変換器の構造を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the electroacoustic transducer of another modification. さらに他の変形例の電気音響変換器の構造を示す模式的な縦断正面図である。It is a typical vertical front view which shows the structure of the electroacoustic transducer of another modification.

本発明の実施の第一の形態について図1ないし図3を参照して以下に説明する。本実施の形態の発振装置である電気音響変換器100は、図1に示すように、弾発性を有する振動部材である弾性振動板101と、圧電セラミック111,121の表面と裏面とに電極層112,113,122が形成されていて弾性振動板101の表面に順番に積載されている複数の圧電振動子110,120と、を有する。   A first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. As shown in FIG. 1, an electroacoustic transducer 100 that is an oscillation device according to the present embodiment includes an elastic diaphragm 101 that is a resilient vibration member, and electrodes on the front and back surfaces of the piezoelectric ceramics 111 and 121. Layers 112, 113, and 122 are formed, and a plurality of piezoelectric vibrators 110 and 120 are sequentially stacked on the surface of the elastic diaphragm 101.

ただし、複数の圧電振動子110,120の主モードの共振周波数が相違している。より具体的には、本実施の形態の電気音響変換器100では、図1および図2に示すように、共振周波数が相違する複数の圧電振動子110,120の平面形状が相違している。   However, the resonance frequencies of the main modes of the plurality of piezoelectric vibrators 110 and 120 are different. More specifically, in the electroacoustic transducer 100 of the present embodiment, as shown in FIGS. 1 and 2, the planar shapes of the plurality of piezoelectric vibrators 110 and 120 having different resonance frequencies are different.

つまり、下部の圧電振動子110は大径の円形に平面形状が形成されているが、上部の圧電振動子120は小径の円形に平面形状が形成されている。なお、本実施の形態の電気音響変換器100では、下部の圧電振動子110の上面の電極層113が上部の圧電振動子120の下面の電極層113として兼用されている。   That is, the lower piezoelectric vibrator 110 has a planar shape formed in a large-diameter circle, whereas the upper piezoelectric vibrator 120 has a planar shape formed in a small-diameter circle. In the electroacoustic transducer 100 of the present embodiment, the electrode layer 113 on the upper surface of the lower piezoelectric vibrator 110 is also used as the electrode layer 113 on the lower face of the upper piezoelectric vibrator 120.

そして、上述のような二個の圧電振動子110,120の三個の電極層112,113,122が個々に発振駆動部である制御部130に接続されており、この制御部130は、二個の圧電振動子110,120を可聴領域や超音波領域で発振させる電界を個別に出力する。   The three electrode layers 112, 113, 122 of the two piezoelectric vibrators 110, 120 as described above are individually connected to the control unit 130 that is an oscillation drive unit. An electric field that causes each of the piezoelectric vibrators 110 and 120 to oscillate in an audible region or an ultrasonic region is individually output.

また、圧電セラミック111,121としては、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)などを使用するが特に限定されない。圧電セラミック111,121の厚みは、特に限定されないが、10μm以上500μm以下であることが好ましい。   Further, as the piezoelectric ceramics 111 and 121, lead zirconate titanate (PZT) or the like is used, but is not particularly limited. The thickness of the piezoelectric ceramics 111 and 121 is not particularly limited, but is preferably 10 μm or more and 500 μm or less.

例えば、脆性材料であるセラミック材料として厚み10μm未満の薄膜を使用する場合、取り扱い時に機械強度の弱さから、欠けや破損などが生じて、取り扱いが困難となる。   For example, when a thin film having a thickness of less than 10 μm is used as a ceramic material that is a brittle material, chipping or breakage occurs due to weak mechanical strength during handling, making handling difficult.

また、厚み500μmを超える圧電セラミック111,121を使用する場合は電気エネルギから機械エネルギに変換する変換効率が著しく低下し、電気音響変換器100として十分な性能が得られない。   Further, when the piezoelectric ceramics 111 and 121 having a thickness exceeding 500 μm are used, the conversion efficiency for converting electrical energy into mechanical energy is remarkably reduced, and sufficient performance as the electroacoustic transducer 100 cannot be obtained.

一般的に、電気信号の入力により電歪効果を発生させる圧電セラミック111,121においては、その変換効率は電界強度に依存する。この電界強度は分極方向に対する厚み/入力電圧で表されることから、厚みの増加は必然的に変換効率の低下を招いてしまう問題がある。   In general, in the piezoelectric ceramics 111 and 121 that generate an electrostrictive effect by inputting an electric signal, the conversion efficiency depends on the electric field strength. Since the electric field strength is expressed by the thickness / input voltage with respect to the polarization direction, an increase in thickness inevitably causes a decrease in conversion efficiency.

本実施の形態の圧電振動子110には、電界を発生させるために表面と裏面とに電極層112,113,122が形成されている。前述のように中央の電極層113は二個の圧電セラミック111,121で兼用されるため、例えば、アースとして利用される。   In the piezoelectric vibrator 110 of the present embodiment, electrode layers 112, 113, and 122 are formed on the front surface and the back surface in order to generate an electric field. As described above, since the central electrode layer 113 is shared by the two piezoelectric ceramics 111 and 121, it is used as, for example, a ground.

電極層112,113,122は、電気伝導性を有する材料であれば特に限定されないが、銀や銀/パラジウムを使用することが好ましい。銀は低抵抗な汎用的な電極層として使用されており、製造プロセスやコストなどに利点がある。   The electrode layers 112, 113, and 122 are not particularly limited as long as they are electrically conductive materials, but it is preferable to use silver or silver / palladium. Silver is used as a general-purpose electrode layer with low resistance, and has advantages in manufacturing process and cost.

また、銀/パラジウムは耐酸化に優れた低抵抗材料であるため、信頼性の観点から利点がある。また、電極層112,113,122の厚みについては、特に限定されないが、その厚みが1μm以上50μm以下であるのが好ましい。   Further, since silver / palladium is a low-resistance material excellent in oxidation resistance, there is an advantage from the viewpoint of reliability. The thickness of the electrode layers 112, 113, 122 is not particularly limited, but the thickness is preferably 1 μm or more and 50 μm or less.

例えば、厚み1μm未満では、膜厚が薄いため、均一に成形できず、変換効率が低下する可能性がある。なお、薄膜状の電極層112,113,122を形成する技術として、ペースト状にして塗布する方法もある。   For example, when the thickness is less than 1 μm, since the film thickness is thin, it cannot be uniformly formed, and conversion efficiency may be reduced. As a technique for forming the thin-film electrode layers 112, 113, and 122, there is a method of applying the paste in a paste form.

しかし、圧電セラミック111,121のような多結晶では表面状態が梨地面であるため、塗布時の濡れ状態が悪く、ある程度の厚みがないと均一な電極膜が形成できない問題点がある。   However, the polycrystal such as the piezoelectric ceramics 111 and 121 has a problem that the surface state is a textured surface, so that the wet state at the time of application is poor and a uniform electrode film cannot be formed without a certain thickness.

一方、電極層112,113,122の膜厚が100μmを超える場合は、製造上に特に問題はないが、電極層112,113,122が圧電セラミック111,121に対して拘束面となり、エネルギ変換効率を低下させてしまう問題点がある。   On the other hand, when the film thickness of the electrode layers 112, 113, and 122 exceeds 100 μm, there is no particular problem in manufacturing, but the electrode layers 112, 113, and 122 serve as constraining surfaces for the piezoelectric ceramics 111 and 121, and energy conversion is performed. There is a problem that reduces efficiency.

本実施の形態の電気音響変換器100では、上方の圧電振動子120の下面が下方の圧電振動子110の上面で拘束されており、この下方の圧電振動子110の下面が弾性振動板101の上面で拘束されている。   In the electroacoustic transducer 100 of this embodiment, the lower surface of the upper piezoelectric vibrator 120 is constrained by the upper surface of the lower piezoelectric vibrator 110, and the lower surface of the lower piezoelectric vibrator 110 is the elastic diaphragm 101. Restrained at the top.

弾性振動板101は、圧電振動子110,120から直接および間接に発生した振動で共振する。また、同時に弾性振動板101には、圧電振動子110の基本共振周波数を調整する機能を持つ。   The elastic diaphragm 101 resonates due to vibrations generated directly and indirectly from the piezoelectric vibrators 110 and 120. At the same time, the elastic diaphragm 101 has a function of adjusting the basic resonance frequency of the piezoelectric vibrator 110.

なお、弾性振動板101は、円環状の支持フレーム102で支持されている。弾性振動板101の機械的な電気音響変換器100の基本共振周波数fは、以下の式で示されるように、負荷重量と、コンプライアンスに依存する。   The elastic diaphragm 101 is supported by an annular support frame 102. The fundamental resonance frequency f of the mechanical electroacoustic transducer 100 of the elastic diaphragm 101 depends on the load weight and compliance, as shown by the following equation.

[数1]
f=1/(2πL√(mC))
なお、"m"は質量、"C"はコンプライアンス、である。
[Equation 1]
f = 1 / (2πL√ (mC))
“M” is mass and “C” is compliance.

言い換えれば、コンプライアンスは電気音響変換器100の機械剛性であるため、このことは圧電振動子110,120の剛性を制御することで基本共振周波数を制御できることを意味する。   In other words, since the compliance is the mechanical rigidity of the electroacoustic transducer 100, this means that the fundamental resonance frequency can be controlled by controlling the rigidity of the piezoelectric vibrators 110 and 120.

例えば、弾性率の高い材料の選択や、弾性振動板101の厚みを低減することで、基本共振周波数を低域にシフトさせることが可能となる。この一方で、弾性率の高い材料を選択することや、弾性振動板101の厚みを増加させることで基本共振周波数を高域にシフトさせることができる。   For example, it is possible to shift the fundamental resonance frequency to a low range by selecting a material having a high elastic modulus or reducing the thickness of the elastic diaphragm 101. On the other hand, the fundamental resonance frequency can be shifted to a high range by selecting a material having a high elastic modulus or increasing the thickness of the elastic diaphragm 101.

なお、弾性振動板101には、金属や樹脂など脆性材料であるセラミックに対して高い弾性率を持つ材料であれば特に限定されないが、加工性やコストの観点からリン青銅やステンレスなどの汎用材料が使用される。   The elastic diaphragm 101 is not particularly limited as long as it is a material having a high elastic modulus with respect to a ceramic that is a brittle material such as a metal or a resin, but a general-purpose material such as phosphor bronze or stainless steel from the viewpoint of workability and cost. Is used.

また、弾性振動板101の厚みについては、5μm以上1000μm以下であることが好ましい。厚みが5μm未満の場合、機械強度が弱く、拘束部材として機能を損なうことや、加工精度の低下により、製造ロット間で圧電振動子110の機械振動特性の誤差が生じてしまう問題点がある。   The thickness of the elastic diaphragm 101 is preferably 5 μm or more and 1000 μm or less. When the thickness is less than 5 μm, there is a problem that mechanical strength is weak, the function as a restraining member is impaired, and the mechanical vibration characteristics of the piezoelectric vibrator 110 are varied between production lots due to a decrease in processing accuracy.

また、厚みが1000μmを超える場合は、剛性増による圧電振動子110への拘束が強まり、振動変位量の減衰を生じさせてしまう問題点がある。また、本実施形態の弾性振動板101は、材料の剛性を示す指標である縦弾性係数が、1GPa以上500GPa以下であることが好ましい。上述のように、弾性振動板101の剛性が過度に低い場合や、過度に高い場合は、機械振動子として特性や信頼性を損なう問題点がある。   Further, when the thickness exceeds 1000 μm, there is a problem that the restraint on the piezoelectric vibrator 110 due to the increase in rigidity is strengthened and the vibration displacement amount is attenuated. The elastic diaphragm 101 of the present embodiment preferably has a longitudinal elastic modulus, which is an index indicating the rigidity of the material, of 1 GPa or more and 500 GPa or less. As described above, when the rigidity of the elastic diaphragm 101 is excessively low or excessively high, there is a problem that characteristics and reliability are impaired as a mechanical vibrator.

ここで、本実施の形態の電気音響変換器100の製造方法を以下に説明する。まず、圧電振動子110,120は、例えば、外径=φ3mm、φ2mm、厚み=200μmの圧電セラミック111,121を形成し、圧電セラミック111,121の各々の両面に、それぞれ厚み8μmの電極層112,113,122を形成する。   Here, the manufacturing method of the electroacoustic transducer 100 of this Embodiment is demonstrated below. First, in the piezoelectric vibrators 110 and 120, for example, piezoelectric ceramics 111 and 121 having an outer diameter = φ3 mm, φ2 mm, and thickness = 200 μm are formed, and an electrode layer 112 having a thickness of 8 μm is formed on both surfaces of each of the piezoelectric ceramics 111 and 121. , 113, 122 are formed.

圧電セラミック111,121には、ジルコン酸チタン酸鉛系セラミックを用い、電極層112,113,122には銀/パラジウム合金(重量比70%:30%)を使用する。   For the piezoelectric ceramics 111 and 121, lead zirconate titanate ceramic is used, and for the electrode layers 112, 113 and 122, a silver / palladium alloy (weight ratio 70%: 30%) is used.

この圧電セラミック111,121の製造はグリーンシート法で行い、大気中で1100℃で2時間にわたって焼成し、その後、圧電セラミック111,121に分極処理を施す。圧電振動子110,120の接着と、圧電振動子110と弾性振動板101との接着とには、エポキシ系接着剤を用いる。   The piezoelectric ceramics 111 and 121 are manufactured by a green sheet method, fired in the atmosphere at 1100 ° C. for 2 hours, and then the piezoelectric ceramics 111 and 121 are subjected to polarization treatment. An epoxy-based adhesive is used for bonding the piezoelectric vibrators 110 and 120 and bonding the piezoelectric vibrator 110 and the elastic diaphragm 101.

また、本構成では、プライバシー保護が可能な音響再生を実現するために、超音波を発振させる。ここでは、変調した超音波を可聴音に復調するパラメトリックスピーカの原理を利用している。圧電振動子110,120は周波数20kHz以上の超音波を発振するものである。   Further, in this configuration, ultrasonic waves are oscillated in order to realize sound reproduction that can protect privacy. Here, the principle of a parametric speaker that demodulates modulated ultrasonic waves into audible sounds is used. The piezoelectric vibrators 110 and 120 oscillate ultrasonic waves having a frequency of 20 kHz or more.

ここでは、AM(Amplitude Modulation)変調やDSB(Double Sideband)変調、SSB(Single-Sideband modulation)変調、FM(Frequency Modulation)変調をかけた超音波を空気中に放射し、超音波が空気中に伝播する際の非線形特性により、可聴音が出現する原理で音響再生を行っている。   Here, AM (Amplitude Modulation) modulation, DSB (Double Sideband) modulation, SSB (Single-Sideband modulation) modulation, FM (Frequency Modulation) modulated ultrasonic waves are emitted into the air, and the ultrasonic waves enter the air. Sound reproduction is performed on the principle that audible sound appears due to nonlinear characteristics when propagating.

非線形としては、流れの慣性作用と粘性作用の比で示されるレイノルズ数が大きくなると、層流から乱流に推移する現象が挙げられる。すなわち、音波は流体内で微少にじょう乱しているため、音波は非線形で伝播している。   Non-linearity includes a phenomenon in which the flow changes from laminar flow to turbulent flow when the Reynolds number indicated by the ratio between the inertial action and viscous action of the flow increases. That is, since the sound wave is slightly disturbed in the fluid, the sound wave propagates nonlinearly.

しかしながら、低周波数帯域での音波の振幅は非線形でありながら、振幅差が非常に小さく、通常、線形理論の現象として取り扱っている。これに対して、超音波では非線形性が容易に観察でき、空気中に放射した場合、非線形性に伴う高調波が顕著に発生する。   However, the amplitude of the sound wave in the low frequency band is nonlinear, but the amplitude difference is very small, and is usually handled as a phenomenon of linear theory. On the other hand, nonlinearity can be easily observed with ultrasonic waves, and when radiated into the air, harmonics accompanying the nonlinearity are remarkably generated.

概略すれば、音波は空気中に分子集団が濃淡に混在する疎密状態であり、空気分子が圧縮よりも復元するのに時間が生じた場合、圧縮後に復元できない空気が、連続的に伝播する空気分子と衝突し、衝撃波が生じて可聴音が発生する原理である。   In summary, sound waves are a dense state where molecular groups are mixed in the air, and if it takes time for the air molecules to recover rather than compress, the air that cannot be recovered after compression is continuously propagated air. This is the principle that an audible sound is generated by colliding with a molecule and generating a shock wave.

続いて、圧電振動子110,120の動作原理を説明する。圧電セラミック111,121は、上述のように二個の主面を有する圧電板からなり、圧電セラミック111,121の主面のそれぞれに、電極層112,113,122が形成されている。   Next, the operation principle of the piezoelectric vibrators 110 and 120 will be described. The piezoelectric ceramics 111 and 121 are made of a piezoelectric plate having two main surfaces as described above, and electrode layers 112, 113, and 122 are formed on the main surfaces of the piezoelectric ceramics 111 and 121, respectively.

圧電セラミック111,121の分極方向は特に限定されるものではないが、本実施の形態の電気音響変換器100では、図3に示すように、上下方向(圧電振動子110,120の厚み方向)で下方の圧電振動子110では下向き、上方の圧電振動子120では上向きとなっている。   Although the polarization direction of the piezoelectric ceramics 111 and 121 is not particularly limited, in the electroacoustic transducer 100 of the present embodiment, as shown in FIG. 3, the vertical direction (thickness direction of the piezoelectric vibrators 110 and 120). The lower piezoelectric vibrator 110 faces downward, and the upper piezoelectric vibrator 120 faces upward.

このように構成された圧電振動子110,120は、電極層112,113,122に交流電圧が印加され、交番的な電界が付与されると、その両主面が同時に拡大または縮小するような、半径方向の伸縮運動(径拡がり運動)を行う。   In the piezoelectric vibrators 110 and 120 configured in this way, when an alternating voltage is applied to the electrode layers 112, 113, and 122 and an alternating electric field is applied, both main surfaces are expanded or contracted simultaneously. , Perform radial expansion and contraction (diameter expansion).

換言すれば、圧電振動子110,120は、主面が拡大するような第一の変形モードと、主面が縮小するような第二の変形モードとを繰り返すようなバイモルフの運動を行う。   In other words, the piezoelectric vibrators 110 and 120 perform a bimorph motion that repeats a first deformation mode in which the main surface expands and a second deformation mode in which the main surface contracts.

このようなバイモルフの運動を圧電振動子110,120が繰り返すことで、弾性振動板101は両端を支点として、弾性効果を利用して慣性作用と復元作用による上下振動を発生し、音波を発生する。   When the piezoelectric vibrators 110 and 120 repeat such a bimorph motion, the elastic diaphragm 101 uses the elastic effect to generate vertical vibrations due to the inertial action and the restoring action, using both ends as fulcrums, thereby generating sound waves. .

また、本発明の構成では、圧電振動子110,120は周波数20kHz以上の超音波を発振する。FMやAM変調させた超音波を発振させ、空気の非線形状態(疎密状態)を利用して、変調波を復調させ可聴音を再生する、いわゆるパラメトリックスピーカの原理に基づいて音響再生を行う。これは、超音波の特徴である高い指向性を利用して音波を伝播させるものであり、ユーザにしか聴こえないプライバシー音源の実現が可能となる。   In the configuration of the present invention, the piezoelectric vibrators 110 and 120 oscillate ultrasonic waves having a frequency of 20 kHz or more. Sound reproduction is performed based on the principle of a so-called parametric speaker that oscillates FM or AM-modulated ultrasonic waves and demodulates the modulated wave to reproduce audible sound using the nonlinear state (dense / dense state) of air. This propagates sound waves using the high directivity that is characteristic of ultrasonic waves, and it is possible to realize a privacy sound source that can only be heard by the user.

そして、本実施の形態の電気音響変換器100では、弾性振動板101に順番に積載されている複数の圧電振動子110,120の主モードの共振周波数が相違しているため、複数の共振周波数で発振することができる。   In the electroacoustic transducer 100 according to the present embodiment, the resonance frequencies of the main modes of the plurality of piezoelectric vibrators 110 and 120 that are sequentially stacked on the elastic diaphragm 101 are different, and thus the plurality of resonance frequencies. Can oscillate.

それでいて、複数の圧電振動子110,120が弾性振動板101の表面に順番に積層されているので、その構造が簡単で製造が容易である。しかも、電極層113を二個の圧電振動子110,120が共用するので、さらに構造が簡単で製造が容易である。   Nevertheless, since the plurality of piezoelectric vibrators 110 and 120 are sequentially laminated on the surface of the elastic diaphragm 101, the structure is simple and the manufacture is easy. In addition, since the two piezoelectric vibrators 110 and 120 are shared by the electrode layer 113, the structure is simpler and the manufacture is easier.

以上のように、本実施の形態の電気音響変換器100は、小型で大音量の再生ができる。また、超音波を利用しているため、指向性が狭く、ユーザのプライバシー保護などの点で、工業的な価値は大きい。   As described above, the electroacoustic transducer 100 according to the present embodiment is small and can reproduce a large volume. Further, since ultrasonic waves are used, directivity is narrow, and industrial value is great in terms of protecting user privacy.

すなわち、本実施形態の電気音響変換器100は、従来の電気音響変換器に比べ、音波の直進性が高く、ユーザに伝えたい位置へ選択的に音波を伝播できる。以上をまとめると、本実施の形態の電気音響変換器100は、電子機器(例えば、携帯電話機、ノート型パーソナルコンピュータ、小型ゲーム機器など)の音源としても利用可能である。しかも、電気音響変換器100の大型化を防止することができ、音響特性が向上することから、携帯型の電子機器に対しても好適に利用することが可能である。   That is, the electroacoustic transducer 100 according to the present embodiment has higher rectilinearity of the sound wave than the conventional electroacoustic transducer, and can selectively propagate the sound wave to a position to be transmitted to the user. In summary, the electroacoustic transducer 100 according to the present embodiment can be used as a sound source of an electronic device (for example, a mobile phone, a notebook personal computer, a small game device, etc.). In addition, since the electroacoustic transducer 100 can be prevented from being enlarged and the acoustic characteristics are improved, the electroacoustic transducer 100 can be suitably used for portable electronic devices.

なお、本発明は本実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で各種の変形を許容する。例えば、本実施の形態では圧電振動子110,120の圧電素子としてジルコン酸チタン酸鉛(PZT)などの圧電セラミック111,121を利用することを例示した。   The present invention is not limited to the present embodiment, and various modifications are allowed without departing from the scope of the present invention. For example, in this embodiment, the piezoelectric ceramics 111 and 121 such as lead zirconate titanate (PZT) are used as the piezoelectric elements of the piezoelectric vibrators 110 and 120.

しかし、圧電素子については、圧電効果を有する材料であれば、無機材料、有機材料ともに特に限定されず、電気機械変換効率が高い材料、例えば、チタン酸バリウム(BaTiO3)などの材料が使用できる。   However, the piezoelectric element is not particularly limited as long as it has a piezoelectric effect, and a material having high electromechanical conversion efficiency, for example, a material such as barium titanate (BaTiO 3) can be used.

また、上記形態では主モードの共振周波数が相違する圧電振動子110,220として、板厚と材料とが同一で直径が大小の圧電振動子110,120が弾性振動板101に順番に積層されていることを例示した。   In the above embodiment, as the piezoelectric vibrators 110 and 220 having different main-mode resonance frequencies, the piezoelectric vibrators 110 and 120 having the same thickness and material and the same diameter are stacked on the elastic diaphragm 101 in order. Exemplified that

しかし、図4に例示する発振装置である電気音響変換器200のように、弾性振動板101に大径の円形の圧電振動子210と矩形の小型の圧電振動子220とが順番に積載されていてもよい。   However, like the electroacoustic transducer 200 which is an oscillation device illustrated in FIG. 4, a large-diameter circular piezoelectric vibrator 210 and a small rectangular piezoelectric vibrator 220 are sequentially stacked on the elastic diaphragm 101. May be.

反対に、弾性振動板101に大型の多角形の圧電振動子と小径の円形などの圧電振動子とが順番に積載されていてもよく、弾性振動板101に大型の多角形の圧電振動子と小径の多角形の圧電振動子とが順番に積載されていてもよい(ともに図示せず)。   Conversely, a large polygonal piezoelectric vibrator and a small-diameter circular piezoelectric vibrator or the like may be sequentially stacked on the elastic diaphragm 101, and the elastic diaphragm 101 may have a large polygonal piezoelectric vibrator. Small-diameter polygonal piezoelectric vibrators may be stacked in order (both not shown).

また、弾性振動板101に三段以上の圧電振動子が積載されていてもよい。さらに、 図5に例示する発振装置である電気音響変換器300のように、弾性振動板101に積載されている大径の円形の圧電振動子210の上面に、小径の半円形の平面形状の二個の圧電振動子320が並列に積載されていてもよい。   Further, three or more stages of piezoelectric vibrators may be loaded on the elastic diaphragm 101. Further, like an electroacoustic transducer 300 which is an oscillation device illustrated in FIG. 5, a small-diameter semicircular planar shape is formed on the upper surface of a large-diameter circular piezoelectric vibrator 210 mounted on the elastic diaphragm 101. Two piezoelectric vibrators 320 may be stacked in parallel.

さらに、共振周波数が相違する複数の圧電振動子110,120の圧電セラミック111,121の材料が相違していてもよく、電極層112,113,122の材料が相違していてもよい(図示せず)。   Further, the materials of the piezoelectric ceramics 111 and 121 of the plurality of piezoelectric vibrators 110 and 120 having different resonance frequencies may be different, and the materials of the electrode layers 112, 113, and 122 may be different (not shown). )

また、図6に発振装置として例示する電気音響変換器400のように、共振周波数が相違する複数の圧電振動子410,420として、その板厚が相違していてもよく、その圧電セラミック111,121や電極層112,113,122の層厚が相違していてもよい。   Further, like the electroacoustic transducer 400 exemplified as the oscillation device in FIG. 6, the piezoelectric vibrators 410 and 420 having different resonance frequencies may have different plate thicknesses, and the piezoelectric ceramics 111 and 121 and the electrode layers 112, 113, and 122 may have different layer thicknesses.

さらに、上記形態では、電気機器として電気音響変換器100等で音声を出力する携帯電話機等を想定した。しかし、電子機器として、発振装置である電気音響変換器100等と、この電気音響変換器100等から発振されて測定対象物で反射した超音波を検知する超音波検知部と、検知された超音波から測定対象物までの距離を算出する測距部と、を有するソナー(図示せず)なども実施可能である。   Furthermore, in the said form, the mobile telephone etc. which output an audio | voice with the electroacoustic transducer 100 grade | etc., Were assumed as an electric equipment. However, as an electronic device, an electroacoustic transducer 100 that is an oscillation device, an ultrasonic detection unit that detects an ultrasonic wave oscillated from the electroacoustic transducer 100 and reflected by a measurement object, and a detected ultrasonic wave A sonar (not shown) having a distance measuring unit that calculates the distance from the sound wave to the measurement object can also be implemented.

また、上記形態では弾性振動板101に順番に積載されている二個の圧電振動子110,120が上下逆様に分極されていてバイモルフとして動作することを例示した。しかし、二個の圧電振動子110,120が同一方向に分極されていて個々に駆動されてもよい。   In the above embodiment, the two piezoelectric vibrators 110 and 120 stacked in order on the elastic diaphragm 101 are polarized in the upside down direction and operate as a bimorph. However, the two piezoelectric vibrators 110 and 120 may be polarized in the same direction and driven individually.

さらに、上記形態では二個の圧電振動子110,120が中間の電極層113を共用することを例示した。しかし、下方の圧電振動子110の上面と上方の圧電振動子120の下面とに専用の電極層が各々形成されていてもよい(図示せず)。   Further, in the above embodiment, the two piezoelectric vibrators 110 and 120 share the intermediate electrode layer 113 as an example. However, dedicated electrode layers may be formed on the upper surface of the lower piezoelectric vibrator 110 and the lower surface of the upper piezoelectric vibrator 120, respectively (not shown).

このような場合、下方の圧電振動子110の上面と上方の圧電振動子120の下面との電極層間に絶縁層を形成することで、より確実に二個の圧電振動子110,120を個別に駆動することが可能となる。   In such a case, by forming an insulating layer between the electrode layers of the upper surface of the lower piezoelectric vibrator 110 and the lower surface of the upper piezoelectric vibrator 120, the two piezoelectric vibrators 110 and 120 can be individually connected more reliably. It becomes possible to drive.

なお、当然ながら、上述した複数の実施の形態および複数の変形例は、その内容が相反しない範囲で組み合わせることができる。また、上述した実施の形態では、各部の構造などを具体的に説明したが、その構造などは本願発明を満足する範囲で各種に変更することができる。   Needless to say, the above-described plurality of embodiments and the plurality of modifications can be combined within a range in which the contents do not conflict with each other. In the above-described embodiment, the structure of each part has been specifically described. However, the structure and the like can be variously changed within a range that satisfies the present invention.

100 電気音響変換器
101 弾性振動板
102 支持フレーム
110 圧電振動子
111,121 圧電セラミック
112,113,122 電極層
120 圧電振動子
130 制御部
200 電気音響変換器
210 圧電振動子
220 圧電振動子
300 電気音響変換器
320 圧電振動子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Electroacoustic transducer 101 Elastic diaphragm 102 Support frame 110 Piezoelectric vibrator 111,121 Piezoelectric ceramic 112,113,122 Electrode layer 120 Piezoelectric vibrator 130 Control part 200 Electroacoustic transducer 210 Piezoelectric vibrator 220 Piezoelectric vibrator 300 Electricity Acoustic transducer 320 Piezoelectric vibrator

Claims (11)

弾発性を有する振動部材と、
圧電層の表面と裏面とに電極層が形成されていて前記振動部材の表面に順番に積載されている複数の圧電振動子と、を有し、
複数の前記圧電振動子の少なくとも一部は、主モードの共振周波数が相違している発振装置。
A vibration member having elasticity,
A plurality of piezoelectric vibrators in which electrode layers are formed on the front and back surfaces of the piezoelectric layer and are sequentially stacked on the surface of the vibrating member;
An oscillation device in which at least some of the plurality of piezoelectric vibrators have different main-mode resonance frequencies.
前記共振周波数が相違する複数の前記圧電振動子の平面形状が相違している請求項1に記載の発振装置。   The oscillation device according to claim 1, wherein the plurality of piezoelectric vibrators having different resonance frequencies have different planar shapes. 前記共振周波数が相違する複数の前記圧電振動子の板厚が相違している請求項1または2に記載の発振装置。   The oscillation device according to claim 1 or 2, wherein plate thicknesses of the plurality of piezoelectric vibrators having different resonance frequencies are different. 前記共振周波数が相違する複数の前記圧電振動子の前記圧電層の層厚が相違している請求項1ないし3の何れか一項に記載の発振装置。   4. The oscillation device according to claim 1, wherein the piezoelectric layers of the plurality of piezoelectric vibrators having different resonance frequencies have different layer thicknesses. 前記共振周波数が相違する複数の前記圧電振動子の前記電極層の層厚が相違している請求項1ないし4の何れか一項に記載の発振装置。   5. The oscillation device according to claim 1, wherein the electrode layers of the plurality of piezoelectric vibrators having different resonance frequencies have different layer thicknesses. 前記共振周波数が相違する複数の前記圧電振動子の前記圧電層の材料が相違している請求項1ないし5の何れか一項に記載の発振装置。   The oscillation device according to claim 1, wherein materials of the piezoelectric layers of the plurality of piezoelectric vibrators having different resonance frequencies are different. 前記共振周波数が相違する複数の前記圧電振動子の前記電極層の材料が相違している請求項1ないし6の何れか一項に記載の発振装置。   The oscillation device according to any one of claims 1 to 6, wherein materials of the electrode layers of the plurality of piezoelectric vibrators having different resonance frequencies are different. 前記共振周波数が相違する複数の前記圧電振動子の少なくとも一個が発振する超音波の周波数が20kHzを超える請求項1ないし7の何れか一項に記載の発振装置。   The oscillation device according to any one of claims 1 to 7, wherein a frequency of an ultrasonic wave generated by at least one of the plurality of piezoelectric vibrators having different resonance frequencies exceeds 20 kHz. 複数の前記圧電振動子の少なくとも一個が可聴波の超音波変調波を発振する請求項1ないし8の何れか一項に記載の発振装置。   The oscillation device according to any one of claims 1 to 8, wherein at least one of the plurality of piezoelectric vibrators oscillates an audible ultrasonic modulated wave. 請求項1ないし9の何れか一項に記載の発振装置と、
前記発振装置に可聴域の音波を出力させる発振駆動部と、
を有する電子機器。
The oscillation device according to any one of claims 1 to 9,
An oscillation drive unit for outputting an audible sound wave to the oscillation device;
Electronic equipment having
請求項1ないし9の何れか一項に記載の発振装置と、
前記発振装置から発振されて測定対象物で反射した前記超音波を検知する超音波検知部と、
検知された前記超音波から前記測定対象物までの距離を算出する測距部と、
を有する電子機器。
The oscillation device according to any one of claims 1 to 9,
An ultrasonic detector for detecting the ultrasonic wave oscillated from the oscillation device and reflected by the measurement object;
A distance measuring unit for calculating a distance from the detected ultrasonic wave to the measurement object;
Electronic equipment having
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