JP5671945B2 - 発振装置および電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、圧電振動子を利用した発振装置、この発振装置を利用した電子機器、に関する。

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スタイリッシュ携帯電話の開発が活発に取り組まれている。この中、多彩な音響機能が要求され、これを実現する音響デバイスとして、小型・高性能な電気音響変換器（スピーカ、マイクロフォン）が要求されている。現在の携帯電話においては、スピーカとマイクロフォンは個々独立した部品として取り扱われており、部品サイズ、実装方法などで課題がある。

現在、上述のような電気音響変換器として各種の提案がある（特許文献１〜３）。

特開２００８−１４７８２２号公報 特開２００９−１８８６４１号公報 特開平０６−３３５０９１号公報

スピーカなどに使用される電気音響変換器としては、従来から動電型の電気音響変換器が使用されている。動電型の電気音響変換器は、永久磁石とボイスコイルからなる磁電回路を駆動源にするため、小型・薄型化への制約が大きい。一方、動電型に代わる薄型の電気音響変換器として、圧電型の変換器があるが、機械特性上、高周波数帯域では高い音圧レベルを発振できるが、低周波数帯域では大音圧の発生が困難である。また、電気音響変換器を動電型から圧電型に変更しても、マイクロフォンは必要であり、実装上の制約は依然変わらない。

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、携帯電話などの電子機器の小型薄型化、および生産性の向上を実現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、圧電素子と弾性部材とを有して空気中の疎密現象により可聴音に復調される変調された超音波を各々出力する複数の圧電振動子と、複数の圧電振動子を二次元のアレイ状に配列する支持体と、支持体の圧電振動子が配置される複数の位置の少なくとも一つに配置されていてＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)からなるマイクロフォンと、を有する。

本発明の第一の電子機器は、本発明の発振装置と、発振装置に可聴域の音波を出力させる発振駆動部と、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、発振装置に超音波を出力させる発振駆動部と、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測距部と、を有する。

本発明の発振装置は、アレイ状に配列されている複数の圧電振動子が可聴音に復調される変調された超音波を各々出力するので、いわゆるパラメトリックスピーカとして機能させることができ、そのアレイ配列の一箇所にマイクロフォンが配置されているので、スピーカとマイクロフォンとが一体となった電気音響変換器を実現でき、携帯電話などの電子機器の小型薄型化、および生産性の向上を実現することができる。

本発明の実施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平面図である。 電気音響変換器の圧電振動子の構造を示す模式的な平面図である。 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。

本実施の形態の発振装置である電気音響変換器１００は、図１ないし図３に示すように、圧電素子１１１と弾性部材１１２とを有して空気中の疎密現象により可聴音に復調される変調された超音波を各々出力する複数の圧電振動子１１０と、複数の圧電振動子１１０を二次元のアレイ状に配列する支持体１２０と、支持体１２０の圧電振動子１１０が配置される複数の位置の少なくとも一つに配置されていてＭＥＭＳからなるマイクロフォン１３０と、を有する。

圧電振動子１１０は、圧電素子１１１の片側主面が弾性部材１１２に拘束されており、弾性部材１１２は、支持体１２０に直接接合されている。圧電振動子１１０は、２０ｋＨｚ以上の周波数の超音波を出力する。圧電素子１１１は、主面の平面形状が矩形である。本実施の形態の電気音響変換器１００は、発振駆動部であるドライバ回路が接続されている(図示せず)。

より具体的には、圧電振動子１１０は、弾性部材１１２が圧電素子１１１の片側主面を拘束して、この弾性部材１１２は支持体１２０と直接接合している。音波発生のメカニズムは、圧電素子１１１への電界の印加により発生する伸縮運動を利用する。また、超音波の周波数は２０ｋＨｚ以上に限定する。圧電素子１１１は機械品質係数Ｑが高いため、基本共振近傍にエネルギが集中するため、基本共振周波数では高い音圧レベルを得ることができるが、その他の周波数帯域では、音圧が減衰してしまう。

本構成では、特定周波数に限定した超音波を発振させるため、むしろ、圧電素子１１１の機械品質係数Ｑが高いことが特性として優位となる。また、圧電振動子の基本共振周波数は圧電素子１１１の形状に影響を受けるため、高い周波数帯域、例えば、超音波帯域に共振周波数を調整する場合、小型化に優位となる。

なお、本構成では、ＦＭ(Frequency Modulation)やＡＭ(Amplitude Modulation)変調させた超音波を発振させ、空気の非線形状態（疎密状態）を利用して、変調波を復調させ可聴音を再生する、いわゆるパラメトリックスピーカの原理に基づいて音響再生を行う。また、指向性を制御するため、フェーズドアレイ法のように、微少な超音波振動子を多数配列した圧電振動子１１０から、タイミングを変えて発振した超音波を合成した主ビームを発生させる方法を取るが、圧電振動子１１０のサイズが小さいため、多数の圧電振動子１１０を配置しても、デバイスサイズへの影響は小さい。

本実施の形態の電気音響変換器１００では、圧電素子１１１は、高周波数帯域の発振に限定した構成になるため、小型化が可能となる。また、フェーズドアレイ法のように、微少な超音波振動子を多数配列したアレイ探触子から、タイミングを変えて発振した超音波を合成した主ビームを発生させる方法により指向性を制御することが可能となる。この構成において、アレイ部の一箇所にマイクロフォン１３０が配置されているので、スピーカとマイクロフォン１３０が一体となった小型の電気音響変換器１００を実現することができ、携帯電話の小型薄型化および生産性の向上を実現することができる。

しかも、本実施の形態の電気音響変換器１００では、マイクロフォン１３０がＭＥＭＳからなる。このため、電気音響変換器１００の製造工程時にハンダリフローすることができ、生産性を向上させることができる。しかも、Ｓｉ技術を利用できるので、従来のＥＣＭマイクに比較して生産性を向上させることができる。

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、上記形態ではマトリクス状に配列されている圧電振動子１１０の平面形状が矩形であることを例示した。しかし、このような圧電振動子１１０の平面形状が円形や六角形などでもよい。また、このような円形や六角形の圧電振動子１１０がハニカム状に配列されていてもよい(図示せず)。

さらに、上記形態では一個の圧電素子１１０で弾性部材１２０の上面のみ拘束するユニモルフ構造の電気音響変換器１００を例示した。しかし、二個の圧電素子１１０で弾性部材１２０の上面と下面とを拘束したバイモルフ構造の発振装置なども実施可能である(図示せず)。

また、上記形態では圧電素子１１０が一個の圧電層からなることを想定した。しかし、圧電素子が、圧電層と電極層とが交互に積層された積層構造からなってもよい(図示せず)。

さらに、上記形態では電気音響変換器１００に発振駆動部であるドライバ回路が接続されている電子機器を想定した。しかし、このような電気音響変換器１００と、電気音響変換器１００に超音波を出力させる発振駆動部と、電気音響変換器１００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測距部と、を有するソナーなどの電子機器(図示せず)も実施可能である。その場合、上述の超音波検知部としてマイクロフォン１３０を利用することができる。

なお、当然ながら、上述した実施の形態および複数の変形例は、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および変形例では、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。
以下、参考形態の例を付記する。
１．
圧電素子と弾性部材とを有して空気中の疎密現象により可聴音に復調される変調された超音波を各々出力する複数の圧電振動子と、
複数の前記圧電振動子を二次元のアレイ状に配列する支持体と、
前記支持体の前記圧電振動子が配置される複数の位置の少なくとも一つに配置されていてＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)からなるマイクロフォンと、
を有する発振装置。
２．
前記圧電振動子は、前記圧電素子の片側主面が前記弾性部材に拘束されており、
前記弾性部材は、前記支持体に直接接合されている１．に記載の発振装置。
３．
前記圧電振動子は、二個の前記圧電素子が前記弾性部材の両側主面を拘束している１．または２．に記載の発振装置。
４．
前記圧電振動子は、２０ｋＨｚ以上の周波数の前記超音波を出力する１．ないし３．の何れか１つに記載の発振装置。
５．
前記圧電素子は、主面の平面形状が矩形である１．ないし４．の何れか１つに記載の発振装置。
６．
前記圧電素子は、主面の平面形状が円形である１．ないし４．の何れか１つに記載の発振装置。
７．
１．ないし６．の何れか１つに記載の発振装置と、
前記発振装置に可聴域の音波を出力させる発振駆動部と、
を有する電子機器。
８．
１．ないし６．の何れか１つに記載の発振装置と、
前記発振装置に前記超音波を出力させる発振駆動部と、
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部と、
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測距部と、
を有する電子機器。
９．
前記超音波検知部が前記マイクロフォンからなる８．に記載の電子機器。

１００ 電気音響変換器
１１０ 圧電振動子
１１１ 圧電素子
１１２ 弾性部材
１２０ 支持体
１３０ マイクロフォン

Claims (7)

1. 圧電素子と弾性部材とを有して空気中の疎密現象により可聴音に復調される変調された超音波を、各々タイミングを変えて出力する複数の圧電振動子と、
   複数の前記圧電振動子を二次元のアレイ状に配列する支持体と、
   前記支持体の前記圧電振動子が配置される複数の位置の少なくとも一つに配置されていてＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)からなるマイクロフォンと、
   を有する発振装置。
2. 前記圧電振動子は、前記圧電素子の片側主面が前記弾性部材に拘束されており、
   前記弾性部材は、前記支持体に直接接合されている請求項１に記載の発振装置。
3. 前記圧電振動子は、二個の前記圧電素子が前記弾性部材の両側主面を拘束している請求項１または２に記載の発振装置。
4. 前記圧電振動子は、２０ｋＨｚ以上の周波数の前記超音波を出力する請求項１ないし３の何れか一項に記載の発振装置。
5. 前記圧電素子は、主面の平面形状が矩形である請求項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、主面の平面形状が円形である請求項１ないし４の何れか一項に記載の発振装置。
7. 請求項１ないし６の何れか一項に記載の発振装置と、
   前記発振装置に可聴域の音波を出力させる発振駆動部と、
   を有する電子機器。

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