JP5505165B2 - 発振装置 - Google Patents

Description

本発明は、スピーカとして用いられる発振装置に関する。

近年、携帯電話やラップトップ型コンピュータの携帯端末などの需要が拡大している。特にテレビ電話や動画再生、ハンズフリー電話機能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。これらの開発の中で、小型でかつ出力が大きい電気音響変換器の要求が高まっている。従来、携帯電話等の電子機器には、電気音響変換器として動電型電気音響変換器が利用されている。この動電型電気音響変換器は、永久磁石とボイスコイルと振動膜から構成されている。しかしながら動電型電気音響変換器は、その動作原理及び構造から、薄型化には限界がある。そこで、例えば特許文献１に記載されているように、圧電振動子をスピーカとして使用することが期待されている。

国際公開第０５／０６７３４６号パンフレット

圧電振動子は機械的品質係数Ｑが高いため、圧電振動子を発信源に用いた発振装置は、基本共振周端数で出力が大きくなりやすい。一方、発振装置をスピーカとして使用する場合、その出力は周波数によらずに一定であることが望まれる。

本発明の目的は、圧電振動子を用いており、かつ出力の周波数依存性を低くした発振装置を提供することにある。

本発明によれば、シート状の振動部材と、
前記振動部材の一面に取り付けられた圧電振動子と、
前記振動部材の縁の少なくとも一部を支持する支持体と、
を備え、
前記振動部材の平面形状は多角形であり、かつ前記多角形の少なくとも一つの頂点から前記圧電振動子の重心までの距離は、前記多角形の他の頂点から前記重心までの距離と異なる発振装置が提供される。

本発明によれば、圧電振動子を用いた発振装置において、出力の周波数依存性を低くすることができる。

第１の実施形態に係る発振装置の構成を示す平面図である。 図１に示した発振装置のＡ−Ａ´断面図である。 図１に示した発振装置の要部を拡大した平面図である。 圧電振動子の厚さ方向の構成を示す断面図である。 図１の変形例に係る発振装置の要部を拡大した平面図である。 図１の変形例に係る発振装置の要部を拡大した平面図である。 第２の実施形態に係る発信装置の圧電振動子の構成を示す斜視分解図である。 第３の実施形態に係る発振装置の平面図である。 第４の実施形態に係る発振装置の平面図である。 第５の実施形態に係る発振装置の断面図である。 携帯通信端末の構成を示す概略図である。

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。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る発振装置の構成を示す平面図である。図２は図１に示した発振装置のＡ−Ａ´断面図である。図３は、図１に示した発振装置の要部を拡大した平面図である。この発振装置は、シート状の振動部材１０、圧電振動子２０、及び支持体４０を備えている。圧電振動子２０は振動部材１０の一面に取り付けられている。支持体４０は、振動部材１０の縁の少なくとも一部を支持している。振動部材１０の平面形状は多角形である。この多角形の少なくとも一つの頂点から圧電振動子２０の重心までの距離は、多角形の他の頂点から重心までの距離と異なる。この発振装置は、例えばパラメトリックスピーカや音波センサの発振源として使用される。このパラメトリックスピーカは、例えば電子機器（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）の音源として使用される。以下、詳細に説明する。

振動部材１０は、圧電振動子２０から発生した振動によって振動する。また振動部材１０は、圧電振動子２０の基本共振周波数を調整する。機械振動子の基本共振周波数は、負荷重量と、コンプラインスに依存する。コンプラインスは振動子の機械剛性であるため、振動部材１０の剛性を制御することで、圧電振動子２０の基本共振周波数を制御できる。なお、振動部材１０の厚みは５μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。また、振動部材１０は、剛性を示す指標である縦弾性係数が１Ｇｐａ以上５００ＧＰａ以下であることが好ましい。振動部材１０の剛性が低すぎる場合や、高すぎる場合は、機械振動子として特性や信頼性を損なう可能性が出てくる。なお、振動部材１０を構成する材料は、金属や樹脂など、脆性材料である圧電振動子２０に対して高い弾性率を持つ材料であれば特に限定されないが、加工性やコストの観点からリン青銅やステンレスなどが好ましい。

本実施形態において圧電振動子２０の平面形状は円形である。ただし圧電振動子２０の平面形状は円形に限定されない。圧電振動子２０は、振動部材１０に対向する面の全面が接着剤によって振動部材１０に固定されている。これにより、圧電振動子２０の全面が振動部材１０によって拘束される。

支持体４０は、矩形の枠体を複数マトリクス状に並べた形状を有している。詳細には、支持体４０は、平面視において、矩形の枠体４２の内側の領域を、直線状の複数の部材４４を用いて縦横それぞれ複数に分割している。そして分割後の各枠の内部に、一枚の振動部材１０が設けられている。この一枚の振動部材１０は、縁が支持体４０に固定されている。また振動部材１０は、図３に示すようにスリット１２を有している。スリット１２が設けられることにより、一枚の振動部材１０は複数に分割されている。そして分割後の振動部材１０それぞれに対して圧電振動子２０が固定されている。本図に示す例では、一枚の振動部材１０に対して２つの圧電振動子２０が、支持体４０の中心を基準として点対称となるように固定されている。そしてスリット１２は略矩形の支持体４０の対角線の全体に沿って設けられている。なお振動部材１０の平面形状は全て同じである。ただし、一枚の振動部材１０にスリット１２を入れることにより、一枚の振動部材１０を互いに異なる平面形状の振動部材１０に分割してもよい。

本実施形態において、分割後の振動部材１０の平面形状は三角形、具体的には直角三角形、さらに詳細には直角二等辺三角形である。そして、分割後の振動部材１０と圧電振動子２０は、互いの重心が重なるように重なっている。ただし振動部材１０に対する圧電振動子２０の位置は、これに限定されない。

また発振装置は、発振回路として制御部５０及び信号生成部５４を有している。信号生成部５４は、圧電振動子２０に入力する電気信号、例えばパラメトリックスピーカにおける変調信号を生成する。変調信号の輸送波は、周波数が２０ｋＨｚ以上の超音波、例えば１００ｋＨｚの超音波である。制御部５０は、外部から入力された情報に基づいて、信号生成部５４を制御する。発振装置をスピーカとして使用する場合、制御部５０に入力される情報は音声信号である。また発振装置を音波センサとして使用する場合、制御部５０に入力される信号は、音波を発信する旨の指令信号である。

図４は、圧電振動子２０の厚さ方向の構成を示す断面図である。圧電振動子２０は、圧電体２２、上面電極２４、及び下面電極２６を有している。

圧電体２２は厚さ方向に分極している。圧電体２２を構成する材料は、圧電効果を有する材料であれば、無機材料及び有機材料のいずれであってもよい。ただし、電気機械変換効率が高い材料、例えばジルコン酸チタン酸塩（ＰＺＴ）やチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）であるのが好ましい。圧電体２２の厚さｈは、例えば１０μｍ以上１ｍｍ以下である。厚さｈ_１が１０μｍ未満の場合、発振装置の製造時に圧電振動子２０が破損する可能性が出てくる。また厚さｈ_１が１ｍｍ超の場合、電気機械変換効率が低くなりすぎてしまい、十分な大きさの振動を得られない。その理由は、圧電振動子２０の厚さが厚くなると、圧電振動子内における電界強度は反比例して小さくなるためである。

上面電極２４及び下面電極２６を構成する材料は特に限定されないが、例えば、銀や銀／パラジウムを使用することができる。銀は低抵抗な汎用的な電極材料して使用されているため、製造プロセスやコストなどに利点がある。銀／パラジウムは耐酸化に優れた低抵抗材料であるため、信頼性の観点から利点がある。また、上面電極２４及び下面電極２６の厚さｈ_２は特に限定されないが、その厚さｈ_２が１μｍ以上５０μｍ以下であるのが好ましい。厚さｈ_２が１μｍ未満では、上面電極２４及び下面電極２６を均一に成形することが難しくなり、その結果、電気機械変換効率が低下する可能性がある。また、上面電極２４及び下面電極２６の膜厚が１００μｍを超える場合は、上面電極２４及び下面電極２６が圧電体２２に対して拘束面となり、エネルギー変換効率を低下させてしまう可能性が出てくる。

次に、発振装置の製造方法を説明する。まず、圧電振動子２０を所定の平面形状に加工する。また振動部材１０を所定の形状に加工する。この時点で、圧電振動子２０の圧電体２２には既に分極処理が行われている。ただし、圧電振動子２０の分極処理は、圧電振動子２０を振動部材１０に取り付けた後に行われてもよい。また振動部材１０にはスリット１２は設けられていない。

次いで、エポキシ樹脂等の接着剤を用いて、圧電振動子２０を振動部材１０に固定する。なお振動部材１０を支持体４０に固定するタイミングは、圧電振動子２０を振動部材１０に固定した後であってもよいし、固定する前であってもよい。支持体４０は、例えばステンレスなどの金属により形成される。そして振動部材１０に圧電振動子２０を固定し、さらに振動部材１０を支持体４０に固定した後、振動部材１０にスリット１２を形成する。

ここで、圧電振動子２０は、外径＝φ１８ｍｍ、内径＝φ１２ｍｍ、厚み＝１００μｍとすることができる。また上面電極２４及び下面電極２６としては、例えば厚み８μｍの銀／パラジウム合金（重量比は例えば７：３）を用いることができる。また振動部材１０は、外径＝φ２０ｍｍ、厚み＝５０μｍ（０．３ｍｍ）のリン青銅を用いることができる。

次に、本実施形態に係る発振装置をパラメトリックスピーカとして用いる場合について説明する。

まず、一般的なパラメトリックスピーカの原理を説明する。パラメトリックスピーカは、複数の発振源それぞれからＡＭ変調やＤＳＢ変調、ＳＳＢ変調、ＦＭ変調をかけた超音波（輸送波）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、可聴音を出現させるものである。ここでの非線形とは、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示す。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。特に超音波周波数帯では音波の非線形性が容易に観察できる。そして超音波を空気中に放射した場合、音波の非線形性に伴う高調波が顕著に発生する。また音波は、空気中において分子密度に濃淡が生じる疎密状態である。そして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、衝撃波が生じる。この衝撃波により可聴音が発生する。

次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。圧電振動子２０と振動部材１０を一体物として考えた場合、この一体物の共振周端数は、その幅によって決まる。この一体物の幅は、振動部材１０の縁から圧電振動子２０の重心までの距離として考えることができる。本実施形態では、振動部材１０の平面形状は多角形である。そしてこの多角形の少なくとも一つの頂点から圧電振動子２０の重心までの距離は、多角形の他の頂点から重心までの距離と異なる。このため、圧電振動子２０と振動部材１０の一体物には、振動部材１０の各頂点から圧電振動子２０の重心までの距離に応じて、複数の共振周端数（振動モード）が存在する。共振周端数の数が増えると、出力の周波数依存性が低くなる。

また振動部材１０の形状を変えることにより、発振装置の特性を変えることができる。なお、圧電振動子２０の形状を変えることによっても発振装置の特性を変えることができるが、圧電振動子２０はセラミックスで形成される場合が多いため、圧電振動子２０の加工コストが高くなってしまう。本実施形態では、このようなコストの上昇を抑制することができる。

また、一枚の振動部材１０を支持体４０に取り付けた後、この振動部材１０にスリット１２を形成することにより、振動部材１０を圧電振動子２０単位に分割している。従って、振動部材１０を支持体４０に取り付ける前に圧電振動子２０単位に分割する場合と比較して、振動装置の製造コストを低くすることができる。

また、スリット１２を支持体４０の対角線のみに形成している。この場合、振動部材１０に生じる振動の端部は、支持体４０の互いに対向する２つの頂点に位置するため、振動部材１０は、支持体４０の対角線に沿っている部分が特に大きく上下に震動する。従って振動部材１０による発振方向を、振動部材１０に対して垂直な方向に近づけることができる。この場合、発振装置の指向性を向上させ、かつ振動振幅を大きくすることができる。

なお、例えば図５や図６に示すように、スリット１２の位置や長さを変えることにより、圧電振動子２０と振動部材１０の一体物の振動モードを変えることができる。

図５に示す例では、スリット１２は、支持体４０の対角線のほかに、支持体４０の内周のうち互いに対向する２辺に沿って設けられている。すなわちスリット１２は略Ｚ状であり、その結果、振動部材１０は、支持体４０の内周を構成する一辺にのみ取り付けられた状態になる。この場合、振動部材１０は支持体４０に取り付けられている部分を支点とした片持ち状態となる。これにより、振動部材１０の可動範囲は大きくなるため、発振装置の出力を大きくすることもできる。

図６に示す例では、スリット１２は、図５に示した例に加えて、支持体４０のうち振動部材１０が取り付けられている一辺の中央部にも設けられている。これにより、振動部材１０の縁のうち支持体４０に拘束されている部分が短くなるため、振動部材１０の可動範囲は大きくなる。この結果、発振装置の出力を大きくすることができる。

（第２の実施形態）
図７は、第２の実施形態に係る発信装置の圧電振動子２０の構成を示す斜視分解図である。本実施形態に係る発振装置は、圧電振動子２０が複数の圧電体２２と電極２４とを交互に複数積層させた構造を有している点を除いて、第１の実施形態に係る発振装置と同様の構成である。圧電体２２の分極方向は、一層ごとに入れ替わっており、互い違いになっている。

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。また圧電振動子２０を、複数の圧電体２２と電極２４とを交互に複数積層させた構造にしているため、圧電振動子２０の伸縮量が大きくなる。従って、発振装置の出力を大きくすることができる。

（第３の実施形態）
図８は、第３の実施形態に係る発振装置の平面図であり、第１の実施形態における図１に相当している。本実施形態に係る発振装置は、以下の点を除いて第１又は第２の実施形態に係る発振装置と同様の構成である。

まず圧電振動子２０は、スリット１２により分割された後の振動部材１０の相似形となっている。そして圧電振動子２０の各辺は、分割後の振動部材１０の各辺と平行である。また圧電振動子２０の重心は、分割後の振動部材１０の重心より、振動部材１０の頂点のうち直角ではない頂点の近くに位置している。スリット１２が図５又は図６に示す形状を有している場合、圧電振動子２０は、振動部材１０の頂点のうちスリット１２により開放端となっている頂点の近くに位置している。

また支持体４０の一つの枠の中に位置する２つの圧電振動子２０は、分割前の振動部材１０の中心を基準として互いに点対称に配置されている。

本実施形態によっても、第１又は第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。またスリット１２が図５又は図６に示す形状を有している場合、振動部材１０のうち支持体４０に固定されている部分から圧電振動子２０までの距離を長くすることができる。この場合、第１の実施形態と比較して振動部材１０のたわみ量が大きくなるため、発振装置の出力がさらに大きくなる。

（第４の実施形態）
図９は、第４の実施形態に係る発振装置の平面図であり、第３の実施形態における図８に相当している。本実施形態に係る発振装置は、圧電振動子２０の位置を除いて第３の実施形態に係る発振装置と同様の構成である。

本実施形態において圧電振動子２０の重心は、分割後の振動部材１０の重心より、振動部材１０の直角な頂点の近くに位置している。
本実施形態によっても、第１〜第３の実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第５の実施形態）
図１０は、第５の実施形態に係る発振装置の断面図である。この発振装置は、振動部材１０の両面に圧電振動子２０を有している点を除いて、第１〜第４の実施形態に係る発振装置のいずれかと同様の構成である。すなわち本実施形態において、発振装置は、振動部材１０の両面を圧電振動子２０で拘束したバイモルフ構造を有している。２つの圧電振動子２０は、互いに同一形状であってもよいし、異なる形状であってもよい。

本実施形態によっても第１又は第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。また圧電振動子２０がバイモルフ構造を有しているため、より大きな振動を得ることができる。

（実施例）
図５、図６、図７、図８、図９、及び図１０に示した発振装置を作成し、各発振装置の特性を調べた（実施例１〜６）。本実施例では、発振装置をパラメトリックスピーカとして機能させた。また比較例として、実施例１〜６と同一の平面積を有する動電型の発振装置を作成し、特性を調べた。評価項目は以下の通りである。

（評価１：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２：落下衝撃試験）
発振装置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の有無を目視で確認し、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。

評価結果を表１に示す。

この表から、各実施例に係る発信装置は、比較例にかかる発振装置と比較して、出力が大きく、周波数特性が平坦であり、かつ落下時の衝撃に対して強いことが示された。

また、図１１に示すように、携帯通信端末１００のスピーカ１０２として、実施例１〜６に係る発振装置を使用した。スピーカ１０２は、携帯通信端末１００の筐体の内面に取り付けた。各実施例を用いた場合のスピーカ１０２の特性を表２に示す。

この表から、各実施例に係るスピーカ１０２は、周波数特性が平坦であり、かつ落下時の衝撃に対して強いことが示された。

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 振動部材
１２ スリット
２０ 圧電振動子
２２ 圧電体
２４ 上面電極
２６ 下面電極
４０ 支持体
４２ 枠体
４４ 直線状の部材
５０ 制御部
５４ 信号生成部
１００ 携帯通信端末
１０２ スピーカ

Claims (5)

1. シート状の振動部材と、
   前記振動部材の一面に取り付けられた圧電振動子と、
   前記振動部材の縁の少なくとも一部を支持する支持体と、
   を備え、
   前記振動部材の平面形状は多角形であり、かつ前記多角形の少なくとも一つの頂点から前記圧電振動子の重心までの距離は、前記多角形の他の頂点から前記重心までの距離と異なり、
   それぞれに前記圧電振動子が取り付けられている複数の前記振動部材と、
   前記複数の振動部材を支持するひとつの前記支持体と、
   を備え、
   前記複数の振動部材は、前記支持体により縁が支持されている一枚の振動部材を複数に分割することにより形成されている発振装置。
2. 請求項１に記載の発振装置において、
   前記複数の振動部材は平面形状が互いに同一である発振装置。
3. シート状の振動部材と、
   前記振動部材の一面に取り付けられた圧電振動子と、
   前記振動部材の縁の少なくとも一部を支持する支持体と、
   を備え、
   前記振動部材の平面形状は多角形であり、かつ前記多角形の少なくとも一つの頂点から前記圧電振動子の重心までの距離は、前記多角形の他の頂点から前記重心までの距離と異なり、
   前記振動部材は三角形である発振装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の発振装置において、
   前記発振装置は音波センサの発振源である発振装置。
5. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の発振装置において、
   前記発振装置はスピーカである発振装置。

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