JP2012100055A - 発振装置および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】占有面積が小さいながらも大音量の出力が可能な発振装置を提供する。
【解決手段】電気音響変換器１００は、平面形状が正円形または正六角形の複数の圧電振動子１１０を平面形状で最密充填となる千鳥配置に位置させる。このため、複数の圧電振動子１１０の占有面積を最小とすることができ、小型で高効率なパラメトリックスピーカを実現することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電振動子を利用した発振装置、この発振装置を利用した電子機器、に関する。

現在、電子機器である携帯電話機においては、音楽再生、ハンズフリーなどの音響機能を商品価値とした薄型スタイリッシュ携帯の開発が活発化している。この中、電気音響変換器に対しては、小型・薄型でかつ高音質への要求が高い。また、携帯電話機が情報端末として利用される昨今の状況においては、プライバシー保護の観点から、ユーザのみにしか聴こえないプライベートサウンドへの要望が大きい。

現在、上述のような電気音響変換器として各種の提案がある（特許文献１，２）。

特開２００２−３００７００号公報 特開２００４−１１２２１３号公報

そこで、本発明者は、小型薄型の電気音響変換器で、プライベートサウンドを実現する手段が求められていることを見出した。さらに、本発明者は、これらの要望を解決する手段として、超音波を利用したパラメトリックスピーカを想定した。しかし、携帯電話への実用化には大きな課題がある。

本発明者が見出した課題は、効率である。複数の圧電振動子が配置される場合、放射面近傍で、音波が干渉するため、キャンセリングなどによりエネルギーロスを起こすことや、指向性制御が困難であることがあった。このため、高効率で、指向性制御を可能とする超音波用の電気音響変換器に関する画期的な技術が必要である。

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、占有面積が小さいながらも大音量の出力が可能な発振装置、このような発振装置を利用した電子機器、を提供するものである。

本発明の発振装置は、圧電素子と弾性部材とを有して超音波を出力する複数の圧電振動子と、複数の圧電振動子を平面形状で上段に一列に位置させるとともに下段に千鳥配置で位置させる支持体と、を有し、下段の圧電振動子の主面の中心が上段の圧電振動子に重複しない。

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。

本発明の第二の電子機器は、本発明の発振装置と、発振装置に超音波を出力させる発振駆動部と、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。

本発明の発振装置は、平面形状が正円形または正六角形の複数の圧電振動子を平面形状で最密充填となる千鳥配置に位置させる。このため、複数の圧電振動子の占有面積を最小とすることができ、小型で高効率なパラメトリックスピーカを実現することができる。

本発明の実施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平面図である。 圧電振動子の構造を示す模式的な縦断正面図である。

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、圧電素子１１１と弾性部材１１２とを有して超音波を出力する複数の圧電振動子１１０と、複数の圧電振動子１１０を平面形状で上段に一列に位置させるとともに下段に千鳥配置で位置させる支持体１２０と、を有し、下段の圧電振動子１１０の主面の中心が上段の圧電振動子１１０に重複しない。

なお、支持体１２０は、図１に示すように、下段の圧電振動子１１０を最密充填となる千鳥配置に位置させる。また、複数の圧電振動子１１０は、平面形状が正円形に形成されている。より具体的には、本実施の形態の電気音響変換器１００では、下段には七個の圧電振動子１１０が二列に配置されており、上段には三個の圧電振動子１１０が一列に配置されている。また、支持体１２０は、複数の圧電振動子１１０を超音波の波長の１／２以下の配列ピッチで配置する。

支持体１２０は、上述のように複数の圧電振動子１１０を上下二段に配置している。圧電振動子１１０は、図２に示すように、例えば、圧電素子１１１、金属製の弾性部材１１２、樹脂製の振動部材１１３から構成される。圧電素子１１１、弾性部材１１２、振動部材１１３は、同心円状に配置され、支持体１２０に接合されている。なお、複数の圧電振動子１１０の各々には可聴域の音波を出力させる発振駆動部であるドライバ回路１３０が接続されている。このため、圧電振動子１１０は、２０ｋＨｚ以上の周波数の超音波を出力する。

音波発生のメカニズムは、圧電素子１１１への電界の印加により発生する伸縮運動を利用する。また、超音波の周波数は２０ｋＨｚ以上に限定する。圧電素子１１１は機械品質係数Ｑが高いため、基本共振近傍にエネルギが集中するため、基本共振周波数では高い音圧レベルを得ることができるが、その他の周波数帯域では、音圧が減衰してしまう。

本構成では、特定周波数に限定した超音波を発振させるため、むしろ、圧電素子１１１の機械品質係数Ｑが高いことが特性として優位となる。また、圧電振動子の基本共振周波数は圧電素子１１１の形状に影響を受けるため、高い周波数帯域、例えば、超音波帯域に共振周波数を調整する場合、小型化に優位となる。

なお、本構成では、ＦＭ(Frequency Modulation)やＡＭ(Amplitude Modulation)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。本実施の形態の電気音響変換器１００では、圧電素子１１１は、高周波数帯域の発振に限定した構成になるため、小型化が可能となる。

また、支持体１２０は、複数の圧電振動子１１０の配列ピッチが超音波の波長の１／２以下である。このため、複数の圧電振動子１１０の音波の干渉をより抑制することが可能となる。これにより、高効率で、超指向性の音源を実現することができる。

本実施の形態の電気音響変換器１００は、上述のように圧電振動子１１０間の距離が短縮されているため、音波の指向性制御が容易となる。放射面近傍での音波の干渉（キャンセリングも含む）が抑制できるため、エネルギーロスが少なく、指向性制御が容易となる。

特に、平面形状が正円形または正六角形の複数の圧電振動子１１０を平面形状で最密充填となる千鳥配置に位置させる。このため、複数の圧電振動子１１０の占有面積を最小とすることができ、小型で高効率なパラメトリックスピーカを実現することができる。しかも、多数の圧電振動子１１０を密集させて配置することができるので、小型でも位相制御により指向性を調整することができる。

さらに、支持体１２０は、最密充填となる千鳥配置に位置させた複数の圧電振動子１１０からなる複数の振動子層を各段で主面の中心位置が相違する複数段に位置させる。このため、最小の占有面積に、さらに多数の圧電振動子１１０を配置することができ、より大音量の音波を出力することができる。

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、上記形態では複数の圧電振動子１１０を上下方向に二段に配置することを例示したが、三段以上に配置してもよい(図示せず)。

さらに、上記形態では一個の圧電素子１１１で弾性部材１１２の上面のみ拘束するユニモルフ構造の電気音響変換器１００を例示した。しかし、二個の圧電素子１１１で弾性部材１１２の上面と下面とを拘束したバイモルフ構造の発振装置なども実施可能である(図示せず)。

また、上記形態では圧電素子１１１が一個の圧電層からなることを想定した。しかし、圧電素子が、圧電層と電極層とが交互に積層された積層構造からなってもよい(図示せず)。

さらに、上記形態では電気音響変換器１００に発振駆動部であるドライバ回路１３０が接続されている電子機器を想定した。しかし、このような電気音響変換器１００と、電気音響変換器１００に超音波を出力させる発振駆動部と、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測距部と、を有するソナーなどの電子機器(図示せず)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および変形例では、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 振動部材
１２０ 支持体
１３０ ドライバ回路

Claims (7)

1. 圧電素子と弾性部材とを有して超音波を出力する複数の圧電振動子と、
   複数の前記圧電振動子を平面形状で上段に一列に位置させるとともに下段に千鳥配置で位置させる支持体と、を有し、
   下段の前記圧電振動子の主面の中心が上段の前記圧電振動子に重複しない発振装置。
2. 前記支持体は、下段の前記圧電振動子を最密充填となる千鳥配置に位置させる請求項１に記載の発振装置。
3. 複数の前記圧電振動子は、平面形状が正円形または正六角形に形成されている請求項１または２に記載の発振装置。
4. 前記支持体は、複数の前記圧電振動子の配列ピッチが前記超音波の波長の１／２以下である請求項１ないし３の何れか一項に記載の発振装置。
5. 前記圧電振動子は、２０ｋＨｚ以上の周波数の前記超音波を出力する請求項１ないし４の何れか一項に記載の発振装置。
6. 請求項１ないし５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。
7. 請求項１ないし５の何れか一項に記載の発振装置と、
   前記発振装置に前記超音波を出力させる発振駆動部と、
   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。

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