JP2012217026A - 発振装置及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電振動子を用いた発振装置において、出力を大きくする。
【解決手段】この発振装置は、振動部材１０及び圧電素子２０からなる圧電振動子と、インダクタ５２を備えている。インダクタ５２は、圧電素子２０に対して直列に接続している。そしてインダクタ５２と圧電振動子の静電容量により形成される直列共振回路の共振周波数は、圧電振動子の共振周波数に等しい。これにより、共振周波数における発振装置の出力を大きくすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発振装置及び電子機器に関する。

発振装置の一つに、圧電素子を発振源として利用するものがある。このタイプの発振装置は、ボイスコイル及び磁石を用いた動電型の発振装置と比較して、小型化しやすい、という特徴がある。

特許文献１には、補正用コンデンサを超音波振動子に対して並列に接続することが記載されている。この補正用コンデンサを流れる電流、及び超音波振動子を流れる電流は、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）制御に用いられる。

特許文献２には、圧電素子を用いた超音波振動装置において、駆動電源と超音波振動子の間にインダクタンスを直列に接続し、このインダクタンスと超音波振動子の容量とを用いて直列共振回路を形成することが記載されている。特許文献２では、この直列共振回路の共振周波数を、超音波振動子の共振周波数と、超音波振動子上に設けられたホーンの共振周波数の間にすることを、発明の主要部としている。

特許文献３，４，７には、携帯通信端末の液晶表示画面に、超音波スピーカを内蔵することが記載されている。特に特許文献４には、液晶表示画面の保護板をスピーカの振動板として使用することが記載されている。

特許文献５、６には、互いに異なる複数の圧電振動子を用いることにより、複数の周波数で出力を行うことができる発振器が記載されている。これらのうち特許文献５では、複数の圧電振動子は、一つの圧電板に複数の電極を設けることにより、形成されている。

特開２０００−１５２６７４号公報 特開２００４−３４９９５６号公報 特開２００５−２２３４１０号公報 特開２００４−２００７２９号公報 特開２００４−３６３８４９号公報 特開２００５−３０３４４４号公報 特開平１０−１６４１９３号公報

圧電振動子を用いた発振装置は、ボイスコイル及び磁石を用いた動電型の発振装置と比較して、出力を大きくしにくい。

また、表示パネルを発振面として使用した発振装置には、複数の用途が考えられる。しかし、要求される発振特性は用途によって異なる。

本発明の目的は、圧電振動子を用いた発振装置において、出力を大きくすることにある。また本発明の他の目的は、表示パネルを発振面として使用した発振装置において、発振特性を変えられるようにすることにある。

本発明によれば、圧電振動子と、
前記圧電振動子に直列に接続しているインダクタと、
を備え、
前記インダクタと前記圧電振動子の静電容量により形成される直列共振回路の共振周波数は、前記圧電振動子の共振周波数に等しい発振装置が提供される。

本発明によれば、上記した発振装置を有する電子機器が提供される。

本発明によれば、表示パネルと、
前記表示パネルに互いに離間して設けられた複数の圧電素子と、
前記複数の圧電素子に選択的に駆動信号を入力する制御手段と、
を備える電子機器が提供される。

本発明によれば、第１電極層、偏光層、第２電極層、基材、及び第３電極層がこの順に積層した表示パネルと、
前記偏光層と同一層に設けられ、前記第１電極層に設けられた電極及び前記第２電極層に設けられた電極によって駆動信号が入力される第１圧電体と、
前記基材と同一層に設けられ、前記第２電極層に設けられた電極及び前記第３電極層に設けられた電極によって駆動信号が入力される第２圧電体と、
を備える電子機器が提供される。

本発明によれば、第１電極層、偏光層、第２電極層、基材、及び第３電極層がこの順に積層した表示パネルと、
前記偏光層と同一層に設けられ、前記第１電極層に設けられた電極及び前記第２電極層に設けられた電極によって駆動信号が入力される第１圧電体と、
前記偏光層、前記第２電極層、及び前記基材と同一層に設けられ、前記第１電極層に設けられた電極及び前記第３電極層に設けられた電極によって駆動信号が入力される第３圧電体と、
を備える電子機器が提供される。

本発明によれば、第１電極層、偏光層、第２電極層、基材、及び第３電極層がこの順に積層した表示パネルと、
前記基材と同一層に設けられ、前記第２電極層に設けられた電極及び前記第３電極層に設けられた電極によって駆動信号が入力される第１圧電体と、
前記偏光層、前記第２電極層、及び前記基材と同一層に設けられ、前記第１電極層に設けられた電極及び前記第３電極層に設けられた電極によって駆動信号が入力される第３圧電体と、
を備える電子機器が提供される。

本発明によれば、圧電振動子を用いた発振装置において、出力を大きくすることができる。また本発明によれば、表示パネルを発振部材として使用した発振装置において、発振特性を変えることができる。

第１の実施形態に係る発振装置の構成を示す図である。 図１に示した発振装置の等価回路図である。 図１に示した発振装置を電子機器に取り付けた状態を示す図である。 第２の実施形態に係る発振装置の構成を示す図である。 図４に示した発振装置の等価回路図である。 第３の実施形態に係る発振装置の構成を示す図である。 図６に示した発振装置の等価回路図である。 第４の実施形態に係る電子機器の構成を示す図である。 （ａ）は表示パネルをパラメトリックスピーカとして使用する場合の図であり、（ｂ）は、表示パネルを、可聴音を直接出力するスピーカ、または無線レシーバとして使用する場合の図である。 圧電素子を、タッチパネルの振動源として使用する場合を示している。 第５の実施形態に係る電子機器の構成を示す平面図である。 図１１のＡ−Ａ´断面図である。 図１２の変形例を示す図である。 図１２の変形例を示す図である。 図１２の変形例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る発振装置の構成を示す図である。この発振装置は、振動部材１０及び圧電素子２０からなる圧電振動子と、インダクタ５２を備えている。インダクタ５２は、圧電素子２０に対して直列に接続している。そしてインダクタ５２と圧電振動子の静電容量により形成される直列共振回路の共振周波数は、圧電振動子の共振周波数に等しい。これにより、共振周波数における発振装置の出力を大きくすることができる。以下、詳細に説明する。

振動部材１０はシート状であり、圧電素子２０から発生した振動によって振動する。また振動部材１０は、圧電素子２０の基本共振周波数を調整する。機械振動子の基本共振周波数は、負荷重量と、コンプラインスに依存する。コンプラインスは振動子の機械剛性であるため、振動部材１０の剛性を制御することで、圧電素子２０の基本共振周波数を制御できる。なお、振動部材１０の厚みは５μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。また、振動部材１０は、剛性を示す指標である縦弾性係数が１Ｇｐａ以上５００ＧＰａ以下であることが好ましい。振動部材１０の剛性が低すぎる場合や、高すぎる場合は、機械振動子として特性や信頼性を損なう可能性が出てくる。なお、振動部材１０を構成する材料は、金属や樹脂など、脆性材料である圧電素子２０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が好ましい。

圧電素子２０は、例えばＰＺＴなどの圧電セラミックスにより形成されている。ただし圧電素子２０は、他の圧電材料により形成されていても良い。圧電素子２０の平面形状は、振動部材１０の平面形状よりも小さい。

本実施形態において、発振装置は支持枠４０及び制御部５０をさらに備えている。支持枠４０は、振動部材１０の縁を支持している。支持枠４０は、樹脂により形成されていても良いし、剛性の高い金属により形成されていても良い。

制御部５０は、外部から入力された信号に基づいて駆動信号を生成し、生成した駆動信号を圧電素子２０に入力する。本実施形態では、制御部５０は、外部から入力された音声データ（原信号）を変調してパラメトリックスピーカ用の変調データを生成し、このデータに基づいて駆動信号を生成する。この駆動信号の周波数は、振動部材１０及び圧電素子２０のｎ次の共振周波数である。ただしｎ＝１であってもよい。

図２は、図１に示した発振装置の等価回路図である。振動部材１０及び圧電素子２０からなる圧電振動子は、基本共振周波数、及び高次の基本共振周波数を有している。そして各モードの共振周波数別に、等価回路を描くことができる。具体的には、ｎ次の共振周波数の等価回路は、圧電振動子の機械インダクタンスＬ_ｍａ＿ｎ、圧電振動子の機械的損失Ｒ_ｍａ＿ｎ、及び圧電振動子の機械コンプライアンスＣ_ｍａ＿ｎが、直列に接続した構成を有している。そしてｎ次の共振周波数ω_ｎは、以下の式（１）で示される。

一方、インダクタ５２及び静電容量２２による直列共振回路の共振周波数ω_０は、以下の式（２）で示される。ただし、Ｌ［Ｈ］はインダクタ５２のインダクタンスであり、Ｃ_０は静電容量２２の容量［Ｆ］である。

従って、本実施形態によれば、式（１）＝式（２）を満たすようにＬを設定することにより、共振周波数における発振装置の出力を大きくすることができる。

図３は、図１に示した発振装置を電子機器に取り付けた状態を示す図である。

本図に示す例において、支持枠４０は樹脂製であり、筒の底面を塞いだ形状を有している。支持枠４０の底面には、開口４２が設けられている。また支持枠４０の外面には、端子８０，８２が設けられている。端子８０は配線を介して圧電素子２０の一面に接続しており、端子８２は、別の配線を介して振動部材１０に接続している。本実施形態では、振動部材１０は金属製であるため、配線は、振動部材１０を介して圧電素子２０に駆動信号を入力することができる。なお、端子８２に接続している配線は、圧電素子２０の他面に直接接続していても良い。そして端子８０，８２には、制御部５０から駆動信号が入力される。

そして発振装置は、支持枠４０の上端面が、筐体６０の内壁に取り付けられる。筐体６０には、音孔６２が設けられている。そして支持枠４０は、平面視で音孔６２を内側に含んでいる。このため、音孔６２は振動部材１０及び圧電素子２０と対向し、振動部材１０及び圧電素子２０が発振した音波は、音孔６２を介して筐体６０の外部に放射される。

以上、本実施形態によれば、共振周波数における発振装置の出力を大きくすることができる。

（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態に係る発振装置の構成を示す図である。図５は、図４に示した発振装置の等価回路図である。この発振装置は、以下の点を除いて、第１の実施形態に係る発振装置と同様の構成である。

まず、発振装置には容量素子５４が設けられている。容量素子５４は、圧電素子２０に対して並列に設けられている。そして直列共振回路は、インダクタ５２及び容量素子５４によって形成されている。そしてこの直列共振回路の共振周波数は、振動部材１０及び圧電素子２０からなる圧電振動子の共振周波数に等しい。

本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、容量素子５４を用いて直列共振回路を形成しているため、直列共振回路の共振周波数を、容易に圧電振動子の共振周波数に等しくすることができる。

（第３の実施形態）
図６は、第３の実施形態に係る発振装置の構成を示す図である。図７は、図６に示した発振装置の等価回路図である。この発振装置は、直流抵抗５６を有している点を除いて、第２の実施形態に係る発振装置と同様の構成である。直流抵抗５６は、インダクタ５２と圧電素子２０の間に位置している。

本実施形態によっても、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。

ここで、ｎ＝１、すなわち発振装置が圧電振動子の基本共振周波数ω_１の音波を出力する場合において、音波が増大するか否かを検証してみる。

キルヒホッフの電圧側により、下記（３）式が満たされるとき、圧電素子２０に流れる電流は最大になる。ここで、直流抵抗５６の抵抗をＲ［Ω］とする。

そして、圧電素子２０に流れる電流Ｉは、以下の（４）式で算出される。

一方、インダクタ５２、容量素子５４、及び直流抵抗５６を設けなかった場合、圧電素子２０に流れる電流Ｉは、以下の（５）式で算出される。

ここでＲ_ｍａ＿１＝１ｋΩ、ω＝２０１×１０^３ｒａｄ／秒、Ｒ＝２０Ωとすると、（４）式から算出される電流は０．００３５３×Ｖ（ω）となるが、（５）式から算出される電流は０．００１×Ｖ（ω）となる。すなわち、本実施形態によれば、１０ｄＢ程度の電流増幅が期待できる。

（第４の実施形態）
図８は、第４の実施形態に係る電子機器の構成を示す図である。この電子機器は、例えば携帯通信端末などの携帯機器であり、表示パネル７０を有している。なお、この電子機器は、スライド式の電子機器であっても良いし、折りたたみ式の電子機器であっても良い。

表示パネル７０には、圧電素子２０が複数互いに離間して設けられている。本図に示す例では、圧電素子２０は、矩形の表示パネル７０の４隅、中心、及び同一の隅を形成する２辺の中央部に設けられている。そして制御部５０は、複数の圧電素子２０に選択的に駆動信号を入力する。すなわち制御部５０は、駆動信号を入力する圧電素子２０を任意に選択することができる。また必要に応じて、圧電素子２０に入力する駆動信号の周波数を変更することができる。なお、圧電素子２０のレイアウトは、図８に示した例に限定されない。

本実施形態では、表示パネル７０が振動部材１０の代わりに用いられている。このため、表示パネル７０から音波が発振される。

表示パネル７０から音波が発振される場合、表示パネル７０は様々な機能を持つことができる。この機能としては、パラメトリックスピーカ、可聴音を直接出力するスピーカ、無線レシーバの出力部、及びタッチパネルの振動源がある。

図９（ａ）は、表示パネル７０をパラメトリックスピーカとして使用する場合の図である。このときの変調信号のキャリア周波数は、超音波領域になる。この場合、制御部５０は、表示パネル７０の中心に位置する圧電素子２０のみに、変調信号を入力する。このため、表示パネル７０のうち一部のみが振動するため、表示パネル７０は超音波を発振しやすくなる。

図９（ｂ）は、表示パネル７０を、可聴音を直接出力するスピーカ、または無線レシーバとして使用する場合の図である。このとき圧電素子２０に入力される信号の周波数は、例えば５００Ｈｚから１ｋＨｚにピークを有している。このような場合、制御部５０は、表示パネル７０のうち振動する面積が、図９（ｂ）よりも広くなるように、駆動信号を入力する圧電素子２０を選択する。具体的には、一つの隅に位置する圧電素子２０、及びこの隅を構成する２辺の中央それぞれに位置する圧電素子２０、及び表示パネル７０の中心に位置する圧電素子２０に、駆動信号を入力する。このようにすると、７０は、可聴音を発振しやすくなる。

図１０は、表示パネル７０がタッチパネル機能を有しており、かつ表示パネル７０の圧電素子２０を、タッチパネルの振動源として使用する場合を示している。この場合、表示パネル７０は、例えば５０Ｈｚ程度の低周波で振動する。このような場合、表示パネル７０はなるべく大面積で振動することが好ましい。このため、制御部５０は、少なくとも表示パネル７０の４隅に位置する圧電素子２０に、駆動信号を入力する。

すなわち本実施形態では、制御部５０は、駆動信号の周波数が高くなるにつれて、表示パネル７０のうち圧電素子２０によって振動する面積が広くなるように、駆動信号を入力する圧電素子２０を選択する。

このように本実施形態によれば、表示パネル７０を発振装置の発振部材として使用している。ここで、表示パネル７０には、複数の圧電素子２０を互いに離間して設けられている。従って、駆動信号を入力する圧電素子２０を選択することにより、表示パネル７０のうち発振する面積及び位置を変えることができるため、発振装置の発振特性を変えることができる。

（第５の実施形態）
図１１は、第５の実施形態に係る電子機器の構成を示す平面図であり、図１２は図１１のＡ−Ａ´断面図である。この電子機器は、表示パネル７０が圧電素子２０の代わりに圧電素子２５，２６，２７を内蔵している点を除いて、第５の実施形態に係る電子機器と同様の構成である。制御部５０は、いずれの圧電素子２５，２６，２７を駆動させるかを選択することができる。

表示パネル７０は、基材７２の一面上に電極層７４、偏光層７１、及び電極層７３をこの順に形成し、さらに基材７２の反対面上に電極層７５を形成した構造を有している。そして、圧電素子２５は、偏光層７１と同一層に形成されており、圧電素子２６は基材７２と同一層に形成されている。また圧電素子２７は、偏光層７１、電極層７４、及び基材７２を貫通しており、これらと同一層に形成されている。圧電素子２５は、電極層７３に設けられた電極と、電極層７４に設けられた電極によって駆動信号が入力される。圧電素子２６は、電極層７４に設けられた電極と、電極層７５に設けられた電極によって駆動信号が入力される。圧電素子２７は、電極層７３に設けられた電極と、電極層７５に設けられた電極によって駆動信号が入力される。

このように、圧電素子２５，２６，２７は、表示パネル７０のうち異なる層に形成されている。従って、圧電素子２５，２６，２７のいずれを駆動させるかを選択することによって、発振装置の発振特性を変えることができる。

例えば発振装置をパラメトリックスピーカとして機能させる場合、発振装置は超音波帯域の音波を出力するため、制御部５０は、圧電素子２５，２６，２７のうち最も薄い素子、例えば圧電素子２５を選択する。また発振装置を、可聴音を直接出力するスピーカ、または無線レシーバの出力部として機能させる場合、制御部５０は、圧電素子２５，２６，２７のうち薄さが真ん中の素子、例えば圧電素子２６を選択する。また、表示パネル７０がタッチパネル機能を有しており、かつ発振装置をタッチパネルの振動源として使用する場合、発振装置は低周波の振動を出力するため、圧電素子２５，２６，２７のうち最も厚い素子、例えば圧電素子２７を選択する。

このように本実施形態によれば、制御部５０が圧電素子２５，２６，２７のいずれを駆動させるかを選択することによって、発振装置の発振特性を変えることができる。

なお、圧電素子２５，２６，２７のレイアウトは、図１１に示した例に限定されない。

また、表示パネル７０は、図１３に示すように、圧電素子２５及び圧電素子２７のみを有していても良いし、図１４に示すように、圧電素子２６及び圧電素子２７のみを有していても良いし、図１５に示すように、圧電素子２５及び圧電素子２６のみを有していても良い。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

１０ 振動部材
２０ 圧電素子
２２ 静電容量
２５ 圧電素子
２６ 圧電素子
２７ 圧電素子
４０ 支持枠
４２ 開口
５０ 制御部
５２ インダクタ
５４ 容量素子
５６ 直流抵抗
６０ 筐体
６２ 音孔
７０ 表示パネル
７１ 偏光層
７２ 基材
７３ 電極層
７４ 電極層
７５ 電極層
８０ 端子
８２ 端子

Claims (10)

1. 圧電振動子と、
   前記圧電振動子に直列に接続しているインダクタと、
   を備え、
   前記インダクタと前記圧電振動子の静電容量により形成される直列共振回路の共振周波数は、前記圧電振動子の共振周波数に等しい発振装置。
2. 圧電振動子と、
   前記圧電振動子に直列に接続しているインダクタと、
   前記圧電振動子に並列に接続している容量と、
   を備え、
   前記インダクタと前記容量により形成される直列共振回路の共振周波数は、前記圧電振動子の共振周波数に等しい発振装置。
3. 請求項１又は２に記載の発振装置において、
   前記直列共振回路の共振周波数は、前記圧電振動子の基本共振周波数に等しい発振装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の発振装置を有する電子機器。
5. 表示パネルと、
   前記表示パネルに互いに離間して設けられた複数の圧電素子と、
   前記複数の圧電素子に選択的に駆動信号を入力する制御手段と、
   を備える電子機器。
6. 請求項５に記載の電子機器において、
   前記制御手段は、前記駆動信号の周波数が高くなるにつれて、前記表示パネルのうち前記圧電素子によって振動する面積が広くなるように、前記駆動信号を入力する前記圧電素子を選択する電子機器。
7. 第１電極層、偏光層、第２電極層、基材、及び第３電極層がこの順に積層した表示パネルと、
   前記偏光層と同一層に設けられ、前記第１電極層に設けられた電極及び前記第２電極層に設けられた電極によって駆動信号が入力される第１圧電体と、
   前記基材と同一層に設けられ、前記第２電極層に設けられた電極及び前記第３電極層に設けられた電極によって駆動信号が入力される第２圧電体と、
   を備える電子機器。
8. 請求項７に記載の電子機器において、
   前記偏光層、前記第２電極層、及び前記基材と同一層に設けられ、前記第１電極層に設けられた電極及び前記第３電極層に設けられた電極によって駆動信号が入力される第３圧電体をさらに備える電子機器。
9. 第１電極層、偏光層、第２電極層、基材、及び第３電極層がこの順に積層した表示パネルと、
   前記偏光層と同一層に設けられ、前記第１電極層に設けられた電極及び前記第２電極層に設けられた電極によって駆動信号が入力される第１圧電体と、
   前記偏光層、前記第２電極層、及び前記基材と同一層に設けられ、前記第１電極層に設けられた電極及び前記第３電極層に設けられた電極によって駆動信号が入力される第３圧電体と、
   を備える電子機器。
10. 第１電極層、偏光層、第２電極層、基材、及び第３電極層がこの順に積層した表示パネルと、
    前記基材と同一層に設けられ、前記第２電極層に設けられた電極及び前記第３電極層に設けられた電極によって駆動信号が入力される第１圧電体と、
    前記偏光層、前記第２電極層、及び前記基材と同一層に設けられ、前記第１電極層に設けられた電極及び前記第３電極層に設けられた電極によって駆動信号が入力される第３圧電体と、
    を備える電子機器。

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