JP5482621B2 - 発振装置および電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、圧電振動子を備えた発振装置に関し、特に、弾性振動板に圧電振動子が装着されている発振装置、この発振装置を有する電子機器、に関する。

近年、携帯電話機やノート型コンピュータなどの携帯型の電子機器の需要が拡大している。このような電子機器では、テレビ電話や動画再生、ハンズフリー電話などの音響機能を商品価値とした薄型の携帯端末の開発が進められている。このような開発の中、発振装置である電気音響変換器(スピーカ装置)に対して、高音質でかつ小型・薄型化への要求が高まっている。

動電型の電気音響変換器において薄型化を実現するには、その構成部品である永久磁石とボイスコイルの薄型化が必要であるが、音響特性や信頼性を考慮した場合、現実的な手法ではない。磁気回路の動作原理では、駆動力は磁束密度と電流に依存する。永久磁石を薄型化した場合、磁束が著しく低下し、音響特性の劣化を招く。また、電流駆動である動電型変換器において、ボイスコイルを細線化した場合は、大電流の消費によりコイル線が焼損する問題点が生じる可能性がある。

さらに、磁石の材質を変更して、磁束を高める手法もあるが、現状のネオジウム磁石に変わる磁性材料が未だに開発されていない状況であり、仮に新材料は開発されても、実用性や信頼性、コストなど電子機器用部品の材料として課題がある。動電型の電気音響変換器の薄型化が困難である中、小型薄型の電気音響変換器を実現する手段として、圧電効果により電気エネルギを機械エネルギに変換する圧電型の電気音響変換器がある。

圧電型の電気音響変換器は、セラミック素材の圧電効果を利用して、電気信号の入力による電歪作用により、振動振幅を発生させるものである。上下層を電極材料で拘束されたセラミック自体が振動し、これが駆動源として機能するため、磁石やボイスコイルが不要で、薄型化に優位である。

例えば、特許文献１、２には、圧電振動子を電気音響変換器として使用することが記載されている。また、圧電振動子を用いた発振装置の他の例としては、スピーカ装置のほか、圧電振動子から発振された音波を用いて対象物までの距離などを検出する音波センサ(特許文献３を参照)など、種々の電子機器が知られている。

再表２００７−０２６７３６号公報 再表２００７−０８３４９７号公報 特開平３−２７０２８２号公報

しかしながら、圧電振動子の電気音響変換器は、内部損失が低いセラミック材料を振動源とするため、有機フィルムを通して振幅を発生させる動電型の電気音響変換器に比べ、機械品質係数Ｑが高い傾向にある。例えば、動電型のＱは３〜５程度に対して、圧電型のＱは約５０程度となる。機械品質係数Ｑは共振時に先鋭度を示すため、要約すれは、圧電型の電気音響変換器では、基本共振周波数近傍では音圧が高く、それ以外の帯域では音圧が減衰することを意味する。例えば、基本共振周波数が１ｋＨｚの圧電型の電気音響変換器においては、次の共振モードが発生する高次共振周波数、例えば３〜５ｋＨｚまでの帯域で、音圧レベルは減衰する。

本発明は上述のような課題に鑑みてなされたものであり、音響特性のピークやディップが少なく、広帯域で大音量の音声を出力することができる発振装置を提供するものである。

本発明の発振装置は、電界の状態に応じて伸縮運動する圧電素子と、少なくとも表面に圧電素子が接合されている弾性部材と、弾性部材より低剛性で少なくとも表面に弾性部材が接合されている振動部材と、振動部材より高剛性で振動部材を支持して本体ハウジングに接合される支持体と、を有し、圧電素子と弾性部材と振動部材と支持体からなる電気音響変換器の基本共振周波数Ｆ(１)と第三次共振周波数Ｆ(３)と、本体ハウジングの基本共振周波数Ｆ(ａ)とが、
０．７×((Ｆ(１)＋Ｆ(３))／２)＜２×Ｆ(ａ)＜１．３×((Ｆ(１)＋Ｆ(３))／２)
または、
０．７×((Ｆ(１)＋Ｆ(３))／２)＜３×Ｆ(ａ)＜１．３×((Ｆ(１)＋Ｆ(３))／２)
を満足する。

本発明の第一の電子機器は、本発明の発振装置と、発振装置が装着される本体ハウジングと、本体ハウジングに装着された発振装置に可聴域の音波を出力させる発振駆動手段と、を有する。

本発明の第二の電子機器は、本発明の発振装置と、発振装置が装着される本体ハウジングと、本体ハウジングに装着された発振装置を駆動して超音波を出力させる発振駆動手段と、発振装置から発振されて測定対象物で反射した超音波を検知する超音波検知手段と、検知された超音波から測定対象物までの距離を算出する距離算出手段と、を有する。

本発明の発振装置では、圧電素子を拘束する弾性部材が低剛性な振動部材を介して支持体に接合されている。そして、電気音響変換器の音波と、電気音響変換器を実装する本体ハウジング振動を起因とする音波とが干渉するように調整されているため、広帯域で大音量の音声を出力することができる。

本発明の実施の第一の形態の発振装置である電気音響変換器の構造を示す模式的な縦断正面図である。 圧電素子の構造を示す模式的な縦断正面図である。 電気音響変換器の動作を示す模式的な縦断正面図である。 既存の電気音響変換器の構造を示す模式的な分解斜視図である。 既存の圧電型の電気音響変換器の振動の態様を示す特性図である。 電気音響変換器の振動の態様を示す特性図である。 電気音響変換器の構造を示す模式的な縦断正面図である。 電子機器の内部構造を示す模式的な縦断正面図である。 基本共振周波数(第一次共振周波数)と第三次共振周波数との音圧レベルを示す特性図である。 基本共振周波数以降に発生する高次の振動モードが互いに重なり合う状態を示す振動姿態図である。 第二次振動モードを示す振動姿態図である。 二次振動モードが重なり合う状態を示す振動姿態図である。 振動伝達関数を示す特性図である。 本体ハウジングの音響特性を示す特性図である。 本発明の実施の第二の形態の電気音響変換器の構造を示す模式的な縦断正面図である。 電気音響変換器の動作を示す模式図である。 本発明の実施の第三の形態の電気音響変換器の圧電素子の構造を示す分解斜視図である。 本発明の実施の形態の電子機器である携帯電話機の外観を示す模式的な正面図である。 本発明の実施の形態の電子機器であるパーソナルコンピュータの外観を示す模式的な正面図である。

[実施の第一の形態]
本発明の実施の第一の形態について図１ないし図１４を参照して以下に説明する。図１は、本実施の形態の電気音響変換器５０を示す縦断面図である。図１に示すように、本実施の形態の発振装置である圧電型の電気音響変換器５０は、電界の状態に応じて伸縮運動する圧電素子１０と、少なくとも表面に圧電素子１０が接合されている弾性部材２０と、弾性部材２０より低剛性で少なくとも表面に弾性部材２０が接合されている振動部材３０と、振動部材３０より高剛性で振動部材３０を支持して本体ハウジングに接合される支持体４５と、を有する。

そして、電気音響変換器５０の基本共振周波数Ｆ(１)と第三次共振周波数Ｆ(３)と、本体ハウジングの基本共振周波数Ｆ(ａ)とが、
[数１]
０．７×((Ｆ(１)＋Ｆ(３))／２)＜２×Ｆ(ａ)＜１．３×((Ｆ(１)＋Ｆ(３))／２)
または、
０．７×((Ｆ(１)＋Ｆ(３))／２)＜３×Ｆ(ａ)＜１．３×((Ｆ(１)＋Ｆ(３))／２)
を満足する。

より具体的には、本実施の形態の電気音響変換器５０は、圧電素子１０、弾性部材２０、振動部材３０、支持体４５、リード線１−ｅ、を有する。圧電素子１０は、片側の主面が弾性部材２０により拘束されており、弾性部材２０は振動部材３０を介して支持体４５に接合している。

また、リード線１−ｅは、圧電素子１０に電気信号を入力する役割を果たす。圧電素子１０は、電気エネルギを機械エネルギに変換し、電気音響変換器５０の振動源の役割を果たす。その構成は、図２で示されるように、圧電セラミック２−ｂの上下主面が上部／下部電極層２−ａ，２−ｃで拘束されている。圧電セラミック２−ｂは、圧力を加えることで生じるひずみに応じて、電圧が発生する現象である圧電効果を有している。

このように構成された圧電素子１０は、図２に示すように、上部電極層２−ａおよび下部電極層２−ｃに交流電圧が印加され交番的な電界が付与されると、図３で示されるように、その両主面１１、１２が同時に拡大または縮小するような、半径方向の伸縮運動(径拡がり運動)を行う。換言すれば、圧電セラミック２−ｂは、主面が拡大するような第一の変形モードと、主面が縮小するような第二の変形モードとを繰り返すような運動を行う。

弾性部材２０は、圧電素子１０の上記伸縮運動を図３で図示の上下方向の振動に変換する機能を有する。弾性部材２０は、弾性体(伸縮性のある材料)で構成されその材質としては、金属材料(例えばアルミ合金、リンセイ銅、チタン、またはチタン合金)や、樹脂材料(例えばエポキシ、アクリル、ポリイミド、またはポリカーボネート)など、圧電素子１０を構成するセラミック材料より低剛性の材料を広く用いることが可能である。

振動部材３０は、電気音響変換器５０の振動振幅を増大させるための膜部材であり、弾性部材２０よりも低剛性となっている。弾性部材２０と振動部材３０の材質の組合せとしては、例えば、弾性部材２０が金属材料で、振動部材３０が樹脂材料(例えば、ウレタン、ＰＥＴ、ポリエチレンなど)であってもよい。あるいは、弾性部材２０と振動部材３０とを同じ材質とし、振動部材３０の膜厚を相対的に薄くすることにより、振動部材３０が相対的に低剛性化されていてもよい。なお、振動部材３０は、上記の他にも紙やポリエチレンテレフタラート等であってもよい。振動部材３０の厚みは、樹脂材料の場合で例えば５μｍ以上５００μｍ以下であればよい。特に、振動部材３０が平らなシート材の場合、好ましくは３０μｍ以上１８０μｍ以下であってもよい。

ところで、電気音響変換器５０を音響素子として利用する場合、電気音響変換器５０の振動部に有機フィルム等を貼り付けて音が出るようにする構成が採られることが多い。これに対し、本実施の形態では、振幅を大きくするために設けた振動部材３０が、そのまま振動フィルムとしても機能する。つまり、振動部材３０は、既存の音響素子における振動フィルムとしての機能だけではなく、電気音響変換器５０の振動振幅を増大させる機能も併せ持つ。

支持体４５は例えば、電気音響変換器５０の本体ハウジングを構成する部材であり、その材質は特に限定されるものではなく、樹脂材料であってもよいし金属材料であってもよい。なお、圧電素子１０と弾性部材２０との接合、および、弾性部材２０と振動部材３０との接合には、例えば、エポキシ系接着剤を利用可能である。接着剤層の厚みは特に限定されるものではないが、あまりに厚すぎると接着剤層に吸収される振動エネルギが増大し十分な振動振幅が得られなくなる可能性もあるため、例えば、２０μｍ以下であることが好ましい。

以下に、図３を参照し、電気音響変換器５０の振動の発生メカニズムを説明する。まず、圧電素子１０に電圧が印加されていない中立の状態から圧電素子１０に所定の電圧(電界)を印加すると、図３(ａ)の矢印ｐに示すように、圧電素子１０は、その面積が広がる方向に変形する。

ここで、圧電素子１０の下面(主面１０ｂ)は弾性部材２０に拘束されているため、この拘束効果により、圧電素子１０の上面と下面との間に変形の量の差が生じ、その結果、図示するような凸型の変形モードとなる。この変形モードでは、圧電素子１０および弾性部材２０、さらには弾性部材２０を支持している振動部材３０が、図示上方に向かって凸型となるような、湾曲状態となっている。

続いて、圧電素子１０に上記とは逆の電界を印加すると、今度は圧電素子１０が、図３（ｂ）に示すように、その面積が減少する方向に変形する。弾性部材２０による拘束効果により、圧電素子１０の上面と下面との間に変形量の差が生じ、その結果、図示するような凹型の変形モードとなる。この変形モードでは、上記とは逆に、圧電素子１０、弾性部材２０、および振動部材３０が、図示下方に向かって凸となるような湾曲状態となっている。

本実施の形態の電気音響変換器５０は、上述のような凸型の変形モードと凹型の変形モードを交互に繰り返すことで、圧電素子１０、拘束部材２０、および振動部材３０が上下方向に振動する。

本実施の形態の電気音響変換器５０と既存の圧電型の電気音響変換器５５０(図４参照)とを対比すると、圧電素子１０，５１０の運動が弾性部材２０，５２４に伝達され、上下方向の振動が励起させられている点で両者は共通している。しかしながら、構成について見ると、本実施の形態の電気音響変換器５０は振動部材３０を介して弾性部材２０および圧電素子１０が支持されるようになっており、この点で両者は相違しており、この相違により下記のような作用効果が得られることとなる。

すなわち、振動部材３０は、弾性部材２０に比べて相対的に低剛性な部材で構成されていることから、より変形しやすいものとなっている。従って、本実施の形態の電気音響変換器５０によれば、弾性部材５２４の外周部が支持体５２７に直接支持される既存の構成に比べて、より大きな振動振幅が得られるようになる。また、本実施の形態の電気音響変換器５０において、振動部材３０は、水平方向に延在するように(すなわち圧電素子１０の主面と平行となるように)設けられている。従って、振動部材３０を追加したことによる電気音響変換器５０全体の大型化という問題も生じにくい。

また、本実施の形態では、円形の圧電素子１０を使用している。円形の圧電素子１０が径拡がり運動する際のエネルギ効率は、矩形素子と比較して高いため、同じ電圧を印加した場合、本構成の方がより大きな駆動力が得られることとなる。

そして、このような大きな駆動力が振動部材３０に伝搬することで、圧電型の電気音響変換器５０の振動量が増加する。また、円形素子の場合、その中心から周縁部までの距離が均一であることから、梁に振動を伝搬する際に生じる応力が均等に分散され、エネルギ効率が高まり、振幅が増大するという利点もある。また、圧電素子１０、弾性部材２０、および振動部材３０が同心円状の配置となっていることから、振動のうねり等も発生しにくいものとなっている。

次に、電気音響変換器５０の振動の態様と周波数特性との関係について説明する。圧電型の電気音響変換器５０を音響素子として利用すること自体は、前述した特許文献１〜３等にも開示されているところである。しかしながら、これらの文献における音響素子とは、ブザーやバイブレータを意図している。バイブレータとしてのみ用いるのであれば、単に音圧を向上させるだけでよいが、スピーカとして用いる場合には、その周波数特性までを考慮して圧電型の電気音響変換器５０の振動の態様を考える必要がある。

図５(ａ)は、図４に示したような、既存の圧電型の電気音響変換器５５０の振動の態様を示したものであり、図５(ｂ)は、電磁式の電気音響変換器(図示せず)の振動の態様を示したものである。

図５(ｂ)に示すように、既存の圧電型の電気音響変換器５５０では、中央の振幅が最大となるような屈曲型の振動態様となっている。これに対し、電磁式の電気音響変換器５５０では、一例として符号Ａ２０で示す中央領域がほぼ平坦な状態を保ったまま、この中央領域Ａ２０が図示上下方向に往復移動するようなピストン型の振動態様となっている。音響素子としての周波数特性を良好にするためには、振動の態様を少しでもピストン型に近づけることが望ましいことが知られている。

次に、屈曲型運動とピストン型運動の特徴について説明する。既存の圧電型の電気音響変換器で発生する屈曲型運動の振動姿態は、圧電セラミックの中心部が最大変位屈曲点になる山形であり、中心部では大振幅を得られるものの、固定端部近傍に近づくほど、変位は相対的に減衰していく。

これに対して、図６で示されるようにピストン運動の振動姿態は固定端部近傍に最大変位屈曲点を有する台形型で、固定端部近傍での振動が大きく立ち上がる特徴を持つ。これらの二つの振動姿態における振動変位量を比較すると、音響放射面内の最大振動量は屈曲型運動の方が、ピストン型運動に比べ優位であるが、音響放射面内の平均振動量は、固定端部での変位量が大きく、ピストン型運動の方が屈曲型運動に比べ優位となる。

なお、通常、音圧は放射面への体積排除量で定義されることから、平均振動量が大きい方が高く、音圧レベルの向上には、ピストン型の振動姿態を促進させることが好ましい。また、ピストン型運動と屈曲型運動は、平均変位量と最大変位量との割合で定義することができ、(平均振動量)／(最大振動量)で示される式で１に近づくほど、ピストン型姿態が促進されたことになる。

本実施の形態の電気音響変換器５０によれば、図７に示すように、弾性部材２０が貼り付けられた領域がＡ２０に対応する領域となっており、その外側が、見かけ上、領域Ａ２０よりも低剛性な(すなわちより変形しやすい)接続部領域Ａ３０となっている。このため、この接続部領域Ａ３０が相対的に大きな変形を示すこととなるため、全体としての振動の態様をピストン型により近づけることが可能となる。

さらに、弾性部材２０が貼り付けられる領域の周辺部である領域Ａ３０が低剛性な部材で構成されているということは、弾性部材２０を直に支持体４５に接続した既存の構成と比較して、振動板(弾性部材２０と振動部材３０との積層体を指す)の共振周波数が低くなることを意味する。そして、共振周波数が下がるということは、下記の通り、音響素子の周波数特性の改善につながる。

音響素子においては、通常、基本共振周波数以下の周波数で、かつ十分な大きさの音を出すのは比較的困難とされており、そのため、基本共振周波数以上の周波数帯のみを再生可能な音として利用する構成が採られることが多い。具体的には、圧電型の電気音響変換器５０の共振周波数が高周波数帯域(例えば２ｋＨｚ)にあるような場合、極単に言えば、音響素子は２ｋＨｚ以上の帯域の音しか発生できないこととなる。

他方、携帯電話機等で音楽等を再生する場合に必要な基本周波数帯域は１ｋ〜１０ｋＨｚであることが好ましい。よって、基本共振周波数が１ｋＨｚ以下である圧電型の電気音響変換器５０は携帯電話機等に好適であり、特に、本実施の形態のような小型化にも有利な電気音響変換器５０であればその利用価値は非常に高いものとなる。

ところが、圧電型の電気音響変換器５０では、圧電素子１０として剛性の高いセラミックを使用しているため振動部の共振周波数が高くなり、低音を出しにくいという性質があった。なお、素子サイズを大きくすることにより、圧電素子１０の見かけ上の剛性を低減させ共振周波数を下げることも考えられる。しかし、既述の通り、圧電型の電気音響変換器５０は例えば携帯電話機など小型の電子機器に搭載されることも多いことから、機器の大型化を防止する観点からしても、素子サイズを変えることなく低音を出やすくするように構成することが好ましい。

以上をまとめると、携帯電話機等においてより広い周波数帯域で音楽を再生するためには、圧電型の電気音響変換器５０の基本共振周波数をより低いところに設定することが重要であるといえる。そして、基本共振周波数をより低くするためには、振動板の剛性を下げることが有効である。

本実施の形態の電気音響変換器５０によれば、図３に示すように、弾性部材２０と支持体４５とを接続する部材が、弾性部材２０よりも低剛性な振動部材３０であることから、既存の構成と比較して共振周波数が低減する。その結果、本実施の形態の電気音響変換器５０は、広い周波数帯域で十分な振動振幅を得ることができるものとなり、良好な周波数特性を実現することが可能となる。

本実施の形態の圧電型の電気音響変換器５０は、上記の他にも、下記のような利点を持つ。まず、電気音響変換器５０の振動特性は、弾性部材２０の材料特性、形状、および振動部材３０の材料特性、形状を適宜変化させることによって容易に調整可能である。特に、弾性部材２０の形状や、振動部材３０の厚みの調整は、本体ハウジングのサイズ(支持体４５のサイズ)を変えることなく行うことができるため、支持体４５を共通部品として用いることができ、製造コストの低減にも有利である。

続いて、図８に示すように、電気音響変換器５０を電気機器の本体ハウジング１００に実装した際の問題点を以下に述べる。携帯電話などの携帯型電子機器においては、小型薄型化への要求が高い。このため、機器の薄型化促進のため、本体ハウジング１００の内部の空間体積の減少と、本体ハウジング１００の剛性が減少していく傾向にある。通常、図８で示すように、電子機器においては、音孔から音波を放射するため、電気音響変換器５０を本体ハウジング１００に直接接合していることから、本体ハウジング振動による音波を発生する。

従って、電気音響変換器５０の小型化や実装空間減少など大音量化に対する設計条件が制約される中、本体ハウジング１００の振動からの音波を利用して大音量化する手段が有望であると考えられる。しかしながら、動電型に比べて機械Ｑが高い圧電型の電気音響変換器５０では、共振周波数近傍での音圧レベルは他の帯域と比較して著しく高く、これと本体ハウジング１００の振動から音が干渉することで、さらに音圧ピークが拡大する問題点があった。

このため、圧電型の電気音響変換器５０を携帯機器へ実装する際は、本体ハウジング１００の振動をいかに抑制するかが開発の鍵となっていた。ところで、圧電型の電気音響変換器１００の振動モードと音響特性との関係を図９、図１０、図１１、図１２を参照して説明する。

図９で示されるように、基本共振周波数(第一次共振周波数)と第三次共振周波数との間の帯域で音圧レベルは大きく減衰する。これについては、図１０、図１１、図１２の振動姿態図を用いて説明する。圧電型の電気音響変換器５０の振動姿態は、図１０で示される基本共振周波数以降に発生する高次の振動モードが互いに重なり合うことで形成され、放射面内に上下逆の動きをする多数の振動モードが混在していく。

例えば、図１１で示される第二次振動モードでは、シーソ状の振動を行うため、音波は放射面内で打ち消される。そして、第二次振動モードが重なり合う図１２のような第三次振動モードでは、再び音波の放射量が拡大する。このため、第一次共振周波数と第三次共振周波数との間にある帯域では、音圧レベルが著しく減衰する。そこで、本実施の形態の電気音響変換器５０では、実装する本体ハウジング１００の二次高調波、三次高調波による本体ハウジング１００の振動を利用して、第一次共振周波数と第三次共振周波数との間にある帯域での音圧レベルを向上できる。

すなわち、電気音響変換器５０の鳴動時の振動が本体ハウジング１００に伝播し、本体ハウジング１００に振動が発生する。電気音響変換器５０に対して大面積である本体ハウジング１００の振動により発生する音圧は、電気音響変換器５０から発する音圧に比べ大きい。これは、電気音響変換器５０からの音圧を干渉させることで音圧レベルが増加するものである。図１３の振動伝達関数で示すように、基本共振周波数が５００Ｈｚの本体ハウジング１００では、１０００Ｈｚに二次高調波、１５００Ｈｚに三次高調波となる振動が発生する。

そこで、電気音響変換器５０の基本共振周波数Ｆ(１)と第三次共振周波数Ｆ(３)と、本体ハウジング１００の基本共振周波数Ｆ(ａ)とが、
[数２]
０．７×((Ｆ(１)＋Ｆ(３))／２)＜２×Ｆ(ａ)＜１．３×((Ｆ(１)＋Ｆ(３))／２)
または、
０．７×((Ｆ(１)＋Ｆ(３))／２)＜３×Ｆ(ａ)＜１．３×((Ｆ(１)＋Ｆ(３))／２)
を満足するように調整する。

すなわち、図１４で示されるように、本体ハウジング１００の高調波を起因とする本体ハウジング１００の振動からの音波とを干渉させることで、音響特性が向上するものである。また、本実施の形態の電気音響変換器５０では、基本共振周波数を、振動部材の材質・厚み・支持体と弾性部材間との距離によって容易に調整できる。

機械振動子の基本共振周波数ｆは、以下の数式で示される。
[数３]
ｆ＝１／(２πＬ√(ｍＣ))
なお、"ｍ"は質量、"Ｃ"はコンプライアンス、である。

このように、機械振動子の基本共振周波数は、負荷重量と、コンプライアンスに依存する。言い換えれば、コンプライアンスは振動子の機械剛性であるため、このことは振動部材の剛性を制御することで基本共振周波数を制御できることを意味する。例えば、弾性率の高い材料の選択や、材料の厚みを低減することで、基本共振周波数を低域にシフトさせることが可能となる。この一方で、弾性率の高い材料を選択することや、弾性材料の厚みを増加させることで基本共振周波数を高域にシフトさせることができる。

なお、従来の圧電型の電気音響変換器では、基本共振周波数を調整するのに、圧電材料の形状や変換器の面積などを変更する必要があった。しかしながら、本実施の形態の電気音響変換器では、基本構造の変更を伴わず、設計上の制約やコストに優位である。本発明のように、構成部材である弾性材料を変更することで所望の基本共振周波数に容易に調整できる、かつ本体ハウジング振動による音質劣化を回避できることから、工業上の価値は大きい。

本発明に係る電気音響変換器は、電子機器(例えば、携帯電話機、ラップトップ型パーソナルコンピュータ、小型ゲーム機器など)の音源としても利用可能である。従来の電気音響変換器に対して、振動部材の材質のみで基本共振周波数を調整できるため、電気音響変換器全体の形状が増加せず、音響特性が向上することから、携帯型の電子機器に対しても好適に利用することが可能である。

[実施の第二の形態]
本発明の実施の第二の形態を、図１５を参照し説明する。本実施の形態では、実施の第一の形態に対して、弾性部材２０を二個の圧電素子１０ａ，１０ｂで拘束していることが特徴である。

すなわち、二個の圧電素子１０ａ，１０ｂを利用したバイモルフ構造である。このバイモルフ型の圧電素子１０ａ，１０ｂは、図１６に示すように、分極方向を逆にした二枚の圧電セラミックを張り合わせ、一方を長手方向に伸ばし、もう一方を縮めることにより屈曲させることで、実施の第一の形態の一枚の圧電素子１０からなるユニモルフ構造に比べて、より大きな変位を得ることが可能となる。

なお、二個の圧電素子１０ａ，１０ｂについては、実施の第一の形態と同様の圧電性材料を使用することができる。また、二個の圧電素子１０ａ，１０ｂが互いに同一形状であっても、互いに異なる形状であってもよい。圧電素子１０ａ，１０ｂが互いに異なる形状の場合は、圧電形状に起因する二つの共振を生み出すことができ、音響特性の広帯域化を実現することが可能となる。また、二個の圧電素子１０ａ，１０ｂの一方に高周波、他方に低周波、の電界を印加してパラメトリックススピーカを実現することも可能である。

以上、本実施の形態に係る電気音響変換器は、電子機器(例えば、図１５および図１６に示すように、携帯電話機、ラップトップ型パーソナルコンピュータ、小型ゲーム機器など)の音源としても利用可能である。電気音響変換器全体の形状が増加せず、音響特性が向上することから、携帯型の電子機器に対しても好適に利用することが可能である。

[実施の第三の形態]
さらに、本発明の実施の第三の形態について図１７を参照して説明する。本実施の形態では、積層型の圧電素子から構成されている。図１７で示されるように、圧電素子は、圧電材料からなる圧電板１３ａ〜１３ｅが５層に積層された多層構造である。圧電板同士の間には電極層(導体層)１４ａ〜１４ｄが一層ずつ形成されている。各圧電板１３ａ〜１３ｅの分極方向は一層ごとに逆向きとなっており、また、電界の向きも交互に逆向きとなるように構成されている。このような積層構造の圧電素子によれば、電極層間に生じる電界強度が高いため、圧電板の積層数に応じた分だけ、圧電素子全体としての駆動力が向上する。

[実施の第四の形態]
本発明の実施の第四の形態について、以下に説明する。本実施の形態では、図３に示すように、正方形状の圧電素子１０から構成されている。このように圧電素子１０が矩形であったとしても、弾性部材２０が振動部材３０を介して支持体４５に接続されていることによる作用効果は上記同様にして得ることができる。矩形の圧電素子１０を用いることにより、円形状の圧電素子１０に比べて製造安定性やコストで優位である。すなわち、加工の際に、ライン上に切断すればよく、円形に比べ、デッドスペースもないため、材料を削減できる。

[発明の他の実施例]
本発明の電気音響変換器の特性評価を、以下、評価１〜評価５の評価項目で行った。

(評価１)共振周波数の測定：交流電圧１Ｖ入力時の基本共振周波数を測定した。また、音響特性より、第三次共振周波数を測定した。

(評価２)音圧レベル周波数特性の測定：交流電圧１Ｖ入力時の音圧レベルを、素子から所定距離だけ離れた位置に配置したマイクロホンにより測定した。なお、この所定距離は、特に明記しない限り１０ｃｍであり、周波数の測定範囲は１０Ｈｚ〜１０ｋＨｚとした。

(評価３)音圧レベル周波数特性の平坦性測定：交流電圧１Ｖ入力時の音圧レベルを、素子から所定距離だけ離れた位置に配置したマイクロホンにより測定した。周波数の測定範囲は１０Ｈｚ〜１０ｋＨｚとし、２ｋＨｚ〜１０ｋＨｚの測定範囲において、最大音圧レベルＰｍａｘと最小音圧レベルＰｍｉｎとの音圧レベル差により、音圧レベル周波数特性の平坦性を測定した。その結果、音圧レベル差(最大音圧レベルＰｍａｘと最小音圧レベルＰｍｉｎとの差のことを指す)が２０ｄＢ以内を○とし、２０ｄＢ以上を×とした。この所定距離は、特に明記しない限り１０ｃｍである。

(評価４)落下衝撃試験：電気音響変換器を搭載した携帯電話を５０ｃｍ直上から、５回自然落下させ、落下衝撃安定性試験を行った。具体的には、落下衝撃試験後の割れ等の破壊を目視で確認し、さらに、試験後の音圧特性を測定した。その結果、音圧レベル差(試験前の音圧レベルと試験後の音圧レベルとの差のことを指す)が３ｄＢ以内を○とし、３ｄＢ以上を×とした。

(評価５)本体ハウジングの共振周波数特性：インパルスハンマー法を用いて、本体ハウジングの中心部に加振を与え、加速センサを用いて、振動伝達関数を計測した。伝達関数を分析し、最大の振動速度を示す周波数を本体ハウジングの基本共振周波数とした。

[実施例１]
本発明の実施の第一の形態で記載した電気音響変換器を、図１８の携帯電話に実装し、特性評価を実施した。評価結果は以下の通りである。
電気音響変換器の基本共振周波数：１１２０Ｈｚ
電気音響変換器の基本共振周波数：３４６０Ｈｚ
携帯電話の本体ハウジングの基本共振周波数：６５０Ｈｚ
音圧レベル(１ｋＨｚ) ：９０ｄＢ
音圧レベル(３ｋＨｚ) ：９２ｄＢ
音圧レベル(５ｋＨｚ) ：９５ｄＢ
音圧レベル(１０ｋＨｚ) ：８６ｄＢ
音圧レベル周波数特性の平坦性：○
落下衝撃安定 ：○
上記の結果より明らかなように、本実施例の電気音響変換器によれば、音圧レベル周波数特性は平坦である。また、広い周波数帯域で８０ｄＢを超える音圧レベルを有することが実証された。

[比較例１]
比較例１として、既存のボイスコイル型の電気音響変換器(図示せず)を作製し、図１８の携帯電話に実装した。評価結果は以下の通りである。
〔結果〕
電気音響変換器の基本共振周波数：８５４Ｈｚ
携帯電話の本体ハウジングの基本共振周波数：６５０Ｈｚ
音圧レベル(１ｋＨｚ) ：７７ｄＢ
音圧レベル(３ｋＨｚ) ：７５ｄＢ
音圧レベル(５ｋＨｚ) ：７６ｄＢ
音圧レベル(１０ｋＨｚ) ：９７ｄＢ
音圧レベル周波数特性の平坦性：×
落下衝撃安定 ：×
上記の結果より明らかなように、比較例１の電気音響変換器によれば、音圧レベル周波数特性は良好でなく、広い周波数帯域で８０ｄＢを超える音圧レベルを有しないことが実証された。

[実施例２]
本発明の実施の第二の形態で記載した電気音響変換器を、図１８の携帯電話に実装し、特性評価を実施した。評価結果は以下の通りである。
電気音響変換器の基本共振周波数：１１８０Ｈｚ
携帯電話の本体ハウジングの基本共振周波数：６５０Ｈｚ
音圧レベル(１ｋＨｚ) ：９７ｄＢ
音圧レベル(３ｋＨｚ) ：９７ｄＢ
音圧レベル(５ｋＨｚ) ：９２ｄＢ
音圧レベル(１０ｋＨｚ) ：８８ｄＢ
音圧レベル周波数特性の平坦性：○
落下衝撃安定 ：○
上記の結果より明らかなように、本実施例の電気音響変換器によれば、音圧レベル周波数特性は平坦である。また、広い周波数帯域で８０ｄＢを超える音圧レベルを有することが実証された。

[実施例３]
本発明の実施の第三の形態で記載した電気音響変換器を、図１８の携帯電話に実装し、特性評価を実施した。評価結果は以下の通りである。
電気音響変換器の基本共振周波数：１１８０Ｈｚ
携帯電話の本体ハウジングの基本共振周波数：５３０Ｈｚ
音圧レベル(１ｋＨｚ) ：９１ｄＢ
音圧レベル(３ｋＨｚ) ：９４ｄＢ
音圧レベル(５ｋＨｚ) ：９０ｄＢ
音圧レベル(１０ｋＨｚ) ：８７ｄＢ
音圧レベル周波数特性の平坦性：○
落下衝撃安定 ：○
上記の結果より明らかなように、本実施例の電気音響変換器によれば、音圧レベル周波数特性は平坦である。また、広い周波数帯域で８０ｄＢを超える音圧レベルを有することが実証された。

[実施例４]
本発明の実施の第四の形態で記載した電気音響変換器を、図１８の携帯電話に実装し、特性評価を実施した。評価結果は以下の通りである。
電気音響変換器の基本共振周波数：１０８０Ｈｚ
携帯電話の本体ハウジングの基本共振周波数：６５０Ｈｚ
音圧レベル(１ｋＨｚ) ：９０ｄＢ
音圧レベル(３ｋＨｚ) ：８８ｄＢ
音圧レベル(５ｋＨｚ) ：８５ｄＢ
音圧レベル(１０ｋＨｚ) ：８８ｄＢ
音圧レベル周波数特性の平坦性：○
落下衝撃安定 ：○
上記の結果より明らかなように、本実施例の電気音響変換器によれば、音圧レベル周波数特性は平坦である。また、広い周波数帯域で８０ｄＢを超える音圧レベルを有することが実証された。

[実施例５]
本発明の実施の第一の形態で記載した電気音響変換器を、図１９のラップトップ型ＰＣに実装し、特性評価を実施した。評価結果は以下の通りである。
電気音響変換器の基本共振周波数：１１２０Ｈｚ
ＰＣの本体ハウジングの基本共振周波数：６５０Ｈｚ
音圧レベル(１ｋＨｚ) ：９３ｄＢ
音圧レベル(３ｋＨｚ) ：９０ｄＢ
音圧レベル(５ｋＨｚ) ：９０ｄＢ
音圧レベル(１０ｋＨｚ) ：８８ｄＢ
音圧レベル周波数特性の平坦性：○
落下衝撃安定 ：○
上記の結果より明らかなように、本実施例の電気音響変換器によれば、音圧レベル周波数特性は平坦である。また、広い周波数帯域で８０ｄＢを超える音圧レベルを有することが実証された。

[比較例２]
比較例２として、図１７で示される電気音響変換器を作製し、図１９のラップトップ型ＰＣに実装した。評価結果を以下の通りである。
〔結果〕
電気音響変換器の基本共振周波数：８５４Ｈｚ
携帯電話の本体ハウジングの基本共振周波数：７３０Ｈｚ
音圧レベル(１ｋＨｚ) ：７５ｄＢ
音圧レベル(３ｋＨｚ) ：７４ｄＢ
音圧レベル(５ｋＨｚ) ：７７ｄＢ
音圧レベル(１０ｋＨｚ) ：９１ｄＢ
音圧レベル周波数特性の平坦性：×
落下衝撃安定 ：×
上記の結果より明らかなように、比較例２の電気音響変換器によれば、音圧レベル周波数特性は良好でなく、広い周波数帯域で８０ｄＢを超える音圧レベルを有しないことが実証された。

[実施例６]
本発明の実施の第二の形態で記載した電気音響変換器を、図１９のラップトップ型ＰＣに実装し、特性評価を実施した。評価結果は以下の通りである。
電気音響変換器の基本共振周波数：１１８０Ｈｚ
携帯電話の本体ハウジングの基本共振周波数：７３０Ｈｚ
音圧レベル(１ｋＨｚ) ：９１ｄＢ
音圧レベル(３ｋＨｚ) ：９４ｄＢ
音圧レベル(５ｋＨｚ) ：９０ｄＢ
音圧レベル(１０ｋＨｚ) ：９９ｄＢ
音圧レベル周波数特性の平坦性：○
落下衝撃安定 ：○
上記の結果より明らかなように、本実施例の電気音響変換器によれば、音圧レベル周波数特性は平坦である。また、広い周波数帯域で８０ｄＢを超える音圧レベルを有することが実証された。

[実施例７]
本発明の実施の第三の形態で記載した電気音響変換器を、図１９のラップトップ型ＰＣに実装し、特性評価を実施した。評価結果は以下の通りである。
電気音響変換器の基本共振周波数：１１８０Ｈｚ
携帯電話の本体ハウジングの基本共振周波数：７３０Ｈｚ
音圧レベル(１ｋＨｚ) ：９０ｄＢ
音圧レベル(３ｋＨｚ) ：８７ｄＢ
音圧レベル(５ｋＨｚ) ：９１ｄＢ
音圧レベル(１０ｋＨｚ) ：８９ｄＢ
音圧レベル周波数特性の平坦性：○
落下衝撃安定 ：○
上記の結果より明らかなように、本実施例の電気音響変換器によれば、音圧レベル周波数特性は平坦である。また、広い周波数帯域で８０ｄＢを超える音圧レベルを有することが実証された。

[実施例８]
本発明の実施の第四の形態で記載した電気音響変換器を、図１９のラップトップ型ＰＣに実装し、特性評価を実施した。評価結果は以下の通りである。
電気音響変換器の基本共振周波数：１０８０Ｈｚ
携帯電話の本体ハウジングの基本共振周波数：７３０Ｈｚ
音圧レベル(１ｋＨｚ) ：８８ｄＢ
音圧レベル(３ｋＨｚ) ：９１ｄＢ
音圧レベル(５ｋＨｚ) ：９５ｄＢ
音圧レベル(１０ｋＨｚ) ：８２ｄＢ
音圧レベル周波数特性の平坦性：○
落下衝撃安定 ：○
上記の結果より明らかなように、本実施例の電気音響変換器によれば、音圧レベル周波数特性は平坦である。また、広い周波数帯域で８０ｄＢを超える音圧レベルを有することが実証された。

なお、本発明は本実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で各種の変形を許容する。例えば、上記形態の電気音響変換器では、図１８および図１９に示すように、電気機器として電気音響変換器で音声を出力する携帯電話機やパーソナルコンピュータを例示した。しかし、電子機器として、発振装置である電気音響変換器と、この電気音響変換器を駆動して超音波を出力させる発振駆動部と、電気音響変換器から発振されて測定対象物で反射した超音波を検知する超音波検知部と、検知された超音波から測定対象物までの距離を算出する距離算出部と、を有するソナー(図示せず)なども実施可能である。

なお、当然ながら、上述した複数の実施の形態および複数の実施例は、その内容が相反しない範囲で組み合わせることができる。また、上述した実施の形態では、各部の構造などを具体的に説明したが、その構造などは本願発明を満足する範囲で各種に変更することができる。

１−ｅ リード線
２−ａ 上部電極層
２−ｂ 圧電セラミック
２−ｃ 下部電極層
１０ 圧電素子
１１ 主面
１２ 主面
２０ 弾性部材
３０ 振動部材
４５ 支持体
５０ 電気音響変換器
１００ 本体ハウジング
５５０ 電気音響変換器

Claims (10)

1. 電界の状態に応じて伸縮運動する圧電素子と、
   少なくとも表面に前記圧電素子が接合されている弾性部材と、
   前記弾性部材より低剛性で少なくとも表面に前記弾性部材が接合されている振動部材と、
   前記振動部材より高剛性で前記振動部材を支持して本体ハウジングに接合される支持体と、を有し、
   前記圧電素子と前記弾性部材と前記振動部材と前記支持体からなる電気音響変換器の基本共振周波数Ｆ(１)と第三次共振周波数Ｆ(３)と、前記本体ハウジングの基本共振周波数Ｆ(ａ)とが、
   ０．７×((Ｆ(１)＋Ｆ(３))／２)＜２×Ｆ(ａ)＜１．３×((Ｆ(１)＋Ｆ(３))／２)
   または、
   ０．７×((Ｆ(１)＋Ｆ(３))／２)＜３×Ｆ(ａ)＜１．３×((Ｆ(１)＋Ｆ(３))／２)
   を満足することを特徴とする発振装置。
2. 前記振動部材は、前記弾性部材よりも弾性率が小さい請求項１に記載の発振装置。
3. 前記振動部材が、ウレタン、ＰＥＴ(Polyethylene Terephthalate)、ポリエチレンフィルム、の何れか一つを主体とする樹脂からなる請求項１または２に記載の発振装置。
4. 前記電気音響変換器の基本共振周波数を、前記振動部材の形状変化により調整することを特徴とする、請求項１から３の何れか一項に記載の発振装置。
5. 前記振動部材の両面に一対の前記弾性部材と一対の前記圧電素子とが個々に順番に接合されているバイモルフ型に形成されている請求項１ないし４の何れか一項に記載の発振装置。
6. 前記圧電素子は、圧電材料層と電極層とが交互に積層された積層型構造に形成されている請求項１ないし５の何れか一項に記載の発振装置。
7. 前記圧電振動子が発振する超音波の周波数が２０ｋＨｚを超える請求項１ないし６の何れか一項に記載の発振装置。
8. 前記圧電振動子が可聴波の超音波変調波を発振する請求項１ないし７の何れか一項に記載の発振装置。
9. 請求項１ないし８の何れか一項に記載の発振装置と、
   前記発振装置が装着される前記本体ハウジングと、
   前記本体ハウジングに装着された前記発振装置に可聴域の音波を出力させる発振駆動手段と、
   を有する電子機器。
10. 請求項１ないし８の何れか一項に記載の発振装置と、
    前記発振装置が装着される前記本体ハウジングと、
    前記本体ハウジングに装着された前記発振装置を駆動して超音波を出力させる発振駆動手段と、
    前記発振装置から発振されて測定対象物で反射した前記超音波を検知する超音波検知手段と、
    検知された前記超音波から前記測定対象物までの距離を算出する距離算出手段と、
    を有する電子機器。

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