JP2014003571A - 発振装置及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】高い対落下衝撃性を有し、かつ、高音質音を再生（発振）させる手段が望まれている。
【解決手段】天井部１０Ａと、平面視で天井部１０Ａと重なるとともに、天井部１０Ａから離れて位置する床部１０Ｃと、天井部１０Ａ及び床部１０Ｃを繋いでおり、かつ、弾性を有する第１の梁部１０Ｂと、を有する第１の振動部材１０と、第１の振動部材１０の天井部１０Ａに保持されている圧電素子２０と、第１の面が床部１０Ｃと対峙する状態で第１の振動部材１０を支持する支持部材３０と、第１の面と床部１０Ｃとの間に位置する弾性部材４０と、を有する発振装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、発振装置及び電子機器に関する。

携帯電話等の携帯端末においては、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（発振装置）に対しては、小型・薄型でかつ高音質への要求が高い。

通常の携帯電話では、スピーカとして動電型スピーカが利用されている。しかしながら、磁気回路を用いる動電型スピーカの音圧レベルは体積排除量に依存するため、その原理上、音圧レベルに限界がある。このため、大音圧化には振動振幅量の増大が必要であるが、磁気回路の駆動力を考慮した場合、磁束が因子となるため、磁石の容積とトレードオフになる問題点がある。また、薄型化に際しても、磁石薄型化とともに、ボイスコイルの細線化が必要であるが、大電流が流れる磁気回路においては、焼損などの問題点を持つ。

そこで、動電型に代わる薄型の発振装置として、圧電型発振装置がある。これは、圧電の電歪効果を利用して振動振幅を発生させるものである。

特許文献１には、圧電素子と、伸縮性のある部材からなり、圧電素子の主面が貼り付けられる台座と、台座の外周部に接続され、他端が支持部材に接続された複数の梁部材とを有する圧電アクチュエータが開示されている。当該圧電アクチュエータは、圧電素子の伸縮運動に応じて、台座が圧電素子の厚み方向に振動する。各梁部材は、台座の外周部から装置側に向かって伸びる延長部と、延長部に連なり、延長部に対し交差する方向に延在する立ち上がり部とを有する。

国際公開第２００７／０２６７３６号

圧電型発振装置は、圧電素子自体が振動源になるため、薄型化に優位である。しかしながら、圧電型発振装置の課題として、機械品質係数Ｑ（以下、「機械Ｑ」）が高いことと、落下安定性がある。

圧電型発振装置は機械Ｑが高いため、共振周波数近傍では大きな音圧レベルが得られるものの、それ以外の帯域では音圧レベルが減衰する。すなわち、音圧周波数特性において山谷が発生し、高音質化の不可欠な因子である、平坦な音圧周波数特性が劣化する。

また、圧電素子に利用することができる圧電セラミックスは脆性材料であるため、特定箇所に応力が集中した場合、割れや欠けなどの破損が生じる。携帯端末においては、高い対落下衝撃性が要求されるため、実用性の観点から問題がある。

また、圧電セラミックスは剛性が高いため、低い共振周波数を得るためには大きな形状が必要である。小型化が求められる携帯端末においては実用上で問題があった。

このため、圧電型発振装置において、高い対落下衝撃性を有し、かつ、高音質音を再生（発振）させる手段が望まれている。なお、ここでは携帯端末を例にとって発振装置の課題を説明したが、その他の電子機器で用いられる発振装置においても同様の課題が存在する。

本発明によれば、
天井部と、平面視で前記天井部と重なるとともに、前記天井部から離れて位置する床部と、前記天井部及び前記床部を繋いでおり、かつ、弾性を有する第１の梁部と、を有する第１の振動部材と、
前記第１の振動部材の前記天井部に保持されている圧電素子と、
第１の面が前記床部と対峙する状態で前記第１の振動部材を支持する支持部材と、
前記第１の面と前記床部との間に位置する弾性部材と、
を有する発振装置が実現される。

また、本発明によれば、上記発振装置を有する電子機器が実現される。

本発明によれば、高い対落下衝撃性を有し、かつ、高音質音を再生（発振）させる手段が望まれている。

本実施形態の発振装置の断面模式図の一例である。 本実施形態の発振装置の斜視模式図の一例である。 本実施形態の発振装置の断面模式図の他の一例である。 周波数と音圧レベルの関係を示すグラフである。 比較例１の発振装置を示す図である。

以下、本発明の電子機器および発振装置の実施形態について図面を用いて説明する。なお、図はあくまで発明の構成を説明するための概略図であり、各部材の大きさ、形状、数、異なる部材間の大きさの比率などは特に言及がない限り図示するものに限定されない。

図１に、本実施形態の発振装置の断面模式図の一例を示す。図示するように、本実施形態の発振装置は、第１の振動部材１０と、圧電素子２０と、支持部材３０と、弾性部材４０とを有する。図２に、図１に示す発振装置の斜視模式図を示す。なお、図１に示していた支持部材３０の側壁部３０Ｂは省略してある。以下、各部材について説明する。

第１の振動部材１０は、天井部１０Ａと、床部１０Ｃと、第１の梁部１０Ｂとを有する。天井部１０Ａ、床部１０Ｃ、及び、第１の梁部１０Ｂは、リン青銅、ステンレス等の金属材料で構成することができる。例えば厚さ１０μｍ以上２００μｍ以下の板状の金属材料を加工することで、天井部１０Ａ、床部１０Ｃ、及び、第１の梁部１０Ｂが形成されてもよい。なお、天井部１０Ａ、床部１０Ｃ、及び、第１の梁部１０Ｂは、同じ金属材料で構成されてもよいし、互いに異なる金属材料で構成されてもよい。また、天井部１０Ａ、床部１０Ｃ、及び、第１の梁部１０Ｂの厚さは、同じでもよいし、互いに異なっていてもよい。

天井部１０Ａと床部１０Ｃとは平面視で重なっている。また、天井部１０Ａと床部１０Ｃとは互いに離れて位置する。第１の梁部１０Ｂは、天井部１０Ａ及び床部１０Ｃ両方と繋がり、これらを互いに繋いでいる。図示する第１の梁部１０Ｂは、天井部１０Ａ及び床部１０Ｃ各々の外縁近傍で各々と繋がっている。なお、第１の梁部１０Ｂが支えることで、天井部１０Ａと床部１０Ｃとが互いに離れた状態を実現している。

天井部１０Ａと第１の梁部１０Ｂ、及び、床部１０Ｃと第１の梁部１０Ｂは、溶接等の手段で接合されていてもよい。または、天井部１０Ａと第１の梁部１０Ｂ、及び、床部１０Ｃと第１の梁部１０Ｂのいずれか一方の組み合わせは、所定形状の一塊の金属板で一体的に形成されていてもよい。すなわち、所定形状の一塊の金属板の所定の箇所を折り曲げる等して、互いに繋がった天井部１０Ａと第１の梁部１０Ｂ、又は、床部１０Ｃと第１の梁部１０Ｂが形成されてもよい。

図示する例では、天井部１０Ａの平面形状は円であるが、これに限定されず、多角形、楕円形などのその他の形状とすることもできる。天井部１０Ａの平面形状の大きさは設計的事項であるが、天井部１０Ａには、以下で説明する圧電素子２０が取り付けられる。このため、天井部１０Ａの平面形状の大きさは、圧電素子２０の平面形状よりも大きいのが好ましい。

第１の梁部１０Ｂは、弾性を有するよう構成される。具体的には、天井部１０Ａに取り付けられた圧電素子２０に電圧が加わり、電界が付与されると、圧電素子２０は伸縮運動を行う。そして、当該圧電素子２０の伸縮運動に起因した力が第１の梁部１０Ｂに加わることとなる。第１の梁部１０Ｂは、当該力を受けると弾性変形するよう構成されている。具体的には、第１の梁部１０Ｂと天井部１０Ａの連結点（境界点）と、当該第１の梁部１０Ｂと床部１０Ｃの連結点（境界点）との距離が小さくなり（大きくなる場合もある）、その後、元に戻るよう弾性変形する。この第１の梁部１０Ｂの弾性変形により、第１の振動部材１０は、天井部１０Ａと床部１０Ｃとの距離が小さくなり（大きくなる場合もある）、その後、元に戻る振動動作を実現することができる。

第１の梁部１０Ｂの上記弾性を実現する手段は、例えば、図１及び２に示すように、第１の梁部１０Ｂが湾曲部（湾曲面）を有するように構成することで実現してもよい。すなわち、第１の梁部１０Ｂがバネを構成してもよい。そして、湾曲部の一端側に天井部１０Ａを位置し、他端側に床部１０Ｃが位置してもよい。なお、その他の手段で第１の梁部１０Ｂの上記弾性を実現してもよい。第１の梁部１０Ｂの数、平面積、厚さ等は、上述のような弾性を実現できるよう設計される。なお、図２に示すように、互いに分離した複数の第１の梁部１０Ｂを設ける場合、これら複数の第１の梁部１０Ｂは等間隔になるように配置されてもよい。

床部１０Ｃの平面形状及び大きさは特段制限されないが、例えば、図２に示すように開口部を備えることができる。床部１０Ｃが開口部を備えることで、第１の振動部材１０全体の剛性を低減することができる。結果、上記振動動作の振幅拡大と基本共振周波数の低減が実現される。

床部１０Ｃは、例えば、図２に示すように、中心島部１２Ｃと、一定の隙間を挟んで中心島部１２Ｃを取り囲む外周部１１Ｃと、中心島部１２Ｃと外周部１１Ｃとを接続する複数の第２の梁部１３Ｃとを含んで構成することができる。

なお、床部１０Ｃの平面形状は、点対称な形状であってもよい。図２に示す例の場合、中心島部１２Ｃの平面形状は円形であり、外周部１１Ｃの平面形状は円を描いている。そして、中心島部１２Ｃの円の中心と、外周部１１Ｃが描く円の中心とは一致している。第２の梁部１３Ｃは４本存在し、各々、中心島部１２Ｃの円の中心から外周部１１Ｃに向かって延在している。４本の第２の梁部１３Ｃにより、中心島部１２Ｃと外周部１１Ｃとの間に存在する隙間が４等分されている。なお、図２はあくまで一例であり、床部１０Ｃはその他の構成とすることができる。例えば、中心島部１２Ｃの平面形状をその他の形状にしてもよく、また、外周部１１Ｃの平面形状をその他の形状にしてもよく、また、第２の梁部１３Ｃの本数及び形状をその他の構成としてもよい。第２の梁部１３Ｃの平面形状は直線状のほか、曲線状、ジグザク状であってもよい。

このように、床部１０Ｃに開口を設けた場合であっても、床部１０Ｃの中心部に所定の大きさの領域（中心島部１２Ｃ）を設けることで、第１の振動部材１０全体のバランスを良好に保つことができる。結果、分割振動などの不要振動が発生して音質が劣化する不都合を抑制することができる。また、床部１０Ｃの平面形状を点対称な形状とすることで、同様の作用効果を実現することができる。

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。圧電素子２０は、第１の振動部材１０の天井部１０Ａに保持される。なお、図１及び２に示すように、圧電素子２０は、天井部１０Ａの床部１０Ｃと対向する面で保持されてもよいし、または、反対側の面、すなわち、天井部１０Ａの床部１０Ｃと対向しない面で保持されてもよい。圧電素子２０を天井部１０Ａに取り付ける手段は特段制限されないが、例えば、導電性接着剤で互いをくっつけてもよい。なお、本実施形態の発振装置は、圧電素子２０に電圧を加えることができるように構成されており、電界が付与されると、圧電素子２０は伸縮運動を行う。

支持部材３０は、第１の振動部材１０を支持する。第１の振動部材１０は圧電素子２０を保持している。支持部材３０は、平坦部３０Ａを有する。そして、支持部材３０は、平坦部３０Ａの第１の面（図１中、上側の面）と第１の振動部材１０の床部１０Ｃとが対峙する状態で、第１の振動部材１０を支持する。平坦部３０Ａの平面形状は、図示する円に限定されず、多角形、楕円形等のその他の形状とすることができる。

なお、支持部材３０は、さらに、平坦部３０Ａの第１の面から第１の振動部材１０が位置する側に延伸する側壁部３０Ｂを有してもよい。側壁部３０Ｂは、平面視で、第１の振動部材１０の周囲を取り囲むように構成することができる。なお、図２に示す例では側壁部３０Ｂを省略してある。なお、支持部材３０は側壁部３０Ｂを有さない構成とすることもできる。

支持部材３０は、例えば真鍮、ステンレス等の材料で形成することができる。

弾性部材４０は、支持部材３０と第１の振動部材１０との間に位置する。具体的には、弾性部材４０は、支持部材３０の平坦部３０Ａの第１の面（図１中、上側の面）と、第１の振動部材１０の床部１０Ｃとの間に位置する。すなわち、弾性部材４０は、平坦部３０Ａと接続するとともに、床部１０Ｃとも接続する。

弾性部材４０は、例えば樹脂材料、カーボンファイバー等の材料で構成される。弾性部材４０の厚さ（支持部材３０と第１の振動部材１０とを結ぶ方向の厚さ）は、例えば２００μｍ以下である。

弾性部材４０は、弾性変形するよう構成されている。具体的には、第１の振動部材１０に取り付けられた圧電素子２０に電圧が加わり、電界が付与されると、圧電素子２０は伸縮運動を行う。そして、当該圧電素子２０の伸縮運動に起因した力が第１の梁部１０Ｂに加わることとなる。第１の梁部１０Ｂは、当該力を受けると弾性変形する。この第１の梁部１０Ｂの弾性変形により、第１の振動部材１０は、天井部１０Ａと床部１０Ｃとの距離が小さくなり（大きくなる場合もある）、その後、元に戻る振動動作（以下、「第１の振動動作」）を実現する。弾性部材４０は、第１の振動部材１０のこのような振動動作に起因した力を受けると、弾性変形する。具体的には、弾性部材４０と平坦部３０Ａの接点と、当該弾性部材４０と床部１０Ｃの接点との距離が小さくなり（大きくなる場合もある）、その後、元に戻るよう弾性変形する。この弾性部材４０の弾性変形により、第１の振動部材１０は、床部１０Ｃが支持部材３０の平坦部３０Ａに近づき（遠ざかる場合もある）、その後元に戻る振動動作（以下、「第２の振動動作」）を実現する。

第１の振動動作の振動方向と、第２の振動動作の振動方向は略一致する。すなわち、いずれの振動動作に基づいても、第１の振動部材１０の天井部１０Ａは、支持部材３０の平坦部３０Ａに近づき、また、遠ざかるような振動（図１中、上下方向の振動）を行うこととなる。このため、第１の振動動作と第２の振動動作を足し合わせることで、第１の振動部材１０の振動、具体的には天井部１０Ａの振動を拡大させることができる。

なお、第１の振動部材１０の床部１０Ｃが、例えば図２に示すように中心島部１２Ｃと、外周部１１Ｃと、複数の第２の梁部１３Ｃとを有し、開口部を備えて構成されている場合、弾性部材４０は、外周部１１Ｃと平坦部３０Ａの第１の面の間に位置するとともに、中心島部１２Ｃと平坦部３０Ａの第１の面の間に位置してもよい。かかる場合、弾性部材４０は、第２の梁部１３Ｃと平坦部３０Ａの第１の面の間には位置しなくてもよい。このように応力が集中する部分に弾性部材４０を配置することで、弾性部材４０により実現できる作用効果（以下で説明する）を顕著なものとすることができる。

弾性部材４０と第１の振動部材１０の接続は、例えば導電性接着剤を用いて実現することができる。また、弾性部材４０と支持部材３０の接続も同様に、例えば導電性接着剤を用いて実現することができる。

ここで、図３に、本実施形態の発振装置の変形例の断面模式図の一例を示す。以下、図１及び２を用いて説明した上記発振装置と異なる点を説明する。なお、同様の構成とできる部分についての説明は省略する。

図１及び２を用いて説明した例では、支持部材３０は、側壁部３０Ｂを有してもよいし、有さなくてもよかった。しかし、当該変形例の支持部材３０は、平坦部３０Ａの第１の面（図中、上側の面）から第１の振動部材１０が位置する側に延伸する側壁部３０Ｂを有する。側壁部３０Ｂは、平面視で、第１の振動部材１０の周囲を取り囲む。

また、図１及び２を用いて説明した例では、圧電素子２０は、天井部１０Ａの床部１０Ｃと対向する面で保持されてもよいし、または、反対側の面、すなわち、天井部１０Ａの床部１０Ｃと対向しない面で保持されてもよかった。しかし、当該変形例の圧電素子２０は、天井部１０Ａの床部１０Ｃと対向する面で保持される。

そして、当該変形例の発振装置は、第２の振動部材５０を有する。第２の振動部材５０は、板状の振動膜である。第２の振動部材５０は例えばＰＥＴフィルムやポリエチレンフィルム等で構成することができる。第２の振動部材５０は側壁部３０Ｂに保持され、第１の振動部材１０の天井部１０Ａと接続している。具体的には、第２の振動部材５０は、天井部１０Ａの床部１０Ｃと対向しない面と接合する。このため、天井部１０Ａが振動すると、それに起因して、第２の振動部材５０が振動する。

なお、側壁部３０Ｂが第２の振動部材５０を保持する手段は特段制限されず、エポキシ接着剤等の接着剤を用いて実現することができる。

また、第２の振動部材５０と天井部１０Ａとを接続する手段は特段制限されず、エポキシ接着剤等の接着剤を用いて実現することができる。

以上説明した本実施形態の発振装置は、例えば電気音響変換器として利用でき、例えば携帯電話等の様々な電子機器に利用することができる。

次に、本実施形態の作用効果について説明する。

本実施形態の発振装置は、圧電素子２０、第１の振動部材１０、弾性部材４０、支持部材３０を含んで構成される。図１及び２で示されるように、第１の振動部材１０は、発振装置の厚み方向（図１の上下方向）に撓む第１の梁部１０Ｂを有し、床部１０Ｃが弾性部材４０を介して直接に支持部材３０に接合されている。

そして、圧電素子２０に電圧が加わり、電界が付与され、圧電素子２０が伸縮運動を行うと、これに起因して、第１の梁部１０Ｂが弾性変形する。この第１の梁部１０Ｂの弾性変形により、第１の振動部材１０は、天井部１０Ａと床部１０Ｃとが互いに近づき（互いに遠ざかる場合もある）、その後、元に戻る振動動作（第１の振動動作）を行う。また、圧電素子２０の伸縮運動に起因して、弾性部材４０が弾性変形する。この弾性部材４０の弾性変形により、第１の振動部材１０は、支持部材３０の平坦部３０Ａに近づき（遠ざかる場合もある）、その後、元に戻る振動動作（第２の振動動作）を行う。

第１の振動動作の振動方向と、第２の振動動作の振動方向は略一致する。すなわち、いずれの振動動作に基づいても、第１の振動部材１０の天井部１０Ａは、支持部材３０の平坦部３０Ａに近づき、また、遠ざかるような振動（図１中、上下方向の振動）を行うこととなる。このため、第１の振動動作と第２の振動動作を足し合わせることで、第１の振動部材１０の振動、具体的には天井部１０Ａの振動を拡大させることができる。発振装置の厚み方向（図１の上下方向）のストロークを拡大させることで、圧電素子からの振動伝播を拡大させることが可能となり、その音圧レベルは向上する。

また、弾性部材４０は樹脂材料で構成することができる。かかる場合、弾性部材４０は、圧電素子の機械Ｑを低減する減衰材料としての機能を果たす。また、上述の通り、弾性部材４０の感性と復元力を利用することで、弾性部材４０は振動拡大機構の役割を果たす。

すなわち、本実施形態の発振装置によれば、振動の増幅及び機械Ｑの低減を実現できるので、結果、高い音圧レベルと、平坦な周波数音圧特性を実現させることが可能となる。

より詳細に説明する。圧電素子２０に電圧を印加すると、圧電素子２０は伸縮運動を行う。圧電素子２０からの振動は第１の振動部材１０の天井部１０Ａを介して床部１０Ｃに伝わり、床部１０Ｃに応力を集中させる。ここで、床部１０Ｃは内部損失の大きい弾性部材４０を介して、支持部材３０に接続しているため、発振装置の機械Ｑが低減し、音圧周波数特性の平坦化が実現される。

また、落下時の衝撃を、第１の振動部材１０の第１の梁部１０Ｂや、弾性部材４０にて吸収することができ、信頼性も向上する。

このため、本実施形態の発振装置を電気音響変換器として用いた場合、従来の圧電型変換器に比べ、高い音圧レベルと、平坦な周波数特性を実現することができる。また、本実施形態の発振装置は、衝撃安定性も優れ、高い信頼性を有するため、その工業価値は大きい。

なお、本実施形態の発振装置の発振周波数は特に限定されず、例えば、２０ｋＨｚ以上の超音波を発振させることができる。すなわち、パラメトリックスピーカの駆動源として利用することができる。

ここで、図４は、周波数と音圧レベルの関係を示すグラフである。実施例１は図３の構造の発振装置であり、比較例１は図５の構造の発振装置である。

比較例１は、一般的な圧電アクチュエータであり、支持部材３と振動部材５と圧電素子２とを有する。支持部材３は、実施例１の支持部材３０と同じ構成であり、平坦部３Ａと側壁部３Ｂとを有する。振動部材５は、実施例１の第２の振動部材５０と同じ構成である。圧電素子２は、実施例１の圧電素子２０と同じ構成であるが、第２の振動部材５０に直接接合している。

図４より、実施例１は比較例１に比べて、高い音圧レベルを実現するとともに、平坦な音圧周波数特性を実現していることが分かる。

１０ 第１の振動部材
１０Ａ 天井部
１０Ｂ 第１の梁部
１０Ｃ 床部
１１Ｃ 外周部
１２Ｃ 中心島部
１３Ｃ 第２の梁部
２０ 圧電素子
３０ 支持部材
３０Ａ 平坦部
３０Ｂ 側壁部
４０ 弾性部材
５０ 第２の振動部材

Claims (7)

1. 天井部と、平面視で前記天井部と重なるとともに、前記天井部から離れて位置する床部と、前記天井部及び前記床部を繋いでおり、かつ、弾性を有する第１の梁部と、を有する第１の振動部材と、
   前記第１の振動部材の前記天井部に保持されている圧電素子と、
   第１の面が前記床部と対峙する状態で前記第１の振動部材を支持する支持部材と、
   前記第１の面と前記床部との間に位置する弾性部材と、
   を有する発振装置。
2. 請求項１に記載の発振装置において、
   前記床部は、開口部を有する発振装置。
3. 請求項２に記載の発振装置において、
   前記床部は、中心島部と、一定の隙間を挟んで前記中心島部を取り囲む外周部と、前記中心島部と前記外周部とを接続する複数の第２の梁部と、を有する発振装置。
4. 請求項３に記載の発振装置において、
   前記弾性部材は、前記外周部と前記第１の面の間に位置するとともに、前記中心島部と前記第１の面の間に位置する発振装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の発振装置において、
   前記弾性部材は、樹脂材料で形成されている発振装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の発振装置において、
   前記支持部材は、前記第１の面から前記第１の振動部材が位置する側に延伸するとともに、前記第１の振動部材を取り囲むように構成された側壁部をさらに有し、
   前記圧電素子は、前記天井部の前記床部と対向する面で保持されており、
   前記側壁部に保持され、前記第１の振動部材の前記天井部と接合している板状の第２の振動部材を有する発振装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の発振装置を有する電子機器。

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