JP2012217033A - 発振装置、および携帯端末装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電振動子に発生したクラックの成長を抑制して、発振装置の信頼性の向上を図る。
【解決手段】発振装置１００は、セラミックにより構成される圧電振動子１０と、圧電振動子１０の一面に設けられたゲル材料１２と、ゲル材料１２を介して圧電振動子１０を拘束する振動部材２０と、振動部材２０の縁を支持する支持部材３０と、を備えている。これにより、圧電振動子に発生したクラックの成長を抑制して、発振装置の信頼性の向上を図ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電振動子を有する発振装置、および携帯端末装置に関する。

電子装置に用いられる電気音響変換器として、圧電振動子を用いた圧電型電気音響変換器がある。圧電型電気音響変換器は、圧電振動子の伸縮運動を利用して振動振幅を発生させるものである。このため、磁石やボイスコイル等から構成される動電型電気音響変換器に比べて薄型化に有利となる。

圧電振動子を用いた電気音響変換器に関する技術としては、例えば特許文献１〜３に記載のものがある。特許文献１に記載の技術は、圧電素子の駆動により発生した駆動板部の振動を、媒体を介して振動板部に伝達するというものである。また、特許文献２に記載の技術は、圧電振動板の外縁を高分子ゲル材によって狭持して筐体内に装着するというものである。特許文献３に記載の技術は、振動膜を高分子ゲルによって構成するというものである。

特開２００７−１０４６５０号公報 特開２００４−８０１９８号公報 特開２００３−２１９４９９号公報

圧電振動子は、例えばセラミック等の脆性材料により構成される。このため、他の部材への接合時や電極層への端子接続の際に生じる応力負荷等によって、圧電振動子にクラックが発生してしまう場合がある。圧電振動子に発生したクラックは、発振装置の駆動時に成長し、電気接続不良や圧電特性の減衰等を引き起こす。従って、圧電振動子に発生したクラックの成長を抑制して、発振装置の信頼性を向上させることが求められている。

本発明によれば、セラミックにより構成される圧電振動子と、
前記圧電振動子の一面に設けられたゲル材料と、
前記ゲル材料を介して前記圧電振動子を拘束する振動部材と、
前記振動部材の縁を支持する支持部材と、
を備える発振装置が提供される。

本発明によれば、上述した発振装置を搭載した、携帯端末装置が提供される。

本発明によれば、圧電振動子に発生したクラックの成長を抑制し、発振装置の信頼性を向上することができる。

本実施形態に係る発振装置を示す断面図である。 図１に示す圧電振動子を示す断面図である。 図１に示す発振装置の効果を説明する断面図である。 比較例に係る発振装置を示す断面図である。 本実施形態および比較例に係る発振装置における、駆動電圧と振動変位との関係を示すグラフである。 図１に示す発振装置の変形例を示す断面図である。

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。

図１は、第１の実施形態に係る発振装置１００を示す断面図である。本実施形態に係る発振装置１００は、圧電振動子１０と、ゲル材料１２と、振動部材２０と、支持部材３０と、を備えている。発振装置１００は、例えば携帯電話機等の携帯端末装置に搭載される。

圧電振動子１０は、セラミックにより構成されている。ゲル材料１２は、圧電振動子１０の一面に設けられている。振動部材２０は、ゲル材料１２を介して圧電振動子１０を拘束する。支持部材３０は、振動部材２０の縁を支持している。以下、発振装置１００の構成について詳細に説明する。

振動部材２０は、例えば平板形状を有している。振動部材２０は、金属や樹脂等、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によって構成され、例えばリン青銅、又はステンレス等の汎用材料によって構成される。振動部材２０の厚みは、５〜５００μｍであることが好ましい。また、振動部材２０の縦弾性係数は、１〜５００ＧＰａであることが好ましい。振動部材２０の縦弾性係数が過度に低い、または高い場合、発振装置の振動特性や信頼性を損なうおそれがある。

図１に示すように、発振装置１００は、弾性部材２２を備えている。弾性部材２２は、振動部材２０の縁に設けられている。また、弾性部材２２は、例えば振動部材２０の全周に設けられる。弾性部材２２は、例えばウレタン、ＰＥＴ、又はポリエチレン等の樹脂材料等によって構成される。支持部材３０は、弾性部材２２を介して振動部材２０を支持している。

ゲル材料１２は、例えばＰＶＡ（ポリビニルアルコール）、ポリアクリル酸等の合成ゲル等により構成されている。ゲル材料１２は、発振装置１００が駆動する際に圧電振動子１０に発生する熱によって加熱されて固化する。これにより、後述するように、圧電振動子１０に発生したクラックの成長を抑制することが可能となる。発振装置１００が駆動する際に、圧電振動子１０に発生する熱とは、例えば４０℃以上１５０℃以下である。
また、ゲル材料１２は、例えばＰＶＡ、ポリアクリル酸等の合成ゲル等のゲル系接着剤を用いることもできる。この場合、圧電振動子１０と振動部材２０との接着を、ゲル材料１２を用いて行うことができ、他の接着剤を用いる必要がない。従って、発振装置の製造コストを抑えることができる。

ゲル材料１２の膜厚は、例えば２０μｍ以上１００μｍ以下である。ゲル材料１２の膜厚が２０μｍ以上である場合、圧電振動子１０に発生したクラックの成長を十分に抑制することができる。また、ゲル材料１２の膜厚が１００μｍ以下である場合、ゲル材料１２からの拘束力が振動部材２０の振動に負荷を与えることを抑制することができる。
ゲル材料１２は、圧電振動子１０と振動部材２０との間に設けられている。このため、圧電振動子１０は、振動部材２０と直接接していない。

図２は、図１に示す圧電振動子１０を示す断面図である。図２に示すように、圧電振動子１０は、圧電体７０、上部電極７２および下部電極７４を有している。圧電体７０は、上部電極７２および下部電極７４に挟まれている。また、圧電体７０は、その厚さ方向（図２中上下方向）に分極している。圧電振動子１０は、振動部材２０の一面と水平な面方向において、例えば円形または楕円形を有する。

圧電体７０は、圧電効果を有する材料により構成され、例えば電気機械変換効率が高い材料としてジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）またはチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）等により構成される。また、圧電体７０の厚みは、１０μｍ〜１ｍｍであることが好ましい。厚みが１０μｍ未満である場合、圧電体７０は脆性材料により構成されるため、取り扱い時において破損等が生じやすい。一方、厚みが１ｍｍを超える場合、圧電体７０の電界強度が低減する。このため、エネルギー変換効率の低下を招く。

上部電極７２および下部電極７４は、電気伝導性を有する材料によって構成され、例えば銀または銀／パラジウム合金等によって構成される。銀は、低抵抗な汎用材料であり、製造コストや製造プロセスの観点から優位である。また、銀／パラジウム合金は、耐酸化性に優れた低抵抗材料であり、信頼性に優れる。上部電極７２および下部電極７４の厚みは、１〜５０μｍであることが好ましい。厚みが１μｍ未満の場合、均一に成形することが難しくなる。一方、５０μｍを超える場合、上部電極７２または下部電極７４が圧電体７０に対して拘束面となり、エネルギー変換効率の低下を招く。

発振装置１００は、制御部９０と、信号生成部９２と、を備えている。信号生成部９２は、圧電振動子１０と接続し、圧電振動子１０に入力する電気信号を生成する。制御部９０は、信号生成部９２に接続し、信号生成部９２による信号の生成を制御する。外部から入力された情報に基づいて制御部９０が信号生成部９２の信号の生成を制御することにより、発振装置１００の出力を制御することができる。

発振装置１００をパラメトリックスピーカとして使用する場合、制御部９０は信号生成部９２を介して、パラメトリックスピーカとしての変調信号を入力する。この場合、圧電振動子１０は、２０ｋＨｚ以上、例えば１００ｋＨｚの音波を信号の輸送波として用いる。
また、発振装置１００を通常のスピーカとして使用する場合には、制御部９０は信号生成部９２を介して、音声信号をそのまま圧電振動子１０へ入力してもよい。
また、発振装置１００を音波センサとして使用する場合、制御部９０に入力される信号は、音波を発振する旨の指令信号である。そして、発振装置１００を音波センサとして使用する場合、信号生成部９２は圧電振動子１０に圧電振動子１０の共振周波数の音波を発生させる。

パラメトリックスピーカの動作原理は次のようである。パラメトリックスピーカの動作原理は、ＡＭ変調やＤＳＢ変調、ＳＳＢ変調、ＦＭ変調をかけた超音波を空気中に放射し、超音波が空気中に伝播する際の非線形特性により、可聴音が出現する原理で音響再生を行うというものである。ここでいう非線形とは、流れの慣性作用と粘性作用の比で示されるレイノルズ数が大きくなると、層流から乱流に推移することをいう。すなわち、音波は流体内で微少にじょう乱しているため、音波は非線形で伝播している。特に超音波を空気中に放射した場合に、非線形性に伴う高調波が顕著に発生する。また音波は、空気中の分子集団が濃淡に混在する疎密状態である。空気分子が圧縮よりも復元するのに時間が生じた場合、圧縮後に復元できない空気が、連続的に伝播する空気分子と衝突し、衝撃波が生じて可聴音が発生する。パラメトリックスピーカは、使用者の周囲にのみ音場を形成することができ、プライバシー保護という観点から優れる。

次に、本実施形態において、圧電振動子１０に発生したクラックの成長を抑制する原理について説明する。図３は、図１に示す発振装置１００の効果を説明する断面図である。
脆性材料であるセラミックにより構成される圧電振動子１０には、各種部材との接合時や、電極層への端子接続の際に生じる応力負荷によって、図３（ａ）に示すようにクラック１４が発生する場合がある。圧電振動子１０に発生したクラック１４は、発振装置１００の駆動時に成長し、電気接続不良や圧電特性の減衰等を引き起こす。

本実施形態において、振動部材２０は、ゲル材料１２を介して圧電振動子１０を拘束している。このため、図３（ｂ）に示すように、ゲル材料１２は、クラック１４に侵入してクラック１４内を満たす。
ゲル材料１２は、発振装置１００が駆動する際に圧電振動子１０に発生する熱によって固化する。圧電振動子１０に生じたクラック１４は、クラック１４内部を満たすゲル材料１２が固化することによって補強される。これにより、圧電振動子に発生したクラックの成長が抑制されることとなる。
なお、発振装置１００を駆動させる前に、ゲル材料１２を加熱して固化させてもよい。この場合においても、クラック１４内部を満たすゲル材料１２が固化されて、圧電振動子１０に生じたクラック１４を補強することができる。

図４は、比較例に係る発振装置１０４を示す断面図であって、本実施形態における図１に対応している。比較例に係る発振装置１０４は、ゲル材料１２を備えていない点を除いて、本実施形態に係る発振装置１００と同様の構成を有する。
また、図５は、本実施形態および比較例に係る発振装置における、駆動電圧と振動変位との関係を示すグラフである。図５では、駆動電圧を上昇させた場合における、振動変位の変化を示している。

図５に示すように、比較例に係る発振装置１０４では、駆動電圧を上昇させていくと、ある点（図５中において丸で示される破壊点）において振動変位が大きく減少する。これは、圧電振動子１０に発生したクラック１４が、発振装置１０４の駆動に伴い成長したことによるものであると考えられる。
一方で、本実施形態に係る発振装置１００では、駆動電圧を上昇させた場合に、図５中の破壊点において振動変位の減少は発生しなかった。このように、本実施形態に係る発振装置によれば、発振装置の駆動に伴うクラックの成長が抑制され、発振装置の信頼性を向上することができることがわかる。

次に、本実施形態の効果を説明する。本実施形態によれば、圧電振動子１０は、ゲル材料１２を介して振動部材２０に拘束されている。このため、発振装置の駆動に伴うクラックの成長を抑制することができる。従って、発振装置の信頼性を向上させることが可能となる。

図６は、第２の実施形態に係る発振装置１０２を示す断面図であって、第１の実施形態における図１に対応している。本実施形態に係る発振装置１０２は、振動部材２０の一面および一面とは反対の他面に圧電振動子１０が設けられている点を除いて、第１の実施形態に係る発振装置１００と同様の構成を有する。

図６に示すように、発振装置１０２は、振動部材２０の一面および他面の両方に圧電振動子１０を備えた、バイモルフ構造を有している。振動部材２０の一面に設けられた圧電振動子１０と、振動部材２０の他面に設けられた圧電振動子１０は、分極方向が互いに逆である。また、振動部材２０の一面に設けられた圧電振動子１０と、振動部材２０の他面に設けられた圧電振動子１０は、いずれもゲル材料１２を介して振動部材２０に拘束されている。

本実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、振動部材２０の一面に設けられた圧電振動子１０と、振動部材２０の他面に設けられた圧電振動子１０は、分極方向が互いに逆である。このため、一方を縮めた場合に、他方は伸びることとなる。従って、振動振幅の増大を図ることが可能となる。

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 圧電振動子
１２ ゲル材料
１４ クラック
２０ 振動部材
２２ 弾性部材
３０ 支持部材
７０ 圧電体
７２ 上部電極
７４ 下部電極
９０ 制御部
９２ 信号生成部
１００ 発振装置
１０２ 発振装置
１０４ 発振装置

Claims (5)

1. セラミックにより構成される圧電振動子と、
   前記圧電振動子の一面に設けられたゲル材料と、
   前記ゲル材料を介して前記圧電振動子を拘束する振動部材と、
   前記振動部材の縁を支持する支持部材と、
   を備える発振装置。
2. 請求項１に記載の発振装置において、
   前記ゲル材料は、ＰＶＡまたはポリアクリル酸である発振装置。
3. 請求項１または２に記載の発振装置において、
   前記ゲル材料の膜厚は、２０μｍ以上１００μｍ以下である発振装置。
4. 請求項１ないし３いずれか１項に記載の発振装置において、
   前記振動部材の縁に設けられた弾性部材を備え、
   前記支持部材は、前記弾性部材を介して前記振動部材を支持している発振装置。
5. 請求項１ないし４いずれか１項に記載の発振装置を搭載した、携帯端末装置。

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