JP2012029078A - 発振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発振装置の発振特性がばらつくことを抑制する。
【解決手段】この発振装置は、２つの振動部材１０、圧電振動子２０、及び支持体４０を備えている。２つの振動部材１０はシート形状を有している。支持体４０は枠状の部材であり、内側面が振動部材１０の縁を支持している。圧電振動子２０は、２つの振動部材１０に挟持されている。そして２つの振動部材１０は、少なくとも圧電振動子２０に接している面が導電性を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は発振装置に関する。

近年、携帯電話やラップトップ型コンピュータなどの携帯端末の需要が拡大している。特にテレビ電話や動画再生、ハンズフリー電話機能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。これらの開発の中で、小型でかつ出力が大きい電気音響変換器の要求が高まっている。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いる。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。しかしながら動電型電気音響変換器は、その動作原理及び構造から、薄型化には限界がある。そこで、例えば特許文献１に記載されているように、圧電振動子を電気音響変換器して使用することが期待されている。

また圧電振動子の用途として、音波センサがある。音波センサは、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センサである。

国際公開２００７／０２６７３６号パンフレット

圧電振動子を発振装置として使用するためには、圧電振動子の両面に電極及びリード端子を設け、この電極を介して圧電振動子に電圧を印加する必要がある。リード端子を電極に接続するためには、半田付けが必要にある。この半田の量がばらつくと、発振装置の発振特性がばらつく可能性がある。

本発明の目的は、発振特性がばらつくことを抑制できる発振装置を提供することにある。

本発明によれば、圧電振動子と、
前記圧電振動子の第１面に接しているシート状の第１振動部材と、
前記圧電振動子の第２面に接しているシート状の第２振動部材と、
前記第１振動部材及び前記第２振動部材の縁を支持する支持体と、
を備え、
前記圧電振動子は、前記第１振動部材及び前記第２振動部材に挟持されており、
前記第１振動部材及び前記第２振動部材は、少なくとも前記圧電振動子に接している面が導電性を有している発振装置が提供される。

本発明によれば、圧電振動子の特性がばらつくことを抑制できる。

第１の実施形態に係る発振装置の構成を、周辺回路も含めて示す断面図である。 図１に示した発振装置の平面図である。 圧電振動子の厚さ方向の構成を示す断面図である。 第２の実施形態に係る発信装置の圧電振動子の構成を示す斜視分解図である。 第３の実施形態に係る発振装置の平面図である。 第４の実施形態に係る発振装置の平面図である。 第５の実施形態に係る発振装置の構成を、周辺回路も含めて示す断面図である。 図７に示した発振装置の平面図である。 図８の変形例を示す平面図である。 第６の実施形態に係る発振装置の構成を、周辺回路も含めて示す断面図である。 図１０に示した発振装置の平面図である。 実施例で用いる携帯通信端末の構成を示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る発振装置の構成を、周辺回路も含めて示す断面図である。図２は図１に示した発振装置の平面図である。この発振装置は、２つの振動部材１０、圧電振動子２０、及び支持体４０を備えている。２つの振動部材１０はシート形状を有している。支持体４０は枠状の部材であり、内側面が振動部材１０の縁を支持している。圧電振動子２０は、２つの振動部材１０に挟持されている。そして２つの振動部材１０は、少なくとも圧電振動子２０に接している面が導電性を有している。この発振装置は、例えばスピーカ、又は音波センサの発振源として使用される。発振装置をスピーカとして使用する場合、発振装置は、例えば電子機器（例えば、携帯電話機、ラップトップ型パーソナルコンピュータ、小型ゲーム機器など）の音源として使用される。以下、詳細に説明する。

振動部材１０は、圧電振動子２０から発生した振動によって振動する。また振動部材１０は、圧電振動子２０の基本共振周波数を調整する。機械振動子の基本共振周波数は、負荷重量と、コンプラインスに依存する。コンプラインスは振動子の機械剛性であるため、振動部材１０の剛性を制御することで、圧電振動子２０の基本共振周波数を制御できる。なお、振動部材１０の厚みは５μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。また、振動部材１０は、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。振動部材１０の剛性が低すぎる場合や、高すぎる場合は、機械振動子として特性や信頼性を損なう可能性が出てくる。なお、振動部材１０を構成する材料は、金属や樹脂など、脆性材料である圧電振動子２０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が好ましい。

本実施形態において圧電振動子２０は矩形、例えば正方形である。圧電振動子２０の外縁は、振動部材１０のうち支持体４０に支持されている部分より内側に位置している。そして２つの振動部材１０と圧電振動子２０の界面には半田が設けられていない。

また２つの振動部材１０の少なくとも一方には、上下に貫通する開口１２が設けられている。開口１２の一部は、平面視で圧電振動子２０と重なっていない。本実施形態において開口１２は、振動部材１０のうち矩形の枠である支持体４０の４つの角それぞれに対応する部分を矩形に除去することにより形成されている。すなわち振動部材１０は略十字形の梁であり、４つの端部が、支持体４０の４辺の中心に接続している。そして振動部材１０の中心部に、圧電振動子２０が挟持されている。

また発振装置は、発振回路として制御部５０及び信号生成部５４を有している。信号生成部５４は、圧電振動子２０に入力する電気信号を生成する。制御部５０は、外部から入力された情報に基づいて、信号生成部５４を制御する。発振装置をスピーカとして使用する場合、制御部５０に入力される情報は音声信号である。また発振装置を音波センサとして使用する場合、制御部５０に入力される信号は、音波を発信する旨の指令信号である。そして発振装置を音波センサとして使用する場合、信号生成部５４は圧電振動子２０に圧電振動子２０の共振周波数の音波を発生させる。

図３は、圧電振動子２０の厚さ方向の構成を示す断面図である。圧電振動子２０は、圧電体２２、上面電極２４、及び下面電極２６を有している。圧電体２２は厚さ方向に分極している。圧電体２２を構成する材料は、圧電効果を有する材料であれば、無機材料及び有機材料のいずれであってもよい。ただし、電気機械変換効率が高い材料、例えばジルコン酸チタン酸塩（ＰＺＴ）やチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）であるのが好ましい。圧電体２２の厚さｈは、例えば１０μｍ以上１ｍｍ以下である。厚さｈ_１が１０μｍ未満の場合、発振装置の製造時に圧電振動子２０が破損する可能性が出てくる。また厚さｈ_１が１ｍｍ超の場合、電気機械変換効率が低くなりすぎてしまい、十分な大きさの振動を得られない。その理由は、圧電振動子２０の厚さが厚くなると、圧電振動子内における電界強度は反比例して小さくなるためである。また圧電体２２の厚さは、互いに等しくてもよいし、異なっていてもよい。

上面電極２４及び下面電極２６を構成する材料は特に限定されないが、例えば、銀や銀／パラジウムを使用することができる。銀は低抵抗な汎用的な電極材料して使用されているため、製造プロセスやコストなどに利点がある。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、上面電極２４及び下面電極２６の厚さｈ_２は特に限定されないが、その厚さｈ_２が１μｍ以上５０μｍ以下であるのが好ましい。厚さｈ_２が１μｍ未満では、上面電極２４及び下面電極２６を均一に成形することが難しくなり、その結果、電気機械変換効率が低下する可能性がある。また、上面電極２４及び下面電極２６の膜厚が１００μｍを超える場合は、上面電極２４及び下面電極２６が圧電体２２に対して拘束面となり、エネルギー変換効率を低下させてしまう可能性が出てくる。

次に、発振装置の製造方法を説明する。まず、圧電振動子２０を所定の平面形状に加工する。また振動部材１０を所定の形状に加工する。この時点で、圧電振動子２０には既に分極処理が行われている。次いで、圧電振動子２０を振動部材１０で挟持しつつ、振動部材１０を支持体４０に固定する。支持体４０は、例えばステンレスなどの金属により形成される。

ここで、圧電振動子２０は、外径＝φ１８ｍｍ、内径＝φ１２ｍｍ、厚み＝１００μｍとすることができる。また上面電極２４及び下面電極２６としては、例えば厚み８μｍの銀／パラジウム合金（重量比は例えば７：３）を用いることができる。また振動部材１０は、外径＝φ２０ｍｍ、厚み＝５０μｍ（０．３ｍｍ）のリン青銅を用いることができる。支持体４０は、例えば、外径＝φ２２ｍｍ、内径＝φ２０ｍｍの中空状のケースである。

また振動部材１０及び圧電振動子２０を複数組設けてもよい。この場合、発振装置をパラメトリックスピーカとして用いることができる。パラメトリックスピーカとして用いる場合、圧電振動子２０は、２０ｋＨｚ以上、例えば１００ｋＨｚの音波を信号の輸送波として用いる。

なお一般的に圧電振動子は機械品質係数Ｑが高い。このため、基本共振周波数近傍にエネルギーが集中するため、共振周波数近傍で音波は大きいが、それ以外の帯域では著しく音波が減衰する。一方、パラメトリックスピーカは単一の周波数を発振させればよい。このため、圧電振動子２０をパラメットリックスピーカとして使用することは、スピーカの効率を高めるという視点から好ましい。

ここでパラメトリックスピーカの原理を説明する。パラメトリックスピーカは、複数の発振源それぞれからＡＭ変調やＤＳＢ変調、ＳＳＢ変調、ＦＭ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、可聴音を出現させるものである。ここでの非線形とは、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ことを示す。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。特に超音波周波数帯では音波の非線形性が容易に観察できる。そして超音波を空気中に放射した場合、音波の非線形性に伴う高調波が顕著に発生する。また音波は、空気中において分子密度に濃淡が生じる疎密状態である。そして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、衝撃波が生じる。この衝撃波により可聴音が発生する。

次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。本実施形態において、圧電振動子２０は、２つの振動部材１０に挟持されている。そして振動部材１０は、前記圧電振動子に接している面が導電性を有している。このため、圧電振動子２０の電極２４，２６にリード線を半田付けしなくても、振動部材１０を介して圧電振動子２０の電極２４，２６に駆動信号を伝達することができる。従って、半田を用いる必要がないため、半田の量のばらつきに起因して発振装置の発振特性がばらつくことを抑制できる。

また、平面視において圧電振動子２０の外縁は、振動部材１０のうち支持体４０に支持されている部分より内側に位置している。このため、圧電振動子２０の外縁が支持体４０に固定されている場合と比較して、振動部材１０の振幅を大きくして発振装置の出力を大きくすることができる。

また振動部材１０は開口１２を有している。このため、開口１２の位置や形状を調節することにより、発振装置の発振モード（固有振動モード）を調節することができる。

（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態に係る発信装置の圧電振動子２０の構成を示す斜視分解図である。本実施形態に係る発振装置は、圧電振動子２０が複数の圧電体２２と電極２４とを交互に複数積層させた構造を有している点を除いて、第１の実施形態に係る発振装置と同様の構成である。圧電体２２の分極方向は、一層ごとに入れ替わっており、互い違いになっている。

本実施形態においても第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また圧電振動子２０を、複数の圧電体２２と電極２４とを交互に複数積層させた構造にしているため、圧電振動子２０の伸縮量が大きくなる。従って、発振装置の出力を大きくすることができる。

（第３の実施形態）
図５は第３の実施形態に係る発振装置の平面図である。本実施形態に係る発振装置は、圧電振動子２０の平面形状が円形である点を除いて、第１の実施形態に係る発振装置と同様の構成である。
本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第４の実施形態）
図６は、第４の実施形態に係る発振装置の平面図である。本実施形態に係る発振装置は、振動部材１０の平面形状を除いて、第３の実施形態に係る発振装置と同様の構成である。

本実施形態において振動部材１０は、第１の実施形態に示した形状に対し、振動部材１０の中心部分と支持体４０の４つの角部とを接続する追加梁１４を追加した形状を有している。これらの追加梁１４の幅は、十字の部分の幅と等しくてもよいし、異なっていてもよい。

本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また振動部材１０のうち十字の部分の長さと、追加梁１４の長さは互いに異なる。従って、振動部材１０の固有振動数の種類が増えるため、発振装置の振動モードを増やすことができる。

（第５の実施形態）
図７は、第５の実施形態に係る発振装置の構成を、周辺回路も含めて示す断面図である。図８は図７に示した発振装置の平面図である。本実施形態に係る発振装置は、振動部材１０の平面形状を除いて、第１の実施形態に係る発振装置と同様の構成である。

本実施形態に係る発振装置において、振動部材１０の開口１２は、圧電振動子２０と重なる位置に複数設けられている。そして振動部材１０の外形と、支持体４０の内周部分の形状はほぼ同じであり、振動部材１０の外周の全周が支持体４０に固定されている。

本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお本実施形態において、圧電振動子２０や振動部材１０の平面形状は、任意である。例えば図９に示すように、圧電振動子２０及び振動部材１０を円形にしてもよい。

（第６の実施形態）
図１０は、第６の実施形態に係る発振装置の構成を、周辺回路も含めて示す断面図である。図１１は図１０に示した発振装置の平面図である。本実施形態に係る発振装置は、２つの振動部材１０が弾性部材３０を介して支持体４０に固定されている点を除いて、第１の実施形態に係る発振装置と同様の構成である。

本図に示す例において、２つの振動部材１０の端部は、弾性部材３０を挟み込んでおり、かつ弾性部材３０に固定されている。弾性部材３０は、振動部材１０よりも弾性率が高い材料、例えばウレタン、ＰＥＴ、及びポリエチレンなどの樹脂材料により形成されている。

本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また２つの振動部材１０が弾性部材３０を介して支持体４０に固定されている。弾性部材３０の弾性率は振動部材１０の弾性率よりも高いため、振動部材１０を直接支持体４０に固定した場合と比較して、振動部材１０の振幅を大きくすることができる。従って、発振装置の出力を大きくすることができる。

（実施例）
図１、図４、図５、図６、図８、及び図９に示した発振装置を作成し、各発振装置の特性を調べた（実施例１〜６）。また、図８に示した発振装置において、圧電振動子２０の平面形状を円形にしたものを作成し、特性を調べた（実施例７）。また図８に示した発振装置において、圧電振動子２０を図４に示した構造にしたものを作成し、特性を調べた（実施例８）。本実施例では、発振装置をパラメトリックスピーカとして機能させた。また比較例として、実施例１〜８と同一の平面積を有する動電型の発振装置を作成し、特性を調べた。その結果を表１に示す。

この表から、各実施例に係る発信装置は、比較例にかかる発振装置と比較して、出力が大きく、周波数特性が平坦であり、かつ落下時の衝撃に対して強いことが示された。

また、図１２に示すように、携帯通信端末１００のスピーカ１０２として、実施例１〜８に係る発振装置を使用した。スピーカ１０２は、携帯通信端末１００の筐体の内面に取り付けた。各実施例を用いた場合のスピーカ１０２の特性を表２に示す。

この表から、各実施例に係るスピーカ１０２は、周波数特性が平坦であり、かつ落下時の衝撃に対して強いことが示された。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

１０ 振動部材
１２ 開口
１４ 追加梁
２０ 圧電振動子
２２ 圧電体
２４ 上面電極
２６ 下面電極
３０ 弾性部材
４０ 支持体
５０ 制御部
５４ 信号生成部
１００ 携帯通信端末
１０２ スピーカ

Claims (9)

1. 圧電振動子と、
   前記圧電振動子の第１面に接しているシート状の第１振動部材と、
   前記圧電振動子の第２面に接しているシート状の第２振動部材と、
   前記第１振動部材及び前記第２振動部材の縁を支持する支持体と、
   を備え、
   前記圧電振動子は、前記第１振動部材及び前記第２振動部材に挟持されており、
   前記第１振動部材及び前記第２振動部材は、少なくとも前記圧電振動子に接している面が導電性を有している発振装置。
2. 請求項１に記載の発振装置において、
   平面視において前記圧電振動子の外縁は、前記第１振動部材及び前記第２振動部材のうち前記支持体に支持されている部分より内側に位置している発振装置。
3. 請求項１又は２に記載の発振装置において、
   前記第１振動部材と前記圧電振動子の界面、及び前記第２振動部材と前記圧電振動子の界面には、いずれも半田が設けられていない発振装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の発振装置において、
   前記第１振動部材及び前記第２振動部材の少なくとも一方は、上下に貫通する開口を有する発振装置。
5. 請求項４に記載の発振装置において、
   前記開口の一部は平面視で前記圧電振動子と重なっていない発振装置。
6. 請求項４に記載の発振装置において、
   前記開口は平面視で前記圧電振動子と重なっている発振装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の発振装置において、
   前記第１振動部材及び前記第２振動部材は、いずれも前記第１振動部材及び前記第２振動部材より弾性率が高い弾性部材を介して前記支持体に固定されている発振装置。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の発振装置において、
   前記発振装置は音波センサの発振源である発振装置。
9. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の発振装置において、
   前記発振装置はスピーカである発振装置。
   

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