JP2012134599A - 発振装置および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】高効率な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１２０の両方の主面を個々に拘束する一対の弾性部材１３０が主面と直交する方向に拡開して支持フレーム１１０に接合されている。弾性部材１３０からなる非拘束部１３２が傾斜状に支持フレーム１１０に接合するため、圧電素子１２０の振動のストロークを増やすことができ、発振の効率を向上させることができる。
【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、発振装置である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１〜３）。

実開昭５８−０８５８８５号公報 実開昭６１−０６０５９６号公報 特開平０２−２４３０９８号公報

しかしながら、携帯電話機では、電気音響変換器の小型化が要求され、振動変位量を拡大させることが必要である。圧電素子を用いた電気音響変換器において、高効率化を可能とす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、高効率な発振装置、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、電界の印加により伸縮運動する圧電素子と、圧電素子を主面と平行な方向から包囲する支持フレームと、圧電素子の両方の主面を各々拘束して支持フレームに接合されている一対の弾性部材と、を有し、一対の弾性部材は、圧電素子から支持フレームまで到達する方向で主面と直交する方向に相互に拡開されている。

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。

本発明の発振装置は、圧電素子の両方の主面を個々に拘束する一対の弾性部材が主面と直交する方向に拡開して支持フレームに接合されている。弾性部材からなる梁が傾斜状に支持フレームに接合するため、圧電素子の振動のストロークを増やすことができ、発振の効率を向上させることができる。

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平面図である。 一の変形例の電気音響変換器の構造を示す模式的な平面図である。

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、電界の印加により伸縮運動する圧電素子１２０と、圧電素子１２０を主面と平行な方向から包囲する支持フレーム１１０と、圧電素子１２０の両方の主面を各々拘束して支持フレーム１１０に接合されている一対の弾性部材１３０と、を有する。ただし、一対の弾性部材１３０は、圧電素子１２０から支持フレーム１１０まで到達する方向で主面と直交する方向に相互に拡開されている。

また、図２に示すように、弾性部材１３０は、圧電素子１２０から支持フレーム１１０まで放射状に形成されている。圧電素子１２０と支持フレーム１１０とは主面と平行な平面形状が相似形状に形成されている。つまり、圧電素子１２０は、円形の平面形状に形成されており、支持フレーム１１０も、円形の平面形状に形成されている。

本実施の形態の電気音響変換器１００には、圧電素子１２０と弾性部材１３０からなる圧電振動子１４０に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１５０が結線されている。

音波発生のメカニズムは、圧電素子１２０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１２０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１２０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１２０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１２０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、弾性部材１３０は、圧電素子１２０を拘束する拘束部１３１と、圧電素子１２０を拘束しない非拘束部１３２から構成され、非拘束部１３２は圧電素子１２０の主面に対して傾斜した梁状に形成されている。その傾斜角は、例えば、１５〜４５度である。

非拘束部１３２の数については特に限定されないが、基本共振周波数などの調整を目的に任意に設定することができる。前述のように弾性部材１３０の非拘束部１３２は、圧電素子１２０から支持フレーム１１０まで放射状に形成されている。本実施の形態では、非拘束部１３２の横幅は一定であり、例えば、等間隔に４５度ずつ八本が配置されている。

圧電素子１２０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１２０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１２０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。

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、非拘束部１３２が傾斜状に支持フレーム１１０に接合するため、振動時のストロークを増やすことができ、振動変位量を増加させることができる。また、弾性部材１３０は電気伝導性のある金属材料で形成されるため、弾性部材１３０から電気端子を取り出すことができ、信頼性が向上する。

さらに、電気音響変換器１００の面積を拡大させず、振動変位量を増加させることができることから、携帯電話機などへの実装にも優位である。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、圧電振動子１４０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。

本実施の形態の電気音響変換器１００は、上述のように圧電素子１２０の両方の主面を個々に拘束する一対の弾性部材１３０が主面と直交する方向に拡開して支持フレーム１１０に接合されている。弾性部材１３０からなる非拘束部１３２が傾斜状に支持フレーム１１０に接合するため、圧電素子１２０の振動のストロークを増やすことができ、発振の効率を向上させることができる。

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、上記形態では圧電素子１２０は、円形の平面形状に形成されており、支持フレーム１１０も、円形の平面形状に形成されていることを例示した。

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、支持フレーム２１０が矩形の平面形状に形成されており、圧電素子２２０も矩形の平面形状に形成されていてもよい。このような形状でも弾性部材２３０は放射状に圧電素子２２０と支持フレーム２１０を接合することができる。

また、上記形態では圧電素子１２０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１５０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 圧電素子
１３０ 弾性部材
１３１ 拘束部
１３２ 非拘束部
１４０ 圧電振動子
１５０ ドライバ回路
２００ 電気音響変換器
２１０ 支持フレーム
２２０ 圧電素子
２３０ 弾性部材

Claims (9)

1. 電界の印加により伸縮運動する圧電素子と、
   前記圧電素子を主面と平行な方向から包囲する支持フレームと、
   前記圧電素子の両方の前記主面を各々拘束して前記支持フレームに接合されている一対の弾性部材と、を有し、
   一対の前記弾性部材は、前記圧電素子から前記支持フレームまで到達する方向で前記主面と直交する方向に相互に拡開されている発振装置。
2. 前記弾性部材は、前記圧電素子から前記支持フレームまで放射状に形成されている請求項１に記載の発振装置。
3. 前記圧電素子と前記支持フレームとは前記主面と平行な平面形状が相似形状に形成されている請求項２に記載の発振装置。
4. 前記圧電素子は、円形の平面形状に形成されており、
   前記支持フレームは、円形の平面形状に形成されている請求項３に記載の発振装置。
5. 前記圧電素子は、矩形の平面形状に形成されており、
   前記支持フレームは、矩形の平面形状に形成されている請求項３に記載の発振装置。
6. 前記圧電素子は、正方形の平面形状に形成されており、
   前記支持フレームは、正方形の平面形状に形成されている請求項５に記載の発振装置。
7. パラメトリックスピーカからなる請求項１ないし６の何れか一項に記載の発振装置。
8. 請求項１ないし７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。
9. 請求項１ないし７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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