JP2012134598A - 発振装置および電子機器 - Google Patents

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Yasuharu Onishi
康晴 大西
Atsushi Kuroda
淳 黒田
Yuichiro Kishinami
雄一郎 岸波
Yukio Murata
行雄 村田
Shigeo Sato
重夫 佐藤
Nobuhiro Kawashima
信弘 川嶋
Motoyoshi Komoda
元喜 菰田
Tatsuya Uchikawa
達也 内川
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Abstract

【課題】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、圧電素子140の略矩形の主面の四辺の略中央に凸部141が形成されている。このため、相対する凸部の先端間の距離を対角線と同長とすることで振動モードを縮退でき、分割振動の発生を抑制して音響特性を改善することができる。
【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・薄型でかつ高音質化への要求が高い。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)。
実開平02−005930号公報
しかしながら、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。
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。
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、圧電素子は、略矩形の主面の四辺の略中央に凸部が形成されている。
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、圧電素子の略矩形の主面の四辺の略中央に凸部が形成されている。このため、相対する凸部の先端間の距離を対角線と同長とすることで振動モードを縮退でき、分割振動の発生を抑制して音響特性を改善することができる。
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。 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。 電気音響変換器の構造を示す模式的な分解斜視図である。
本実施の形態の発振装置である電気音響変換器100を図面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ないし図3に示すように、枠状の支持フレーム110と、支持フレーム110に外周部が支持されている振動部材である振動フィルム120と、振動フィルム120の少なくとも一面に配置されていて振動フィルム120より高剛性な弾性部材130と、弾性部材130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140と、を有する。
ただし、圧電素子140は、略矩形の主面の四辺の中央に凸部141が形成されている。圧電素子140は、凸部141が矩形に形成されており、相対する凸部141の先端間の距離X2が対角線X1と同長である。また、本実施の形態の電気音響変換器100では、圧電素子140と弾性部材130と振動フィルム120と支持フレーム110とが相似形状の矩形で同軸状に形成されている。
より詳細には、圧電素子140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140と弾性部材130と振動フィルム120とで圧電振動子150が形成されている。このような圧電振動子150に、発振駆動部であるドライバ回路160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120の縦弾性係数が金属製の弾性部材130の縦弾性係数の1/50以下であり、弾性部材130と振動フィルム120の厚み比が略3:1である。
圧電素子140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)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140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140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130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。
また、厚みが1000μmを超える場合は、剛性増による圧電素子140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130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130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。
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。
なお、本実施の形態の電気音響変換器100では、振動フィルム120による圧電素子140の拘束を低減するため、図2に示すように、振動フィルム120が中空の枠状に形成されている。
音波発生のメカニズムは、圧電素子140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140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140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140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140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140は正方形から変形させたものであり、正方形の対角に対して、辺方向が同一の長さになるように、凸部141が形成されている。
本実施の形態の電気音響変換器100では、圧電素子140の対角方向の長さと辺方向の長さを同長にしているため、振動モードを縮退することができる。振動モードに発生については、振動子の形状に起因し、例えば、長方形では、対角方向、長辺方向、短辺方向に起因する振動モードが発生する。
音圧レベルの周波数特性の平坦化を考えた場合、高次の振動モードはできる限り、抑制することが好ましい。本実施の形態の電気音響変換器100では、凸部141の形成により辺方向の長さと対角線の長さとを近づけたことで振動モードを縮退できる。特に、凸部141の形成により辺方向の長さと対角線の長さとを同一としたことで、振動モードを適切に縮退でき、音響特性を改善することができる。
また、本実施の形態の圧電型の電気音響変換器100では、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、振動子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130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。
さらに、本構成の電気音響変換器100では、振動フィルム120が平面形状で中空に形成されていて内周部で弾性部材130の外周部を支持している。このため、弾性部材130による圧電素子140の拘束を振動フィルム120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、上記形態では矩形の圧電素子140の四辺に矩形の凸部141が形成されていることを例示した。しかし、このような凸部が半円形や三角形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120の片面に弾性部材130と圧電素子140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120の両面に第一/第二の弾性部材130が個々に配置されており、第一の弾性部材130の一面に第一の圧電素子140が配置されているとともに第二の弾性部材130の他面に第二の圧電素子140が配置されているバイモルフ構造も実施可能である(図示せず)。
また、上記形態では圧電素子140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160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 弾性部材
140 圧電素子
141 凸部
150 圧電振動子
160 ドライバ回路
X1 対角線
X2 距離

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、
    前記圧電素子は、略矩形の主面の四辺の略中央に凸部が形成されている発振装置。
  2. 前記圧電素子は、相対する前記凸部の先端間の距離が対角線と略同長である請求項1に記載の発振装置。
  3. 前記圧電素子は、前記凸部が矩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. 前記凸部を除いた前記圧電素子と前記弾性部材と前記振動部材と前記支持フレームとが相似形状の矩形で同軸状に形成されている請求項1または2に記載の発振装置。
  5. パラメトリックスピーカからなる請求項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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