JP2012134596A - 発振装置および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】分割振動の発生を抑制して高効率で大音量の再生が可能な圧電型の発振装置を提供する。
【解決手段】発振装置である電気音響変換器１００は、分割振動の節目となる圧電素子１２３と弾性部材１２２の接合面を圧電素子１２３で覆うことで、強度を強化し、分割振動姿態を抑制させることができる。このため、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。
【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。

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。

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２００８−０７６７４５号公報

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の周波数特性になる。さらに、圧電素子では、基本共振周波数以外の高次振動モードにおいて、分割振動を発生する問題点がある。

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、音波放射に際に、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。
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して高効率で大音量の再生が可能な圧電型の発振装置、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。

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が支持されている振動部材と、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、を有し、圧電素子の主面と平行な平面形状が弾性部材の平面形状より大きい。

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、圧電素子の平面形状が弾性部材の平面形状より大きい。このため、分割振動の節目となる圧電素子と弾性部材の接合面を圧電素子で覆うことで、強度を強化して分割振動姿態を抑制させることができる。従って、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。

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に外周部が支持されている振動部材である振動フィルム１２１と、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、を有する。

ただし、圧電素子１２３の主面と平行な平面形状が弾性部材１２２の平面形状より大きく、扁平な振動フィルム１２１の平面形状が圧電素子１２３より大きい。なお、振動フィルム１２１が平面形状で中空に形成されていて内周部で弾性部材１２２の外周部を支持している。また、圧電素子１２３と弾性部材１２２と振動フィルム１２１とが相似形状の平面形状に形成されており、圧電素子１２３と弾性部材１２２と振動フィルム１２１とは平面形状が同軸の円形である。

より詳細には、圧電素子１２３の両面には電極層(図示せず)も形成されており、この電極層と圧電素子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。

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。

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（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。

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。

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。

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。

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、基本共振周波数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。

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、超音波帯域に基本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。

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では、圧電素子１２３の外形形状が弾性部材１２２に対して大面積であるために、分割振動を抑制できる。すなわち、分割振動の節目となる圧電素子１２３と弾性部材１２２の接合面を圧電素子１２３で覆うことで、強度を強化し、分割振動姿態を抑制させる。このため、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。

また、圧電素子１２３は弾性部材１２２に対して外形面積が大きいため、高い振動エネルギーを発生できる。圧電素子１２３からの振動エネルギー量は圧電素子１２３の面積に依存する。従来の構成では、圧電素子１２３は弾性部材１２２により拘束され、その外形面積は、弾性部材１２２の面積よりも小さかった。

本構成では、圧電素子１２３を弾性部材１２２より拡大できるため、高い音圧を発生させることができる。また、本発明の圧電振動子１２０は、その動作原理は、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。

また、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。

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。

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。

さらに、本構成の電気音響変換器１００では、振動フィルム１２１が平面形状で中空に形成されていて内周部で弾性部材１２２の外周部を支持している。このため、弾性部材１２２による圧電素子１２３の拘束を振動フィルム１２１が阻害することが最小限となっている。

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、上記形態では圧電素子１２３と弾性部材１２２と振動フィルム１２１とは軸心部材１３０を中心に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。しかし、電極層と圧電素子と弾性部材と振動フィルムと支持フレームとが矩形である正方形の相似形状に形成されていてもよい(図示せず)。

また、上記形態では振動フィルム１２１の片面に弾性部材１２２と圧電素子１２３とが配置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の両面に第一／第二の弾性部材１２２が個々に配置されており、第一の弾性部材１２２の一面に第一の圧電素子１２３が配置されているとともに第二の弾性部材１２２の他面に第二の圧電素子１２３が配置されており、第一の圧電素子１２３と第一の弾性部材１２２と振動フィルム１２１と第二の弾性部材１２２と第二の圧電素子１２３とを軸心部材１３０が貫通し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、一対の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)。

さらに、上記形態では圧電素子１２３が弾性部材１２２と振動フィルム１２１とで支持されて圧電振動子１２０が形成されていることを例示した。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、圧電素子１２３の上面外周と支持フレーム１１０とを振動部材である振動フィルム２０１で直結して圧電振動子２１０を形成してもよい。

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 圧電振動子
１２１ 振動フィルム
１２２ 弾性部材
１２３ 圧電素子
１３０ 軸心部材
１４０ ドライバ回路
２００ 電気音響変換器
２０１ 振動フィルム
２１０ 圧電振動子

Claims (7)

1. 枠状の支持フレームと、
   前記支持フレームに外周部が支持されている振動部材と、
   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、を有し、
   前記圧電素子の主面と平行な平面形状が前記弾性部材の平面形状より大きい発振装置。
2. 前記振動部材の平面形状が前記圧電素子より大きい請求項１に記載の発振装置。
3. 前記振動部材が平面形状で中空に形成されていて内周部で前記弾性部材の外周部を支持している請求項１または２に記載の発振装置。
4. 前記圧電素子と前記弾性部材と前記振動部材とは平面形状が相互に相似である請求項１ないし３の何れか一項に記載の発振装置。
5. 前記圧電素子と前記弾性部材と前記振動部材とは平面形状が同軸の円形である請求項４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。
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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