JP5516181B2 - 発振装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧電振動子を用いた発振装置に関する。

携帯機器などの電気音響変換器として、動電型電気音響変換器がある。動電型電気音響変換器は、磁気回路の作用を利用して振動振幅を発生させる。しかし、磁気回路は永久磁石やボイスコイル等の多数の部材によって構成されるため、動電型電気音響変換器では薄型化に限界があった。

動電型電気音響変換器に代わる電気音響変換器として、圧電型電気音響変換器がある。圧電型電気音響変換器は、圧電振動子に電界を印加することにより発生する伸縮運動を利用して、振動振幅を発生させるものである。圧電型電気音響変換器は、振動振幅を発生させるために多数の部材を必要としないため、薄型化に有利である。

圧電型電気音響変換器に関する技術として特許文献１〜５に記載のものがある。特許文献１には、駆動板を貼り合わせた振動板の裏面側に振動抑制材を設けた圧電発音体が開示されている。特許文献２に記載の技術は、圧電バイモルフを片持ち梁状に保持部へ保持するというものである。特許文献３には、圧電セラミック薄板をプラスチック材料層により挟んでなる超音波変換器が開示されている。特許文献４及び特許文献５に記載の技術は、弾性率が不均一となっている基板に圧電素子を貼り付けるというものである。

特開２００２−１０８３４６号公報 特開２００７−７４０６２号公報 特表平４−５０２５４３号公報 特開２００２−３１５０９５号公報 特開２００４−３６４３３４号公報

圧電振動子を用いることにより、電気音響変換器の薄型化を図ることができる。一方で、圧電振動子を構成するセラミック材料は、機械品質係数（Ｑ値）が高い。このため圧電型電気音響変換器では、基本共振周波数近傍において音圧が大きく、それ以外の帯域では音圧が著しく減衰してしまう。よって圧電型電気音響変換器では、Ｑ値を低減させ、平坦な音圧レベル周波数特性を実現することが求められている。

本発明の目的は、平坦な音圧レベル周波数特性を実現することができる発振装置を提供することにある。

本発明によれば、第１の圧電振動子と、
第２の圧電振動子と、
前記第１の圧電振動子と前記第２の圧電振動子の間に位置し、一面において前記第１の圧電振動子を拘束する第１の振動部材と、
前記第１の振動部材と前記第２の圧電振動子の間に位置し、一面において前記第２の圧電振動子を拘束する第２の振動部材と、
前記第１の振動部材と前記第２の振動部材の間に位置し、前記第１の振動部材の他面と前記第２の振動部材の他面によって拘束されている樹脂部材と、
前記第１の振動部材及び前記第２の振動部材の周囲に位置し、前記第１の振動部材の縁及び前記第２の振動部材の縁を支持する支持部材と、
を備える発振装置が提供される。

本発明によれば、平坦な音圧レベル周波数特性を実現することができる発振装置を提供することができる。

第１の実施形態に係る発振装置を示す断面図である。 図１に示す圧電振動子を示す断面図である。 図１に示す樹脂部材における、ｔａｎδと周波数との相関の一例を示すグラフである。 第２の実施形態に係る発振装置を示す断面図である。 第３の実施形態に係る発振装置を示す断面図である。 第４の実施形態に係る圧電振動子を示す斜視図である。

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。

図１は、第１の実施形態にかかる発振装置１００を示す断面図である。発振装置１００は、圧電振動子１０と、圧電振動子１５と、振動部材２０と、振動部材２５と、樹脂部材３０と、支持部材４０と、を備えている。発振装置１００は、例えばスピーカ、又は音波センサの発振源として使用される。また圧電体の焦電効果を利用することで温度センサとして機能することもできる。発振装置１００をスピーカとして使用する場合、例えば電子機器（携帯電話、ラップトップ型コンピュータ、小型ゲーム機器等）の音源として用いられる。

振動部材２０は、圧電振動子１０と圧電振動子１５の間に位置する。また振動部材２０は、一面において圧電振動子１０を拘束している。振動部材２５は、振動部材２０と圧電振動子１５の間に位置する。また振動部材２５は、一面において圧電振動子１５を拘束する。樹脂部材３０は、振動部材２０と振動部材２５の間に位置する。また樹脂部材３０は、振動部材２０の他面と振動部材２５の他面によって拘束されている。支持部材４０は、振動部材２０と振動部材２５の周囲に位置する。また支持部材４０は、振動部材２０と振動部材２５の縁を支持している。以下図１及び図２を用いて、発振装置１００の構成について詳細に説明する。

図１に示すように、発振装置１００は、制御部９０と、信号生成部９２と、信号生成部９４と、をさらに備えている。信号生成部９２は、圧電振動子１０と接続しており、圧電振動子１０に入力する電気信号を生成する。信号生成部９４は、圧電振動子１５と接続しており、圧電振動子１５に入力する電気信号を生成する。制御部９０は、信号生成部９２、及び信号生成部９４と接続しており、外部から入力された情報に基づいて信号生成部９２、及び信号生成部９４を制御する。発振装置１００をスピーカとして使用する場合、制御部９０に入力される情報は音声信号である。また発振装置１００を音波センサとして使用する場合、制御部９０に入力される信号は、音波を発振する旨の指令信号である。そして発振装置１００を音波センサとして使用する場合、信号生成部９２は圧電振動子１０に圧電振動子１０の共振周波数の音波を発生させる。また信号生成部９４は圧電振動子１５に圧電振動子１５の共振周波数の音波を発生させる。

また圧電振動子１０、圧電振動子１５、振動部材２０、振動部材２５、及び樹脂部材３０が複数組設けられている場合、発振装置１００はパラメトリックスピーカとして使用することができる。この場合、制御部９０は信号生成部９２または信号生成部９４を介してパラメトリックスピーカとしての変調信号を入力する。パラメトリックスピーカとして用いる場合、圧電振動子１０または圧電振動子１５は、２０ｋＨｚ以上、例えば１００ｋＨｚの音波を信号の輸送波として用いる。

圧電振動子１５は、例えば圧電振動子１０と同一の形状を有している。また圧電振動子１５は、例えば平面視で圧電振動子１０と同じ位置に位置している。制御部９０は、信号生成部９２及び信号生成部９４を介して圧電振動子１０と圧電振動子１５に、例えば同位相または逆位相の振動を発生させることができる。

図２は、図１に示す圧電振動子１０、１５を示す断面図である。図２に示すように、圧電振動子１０、１５は、上部電極６０、下部電極６５、圧電体５０からなる。また圧電振動子１０、１５は、例えば円形、楕円形、又は矩形を有する。圧電体５０は、上部電極６０と下部電極６５に挟まれている。圧電体５０は、圧電効果を有する材料により構成され、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、又はチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）等により構成される。また圧電体５０の厚みは、１０ｕｍ〜１ｍｍであることが好ましい。厚みが１０ｕｍ未満である場合、圧電体５０は脆性材料により構成されるため、破損等が生じやすい。一方、厚みが１ｍｍを超える場合、圧電体５０の電界強度が低減する。従ってエネルギー変換効率の低下を招く。

上部電極６０、及び下部電極６５は、例えば銀、又は銀／パラジウム合金等によって構成される。上部電極６０、及び下部電極６５の厚みは、１〜５０ｕｍであることが好ましい。厚みが１ｕｍ未満の場合、均一に成形することが難しくなる。一方、５０ｕｍを超える場合、上部電極６０、又は下部電極６５が圧電体５０に対して拘束面となり、エネルギー変換効率の低下を招く。

振動部材２０、２５は、セラミック材料に対して高い弾性率を持つ材料によって構成され、例えばリン青銅、又はステンレス等によって構成される。振動部材２０、２５の厚みは、５〜５００ｕｍであることが好ましく、５０ｕｍであればより好ましい。また振動部材２０、２５の縦弾性係数は、１〜５００ＧＰａであることが好ましい。振動部材２０、２５の縦弾性係数が過度に低い、又は高い場合、機械振動子としての特性や信頼性を損なうおそれがある。

樹脂部材３０は、例えばポリウレタンやポリペンテン誘導体等の内部損失が大きい樹脂材料により構成することができる。樹脂部材３０の厚みは、３０ｕｍであることが好ましい。樹脂部材３０は、平面視において振動部材２０の縁及び振動部材２５の縁よりも内側に位置しており（図示せず）、支持部材４０によって拘束されていない。また樹脂部材３０は、落下時の衝撃エネルギーの吸収等、発振装置１００の機械的強度を向上させる機能を有する。圧電振動子１０と圧電振動子１５との中間に位置する平面には、樹脂部材３０が位置している。

また図３は、図１に示す樹脂部材における、ｔａｎδと周波数との相関の一例を示すグラフである。樹脂部材３０は、例えば図３に示す相関を有する樹脂材料により構成されてもよい。この場合、高周波数帯域における樹脂部材３０の内部損失は、可聴周波数帯域における内部損失と比べて小さい。

次に、本実施形態に係る発振装置１００の製造方法について説明する。まず圧電体５０を製造する。圧電体５０の製造は、グリーンシート法により行い、大気中において１１００℃で２時間焼成する。次いで圧電体５０に、上部電極６０、及び下部電極６５を形成する。そして圧電体５０に、厚み方向に分極処理を施す。これにより得られた圧電振動子１０、１５を、エポキシ系樹脂等を用いて振動部材２０、２５へそれぞれ接着する。その後、樹脂部材３０を、振動部材２０、２５へ接着する。そして振動部材２０、２５を、支持部材４０により支持させる。これにより発振装置１００が形成される。

次に、本実施形態に係る発振装置１００を用いた圧電型電気音響変換器による音響再生方法について説明する。本実施形態では、例えばパラメトリックスピーカの動作原理を利用して音響再生をすることができる。この場合制御部９０は、圧電振動子１０または圧電振動子１５に信号生成部９２または信号生成部９４を介してパラメトリックスピーカとしての変調信号を入力する。パラメトリックスピーカとして用いる場合、圧電振動子１０、１５は、２０ｋＨｚ以上、例えば１００ｋＨｚの音波を信号の輸送波として用いる。

ここでパラメトリックスピーカの動作原理を説明する。パラメトリックスピーカの動作原理は、ＡＭ変調やＤＳＢ変調、ＳＳＢ変調、ＦＭ変調をかけた超音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、可聴音が出現する原理で音響再生を行うというものである。ここでいう非線形とは、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いう。すなわち、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。特に超音波を空気中に放射した場合に、非線形性に伴う高調波が顕著に発生する。また音波は、空気中の分子集団が濃淡に混在する疎密状態である。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、衝撃波が生じて可聴音が発生する。

次に本実施形態の効果を説明する。発振装置１００は、圧電振動子１０を拘束する振動部材２０と、圧電振動子１５を拘束する振動部材２５とが、樹脂部材３０を介して接合している。このため、圧電振動子１０及び振動部材２０による振動と、圧電振動子１５及び振動部材２５による振動が、同一の方向に生じる場合において、樹脂部材３０の内部損失により発振装置１００のＱ値は低減される。よって平坦な音圧レベル周波数特性を実現することができる。

また、圧電振動子１０と圧電振動子１５との中間に位置する平面には、樹脂部材３０が位置している。このとき、樹脂部材３０の内部損失が発振装置１００に及ぼす影響は大きくなる。よって、発振装置のＱ値をより効果的に低減することができる。さらに、樹脂部材３０は、弾性体としての機能を有する。このため、圧電振動子１０及び振動部材２０による振動と、圧電振動子１５及び振動部材２５による振動が、逆方向に生じる場合において、樹脂部材３０に吸収・反発効果が生じる。この吸収・反発効果が振動部材２０、２５に伝わり、発振装置１００の振幅は増大する。よって高い音圧レベルを実現することができる。

また、樹脂部材３０は、支持部材４０により拘束されていない。このため樹脂部材３０が振動特性に影響を与えることを抑制できる。さらに樹脂部材３０は、落下時等における衝撃エネルギーを吸収する。よって発振装置の機械的強度を向上させることができる。

また、樹脂部材３０が図３に示す相関を有する樹脂材料により構成されている場合、可聴周波数帯域においては、発振装置１００のＱ値を大きく低減することができる。また高周波数帯域においては、発振装置１００のＱ値を高く保つことができる。このため１つの発振装置によって、通常のスピーカとパラメトリックスピーカを実現することが可能となる。

図４は、第２の実施形態に係る発振装置１０２を示す断面図であって、第１の実施形態に係る図１に対応している。本実施形態に係る発振装置１０２は、平面視において樹脂部材３０の形状が圧電振動子１０、１５の形状と一致している点を除いて、第１の実施形態に係る発振装置１００と同様である。

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。また平面視において樹脂部材３０の形状が圧電振動子１０、１５の形状と一致している。このため第１の実施形態と比べて、樹脂部材３０によって振動部材２０、２５が拘束されることを抑制できる。よって、発振装置の振幅をより増大することができる。

図５は、第３の実施形態に係る発振装置１０４を示す断面図であって、第１の実施形態に係る図１に対応している。本実施形態に係る発振装置１０４は、振動部材２０が凹部２６を有し、振動部材２５が凹部２７を有し、樹脂部材３０が凸部３６、３７を有する点を除いて第１の実施形態に係る発振装置１００と同様である。

振動部材２０は、他面のうち樹脂部材３０を拘束する部分において凹部２６を有している。振動部材２５は、他面のうち樹脂部材３０を拘束する部分において凹部２７を有している。凹部２６と凹部２７は、例えば平面視で同じ位置に位置している。樹脂部材３０は、凹部２６に入り込む凸部３６を有している。また樹脂部材３０は、凹部２７に入り込む凸部３７を有している。

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。また振動部材２０、２５には、樹脂部材３０を拘束する部分においてそれぞれ凹部２６、２７が形成されている。このため、凹部２６、２７が形成されている部分において振動の応力が集中する。これにより、樹脂部材３０の内部損失による影響を、より効果的に発振装置１０４へ及ぼすことができる。従って、発振装置のＱ値をより効果的に低減することができる。

図６は、第４の実施形態に係る圧電振動子１１０を示す斜視図である。本実施形態に係る発振装置は、圧電振動子の構成を除いて第１の実施形態に係る発振装置１００と同様である。また本実施形態に係る圧電振動子１１０は、積層構造を有する点を除いて、第１の実施形態に係る圧電振動子１０、１５と同様である。

図７に示すように圧電振動子１１０は、複数の圧電体と複数の電極を交互に積層して構成されている。圧電体８０、８１、８２、８３、８４の間には、電極７０、７１、７２、７３が１層ずつ形成されている。電極７０と電極７２、及び電極７１と電極７３は、それぞれ互いに接続している。各圧電体の分極方向は、１層ごとに逆向きとなっている。また各電極間に生じる電界の向きも、交互に逆向きとなっている。

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１１０は積層構造を有しているため、電極層間に生じる電界強度が高い。これにより圧電振動子１１０の駆動力を向上させることができる。なお、圧電振動子１１０の積層数は任意に増減できる。

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。
以下、参考形態の例を付記する。
１．第１の圧電振動子と、
第２の圧電振動子と、
前記第１の圧電振動子と前記第２の圧電振動子の間に位置し、一面において前記第１の圧電振動子を拘束する第１の振動部材と、
前記第１の振動部材と前記第２の圧電振動子の間に位置し、一面において前記第２の圧電振動子を拘束する第２の振動部材と、
前記第１の振動部材と前記第２の振動部材の間に位置し、前記第１の振動部材の他面と前記第２の振動部材の他面によって拘束されている樹脂部材と、
前記第１の振動部材及び前記第２の振動部材の周囲に位置し、前記第１の振動部材の縁及び前記第２の振動部材の縁を支持する支持部材と、
を備える発振装置。
２．１．に記載の発振装置において、
前記第１の圧電振動子と接続する第１の信号生成部と、
前記第２の圧電振動子と接続する第２の信号生成部と、
前記第１の信号生成部及び前記第２の信号生成部に接続し、前記第１の信号生成部と前記第２の信号生成部による信号の生成を制御する制御部と、
をさらに備える発振装置。
３．１．または２．に記載の発振装置において、
前記樹脂部材は、平面視において前記第１の振動部材の縁及び前記第２の振動部材の縁よりも内側に位置し、前記支持部材によって拘束されていない発振装置。
４．１．ないし３．いずれか１項に記載の発振装置において、
前記樹脂部材は、ポリウレタン、又はポリペンテン誘導体から構成される発振装置。
５．１．ないし４．いずれか１項に記載の発振装置において、
前記第２の圧電振動子は、
前記第１の圧電振動子と同一の形状を有しており、
平面視で前記第１の圧電振動子と同じ位置に位置する発振装置。
６．１．ないし５．いずれか１項に記載の発振装置において、
前記第１の圧電振動子と前記第２の圧電振動子との中間に位置する平面には、前記樹脂部材が位置する発振装置。
７．１．ないし６．いずれか１項に記載の発振装置において、
前記第１の振動部材は、前記他面のうち前記樹脂部材を拘束する部分において第１の凹部を有し、
前記第２の振動部材は、前記他面のうち前記樹脂部材を拘束する部分において第２の凹部を有し、
前記樹脂部材は、前記第１の凹部に入り込む第１の凸部と、前記第２の凹部に入り込む第２の凸部とを有する発振装置。
８．１．ないし７．いずれか１項に記載の発振装置において、
前記発振装置は、音波センサの発信源である発振装置。
９．１．ないし７．いずれか１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。

１０ 圧電振動子
１５ 圧電振動子
２０ 振動部材
２５ 振動部材
２６ 凹部
２７ 凹部
３０ 樹脂部材
３６ 凸部
３７ 凸部
４０ 支持部材
５０ 圧電体
６０ 上部電極
６５ 下部電極
７０〜７３ 電極
８０〜８４ 圧電体
９０ 制御部
９２ 信号生成部
９４ 信号生成部
１００ 発振装置
１０２ 発振装置
１０４ 発振装置
１１０ 圧電振動子

Claims (8)

1. 第１の圧電振動子と、
   第２の圧電振動子と、
   前記第１の圧電振動子と前記第２の圧電振動子の間に位置し、一面において前記第１の圧電振動子を拘束する第１の振動部材と、
   前記第１の振動部材と前記第２の圧電振動子の間に位置し、一面において前記第２の圧電振動子を拘束する第２の振動部材と、
   前記第１の振動部材と前記第２の振動部材の間に位置し、前記第１の振動部材の他面と前記第２の振動部材の他面によって拘束されている樹脂部材と、
   前記第１の振動部材及び前記第２の振動部材の周囲に位置し、前記第１の振動部材の縁及び前記第２の振動部材の縁を支持する支持部材と、
   を備え、
   前記樹脂部材は、平面視において前記第１の振動部材の縁及び前記第２の振動部材の縁よりも内側に位置し、前記支持部材によって拘束されていない発振装置。
2. 第１の圧電振動子と、
   第２の圧電振動子と、
   前記第１の圧電振動子と前記第２の圧電振動子の間に位置し、一面において前記第１の圧電振動子を拘束する第１の振動部材と、
   前記第１の振動部材と前記第２の圧電振動子の間に位置し、一面において前記第２の圧電振動子を拘束する第２の振動部材と、
   前記第１の振動部材と前記第２の振動部材の間に位置し、前記第１の振動部材の他面と前記第２の振動部材の他面によって拘束されている樹脂部材と、
   前記第１の振動部材及び前記第２の振動部材の周囲に位置し、前記第１の振動部材の縁及び前記第２の振動部材の縁を支持する支持部材と、
   を備え
   前記第１の振動部材は、前記他面のうち前記樹脂部材を拘束する部分において第１の凹部を有し、
   前記第２の振動部材は、前記他面のうち前記樹脂部材を拘束する部分において第２の凹部を有し、
   前記樹脂部材は、前記第１の凹部に入り込む第１の凸部と、前記第２の凹部に入り込む第２の凸部とを有する発振装置。
3. 請求項１または２に記載の発振装置において、
   前記第１の圧電振動子と接続する第１の信号生成部と、
   前記第２の圧電振動子と接続する第２の信号生成部と、
   前記第１の信号生成部及び前記第２の信号生成部に接続し、前記第１の信号生成部と前記第２の信号生成部による信号の生成を制御する制御部と、
   をさらに備える発振装置。
4. 請求項１ないし３いずれか１項に記載の発振装置において、
   前記樹脂部材は、ポリウレタン、又はポリペンテン誘導体から構成される発振装置。
5. 請求項１ないし４いずれか１項に記載の発振装置において、
   前記第２の圧電振動子は、
   前記第１の圧電振動子と同一の形状を有しており、
   平面視で前記第１の圧電振動子と同じ位置に位置する発振装置。
6. 請求項１ないし５いずれか１項に記載の発振装置において、
   前記第１の圧電振動子と前記第２の圧電振動子との中間に位置する平面には、前記樹脂部材が位置する発振装置。
7. 請求項１ないし６いずれか１項に記載の発振装置において、
   前記発振装置は、音波センサの発信源である発振装置。
8. 請求項１ないし６いずれか１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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