JP2012134595A - Oscillation device and electronic apparatus - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to an oscillation device using a piezoelectric vibrator, and an electronic apparatus using the oscillation device.
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。これらの要望を解決する手段としては、圧電素子を駆動源とする圧電型の電気音響変換器が開発されている。圧電型の電気音響変換器は圧電素子の自己伸縮運動を利用するため、磁気回路から構成される動電型の電気音響変換器より、薄型となる。 In mobile phones, the development of thin and stylish mobile phones that have commercial value such as music playback and hands-free acoustic functions is becoming active. Among these, electroacoustic transducers are highly demanded for being small and thin and having high sound quality. As means for solving these demands, a piezoelectric electroacoustic transducer using a piezoelectric element as a drive source has been developed. Since the piezoelectric electroacoustic transducer utilizes the self-expanding motion of the piezoelectric element, the piezoelectric electroacoustic transducer is thinner than the electrodynamic electroacoustic transducer composed of a magnetic circuit.
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)。 Currently, there are various proposals as the above-mentioned electroacoustic transducer (Patent Document 1).
しかしながら、圧電式の電気音響変換器は、機械品質係数Qが高いため、共振周波数近傍にエネルギーが集中し、凹凸のある音圧レベル周波数特性になる。さらに、圧電素子では、基本共振周波数以降の高次振動モードにおいて、分割振動が発生する問題点がある。 However, since the piezoelectric electroacoustic transducer has a high mechanical quality factor Q, energy concentrates in the vicinity of the resonance frequency, and the sound pressure level frequency characteristic is uneven. Furthermore, the piezoelectric element has a problem that split vibration occurs in a higher-order vibration mode after the fundamental resonance frequency.
分割振動とは、高次の振動モードであり、基本振動モードが重畳することで成長する。ここでは、局所的に正相と逆相の振動姿態が重なりあい、音波放射の際に、干渉(キャンセリング)が発生し、音圧レベルが著しく低下する問題がある。このため、圧電素子を用いた電気音響変換器において、分割振動の発生を抑制できる画期的な技術が必要とされていた。 The divided vibration is a higher-order vibration mode and grows by superimposing the fundamental vibration mode. Here, there is a problem that the vibration modes of the normal phase and the reverse phase overlap locally, and interference (cancelling) occurs when sound waves are emitted, so that the sound pressure level is significantly reduced. For this reason, in an electroacoustic transducer using a piezoelectric element, an epoch-making technique capable of suppressing the occurrence of divided vibrations is required.
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、分割振動の発生を抑制することができる圧電型の発振装置、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。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and provides a piezoelectric oscillation device capable of suppressing the occurrence of divided vibrations, and an electronic apparatus using such an oscillation device. .
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、振動部材の少なくとも一面に配置されていて振動部材より高剛性な弾性部材と、弾性部材の少なくとも一面に配置されていて電界の印加により伸縮運動する圧電素子と、圧電素子の周縁部を補強する補強部材と、を有する。 The oscillation device of the present invention includes a frame-shaped support frame, a flat vibration member supported on the support frame at the outer peripheral portion, an elastic member disposed on at least one surface of the vibration member and having higher rigidity than the vibration member, The piezoelectric element is disposed on at least one surface of the elastic member and expands and contracts when an electric field is applied, and a reinforcing member that reinforces the peripheral edge of the piezoelectric element.
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。 A first electronic device according to the present invention includes the oscillation device according to the present invention and an oscillation drive unit that causes the oscillation device to output an ultrasonic wave demodulated into 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。 A second electronic device according to the present invention includes an oscillation device according to the present invention, an oscillation drive unit that outputs an ultrasonic wave to the oscillation device, and an ultrasonic detection that detects an ultrasonic wave oscillated from the oscillation device and reflected from a measurement object. And a distance measuring unit that calculates a distance from the detected ultrasonic wave to the measurement object.
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。 The various components of the present invention do not necessarily have to be independent of each other. A plurality of components are formed as a single member, and a single component is formed of a plurality of members. It may be that a certain component is a part of another component, a part of a certain component overlaps with a part of another component, or the like.
本発明の発振装置は、圧電素子の周縁部が補強部材で補強されている。分割振動モードにおいては、弾性部材の周縁部と中心部とが互いに異なる位相で変形する。このため、分割振動の節目となる圧電素子の周縁部が補強されているので、その剛性を局所的に強化することができる。従って、分割振動の発生を抑制することができる。 In the oscillation device of the present invention, the peripheral portion of the piezoelectric element is reinforced by the reinforcing member. In the split vibration mode, the peripheral edge portion and the central portion of the elastic member are deformed at different phases. For this reason, since the peripheral part of the piezoelectric element that becomes a node of the divided vibration is reinforced, the rigidity thereof can be locally strengthened. Therefore, occurrence of divided vibration can be suppressed.
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および図2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1に示すように、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フィルム121と、振動部材である振動フィルム121の少なくとも一面に配置されていて振動フィルム121より高剛性な弾性部材122と、弾性部材122の少なくとも一面に配置されていて電界の印加により伸縮運動する圧電素子123と、圧電素子123の周縁部を補強する補強部材130と、を有する。
An
補強部材130は、図1および図2に示すように、少なくとも圧電素子123より高剛性で圧電素子123の周縁部に埋設されている複数の軸状部材131からなり、軸状部材131は金属棒からなる。軸状部材131は高剛性な金属棒であれば利用できる。
As shown in FIGS. 1 and 2, the reinforcing
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、軸状部材131が圧電素子123から弾性部材122まで埋設されている。なお、本実施の形態の電気音響変換器100は、図2に示すように、圧電素子123と弾性部材122と振動フィルム121とが同心円状の平面形状に形成されており、軸状部材131は平面形状が円形の圧電素子123の周縁部に略等間隔に配置されている。
Moreover, in the
より詳細には、圧電素子123の両面には電極層124も形成されており、この電極層124と圧電素子123と弾性部材122と振動フィルム121とで圧電振動子120が形成されている。このような圧電振動子120に、発振駆動部であるドライバ回路140が結線されている。このドライバ回路140が圧電振動子120を駆動することにより、圧電素子123は20kHz以上の超音波帯域の周波数で発振する。
More specifically, an
なお、金属棒からなる軸状部材131は電極層124も貫通しているが、例えば、電極層124の貫通孔を軸状部材131より大径に形成し、その間隙に絶縁体を成膜することなどで、軸状部材131と電極層124とは相互に絶縁されている。ただし、軸状部材131を部分的に電極層124に導通させることで、軸状部材131を電極層124の接続端子として利用することもできる。
The
また、本実施の形態の電気音響変換器100では、例えば、樹脂製の振動フィルム121の縦弾性係数が金属製の弾性部材122の縦弾性係数の1/50以下であり、弾性部材122と振動フィルム121の厚み比が略3:1である。
In the
圧電素子123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(BaTiO3)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。
The
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として充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。
When a thin film having a thickness of less than 10 μm is used as a ceramic material which is a brittle material, chipping or breakage occurs due to weak mechanical strength during handling, making handling difficult. In addition, when a ceramic having a thickness exceeding 1 mm is used, the conversion efficiency for converting electrical energy into mechanical energy is remarkably lowered, and sufficient performance as the
本発明の圧電素子123には電界を発生させるために主面に電極層124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。
In the
また、電極層124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124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124が圧電素子123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。
Moreover, the thickness of the
弾性部材122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、加工精度の低下により、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。
The
振動フィルム121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。
The
また、厚みが1000μmを超える場合は、剛性増による圧電素子123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122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122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 in that the restraint on the
音波発生のメカニズムは、圧電素子123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123は機械品質係数Qが高いため、基本共振の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。
As a mechanism for generating sound waves, an expansion and contraction motion generated by applying an electric field to the
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123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123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。
Since the
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123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。
The
上述のような構成において、本構成の圧電型の電気音響変換器100では、分割振動の節目となる圧電素子123の周縁部に複数の軸状部材131が埋設されているため、この複数の軸状部材131からなる補強部材130で剛性を局所的に強化でき、分割振動の姿態を変形することが可能である。すなわち、分割振動の抑制により、音波の干渉を抑制でき、音圧レベルを増加させることが可能である。
In the above-described configuration, in the piezoelectric
特に、軸状部材131が圧電素子123と弾性部材122を通貫しているため、外形形状に変化を与えない点も利点である。また、金属板からなる弾性部材122と金属棒からなる軸状部材131とを接合できるため、圧電素子123と弾性部材122との接合強度を高めることもできる。また、局所的に絶縁処理することで、電気接続端子としても利用することができ、製造容易性が向上する。
In particular, since the shaft-shaped
また、本実施の形態の電気音響変換器100の圧電振動子120の動作原理は、圧電素子123への電界印加の際に発生する伸縮運動を利用するものである。発振する周波数は20kHz以上の超音波帯域が好ましい。発振周波数を超音波帯域にすることで、圧電振動子120を小型化できると同時に、超音波の直進性を利用して指向性を制御することが可能となる。その応用例として、音声信号を超音波に搬送させて、空気中で復調させるパラメトリックスピーカにも利用できる。
Further, the operation principle of the
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121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121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。
Furthermore, the
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122との間にある端部が振動フィルム121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121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。
Moreover, in the
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、上記形態では圧電素子123と弾性部材122と振動フィルム121とは相似形状に形成されており、同心円状に形成されていることを例示した。
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 the above embodiment, the
しかし、図3に発振装置として例示する電気音響変換器200のように、圧電素子123と弾性部材122と振動フィルム121と支持フレーム110とが多角形である正方形の相似形状に形成されており、その角部に補強部材130である軸状部材131が埋設されていてもよい。
However, like the
また、上記形態では振動フィルム121の片面に圧電振動子120が形成されているモノモルフ構造の電気音響変換器100を例示した。しかし、振動フィルム121の両面に圧電振動子120が形成されているバイモルフ構造も実施可能である(図示せず)。その場合、一対の弾性部材の直径を相違させることにより、振動フィルムの両面に一個ずつ装着されている圧電振動子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の板厚を相違させてもよく、圧電素子の直径や板厚を相違させてもよい(何れも図示せず)。
Moreover, in the said form, the
また、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。
Further, in the above embodiment, an electronic apparatus in which the
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。 Needless to say, the above-described embodiment and a plurality of modifications can be combined within a range in which the contents do not conflict with each other. Further, in the above-described embodiments and modifications, the structure of each part has been specifically described, but the structure and the like can be changed in various ways within a range that satisfies the present invention.
100 電気音響変換器
110 支持フレーム
120 圧電振動子
121 振動フィルム
122 弾性部材
123 圧電素子
124 電極層
130 補強部材
131 軸状部材
140 ドライバ回路
200 電気音響変換器
DESCRIPTION OF
Claims (9)
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、
前記振動部材の少なくとも一面に配置されていて前記振動部材より高剛性な弾性部材と、
前記弾性部材の少なくとも一面に配置されていて電界の印加により伸縮運動する圧電素子と、
前記圧電素子の周縁部を補強する補強部材と、
を有する発振装置。 A frame-shaped support frame;
A flat vibration member supported at the outer periphery of the support frame;
An elastic member disposed on at least one surface of the vibration member and having a higher rigidity than the vibration member;
A piezoelectric element that is disposed on at least one surface of the elastic member and that expands and contracts by application of an electric field;
A reinforcing member for reinforcing the peripheral edge of the piezoelectric element;
An oscillation device having
前記軸状部材は平面形状が円形の前記圧電素子の周縁部に略等間隔に配置されている請求項2ないし4の何れか一項に記載の発振装置。 The piezoelectric element, the elastic member, and the vibration member are formed in a concentric planar shape,
5. The oscillation device according to claim 2, wherein the shaft-like members are arranged at substantially equal intervals on a peripheral portion of the piezoelectric element having a circular planar shape.
前記軸状部材は前記圧電素子の複数の角部に配置されている請求項2ないし4の何れか一項に記載の発振装置。 The piezoelectric element, the elastic member, and the vibration member are formed in a polygonal similar planar shape,
The oscillation device according to claim 2, wherein the shaft-shaped member is disposed at a plurality of corners of the piezoelectric element.
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。 The oscillation device according to any one of claims 1 to 7,
An oscillation driver for outputting an ultrasonic wave demodulated into an audible sound wave to the oscillation device;
Electronic equipment having
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。 The oscillation device according to any one of claims 1 to 7,
An oscillation driver that outputs ultrasonic waves to the oscillation device;
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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