JP2017034634A - 圧電モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】さらなる小型化を図ることができる圧電モジュールを提供する。【解決手段】本発明に係る圧電モジュール１は、共振点を送信する信号の周波数帯域から外すことで、そのような信号伝達距離の短縮を回避して、通信の安定性向上が図られている上、共鳴空間が設けられていないためにさらなる小型化を容易に図ることができる。【選択図】図１
Description
本発明は、音波信号を送信する圧電モジュールに関する。
従来より、発音部品である既存のスピーカと、携帯電話等の端末に搭載されているマイクとを利用して、空気を媒体として端末に信号を送信する通信方法が知られている。（下記特許文献１等）
上記通信方法の応用として、最近では、テレビのスピーカから番組情報のデータを送信したり、小型のヘルスケア装置から数メートル程度の距離だけデータを送信したりする応用が考えられている。
ところが、上記通信方法での利用が考えられている一般的なスピーカはダイナミック型が主であり、このダイナミック型スピーカでは、小型化や軽量化、省電力化が非常に困難である。
そのため、発音部品の小型化に際しては、下記特許文献２に開示されているような、ダイナミック型スピーカに比べて小型化や軽量化、省電力化が容易な圧電モジュールが好適である。小型の圧電モジュールとしては、たとえば、１３ｍｍ径以下、８ｍｍ高さ以下のケース寸法を実現することができる。
このような圧電モジュールにおいては、１６〜２０ｋＨｚの周波数帯域が近距離送信に適しており、１６ｋＨｚより低い周波数では音が聞こえ易くなるために通信に向かず、また、２０ｋＨｚより高い周波数ではデータ送信速度が遅くなってしまい、データ通信には不向きである。
しかしながら、発音部品として上述の小型の圧電モジュールを採用した場合、１６〜２０ｋＨｚの周波数帯域において、一部の信号が、所定の距離（近距離）に位置する受信用マイクまで届かないという不安定な通信状態になることがあった。
発明者らは、この通信の安定性について鋭意検討し、その原因が圧電モジュールの共振点に関係していることを見出した。すなわち、圧電モジュールの共振点が送信する信号の周波数帯域にあるときに、その共振点において、信号伝達距離が著しく短縮されることを見出した。そこで、共振点を送信する信号の周波数帯域から外すことで、そのような信号伝達距離の短縮を回避して、通信の安定性向上を図る技術を提案した。（下記特許文献３参照。）
ただし、圧電モジュールの共鳴空間は、圧電モジュールのさらなる小型化を阻害するため、共鳴空間を有しない圧電モジュールが望まれている。
そこで、本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、さらなる小型化を図ることができる圧電モジュールを提供することを目的とする。
本発明の一側面に係る圧電モジュールは、音波信号を送信する圧電モジュールであって、互いに重なり合う真円板状の圧電素子および振動板を有する圧電振動板と、圧電振動板に設けられ、圧電素子と電気的に接続される一対の端子と、布状部材と、該布状部材の両面に形成された粘着材とを有する伝達部材と、伝達部材を介して、圧電振動板が密着状態で貼付された発振部材とを備え、信号の周波数範囲に圧電モジュールの共振点がない。
上記圧電モジュールにおいては、共振点を送信する信号の周波数帯域から外すことで、そのような信号伝達距離の短縮を回避して、通信の安定性向上が図られている上、共鳴空間が設けられていないためにさらなる小型化を容易に図ることができる。
本発明の種々の側面は、さらなる小型化を図ることができる圧電モジュールを提供することを目的とする。
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
本発明に係る圧電モジュールは、空気を媒体とする音波信号を発信する装置であり、たとえば０．１ｍ〜２ｍ程度の近距離通信において使用される。
図１に示すように、圧電モジュール１は、発振部材１０に、伝達部材２０を介して、圧電振動板３０が貼付された構成を有している。
発振部材１０は、音波信号を発する部分である。図１に示した発振部材１０は、均一厚さを有する板状部分を有しているが、発振部材１０の形状は、音波信号を出力可能な形状であれば特に限定されない。また、発振部材１０の構成材料は、実用上十分に振動する材料であれば特に限定されず、たとえばポリカーボネイト等を採用することができる。発振部材１０の板状部分の厚さＤ１０はたとえば０．３〜１ｍｍであり、後述する圧電素子３４の厚さより厚く設計されている。
圧電振動板３０は、振動板３２および圧電素子３４を備える円板状の部材である。なお、振動板３２と圧電素子３４とは、図示しない薄い接着剤層を介して接続されている。
振動板３２は、真円状の板状体であり、厚さＤ３２はたとえば０．０８〜１．２ｍｍ、直径はたとえば１０．７ｍｍである。振動板３２は、金属等の導電材料で構成されており、たとえば黄銅で構成されている。
圧電素子３４は、振動板３２よりも径が小さい真円板状を有しており、振動板３２と重なっている。具体的には、圧電素子３４と振動板３２とは同心円状に互いに重なり合っている。圧電素子３４は、一例として、厚さＤ３４が０．２４ｍｍであり、直径はたとえば９ｍｍである。圧電素子３４は、圧電材料で構成された素子本体３６（一例として、厚さ０．１ｍｍ）と、素子本体３６をサンドイッチ状に挟む一対の電極膜３８Ａ、３８Ｂ（一例として、厚さ０．０７ｍｍ）とで構成されている。なお、圧電素子２４は、図１に示す単板タイプに限らず、圧電層と内部電極層とが交互に積層された積層タイプであってもよい。なお、圧電素子３４は振動板３２と必ずしも同心円状に重なる必要はなく、たとえば後述の端子４０Ａの形成領域を十分に確保するために、圧電素子３４の中心が振動板３２の中心からずれた状態で互いに重ねあわせてもよい。
圧電振動板３０は、圧電素子３４に電圧を印加するための端子４０Ａ、４０Ｂをさらに備えている。端子４０Ａは、振動板３２の圧電素子３４側の表面（より詳しくは、該表面の圧電素子３４が配置された領域の残余領域）に設けられている。すなわち、端子４０Ａは、導電性を有する振動板３２を介して、圧電素子３４の振動板３２側の電極膜３８Ａと電気的に接続されている。端子４０Ｂは、圧電素子３４の振動板３２側とは反対側の電極膜３８Ｂに直接設けられており、電極膜３８Ｂと電気的に接続されている。一対の端子４０Ａ、４０Ｂにはそれぞれ、図示しない電源に接続されるリード線５０Ａ、５０Ｂが取り付けられている。
伝達部材２０は、発振部材１０と圧電振動板３０との間において両者を密着させる部材である。伝達部材２０は、発振部材１０の一方面１０ａと密着するとともに、圧電振動板３０の振動板３２に密着している。伝達部材２０は、布状部材２１を基材としてその両面に粘着材２２Ａ、２２Ｂが設けられたシート状の部材である。伝達部材２０の厚さＤ２０は、たとえば１．２〜１．６ｍｍである。また、伝達部材２０は、図１に示すように、圧電振動板３０の載置領域（いわゆるフットプリント）よりも広い領域に設けられており、圧電振動板３０を載置領域の全域において発振部材１０と密着させている。
伝達部材２０の布状部材２１は、たとえばセルロース繊維の不織布である。伝達部材２０の粘着材２２Ａ、２２Ｂは、たとえばアクリル系粘着剤で構成されている。伝達部材２０は、圧電振動板３０の振動を発振部材１０まで伝えるために、振動の伝達に適した範囲の硬度を有する材料で構成される。たとえばシリコーン樹脂は、固着時の硬度が低すぎて振動を吸収するため、伝達部材２０に用いることができない。一方、エポキシ樹脂は、固着時の硬度が高すぎて振動が伝播しにくいため、やはり伝達部材２０に用いることができない。
上述した圧電モジュール１においては、一対の端子４０Ａ、４０Ｂ間に電圧の向きが交互に変わる信号（交流電圧）を入力すると、圧電素子３４が面方向に伸縮する。そして、圧電素子３４の伸縮に起因する振動が発振部材１０に伝達され、発振部材１０が他方面１０ｂから所定周波数の音波を発する。なお、圧電素子３４が真円板状であるため、基本周波数（一次振幅モード）の共振のみ生じる。真円板状以外の形状（四角形板状等）を有する圧電素子では、一次振幅モード以外の共振が生じてしまう。
次に、上述した圧電モジュール１の共振点について、図２および図３を参照しつつ説明する。
圧電モジュール１の共振点（共振周波数（ｆｒ）および反共振周波数（ｆａ））は、図２に示すような共振周波数近傍の等価回路に基づき、以下のように表すことができる。
図２および上記２式において、Ｌ１は直列インダクタンス、Ｃ１は直列容量、Ｃ０は並列容量、Ｒ１は直列抵抗を示している。
そして、圧電モジュール１の共振周波数（ｆｒ）および反共振周波数（ｆａ）を実際に求める場合には、圧電モジュール１の端子対４０Ａ、４０Ｂにインピーダンスアナライザを接続して、周波数を掃引し、インピーダンスと位相を測定して共振点を割り出す。インピーダンスアナライザとしては、たとえばヒューレットパッカード社製４１９４を用いることができる。
図３は、圧電モジュール１のインピーダンス特性を示すグラフであり、グラフ中に共振点ｆｒ、ｆａを示している。このグラフに示すように、圧電モジュール１には、発振部材１０、伝達部材２０、圧電振動板３０、端子対４０Ａ、４０Ｂ等の構成部品に起因する複数の共振点ｆｒ、ｆａが存在している。
圧電モジュール１は、送信する信号の周波数範囲として、図３においてドットで示した１８ｋＨｚ近傍の周波数帯域（より具体的には、１６ｋＨｚ〜２０ｋＨｚ帯域）が用いられる。圧電モジュール１においては、１６〜２０ｋＨｚの周波数帯域が近距離送信に適しており、１６ｋＨｚより低い周波数では音が聞こえ易くなるために通信に向かず、また、２０ｋＨｚより高い周波数ではデータ送信速度が遅くなってしまい、データ通信には不向きである。
そして、圧電モジュール１においては、１６〜２０ｋＨｚの周波数帯域に圧電モジュール１のいずれの共振点ｆｒ、ｆａも存在してない。これは、圧電モジュールの共振点ｆｒ、ｆａのいずれかが、送信する信号の周波数帯域にあるときに、その共振点において、信号伝達距離が著しく短縮されるとの知見に基づくものである。これは、圧電モジュールの音響信号を送信するエネルギーが、圧電モジュールの共振エネルギーに費やされるために、その信号伝達距離が短縮されるものと考えられる。
そこで、圧電モジュール１のいずれの共振点ｆｒ、ｆａも、送信する信号の周波数帯域である１８ｋＨｚ近傍の周波数帯域から外すことで、共振点で生じる信号伝達距離の短縮を回避している。すなわち、圧電モジュール１においては、送信する信号の周波数帯域の全域において、信号伝達距離の短縮がないため、設計どおりの距離において確実に通信することができ、通信の高い安定性が実現されている。
以上において説明したとおり、圧電モジュール１においては、共振点を送信する信号の周波数帯域から外すことで、そのような信号伝達距離の短縮を回避して、通信の安定性向上が図られている。その上、圧電モジュール１は、共鳴空間を設けずに音波信号が発信される構成であるため、共鳴空間に阻害されることなく、さらなる小型化を容易に図ることができる。
１…圧電モジュール、１０…発振部材、２０…伝達部材、２１…布状部材、２２Ａ、２２Ｂ…粘着材、３０…圧電振動板、３２…振動板、３４…圧電素子、４０Ａ、４０Ｂ…端子。
Claims (1)
- 音波信号を送信する圧電モジュールであって、
互いに重なり合う真円板状の圧電素子および振動板を有する圧電振動板と、
前記圧電振動板に設けられ、前記圧電素子と電気的に接続される一対の端子と、
布状部材と、該布状部材の両面に形成された粘着材とを有する伝達部材と、
前記伝達部材を介して、前記圧電振動板が密着状態で貼付された発振部材と
を備え、
前記信号の周波数範囲に圧電モジュールの共振点がない、圧電モジュール。
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