JP2012134593A - 発振装置および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】音圧レベルの周波数特性を平坦化することができる発振装置を提供する。
【解決手段】電気音響変換器１００は、圧電素子１３２、弾性部材１３１、振動フィルム１２０の剛性比が制御されているので、振動振幅に対してインピーダンス整合を取ることが可能となる。このため、圧電振動子１３０が内部損失の大きい樹脂製の振動フィルム１２０を介してフレームに接合されているため、電気音響変換器１００の機械品質係数Ｑを低減することができる。これによって、音圧レベルの周波数特性を平坦化することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素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。

携帯電話においては、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く、従来の動電型に代わる圧電型の薄型の電気音響変換器の開発が活発になされている。圧電型の電気音響変換器は圧電素子の伸縮運動を利用して音波を再生するものである。このため、磁石やボイスコイルから構成される動電型の電気音響変換器に比べて薄型化に優位である。

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）。

特開２００４−０８７６６２号公報

しかしながら、圧電式の電気音響変換器には、剛性の高い圧電セラミックを駆動源に用いるため、機械品質係数Ｑが高く、基本共振周波数近傍では高い音圧レベルを確保することができるが、それ以外の帯域では音圧レベルが減衰してしまう問題点がある。すなわち、音響特性に山谷があり、広帯域で高い音圧レベルを確保することが困難である。

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、高い指向性を有する小型の発振装置、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、枠状の支持フレームと、支持フレームに外周部で支持されている扁平な振動部材と、振動部材の両面に個々に配置されていて振動部材より高剛性な一対の弾性部材と、一方の弾性部材の一面と他方の弾性部材の他面との少なくとも一方に配置されていて電界の印加により伸縮運動する少なくとも一個の圧電素子と、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、発振装置に可聴域の音波に復調される超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。

なお、本発明の各種の構成要素は、必ずしも個々に独立した存在である必要はなく、複数の構成要素が一個の部材として形成されていること、一つの構成要素が複数の部材で形成されていること、ある構成要素が他の構成要素の一部であること、ある構成要素の一部と他の構成要素の一部とが重複していること、等でもよい。

本発明の発振装置は、支持フレームに外周部で支持されている扁平な振動部材両面に一対の弾性部材を介して少なくとも一個の圧電素子が配置されている。このため、圧電素子、弾性部材、振動部材の剛性比を制御することで、振動振幅に対してインピーダンス整合を取ることが可能となる。従って、内部損失の大きい樹脂製の振動部材を介してフレームに接合しているため、電気音響変換器の機械品質係数Ｑを低減することができる。これによって、音圧レベルの周波数特性の平坦化が実現できる。

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縦断正面図である。 一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。

本実施の形態の発振装置である電気音響変換器１００を図１を参照して以下に説明する。本実施の形態の電気音響変換器１００は、図示するように、枠状の支持フレーム１１０と、支持フレーム１１０に外周部で支持されている扁平な振動部材である振動フィルム１２０と、振動フィルム１２０の両面に個々に配置されていて振動フィルム１２０より高剛性な一対の弾性部材１３１と、一方の弾性部材１３１の一面と他方の弾性部材１３１の他面との少なくとも一方に配置されていて電界の印加により伸縮運動する少なくとも一個の圧電素子１３２と、を有する。

より詳細には、一方の弾性部材１３１の一面と他方の弾性部材１３１の他面とに一対の圧電素子１３２が個々に配置されている。これら一対の圧電素子１３２の両面には電極層１３３が形成されており、外側面には絶縁層１３４が形成されている。このような弾性部材１３１と圧電素子１３２と電極層１３３からなる一対の圧電振動子１３０に、発振駆動部であるドライバ回路１４０が結線されている。

なお、本実施の形態の電気音響変換器１００は、平面形状は円形でも矩形でもよいが、例えば、円形である。一対の弾性部材１３１は同一の円盤状に形成されており、一対の圧電素子１３２も同一の円盤状に形成されているが、弾性部材１３１は圧電素子１３２より大径に形成されている。

また、本実施の形態の電気音響変換器１００では、樹脂製の振動フィルム１２０の縦弾性係数が金属製の弾性部材１３１の縦弾性係数の１／５０以下であり、弾性部材１３１と振動フィルム１２０の厚み比が略３：１である。

圧電素子１３２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）や、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）などの材料が使用可能である。また、厚みは特に限定されないが、１０μｍ〜１ｍｍであることが好ましい。

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１ｍｍ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。

本発明の圧電素子１３２には電界を発生させるために主面に電極層１３３が形成されている。その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可能である。銀は低抵抗な汎用的な電極材料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り、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１３３の厚みは特に限定されないが、その厚みが１〜１００μｍであるのが好ましい。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。また、電極層１３３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１３３が圧電素子１３２の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。

弾性部材１３１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。また、厚みについては、５〜１０００μｍ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、加工精度による低下により、製造ロット間で振動子の機械振動特性のばらつきが生じてしまう問題点がある。

振動フィルム１２０は、縦弾性係数が、１００ＧＰａ以下の高分子材料であれば特に限定されないが、汎用性の観点から、ポリエチレンテレフタレートや、ポリエチレン、ウレタン、シリコンゴム、天然ゴム、合成ゴム、などの使用が可能である。

また、厚みが１０００μｍを超える場合は、剛性増による圧電素子１３２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、本実施形態の弾性部材１３１は、材料の剛性を示す指標である縦弾性係数が、１〜５００ＧＰａであることが好ましい。上述のように、弾性部材１３１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。

音波発生のメカニズムは、圧電素子１３２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１３２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。

本実施の形態の電気音響変換器１００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１３２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１３０の基本共振周波数は圧電素子１３２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、本実施の形態の電気音響変換器１００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１３２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。

上述のような構成において、本実施の形態の電気音響変換器１００は、二個の圧電素子１３２の上下主面が弾性部材１３１で拘束されている。そして、二個の圧電素子１３２は弾性部材１３１を介して、樹脂製の振動フィルム１２０と接合しており、いわゆるバイモルフ構造を形成している。また、振動フィルム１２０は支持フレーム１１０と接合し、電気音響変換器１００が形成される。

本実施の形態の電気音響変換器１００は、弾性部材１３１と樹脂製の振動フィルム１２０との剛性比が１／５０以下である。すなわち、樹脂製の振動フィルム１２０の縦弾性係数が、金属製の弾性部材１３１の縦弾性係数に比べて１／５０以下である。

また、弾性部材１３１と振動フィルム１２０との厚み比は、３０：１〜２：１であり、例えば、３：１である。このように、圧電素子１３２、弾性部材１３１、振動フィルム１２０の剛性比が制御されているので、振動振幅に対してインピーダンス整合を取ることが可能となる。

このため、本実施の形態の電気音響変換器１００は、圧電振動子１３０が内部損失の大きい樹脂製の振動フィルム１２０を介してフレームに接合されているため、電気音響変換器１００の機械品質係数Ｑを低減することができる。これによって、音圧レベルの周波数特性を平坦化することができる。

さらに、本実施の形態の電気音響変換器１００は、振動時に応力が集中する端部が柔軟性に富む樹脂製の振動フィルム１２０で構成されている。すなわち、落下時の衝撃エネルギーを樹脂製の振動フィルム１２０で吸収することができるため、落下強度を向上させることができる。

また、本構成の電気音響変換器１００では、支持フレーム１１０と弾性部材１３１との間にある端部が振動フィルム１２０の樹脂で構成されている。すなわち、柔軟性に富む樹脂製の振動フィルム１２０が振動の端部に位置することで、端部の可動範囲が拡大し、振動姿態はよりピストン状に近づき、振動の際の体積排除量は拡大する。

音圧レベルは、振動の際の空気への体積排除量に依存することから、本構成の電気音響変換器１００では優位な特性を実現することができる。また、本実施の形態の電気音響変換器１００は、二枚の圧電素子１３２を用いるバイモルフ構造であることから、振動振幅の点で優位であり、音響特性の観点からも優れている。

なお、ドライバ回路１４０で一対の圧電素子１３２を駆動するときには、両方に同一の駆動信号を入力して高効率に高指向性の音波を発生させるが、一対の圧電素子１３２に入力する駆動信号を個別に制御してもよい。

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、上記形態では一対の圧電素子１３２が同一の円盤状に形成されているとともに、一対の弾性部材１３１も同一の円盤状に形成されていることにより、振動フィルム１２０の両面に同一構造の圧電振動子１３０が一個ずつ装着されているバイモルフ構造を例示した。

しかし、図２に発振装置として例示する電気音響変換器２００のように、一対の弾性部材１３１，２１１の直径を相違させることにより、一対の振動フィルム１２０の両面に一個ずつ装着されている圧電振動子１３０，２１０の構造を相違させることもできる。また、直径は同一のまま一対の弾性部材１３１の板厚を相違させてもよく、一対の圧電素子１３２の直径や板厚を相違させてもよい(ともに図示せず)。

さらに、上記形態では一方の弾性部材１３１の一面と他方の弾性部材１３１の他面とに一対の圧電素子１３２が個々に配置されているバイモルフ構造の電気音響変換器１００を例示した。しかし、圧電素子１３２が一個のユニモルフ構造の電気音響変換器(図示せず)なども実施可能である。

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１４０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 支持フレーム
１２０ 振動フィルム
１３０ 圧電振動子
１３１ 弾性部材
１３２ 圧電素子
１３３ 電極層
１３４ 絶縁層
１４０ ドライバ回路
２００ 電気音響変換器
２１０ 圧電振動子
２１１ 弾性部材

Claims (10)

1. 枠状の支持フレームと、
   前記支持フレームに外周部で支持されている扁平な振動部材と、
   前記振動部材の両面に個々に配置されていて前記振動部材より高剛性な一対の弾性部材と、
   一方の前記弾性部材の一面と他方の前記弾性部材の他面との少なくとも一方に配置されていて電界の印加により伸縮運動する少なくとも一個の圧電素子と、
   を有する発振装置。
2. 少なくとも一方の前記弾性部材の一面と他方の前記弾性部材の他面とに個々に配置されている一対の前記圧電素子を有する請求項１に記載の発振装置。
3. 前記振動部材の縦弾性係数が前記弾性部材の縦弾性係数の１／５０以下である請求項１または２に記載の発振装置。
4. 前記弾性部材が金属からなり、
   前記振動部材が樹脂からなる請求項３に記載の発振装置。
5. 前記弾性部材と前記振動部材の厚み比が３０：１〜２：１である請求項１ないし４の何れか一項に記載の発振装置。
6. 一対の前記弾性部材が同一形状に形成されており、
   一対の前記圧電素子が同一形状に形成されている請求項１ないし５の何れか一項に記載の発振装置。
7. 一対の前記圧電素子が同一形状に形成されており、
   一対の前記弾性部材が相違する形状に形成されている請求項１ないし５の何れか一項に記載の発振装置。
8. 前記圧電素子と前記弾性部材とが同心円状の円盤状に形成されており、
   一対の前記弾性部材の直径が相違している請求項７に記載の発振装置。
9. 請求項１ないし８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に復調される超音波を出力させる発振駆動部と、
   を有する電子機器。
10. 請求項１ないし８の何れか一項に記載の発振装置と、
    前記発振装置に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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