JP2014003572A - 発振装置及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】指向性制御が可能であり、かつ、消費電力を低減可能な発振装置。
【解決手段】平面視で互いに重なるように配置された複数の圧電素子１１ａ乃至１１ｃと、隣り合う圧電素子１１ａ乃至１１ｃの間に配置され、当該圧電素子１１ａ乃至１１ｃと接合した圧電フィルム２１ａ及び２１ｂと、圧電フィルム２１ａ及び２１ｂの縁を保持している枠材３０と、を有し、複数の圧電素子１１ａ乃至１１ｃの中には、互いに異なる共振周波数を持つものが含まれる発振装置。
【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、電気音響変換器などの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。特許文献１に、関連する技術が開示されている。

特開２０１１−１１４５９７号公報

携帯端末が情報端末として利用する昨今の状況においては、プライバシー保護の観点から、ユーザのみにしか聴こえないプライベートサウンドへの要望が大きい。すなわち、小型薄型の発振装置で、プライベートサウンドを実現する手段が求められている。これらの要望を解決する手段として、超音波を利用したパラメトリックスピーカが開発されているが、携帯電話への実用化に大きな課題がある。

第一に、消費電力の問題である。一般的に、超音波を発振する振動には圧電振動子が用いられる。この圧電素子のインピーダンスについては、周波数が高域にシフトすることで増加する。このため、超音波を発振する際には消費電力が増大する。一方、音波の指向性についても高帯域でシフトするほど高くなる傾向にあり、プライバシー音源の実現にはより高い周波数を利用することが好ましい。このため、パラメトリックスピーカにおいて、音響特性と消費電力はトレードオフの関係にある。

第二の課題は、音波の干渉による音圧劣化である。パラメトリックスピーカでは、指向性を絞り込むために、フェーズドアレイ法により複数の振動子から音波を放射する。複数の振動子が隣接して配置されるため放射面近傍で音波が干渉し、キャンセリングなどによりエネルギーロスを起こすほか、指向性制御が困難となる。

このため、指向性制御が可能であり、かつ、消費電力を低減可能な発振装置が望まれている。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、
平面視で互いに重なるように配置された複数の圧電素子と、
隣り合う前記圧電素子の間に配置され、当該圧電素子と接合した圧電フィルムと、
前記圧電フィルムの縁を保持している枠材と、を有し、
複数の前記圧電素子の中には、互いに異なる共振周波数を持つものが含まれ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、指向性制御が可能であり、かつ、消費電力を低減可能な発振装置が実現される。

本実施形態の発振装置の断面模式図の一例である。 図１の発振装置を上下方向に分解した斜視図である。なお、電極層４１ａ乃至４１ｆは省略してある。 本実施形態の発振装置の断面模式図の他の一例である。 比較例１の発振装置を示す図である。 周波数と音圧レベルの関係を示すグラフである。

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、複数の圧電素子１１ａ乃至１１ｃと、複数の圧電フィルム２１ａ及び２１ｂと、枠材３０とを有する。複数の圧電素子１１ａ乃至１１ｃ各々の両面には、電極層４１ａ乃至４１ｆが位置する。なお、オンオフ制御部１００をさらに有することができる。

図２に、図１の発振装置を上下方向に分解した斜視図を示す。電極層４１ａ乃至４１ｆ、及び、オンオフ制御部１００は省略してある。

圧電素子１１ａ乃至１１ｃ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。なお、本実施形態でいう「圧電素子」は、フィルム状に形成された素子、いわゆる圧電フィルムを除く概念である。複数の圧電素子１１ａ乃至１１ｃは、平面視で互いに重なるように配置されている。なお、図１及び２に示す発振装置は、３つの圧電素子１１ａ乃至１１ｃを有するが、圧電素子の数はこれに限定されない。

複数の圧電素子１１ａ乃至１１ｃの中には、互いに異なる基本共振周波数を持つものが含まれる。図１及び２に示す例では、複数の圧電素子１１ａ乃至１１ｃの平面形状は円で共通であるが、その大きさは互いに異なる。このような構成により、複数の圧電素子１１ａ乃至１１ｃが互いに異なる基本共振周波数を持つ構成を実現している。なお、図１及び２に示す例において、複数の圧電素子１１ａ乃至１１ｃの平面形状を、三角形、四角形、その他の多角形、楕円形等のその他の形状としてもよい。また、複数の圧電素子１１ａ乃至１１ｃの平面形状が互いに異なるように構成することで、複数の圧電素子１１ａ乃至１１が互いに異なる共振周波数を持つ構成を実現してもよい。さらに、複数の圧電素子１１ａ乃至１１ｃの中に、平面形状が互いに異なるもの、及び、平面形状は同じであるが大きさが互いに異なるものが混在するように構成することで、複数の圧電素子１１ａ乃至１１ｃが互いに異なる共振周波数を持つ構成を実現してもよい。

なお、図１及び２に示す例では、複数の圧電素子１１ａ乃至１１ｃの中には互いに異なる共振周波数を持つもののみが含まれているが、互いに同じ共振周波数をもつものが含まれてもよい。当該例は、図３を用いて以下で説明する。

図１及び２に示す例では、平面形状が円である複数の圧電素子１１ａ乃至１１ｃが、平面視で互いの円の中心が重なるように配置されている。

圧電フィルム２１ａ及び２１ｂは、圧電効果、電歪効果を有する樹脂材料により形成されたフィルムである。この樹脂材料は、例えばポリフッ化ビニリデンである。ただし、圧電フィルム２１ａ及び２１ｂは、他の樹脂材料、例えばポリビニルクロライド、ポリトリフルオロエチレンなどにより形成されてもよい。

圧電フィルム２１ａは、隣り合う圧電素子１１ａ及び１１ｂの間に配置され、これら圧電素子１１ａ及び１１ｂと接合している。また、圧電フィルム２１ｂは、隣り合う圧電素子１１ｂ及び１１ｃの間に配置され、これら圧電素子１１ｂ及び１１ｃと接合している。

図１及び２に示す例では、複数の圧電フィルム２１ａ及び２１ｂの平面形状はいずれも円であり、その大きさは同じである。なお、複数の圧電フィルム２１ａ及び２１ｂの平面形状の大きさは、複数の圧電素子１１ａ乃至１１ｃいずれの平面形状よりも大きい。そして、複数の圧電フィルム２１ａ及び２１ｂは、平面視で、互いの円の中心が重なるように配置されている。また、複数の圧電フィルム２１ａ及び２１ｂは、平面視で円の中心が複数の圧電素子１１ａ乃至１１ｃの円の中心と重なるように配置されている。複数の圧電素子１１ｂ及び１１ｃはいずれも、平面視で、複数の圧電フィルム２１ａ及び２１ｂ各々に内包される。

なお、複数の圧電フィルム２１ａ及び２１ｂの平面形状は円に限定されず、三角形、四角形、その他の多角形、楕円形等のその他の形状としてもよい。複数の圧電フィルム２１ａ及び２１ｂの共振周波数は一致していてもよい。そして、複数の圧電フィルム２１ａ及び２１ｂの共振周波数は、複数の圧電素子１１ａ乃至１１ｃすべての共振周波数と異なっていてもよい。

圧電フィルム２１ａ及び２１ｂ各々が有する２つの平面（表面及び裏面）には、電極層４１ｂ乃至４１ｅが形成されている。電極層４１ｂ乃至４１ｅ各々は、複数の圧電素子１１ａ乃至１１ｃのいずれかと、圧電フィルム２１ａ及び２１ｂのいずれかとの間に位置し、複数の圧電素子１１ａ乃至１１ｃのいずれかと電気的に接続している。電極層４１ｂ乃至４１ｅの平面形状はいずれも円であり、その大きさは、圧電フィルム２１ａ及び２１ｂの平面形状の大きさと等しい。なお、電極層４１ｂ乃至４１ｅの平面形状及び大きさはこれに限定されない。

また、複数の圧電素子１１ａ乃至１１ｃのうち、重なり方向の最も外側に位置する２つの圧電素子１１ａ及び１１ｃの露出面（圧電フィルム２１ａ及び２１ｂと対峙しない面）には、電極層４１ａ及び４１ｆが形成されている。電極層４１ａ及び４１ｆは、各々、圧電素子１１ａ及び１１ｃと電気的に接続している。電極層４１ａの平面形状は円であり、その大きさは、圧電素子１１ａの露出面の大きさと等しい。また、電極層４１ｆの平面形状は円であり、その大きさは、圧電素子１１ｃの露出面の大きさと等しい。なお、電極層４１ａ及び４１ｆの平面形状及び大きさはこれに限定されない。

すなわち、複数の圧電素子１１ａ乃至１１ｃはいずれも、２つの平面（表面及び裏面）両方に電極層電極層４１ｂ乃至４１ｅが形成されている。また、複数の圧電フィルム２１ａ及び２１ｂはいずれも、２つの平面（表面及び裏面）両方に電極層電極層４１ｂ乃至４１ｅが形成されている。複数の圧電素子１１ａ乃至１１ｃと複数の圧電フィルム２１ａ及び２１ｂを、電極層４１ｂ乃至４１ｅを介して互いに接合する手段は特段制限されず、例えば導電性接着剤を用いて実現してもよい。

枠材３０は、複数の圧電フィルム２１ａ及び２１ｂの縁を保持する。枠材３０の平面形状は複数の圧電フィルム２１ａ及び２１ｂを内包可能なリング状である（図２参照）。枠材３０は、リング状の内部に複数の圧電フィルム２１ａ及び２１ｂが位置する状態で、複数の圧電フィルム２１ａ及び２１ｂを保持する。

枠材３０が複数の圧電フィルム２１ａ及び２１ｂを保持する手段は特段制限されず、例えば、エポキシ接着剤等の接着剤を用いて実現してもよい。

枠材３０は、例えば真鍮、ステンレス等の材料で構成される。

なお、複数の電極層４１ａ乃至４１ｆには配線が接続されている。そして、本実施形態の発振装置は、複数の圧電素子１１ａ乃至１１ｃ、及び、複数の圧電フィルム２１ａ及び２１ｂへのオン／オフを個別に制御するオンオフ制御部１００を有することができる。

オンオフ制御部１００は、複数の圧電素子１１ａ乃至１１ｃ、及び、複数の圧電フィルム２１ａ及び２１ｂへのオン／オフを個別に制御し、以下の（１）乃至（７）のいずれかの態様で発振させることができる。

（１）複数の圧電素子１１ａ乃至１１ｃのすべてを同時に振動させる。
（２）圧電素子１１ａ及び１１ｂのみを同時に振動させ、圧電素子１１ｃは振動させない。
（３）圧電素子１１ａ及び１１ｃのみを同時に振動させ、圧電素子１１ｂは振動させない。
（４）圧電素子１１ｂ及び１１ｃのみを同時に振動させ、圧電素子１１ａは振動させない。
（５）圧電素子１１ａのみを振動させ、圧電素子１１ｂ及び１１ｃは振動させない。
（６）圧電素子１１ｂのみを振動させ、圧電素子１１ａ及び１１ｃは振動させない。
（７）圧電素子１１ｃのみを振動させ、圧電素子１１ａ及び１１ｂは振動させない。
上記（１）乃至（７）いずれの態様においても、さらに、所定数の圧電フィルムをあわせて振動させることができる。なお、ここでの「振動させる」とは、電極層を介して圧電素子又は圧電フィルムに電圧を加え、電界を付与することで振動させることをいう。

図３は、本実施形態の発振装置の他の一例を示す断面模式図である。図示するように、当該例の発振装置は、５つの圧電素子１０ａ乃至１０ｅと、４つの圧電フィルム２０ａ乃至２０ｄと、枠材３０とを有する。５つの圧電素子１０ａ乃至１０ｅ各々の両面には、電極層４０ａ乃至４０ｊが位置する。なお、図示しないが、図１に示したオンオフ制御部１００をさらに有することができる。

図３に示す発振装置は、圧電素子、圧電フィルム、及び、電極層の数が、図１及び２に示す例と異なる。

また、図３に示す発振装置は、５つの圧電素子１０ａ乃至１０ｅの中に、互いに異なる共振周波数を持つもののみならず、互いに同じ共振周波数をもつものが含まれている点で、図１及び２に示す例と異なる。

すなわち、圧電素子１０ａと圧電素子１０ｅは互いに同じ共振周波数を持つが、他の圧電素子１０ｂ乃至１０ｄとは異なる共振周波数を持つ。また、圧電素子１０ｂと圧電素子１０ｄは互いに同じ共振周波数を持つが、他の圧電素子１０ａ、１０ｃ及び１０ｅとは異なる共振周波数を持つ。圧電素子１０ａ乃至１０ｅの平面形状はいずれも円で共通する。しかし、圧電素子１０ａと圧電素子１０ｅの平面形状の大きさは同じであるが、他の圧電素子１０ｂ乃至ｄの平面形状の大きさとは異なる。また、圧電素子１０ｂと圧電素子１０ｄの平面形状の大きさは同じであるが、他の圧電素子１０ａ、１０ｃ及び１０ｅの平面形状の大きさとは異なる。

また、図３に示す発振装置は、互いに重なるように配置された５つの圧電素子１０ａ乃至１０ｅが重なり方向の端に近づくほど平面形状が小さくなるよう配置されている点で、図１及び２に示す例と異なる。

すなわち、平面形状が最も大きい圧電素子１０ｃが真ん中に位置し、そこから重なり方向の端に近づくほど、平面形状が小さくなる。具体的には、圧電素子１０ｃ→圧電素子１０ｂ→圧電素子１０ａの順に、平面形状が小さくなっている。また、圧電素子１０ｃ→圧電素子１０ｄ→圧電素子ｅの順に、平面形状が小さくなっている。

図示しないオンオフ制御部は、５つの圧電素子１０ａ乃至１０ｅ、及び、４つの圧電フィルム２０ａ乃至２０ｄへのオン／オフを個別に制御し、以下の（１´）乃至（７´）のいずれかの態様で発振させることができる。

（１´）５つの圧電素子１０ａ乃至１０ｅのすべてを同時に振動させる。
（２´）圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｄ及び１０ｅのみを同時に振動させ、圧電素子１０ｃは振動させない。
（３´）圧電素子１０ａ、１０ｃ及び１０ｅのみを同時に振動させ、圧電素子１０ｂ及び１０ｄは振動させない。
（４´）圧電素子１０ｂ乃至１０ｄのみを同時に振動させ、圧電素子１０ａ、１０ｃ及び１０ｅは振動させない。
（５´）圧電素子１０ａ及び１０ｅのみを振動させ、圧電素子１０ｂ、１０ｃ及び１０ｄは振動させない。
（６´）圧電素子１０ｂ、１０ｃ及び１０ｄのみを振動させ、圧電素子１０ａ及び１０ｅは振動させない。
（７´）圧電素子１０ｃのみを振動させ、圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｄ及び１０ｅは振動させない。
上記（１´）乃至（７´）いずれの態様においても、さらに、所定数の圧電フィルムをあわせて振動させることができる。なお、ここでの「振動させる」とは、電極層を介して圧電素子又は圧電フィルムに電圧を加え、電界を付与することで振動させることをいう。

図３に示す発振装置のその他の構成は、図１及び２に示す発振装置の構成と同様である。よって、詳細な説明は省略する。

次に、本実施形態の作用効果について説明する。

本実施形態では、複数の圧電素子を、圧電フィルムを介して重ねて配置する。複数の圧電素子の中には、互いに異なる共振周波数を持つものが含まれる。例えば、複数の圧電素子の平面形状は円であり、複数の圧電素子は平面視で互いの円の中心が重なるように重ねて配置される。そして、複数の圧電素子の中には、平面形状の大きさが互いに異なるものが含まれる。また、圧電フィルムの共振周波数を、複数の圧電素子のいずれとも異なるものにすることができる。

このため、本実施形態の発振装置は、複数の周波数を持つ超音波を同時に発振させることができる。このように、複数の超音波を搬送波として音声信号を復調させることで（異なる帯域を持つ復調音の帯域を足し合わせることで）、復調音の帯域拡張が可能となる。

また、本実施形態では、例えばユーザによる任意の設定により、発振する周波数を変更することも可能である。すなわち、本実施形態の発振装置は、例えばユーザの設定に応じて、複数の圧電素子及び圧電フィルムへのオン／オフを個別に制御し、複数の発振態様（上記（1）乃至（７）、（１´）乃至（７´）参照）の中のいずれかで発振させることができる。

超音波の周波数と、消費電力との関係はトレードオフにある。利用するシーンに合わせた指向性を考慮して発振する周波数を決定し、複数の圧電素子及び圧電フィルムへのオン／オフを個別に制御することで実現される複数の発振態様のいずれかを設定することで、常に複数の圧電素子及び圧電フィルムのすべてをオンにして発振する場合に比べて、消費電力の低減が可能となる。また、必要な圧電素子及び圧電フィルムのみを発振させることで、音波の干渉を抑制し、キャンセリングなどによりエネルギーロスを低減できる。

また、本実施形態では圧電フィルムを介して圧電素子間を接合している。ここで圧電フィルムは、電歪効果を有する樹脂材料であり、ポリフッ化ビニリデン（PVDF（登録商標））などの材料を利用することができる。その機能は、圧電素子の振動時に同相で駆動することで、振動振幅量を増大させる役割を果たす。また、圧電素子に比べて、圧電フィルム自体が内部損失の大きい材料であるため、機械Ｑを低減させる効果を有する。通常、パラメトリックスピーカでは特定の周波数のみでの音波を再生するが、機械Ｑが高い圧電素子では製造上で共振周波数のバラツキ抑制をすることが困難であった。ここで、圧電フィルムにより機械Ｑを低減させることで、製造容易性を高めると同時に、振動振幅量も増大できる。

なお、本実施形態の発振装置では、２０ｋＨｚ以上の超音波を再生（発振）させることが望ましい。発振周波数を超音波帯域にすることで、発振装置の小型化を実現できると同時に、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。結果、ユーザの位置近傍にのみ限定されたプライバシー音源の実現が可能となる。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利用できる。

また、図３に示す発振装置のように、互いに重なるように配置された複数の圧電素子が重なり方向の端に近づくほど平面形状が小さくなるよう配置した場合、製造が容易になる等の優れた効果が得られる。

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することができる。本実施形態の発振装置はあらゆる電子機器に利用できるが、携帯用の小型電子機器に利用した場合、このような機器に生じ得る消費電力の問題を効果的に解決することができる。

ここで、図５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の構造の発振装置において複数の圧電素子のすべてを同時に発振させた場合のデータであり、実施例２は図１及び２の構造の発振装置において複数の圧電素子のすべてを同時に発振させた場合のデータである。比較例１は図４に示す構造の発振装置において複数の圧電素子のすべてを同時に発振させた場合のデータである。比較例１は、実施例２において、圧電フィルム２１ａ及び２１ｂの代わりにリン青銅の金属板１０２ａ及び１０２ｂを用いたものである。比較例１のその他の構成（枠材１０３、圧電素子１０１ａ乃至１０１ｃ等）は、実施例２と同様である。

図５より、実施例１及び実施例２は、比較例１よりも高い音圧が得られていることが分かる。また、実施例２は、広い周波数帯域で高い音圧が得られていることが分かる。

１０ａ乃至１０ｅ 圧電素子
１１ａ乃至１１ｃ 圧電素子
２０ａ乃至２０ｄ 圧電フィルム
２１ａ及び２１ｂ 圧電フィルム
３０ 枠材
４０ａ乃至４０ｊ 電極層
４１ａ乃至４１ｆ 電極層
１００ オンオフ制御部

Claims (7)

1. 平面視で互いに重なるように配置された複数の圧電素子と、
   隣り合う前記圧電素子の間に配置され、当該圧電素子と接合した圧電フィルムと、
   前記圧電フィルムの縁を保持している枠材と、を有し、
   複数の前記圧電素子の中には、互いに異なる共振周波数を持つものが含まれる発振装置。
2. 請求項１に記載の発振装置において、
   複数の前記圧電素子の平面形状は円であり、
   複数の前記圧電素子の中には、平面形状の大きさが互いに異なるものが含まれる発振装置。
3. 請求項２に記載の発振装置において、
   複数の前記圧電素子は、平面視で互いの円の中心が重なるように配置されている発振装置。
4. 請求項２または３に記載の発振装置において、
   互いに重なるように配置された複数の前記圧電素子は、重なり方向の端に近づくほど平面形状が小さくなるよう配置されている発振装置。
5. 請求項１に記載の発振装置において、
   複数の前記圧電素子の中には、平面形状が互いに異なるものが含まれる発振装置。
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、
   前記圧電フィルムの共振周波数は、複数の前記圧電素子すべての共振周波数と異なる発振装置。
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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