JP2012029108A - 発振装置および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】小型でありながらも複数の方向に高指向性音波を出力することができる発振装置を提供する。
【解決手段】反射偏向機構で方向が個々に可変される複数の音声反射部材１２０で、複数の圧電振動子１１０から出力される高指向性音波が個々に反射される。このため、高指向性音波を複数の方向に出力することができる。それでいて、既存のパラメトリックスピーカのように膨大な数量の圧電振動子１１０をマトリクス状に配列する必要はないので、装置全体を小型化することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子を備えた発振装置に関し、特に、振動部材に圧電素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。

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。

現在、携帯電話機等の電子機器には、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、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、圧電素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。

また、圧電素子を用いた発振装置の他の例としては、スピーカ装置のほか、圧電素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）など、種々の電子機器や発振装置が知られている。

再表２００７−０２６７３６号公報 再表２００７−０８３４９７号公報 特開平０３−２７０２８２号公報

圧電素子を用いた発振装置は、圧電素子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、圧電素子を用いた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。しかしながら、発振装置は出力する音声が高指向性であるため、一方の方向しか音声を出力することができない。

高指向性音波を複数方向に出力する手法としては、複数の圧電振動子をマトリクス状に配列したパラメトリックスピーカがある。このパラメトリックスピーカでは、マトリクス状に配列した複数の圧電振動子を個別に駆動することで高指向性音波を複数方向に出力することができる。しかし、これを実現するためには膨大な数量の圧電振動子をマトリクス状に配列する必要があるので、当然ながら発振装置が大型化することになる。

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、小型でありながらも複数の方向に高指向性音波を出力することができる発振装置、この発振装置を有する電子機器、を提供するものである。

本発明の発振装置は、少なくとも超音波を内包する高指向性音波を出力する圧電振動子と、圧電振動子から出力される高指向性音波を反射する音声反射部材と、音声反射部材の反射面の方向を変更する反射偏向機構と、を有する。

本発明の第一の電子機器は、本発明の発振装置と、発振装置に低周波の可聴域音波を高周波の超音波で変調した高指向性音波を出力させる発振駆動手段と、を有する。

本発明の第二の電子機器は、本発明の発振装置と、発振装置を駆動して高指向性音波である超音波を出力させる発振駆動手段と、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手段と、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距離算出手段と、を有する。

本発明の発振装置では、圧電振動子から出力される高指向性音波が、反射偏向機構で方向が可変(変更)される音声反射部材で反射される。このため、高指向性音波を複数の方向に出力することができる。

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要部の構造を示す模式的な縦断正面図である。 電気音響変換器の構造を示す模式的な平面図である。 反射偏向機構の構造を示す模式的な斜視図である。 一変形例の反射偏向機構の構造を示す模式的な斜視図である。

本発明の実施の第一の形態に関して図１および図２を参照して説明する。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および図２に示すように、少なくとも超音波を内包する高指向性音波を出力する圧電振動子１１０と、圧電振動子１１０から出力される高指向性音波を反射する音声反射部材１２０と、音声反射部材１２０の反射面の方向を変更する反射偏向機構１５０と、を有する。

そして、本実施の形態の電気音響変換器１００では、図２に示すように、複数の圧電振動子１１０と複数の音声反射部材１２０と複数の反射偏向機構１５０とがマトリクス状に配列されている。

反射偏向機構１５０は、既存のＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)アクチュエータと同様な構造に形成されており、図３に示すように、音声反射部材１２０を弾発的に片持ち梁状に支持して静電力により傾斜させる。

本実施の形態の電気音響変換器１００では、音声反射部材１２０を所定反射する反射偏向機構１５０と、これと直交する方向に反射する反射偏向機構１５０とが、図２(ｂ)に示すように、例えば、千鳥格子の配置で配列されている。

このため、本実施の形態の電気音響変換器１００では、圧電振動子１１０から出力される高指向性音波を、例えば、相互に直交する二つの方向に偏向して出力するようなことができる。

このとき、高指向性音波を前側に偏向する複数の音声反射部材１２０は隣接することなく千鳥格子に配列されており、高指向性音波を右側に偏向する複数の音声反射部材１２０も隣接することなく千鳥格子に配列されている。このため、高指向性音波が直接に隣接する位置から出力されないので、その相互干渉を防止することができる。

なお、圧電振動子１１０は、中央ほど音圧が極端に高い高指向性音波を出力する。このため、本実施の形態の音声反射部材１２０は、図１に示すように、傾斜しても圧電振動子１１０の所定の中央領域と対面する寸法に形成されている。

換言すると、反射偏向機構１５０は最大でも圧電振動子１１０の所定の中央領域と対面するように音声反射部材１２０を傾斜させる。このような反射偏向機構１５０が対向した音声反射部材１２０が、各種方向にあって反射した高指向性音波を干渉させてもよい。

さらに、反射偏向機構１５０が圧電振動子１１０の所定の中央領域と対面しない位置まで音声反射部材１２０を傾斜させてもよい。この場合、圧電振動子１１０が出力する高指向性音声が、そのまま面直方向に出力されることになる。

また、本実施の形態の電気音響変換器１００では、図１に示すように、圧電振動子１１０は、圧電素子１１１が金属板１１３を介して弾性部材１１２で支持されている。弾性部材１１２は、マトリクス構造の本体フレーム１３０で支持されている。本体フレーム１３０は固定端の役割を果たし、その材質は弾性部材１１２に対して高い剛性の材料でなくてはならず、例えば、ステンレスや真鍮などが使用できる。

反射偏向機構１５０も本体フレーム１３０で支持されている。このような反射偏向機構１５０は、図１に示すように、音声反射部材１２０を各種方向に可変することができる。従って、圧電振動子１１０が出力する高指向性音波を各種方向に反射することができる。

このように各種方向に出力する高指向性音波を干渉させることにより、例えば、高指向性音波が可聴域音波に復調されたときのノイズをキャンセリングするようなこともできる。

圧電素子１１１は、圧電層の上下両面に上部／下部電極層が個々に形成されている(図示せず)。なお、上部／下部電極層にはリード線で発振駆動手段１４０が結線されており、この発振駆動手段１４０から印加される電界により、圧電素子１１１は可聴領域や超音波領域で駆動される。

本実施の形態の圧電素子１１１の圧電層については、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ないが、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鉛（ＰＺＴ：lead Zirco-titanate）や、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）などの材料が使用できる。

また、圧電素子１１１の圧電層の厚みは、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。例えば、脆性材料であるセラミック材料として厚み１０μｍ未満の薄膜を使用した場合、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。

また、厚み５００μｍを超えるセラミックを使用した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。

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。

本実施の形態の圧電素子１１１には、電界を発生させるために前述のように主面に上部／下部電極層が形成されている。上部／下部電極層は、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。

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、上部／下部電極層の厚みについては、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。

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、薄膜状の上部／下部電極層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。

しかし、圧電層がセラミック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。

一方、上部／下部電極層の膜厚が１００μｍを超える場合は、製造上は特に問題はないが、上部／下部電極層が圧電層である圧電セラミック材料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。

本実施の形態の電気音響変換器１００の圧電素子１１１は、その片側の主面が金属板１１３によって拘束されている。また、同時に金属板１１３は、圧電素子１１１の基本共振周波数を調整する機能を持つ。機械的な圧電振動子１１０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。

[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。

言い換えれば、コンプライアンスは圧電振動子１１０の機械剛性であるため、このことは圧電素子１１１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。

例えば、弾性率の高い材料の選択や、金属板１１３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、金属板１１３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。

従来は、圧電素子１１１の形状や材質により基本共振周波数を制御していたところから設計上の制約やコスト、信頼性に問題があったが、本発明のように、構成部材である金属板１１３を変更することで所望の基本共振周波数に容易に調整できることから、工業上の価値は大きい。

なお、金属板１１３および弾性部材１１２には、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。

また、金属板１１３および弾性部材１１２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素子１１１の機械振動特性の誤差が生じてしまう。

また、厚みが１０００μｍを超える場合は、剛性増による圧電素子１１１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、本実施の形態の金属板１１３および弾性部材１１２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、弾性部材１１２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。

ここで、以下に本実施の形態の電気音響変換器１００の動作原理を説明する。本実施の形態の電気音響変換器１００は、複数の圧電振動子１１０から並列に高指向性音波を発生させる。

本発明の電気音響変換器１００は、複数の圧電振動子１１０からなり、これら複数の圧電振動子１１０は、弾性部材１１２および圧電素子１１１からなる。この圧電素子１１１が上述のように複数に分割されているため、小型である点を利用して、超音波（例えば、２０ｋＨｚ以下の周波数帯域）を発振することで可聴音の再生を行う。ここで超音波は変調波の輸送体として利用し、可聴帯域外が好ましく、例えば、１００ＫＨｚなどが適している。

また、本実施の形態の電気音響変換器１００による音響再生方法は、超音波を変調波の輸送体として利用する音響再生器であるパラメトリックスピーカの動作原理を利用している。

ＡＭ変調やＤＳＢ(Double Sideband modulation)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。

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。

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。

概略すれば、音波は空気中で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。

なお、圧電素子１１１は機械品質係数Ｑ（以下、機械Ｑと称す）が高い特徴を持つ。これは、基本共振周波数近傍にエネルギが集中するため、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減衰する特性を持つ。

すなわち、単一の周波数で音波を発振する圧電素子１１１では、機械Ｑが高いほど音波の音圧レベルは高く、電気機械変換効率の観点から優位となるため、本構成では圧電素子１１１を使用することで効果が増大する。

なお、図１に示すように、本実施の形態の電気音響変換器１００では、複数の圧電振動子１１０が出力する高指向性音波を音声反射部材１２０が反射するが、図２(ｂ)に示すように、マトリクス状に配列されている複数の音声反射部材１２０の方向が個々に可変される。

このため、マトリクス状に配列されている複数の圧電振動子１１０が面直方向に出力する高指向性音波を各種方向に偏向することができる。このように偏向された高指向性音波は焦点位置で可聴域音波に復調されるので、本実施の形態の電気音響変換器１００では、例えば、立体音場などの実現が可能である。

それでいて、既存のパラメトリックスピーカのように、膨大な数量の圧電振動子１１０をマトリクス状に配列するような必要はないので、機器全体を小型化することができる。

しかも、本実施の形態の反射偏向機構１５０は、いわゆる既存のＭＥＭＳチルトミラーアレイと同様な構造に形成されている。このため、既存の設備で容易に生産することができる。

さらに、本実施の形態の反射偏向機構１５０は、圧電素子で音声反射部材１２０の方向を変更する。このような圧電素子は直流電力で駆動されるため、交流電力のようにノイズを発生することがなく、音声反射部材１２０の方向を安定に偏向することができる。

以上をまとめると、本発明の電気音響変換器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。電気音響変換器１００の大型化を抑制することができ、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良好に利用することが可能である。

なお、本発明は上記の実施の形態および実施例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、上記形態の電気音響変換器１００では、複数の圧電振動子１１０が同一サイズに区分されていることを想定した。しかし、このような複数の圧電振動子１１０のサイズが相違していてもよい(図示せず)。

また、上記形態では反射偏向機構１５０が音声反射部材１２０を弾発的に片持ち梁状に支持して静電力により傾斜させることを例示した。しかし、反射偏向機構が、圧電振動子１１０の表面と略平行で相互に略直交する二個の回転軸を有し、これら二個の回転軸で音声反射部材１２０を前後左右に回動させてもよい(図示せず)。

さらに、図４に例示するように、反射偏向機構２００が、音声反射部材１２０の外縁部である四隅を伸縮自在な圧電素子などの支柱２１０で支持してもよい。この場合、音声反射部材１２０を各種方向および位置に自在に配置することができる。

また、上記形態ではＭＥＭＳアクチュエータが静電力で可動することを例示した。しかし、このようなＭＥＭＳアクチュエータが、圧電素子で可動するものでも、電磁力で可動するものでも、熱歪みで可動するものでも、よい(図示せず)。特に、圧電素子は直流電力で駆動されるため、交流電力のようにノイズを発生することがなく、安定に音声反射部材１２０を偏向することができる。

さらに、上記形態では圧電振動子１１０が圧電素子１１１と弾性部材１１２と金属板１１３からなることを例示した。しかし、圧電振動子が、複数のセラミック層と電極層とが交互に形成された積層構造を有してもよい(図示せず)。

また、上記形態では、発振装置として電気音響変換器１００等を例示した。このような電気音響変換器１００等は、例えば、電気機器である携帯電話機に搭載することができる。

さらに、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等を駆動する発振駆動部と、電気音響変換器１００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距離算出部と、を有するソナー(図示せず)なども実施可能である。

なお、当然ながら、上述した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。

１００ 電気音響変換器
１１０ 圧電振動子
１１１ 圧電素子
１１２ 弾性部材
１１３ 金属板
１２０ 音声反射部材
１３０ 本体フレーム
１４０ 発振駆動手段
１５０ 反射偏向機構

Claims (10)

1. 少なくとも超音波を内包する高指向性音波を出力する圧電振動子と、
   前記圧電振動子から出力される前記高指向性音波を反射する音声反射部材と、
   前記音声反射部材の反射面の方向を変更する反射偏向機構と、
   を有する発振装置。
2. 複数の前記圧電振動子と複数の前記音声反射部材と複数の前記反射偏向機構とがマトリクス状に配列されている請求項１に記載の発振装置。
3. 前記反射偏向機構は、前記音声反射部材を弾発的に片持ち梁状に支持して傾斜させる請求項１または２に記載の発振装置。
4. 前記反射偏向機構が前記圧電振動子の表面と略平行で相互に略直交する二個の回転軸で前記音声反射部材を回動させる請求項１または２に記載の発振装置。
5. 前記反射偏向機構は前記音声反射部材の外縁部を複数の伸縮自在な支持軸で支持している請求項１または２に記載の発振装置。
6. 前記反射偏向機構がＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)アクチュエータを有する請求項１ないし５の何れか一項に記載に発振装置。
7. 前記反射偏向機構が圧電素子を有する請求項６に記載の発振装置。
8. 請求項１ないし７の何れか一項に記載の発振装置と、
   前記発振装置に低周波の可聴域音波を高周波の前記超音波で変調した前記高指向性音波を出力させる発振駆動手段と、
   を有する電子機器。
9. 前記可聴域音波を高周波変調した前記高指向性音波を複数の前記圧電振動子から出力させ、同位相で前記可聴域音波を復調させる請求項８に記載の電子機器。
10. 請求項１ないし７の何れか一項に記載の発振装置と、
    前記発振装置を駆動して高指向性音波である超音波を出力させる発振駆動手段と、
    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手段と、
    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距離算出手段と、
    を有する電子機器。

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