JP2012217039A - 発振装置、および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】振動時における圧電振動子の破損を抑制し、信頼性の高い発振装置を実現する。
【解決手段】発振装置１００は、圧電振動子１０と、圧電振動子１０の一面に設けられた磁石４０と、圧電振動子１０の一面とは反対の他面を拘束する振動部材２０と、同極が向かい合うように磁石４０と対向する位置に保持されている磁石４２と、振動部材２０および磁石４２を保持し、かつ平面視で磁石４２を保持する一部が圧電振動子２０と重なる支持部材３０と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電振動子を有する発振装置、および電子機器に関する。

電気音響変換器を実現するための技術には様々なものがある。例えば、特許文献１に記載される技術は、ボイスコイルや磁石を備え、磁気回路の作用を利用して振動振幅を発生させる動電型電気音響変換器に関するものである。

また、特許文献２に記載の技術は、磁歪素子を有する磁歪型スピーカに関するものであり、磁歪素子と磁気回路を組み合わせることで広帯域の再生が可能な磁歪型スピーカを実現すると記載されている。特許文献３に記載の技術は、圧電振動板を有する圧電型電磁音響変換器に関するものであり、圧電振動板を反発磁力により磁気的に弾性支持すると記載されている。

特開２００５−２７２８６号公報 特開２００４−３６３９６７号公報 実公平３−２３７５８号公報

圧電振動子を有する発振装置は、屈曲型の振動姿態を有する。すなわち、振動の中心部において最も変位量が高くなる。このため、特性ばらつきや駆動条件の変更により変位量が増加した場合には、屈曲振動の中心に位置する圧電振動子と、他の部材とが接触しやすい。この場合、圧電振動子が破損してしまうおそれがあった。従って、信頼性の高い発振装置が求められている。

本発明によれば、圧電振動子と、
前記圧電振動子の一面に設けられた第１磁石と、
前記圧電振動子の前記一面とは反対の他面を拘束する振動部材と、
同極が向かい合うように前記第１磁石と対向する位置に保持されている第２磁石と、
前記振動部材および前記第２磁石を保持し、かつ平面視で前記第２磁石を保持する一部が前記圧電振動子と重なる支持部材と、
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する、電子機器が提供される。

本発明によれば、振動時における圧電振動子の破損を抑制し、信頼性の高い発振装置を実現することができる。

第１の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。 第１の実施形態と比較例に係る発振装置における、音圧レベルの周波数特性を示すグラフである。 第２の実施形態に係る発振装置を示す断面図である。 第３の実施形態に係る発振装置を示す断面図である、 図５に示す発振装置を有する電子機器の機械回路図である。 第４の実施形態に係る発振装置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、磁石４０と、振動部材２０と、磁石４２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電子機器に搭載される。

磁石４０は、圧電振動子１０の一面に設けられている。振動部材２０は、圧電振動子１０の一面とは反対の他面を拘束している。磁石４２は、同極が向かい合うように磁石４０と対向する位置に保持されている。支持部材３０は、振動部材２０および磁石４２を保持している。また、支持部材３０は、平面視で磁石４２を保持する一部が圧電振動子１０と重なっている。以下、発振装置１００の構成について詳細に説明する。

本実施形態において、磁石４０は、図１に示すように圧電振動子１０の一面の全面に設けられている。磁石４０および磁石４２は、例えば永久磁石であり、互いにＮ極同士、またはＳ極同士が向かい合うように対向している。このとき、磁石４０と磁石４２との間には、磁気反発力が働くこととなる。

また、磁石４０および磁石４２は、Ｎ極とＳ極の向きを切り換えることが可能な、電磁石であってもよい。この場合、発振装置１００の出力時において、対向する磁石４０と磁石４２の同極が向かい合うように、コア材料の周りのコイルに電流を流す。電磁石を構成するコア材料としては、例えばフェライトコア等の高電気抵抗の材料を用いることができる。さらに、磁石４０および磁石４２のうちの、いずれか一方を電磁石とし、他方を永久磁石としてもよい。

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の縁を保持している。また、支持部材３０は、図１に示すように、例えば一端を塞いだ筒状を有しており、振動部材２０の側面および磁石４０を有する圧電振動子１０を拘束している一面を覆うように形成されている。なお、振動部材２０の一端とは反対の他端は開放されており、音孔を構成する。
また、支持部材３０のうち振動部材２０の一面を覆う部分は、例えば磁石４２によって構成されていてもよい（図示せず）。

図１に示すように、発振装置１００は、例えば圧電振動子１０を振動部材２０の両面に備えている。この場合、発振装置１００は、バイモルフ構造を有することとなる。従って、発振装置の振動振幅を増大させることができる。このとき、振動部材２０の一面とは反対の他面上に設けられた圧電振動子１０は、例えば磁石４０を有しない。

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（ＢａＴｉＯ_３）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。

図１に示すように、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、本実施形態の効果を説明する。本実施形態によれば、圧電振動子１０の一面に設けられた磁石４０と、同極が向かい合うように磁石４０と対向する磁石４２を備えている。このため、発振装置１００の駆動時において圧電振動子１０と支持部材３０とが近づいた場合に、磁石４０と磁石４２との間に働く磁気反発力によって、圧電振動子１０が支持部材３０へと近づく速度は減速される。
従って、発振装置１００の出力時において、圧電振動子１０と、例えば支持部材３０等の他の部材とが接触することを防止することができる。よって、圧電振動子の破損を防止し、信頼性の高い発振装置を実現することができる。

また、圧電振動子１０へ入力する信号と、磁石４０と磁石４２との間に働く磁気反発力とを調整することにより、圧電振動子１０および振動部材２０に生じる振動振幅を一定範囲内に抑えることができる。これにより、圧電振動子の破損を確実に防止することが可能となる。

図３は、第１の実施形態と比較例に係る発振装置における、音圧レベルの周波数特性を示すグラフである。比較例に係る発振装置は、磁石４０および磁石４２を有していない点を除いて、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（図示せず）。
図３に示すように、比較例に係る発振装置では、１０００Ｈｚ付近において、音圧レベルにピークが見られる。これに対し、本実施形態に係る発振装置１００では、１０００Ｈｚ付近において、音圧レベルのピークが見られず、平坦な周波数特性を示している。
このように、本実施形態によれば、磁石４０と磁石４２との間に働く磁気反発力によって、振動変位量の急な増大を抑制できることがわかる。
このため、圧電振動子が他の部材と接触することにより圧電振動子が破損してしまうことを防止することができる。また、平坦な音圧レベル周波数特性を実現することもできる。

図４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の実施形態に係る図１に対応している。本実施形態に係る発振装置１０２は、磁石４０および磁石４２の形状を除いて、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４に示すように、磁石４０は、圧電振動子１０の一面のうち中心を含む一部に設けられている。磁石４２は、例えば平面視で磁石４０と同一の大きさを有するように設けられる。なお、磁石４２は、磁石４０と対向するように設けられていればよく、平面視で磁石４０より大きくてもよい。

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、磁石４０は、圧電振動子１０の一部に設けられている。このため、圧電振動子１０に対する磁石４０からの拘束力が緩和される。従って、発振装置１０２の振動振幅を増大させ、音圧レベルの向上を図ることができる。
さらに、磁石４０は、圧電振動子１０の一面のうち中心を含む一部に設けられている。このため、圧電振動子１０のうち他の部材と接触しやすい中心部分に対し、磁気反発力が効果的に働くこととなる。従って、圧電振動子が破損してしまうことを効果的に抑制することができる。

図５は、第３の実施形態に係る発振装置１０４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１０４は、振動部材２０の支持構造を除いて、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。

本実施形態に係る発振装置１０４は、磁石５０と磁石５２を備えている。磁石５０は、振動部材２０のうち、磁石４０を有する圧電振動子１０を拘束する面とは反対の面に設けられている。磁石５２は、同極が向かい合うように磁石５０と対向している。また、磁石５２は、支持部材３０によって保持されている。

発振装置１０４は、例えば振動部材２０の側面に面して設けられたガイド３２を備えている。ガイド３２は、支持部材３０によって固定されている。ガイド３２は、発振装置１０４の出力時に、振動部材２０および圧電振動子１０が、音孔（支持部材３０上端の開口部）から脱落してしまうことを防止する機能を有する。

磁石５０は、例えば振動部材２０の端部に配置される。磁石５０は、振動部材２０の全周において、一体として設けられていても良く、また互いに分離するように複数設けられていても良い。磁石５２は、例えばガイド３２に固定され、ガイド３２を介して支持部材３０に保持される。また、磁石５２は、例えば平面視で磁石５０と同一の形状を有するように設けられる。
なお、磁石５０および磁石５２の形状や設けられる位置、数等は、後述するように、振動部材２０を安定的に保持することができるように適宜設定することができる。

磁石５０および磁石５２は、例えばＮ極とＳ極の向きを切り換えることが可能な、電磁石である。この場合、発振装置１０４の出力時において、対向する磁石５０と磁石５２の同極が向かい合うように、コア材料の周りのコイルに電流を流す。また、磁石５０および磁石５２は、永久磁石であってもよい。さらに、磁石５０および磁石５２のうちの、いずれか一方を電磁石とし、他方を永久磁石としてもよい。
磁石５０、および磁石５２は、これら磁石内に生じる渦電流によるエネルギー損失を抑制するために、例えばフェライトコア等の高電気抵抗の材料を用いることができる。

本実施形態において、振動部材２０は、磁石４０と磁石４２との間の磁気反発力、および磁石５０と磁石５２との間の磁気反発力によって支持される。磁石４０、磁石４２、磁石５０、および磁石５２の磁束密度は、振動部材２０の重量を十分に保持することができ、かつ等価回路上において低弾性な保持を可能とするように決定することができる。

次に、本実施形態の作用および効果を説明する。図６は、図５に示す発振装置１０４を有する電子機器の機械回路図である。図６において、支持部材３０は、例えば発振装置１０４を有する電子機器の筐体の内面に取り付けられている。
圧電振動子１０および振動部材２０は、質量ｍ_１、バネ定数ｋ_１、および機械損失係数Ｃ_１を有している。磁石４０、４２、５０、５２は、質量ｍ_２、バネ定数ｋ_２を有している。支持部材３０は、質量ｍ_３、バネ定数ｋ_３、および機械損失係数Ｃ_３を有している。筐体は、質量ｍ_４、バネ定数ｋ_４、および機械損失係数Ｃ_４を有している。

振動部材が、筐体に固定される支持部材に対し機械的に取り付けられている場合、筐体および支持部材は振動部材とともに機械振動要素を構成する。このため、発振装置の振動系は、筐体および支持部材を含めたものとなる。従って、発振装置の発振周波数や振動振幅を決定するためには、筐体や支持部材の機械的特性を考慮しなければならない。この場合、発振装置の設計は困難となる。

本実施形態によれば、振動部材２０は、磁石４０、４２、５０、５２の磁力反発によって発生する等価的な低弾性バネにより支持されている。このため、振動部材２０に発生する振動は、この等価回路上における低弾性バネによって吸収され、支持部材３０や筐体へ伝達されない。
このように、本実施形態によれば、発振装置１０４の発振周波数や振動振幅を決定するために、筐体や支持部材３０の機械的特性を含める必要がない。従って、発振装置の設計を容易とすることが可能となる。

また、磁石４０、４２、５０、５２で生じるエネルギー損失としては、渦電流が発生することによる損失が考えられるが、渦電流の量はわずかであるため、実質的に無視することができる。この傾向は、磁石４０、４２、５０、５２が高電気抵抗な材料からなる場合に特に顕著となる。
一方で、振動部材２０を機械的に支持部材３０に取り付けた場合には、この取り付け部分によって損失が発生する。
従って、本実施形態によれば、振動による損失を低くすることができるため、発振装置の機械品質係数Ｑを高くすることができる。従って、発振装置をパラメトリックスピーカの発振源として使用する場合、その出力を大きくすることができる。

磁石４０、４２、５０、５２が電磁石である場合、磁力反発による振動部材２０に対する拘束力ｋ_２は、電磁石のコイルに流す電流量により調整することが可能である。このため、電磁石のコイルに流す電流量を調整することにより、発振装置１０４の共振周波数や振動振幅を調整することが可能となる。

また、発振装置１０４を非稼働としているときには、例えば磁石５０と磁石５２とが、互いに異なる極を有する面が向かい合うように、磁石５０と磁石５２の極性を切り換えることができる。これにより、磁石５０と磁石５２の間には、互いに引き合う力が働く。この引き合う力によって振動部材２０を支持部材３０に固定することにより、落下時等における耐久性を向上させることが可能となる。

また、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。

図７は、第４の実施形態に係る発振装置１０６を示す断面図であって、第３の実施形態に係る図５に対応している。本実施形態に係る発振装置１０６は、振動部材２０の支持構造を除いて、第３の実施形態に係る発振装置１０４と同様の構成を有する。

本実施形態に係る発振装置１０６は、磁石６０と磁石６２を備えている。磁石６０は、振動部材２０のうち、磁石４０を有する圧電振動子１０を拘束する面に設けられている。磁石６２は、同極が向かい合うように磁石６０と対向している。また、磁石６２は、支持部材３０によって支持されている。

磁石６０は、例えば振動部材２０の端部に配置される。磁石６０は、振動部材２０の全周において、一体として設けられていても良く、また互いに分離するように複数設けられていても良い。磁石６２は、例えば一端が塞がれた筒状の形状を有する支持部材３０の底部に取り付けられている。また、磁石６２は、例えば平面視で磁石６０と同一の形状を有するように設けられる。
なお、磁石６０および磁石６２の形状や設けられる位置、数等は、後述するように、振動部材２０を安定的に保持することができるように適宜設定することができる。

磁石６０および磁石６２は、例えばＮ極とＳ極の向きを切り換えることが可能な、電磁石である。この場合、発振装置１０６の出力時において、対向する磁石６０と磁石６２の同極が向かい合うように、コア材料の周りのコイルに電流を流す。また、磁石６０および磁石６２は、永久磁石であってもよい。さらに、磁石６０および磁石６２のうちの、いずれか一方を電磁石とし、他方を永久磁石としてもよい。
磁石６０、および磁石６２は、これら磁石内に生じる渦電流によるエネルギー損失を抑制するために、例えばフェライトコア等の高電気抵抗の材料を用いることができる。

本実施形態において、振動部材２０は、磁石５０と磁石５２との間の磁気反発力、および磁石６０と磁石６２との間の磁気反発力によって支持される。磁石５０、磁石５２、磁石６０、および磁石６２の磁束密度は、振動部材２０の重量を十分に保持することができ、かつ等価回路上において低弾性な保持を可能とするように決定することができる。

発振装置１０６を非稼働としているときには、例えば磁石６０と磁石６２とが、互いに異なる極を有する面が向かい合うように、磁石６０と磁石６２の極性を切り換えることができる。

本実施形態においても、第３の実施形態と同様の効果を得ることができる。

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
２０ 振動部材
２２ 弾性部材
３０ 支持部材
３２ ガイド
４０ 磁石
４２ 磁石
５０ 磁石
５２ 磁石
６０ 磁石
６２ 磁石
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
１０６ 発振装置

Claims (8)

1. 圧電振動子と、
   前記圧電振動子の一面に設けられた第１磁石と、
   前記圧電振動子の前記一面とは反対の他面を拘束する振動部材と、
   同極が向かい合うように前記第１磁石と対向する位置に保持されている第２磁石と、
   前記振動部材および前記第２磁石を保持し、かつ平面視で前記第２磁石を保持する一部が前記圧電振動子と重なる支持部材と、
   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、
   前記第２磁石は、電磁石であり、前記第１磁石と対向する面の極を切り換えることができる発振装置。
3. 請求項１または２に記載の発振装置において、
   前記第１磁石は、前記圧電振動子の前記一面の全面に設けられている発振装置。
4. 請求項１または２に記載の発振装置において、
   前記第１磁石は、前記圧電振動子の前記一面のうち中心を含む一部に設けられている発振装置。
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保持している発振装置。
6. 請求項１ないし５いずれか１項に記載の発振装置において、
   前記振動部材のうち前記圧電振動子を拘束する面とは反対の面に設けられた第３磁石と、
   同極を有する面が向かい合うように前記第３磁石と対向し、かつ前記支持部材によって保持されている第４磁石と、
   を備える発振装置。
7. 請求項６に記載の発振装置において、
   前記振動部材のうち前記圧電振動子を拘束する面に設けられた第５磁石と、
   同極を有する面が向かい合うように前記第５磁石と対向し、かつ前記支持部材によって保持されている第６磁石と、
   を備える発振装置。
8. 請求項１ないし７いずれか１項に記載の発振装置を搭載する、電子機器。

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