JP5691410B2 - 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。

圧電素子に関する技術としては、例えば特許文献１〜４に記載のものがある。特許文献１に記載の技術は、スピーカ等の振動体として用いられる圧電素子をセラミック材料によって隙間無く封止するというものである。特許文献２に記載の技術は、圧電型電気音響変換器において、圧電振動板と筐体との隙間に塗布される封止材の塗布量を、領域によって異ならせるというものである。

特許文献３および４に記載の技術は、受波型圧電素子に関するものである。特許文献３は、圧電体の厚さ方向側面への音圧の入射を、音圧遮断部材を配置して優先的に遮断するというものである。特許文献４は、圧電体をより大面積の剛性部材で挟持させ、圧電体の厚さ方向変形に寄与する音圧の有効作用面積を増大させるというものである。

特開２００４−３０６００４号公報 特開２００６−３３７７４号公報 特開平６−２６９０９１号公報 特開平６−２６９０９２号公報

圧電振動子を発振装置に使用する場合、圧電振動子において破損や破壊などが生じる場合があった。

本発明の目的は、信頼性の高い発振装置を提供することにある。

本発明によれば、圧電振動子と、
前記圧電振動子の一面を拘束する第１の振動部材と、
前記圧電振動子の他面を拘束する第２の振動部材と、
前記第１の振動部材と前記第２の振動部材の縁を固定する支持部材と、
前記第１の振動部材と前記第２の振動部材の間において、前記圧電振動子の側面、前記第１の振動部材および前記第２の振動部材と接するように設けられた樹脂材料と、
を備える発振装置が提供される。

本発明によれば、信頼性の高い発振装置を提供することができる。

本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に示す発振装置を示す平面図である。 図１に示す発振装置の第１の変形例を示す断面図である。 図４に示す発振装置を示す平面図である。 図１に示す発振装置の第２の変形例を示す平面図である。 図１に示す発振装置の第３の変形例を示す平面図である。 図１に示す発振装置の第４の変形例を示す平面図である。 図１に示す発振装置の第５の変形例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、本実施形態に係る発振装置１００を示す断面図である。図２は、図１に示す圧電振動子１０を示す断面図である。また図３は、図１に示す発振装置１００を示す平面図である。発振装置１００は、圧電振動子１０と、振動部材２０と、振動部材２２と、支持部材３０と、樹脂材料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の一面を拘束している。振動部材２２は、圧電振動子１０の他面を拘束している。支持部材３０は、振動部材２０と振動部材２２の縁を固定している。樹脂材料４０は、振動部材２０と振動部材２２の間において、圧電振動子１０の側面、振動部材２０および振動部材２２と接するように設けられている。以下図１〜３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５２と、信号生成部５０と、をさらに備えている。信号生成部５０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。制御部５２は、信号生成部５０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５０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５２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５２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５０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。

また圧電振動子１０、振動部材２０、振動部材２２および樹脂材料４０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５２は信号生成部５０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は、２０ｋＨｚ以上、例えば１００ｋＨｚの音波を信号の輸送波として用いる。

図２に示すように、圧電振動子１０は、圧電体１２、上部電極１４および下部電極１６からなる。また、圧電振動子１０は、平面視で例えば円形または楕円形を有する。圧電体１２は、上部電極１４と下部電極１６に挟まれている。また、圧電体１２は、その厚さ方向に分極している。圧電体１２は、圧電効果を有する材料により構成され、例えば電気機械変換効率が高い材料としてジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）また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１２の厚みは、１０μｍ〜１ｍｍであることが好ましい。厚みが１０μｍ未満である場合、圧電体１２は脆性材料により構成されるため、取り扱い時において破損等が生じやすい。一方、厚みが１ｍｍを超える場合、圧電体１２の電界強度が低減する。このため、エネルギー変換効率の低下を招く。

上部電極１４および下部電極１６は、電気伝導性を有する材料によって構成され、例えば銀または銀／パラジウム合金等によって構成される。銀は、低抵抗な汎用材料であり、製造コストや製造プロセスの観点から優位である。また、銀／パラジウム合金は、耐酸化性に優れた低抵抗材料であり、信頼性に優れる。上部電極１４および下部電極１６の厚みは、１〜５０μｍであることが好ましい。厚みが１μｍ未満の場合、均一に成形することが難しくなる。一方、５０μｍを超える場合、上部電極１４または下部電極１６が圧電体１２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、２２は、金属や樹脂等、脆性材料であるセラミック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、又はステンレス等の汎用材料によって構成される。振動部材２０、２２が電気伝導性を有する材料によって構成される場合、振動部材２０、２２を介した圧電振動子１０の電気接続が可能となる。振動部材２０、２２の厚みは、５〜５００μｍであることが好ましい。また振動部材２０、２２の縦弾性係数は、１〜５００ＧＰａであることが好ましい。振動部材２０、２２の縦弾性係数が過度に低い、または高い場合、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。

樹脂材料４０は、例えばポリエチレンテレフタレート、ウレタン、ポリエチレン、天然ゴム、ブチルゴムによって構成されている。樹脂材料４０は、例えば図１および３に示すように、圧電振動子１０、振動部材２０、振動部材２２および支持部材３０によって囲まれた空間を充填する。また、樹脂材料４０は、例えば圧電振動子１０の側面、振動部材２０および振動部材２２に連続的に接するように設けられている。さらに、樹脂材料４０は、例えば圧電振動子１０の側面の全周を覆っている。これらにより、圧電振動子１０に外的な応力がかかりにくくなる。

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１２を製造する。圧電体１２の製造は、グリーンシート法で行い、大気中で１１００℃−２時間にわたって焼成する。次いで、圧電体１２に、上部電極１４および下部電極１６を形成する。そして、圧電体１２に厚み方向の分極処理を施す。これにより得られた圧電振動子１０を、エポキシ系接着剤を用いて振動部材２０、２２へ接着する。ただし、圧電振動子１０と振動部材２０、２２との電気導通を得るために、エポキシ系接着剤の厚みは、２０μｍ以下が好ましい。圧電振動子１０、振動部材２０、２２は、平面視で円形を有しており、同心円状に配置される。次いで、振動部材２０、２２を、支持部材３０に固定する。そして、圧電振動子１０、振動部材２０、振動部材２２および支持部材３０によって囲まれた空間に、樹脂材料４０を溶融成形によって注入する。これにより発振装置１００が得られる。なお、樹脂材料４０の注入は、圧電振動子１０と振動部材２０を接合した後に行われる。そして、注入された樹脂材料４０を研磨などにより加工した後、圧電素子２０と振動部材２２を接合する。

圧電振動子１２は、例えば外径＝φ１５ｍｍ、厚み＝１００μｍ（０．１ｍｍ）であり、ジルコン酸チタン酸鉛系セラミックを用いる。圧電体１２の上下面に形成される上部電極１４および下部電極１６は、例えば厚み＝８μｍであり、銀／パラジウム合金（重量比７０％：３０％）を用いる。振動部材２０、２２は、例えば外径＝φ１７ｍｍ、厚み＝1００μｍ（０．１ｍｍ）であり、リン青銅を用いる。樹脂材料４０は、例えばポリエチレンポリマーを用いる。支持部材３０は、例えば外径＝φ１９ｍｍ、内径＝φ１８ｍｍの中空状のケースであり、ＳＵＳ３０４を用いる。

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。圧電振動子１０を構成する上部電極１４および下部電極１６に交流電流が印加され、交番的な電界が付与されると、圧電振動子１０の上面および下面は半径方向の伸縮運動を行う。圧電振動子１０の上面および下面は、振動部材２０、２２によって拘束されている。また、振動部材２０、２２の縁は、支持部材３０によって固定されている。このため、圧電振動子１０および振動部材２０、２２は、屈曲型の振動を行う。このようにして、発振装置１００は音波を発することとなる。

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５２は、圧電振動子１０に信号生成部５０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。圧電振動子１０は、脆性材料によって構成されているため、外的な力を受けることにより割れや欠けといった破損が生じやすい。特に、圧電振動子１０の屈曲振動の際に応力が集中する特定の箇所では、これが顕著となる。本実施形態における発振装置１００においては、樹脂材料４０は、振動部材２０、２２の間において、圧電振動子１０の側面、振動部材２０および振動部材２２と接するように設けられている。すなわち、圧電振動子１０は、樹脂材料４０によって拘束されることとなる。これにより、屈曲振動の際や、落下時、その他の外的な衝撃を受けた際にかかる応力を、樹脂材料４０によって緩和することができる。よって、信頼性の高い発振装置を提供することができる。

また、樹脂材料４０は、柔軟性に富み、かつ内部損失が大きい。よって外的な衝撃を受けた際にかかる応力を、効果的に吸収することができる。さらに、圧電振動子１０が振幅運動をする際に発生する熱を、樹脂材料４０によって拡散することができる。このため、さらに信頼性の高い発振装置を提供することができる。なお、樹脂材料を用いない点を除いて本実施形態の発振装置と同様の構成を有する発振装置と比較したところ、本実施形態に係る発振装置の衝撃安定性が高いことが確認された。

また、発振装置１００は、屈曲型の振動をする。このため、特定周波数での音圧レベルが改善できる。すなわち、屈曲振動により、見かけ上で、機械的品質係数Ｑを増加し、共振周波数近傍では振動エネルギーを集中させることができる。このため、単一の周波数を発振させるパラメトリックスピーカにおいては、音圧レベルを増大できるメリットを持つ。

また、振動部材２０、２２が電気伝導性を有する材料によって構成される場合、振動部材２０、２２を介した圧電振動子１０の電気接続が可能となる。これにより、圧電振動子１０の上部電極１４および下部電極１６に半田付けをしなくとも、振動部材２０、２２を介して圧電振動子１０の上部電極１４および下部電極１６に駆動信号を伝達することができる。従って、半田の量のばらつきによって発振装置に生じる発振特性のばらつきを抑制できる。また、半田接続時における高熱処理プロセスによって、消極（分極状態の破壊）が生じることを抑制できる。

図４は、図１に示す発振装置１００の第１の変形例を示す断面図である。図５は、図４に示す発振装置１０２を示す平面図である。図４および図５に示すように、第１の変形例に係る発振装置１０２は、樹脂材料４０が圧電振動子１０の周囲にのみ形成されている点を除いて、発振装置１００と同様である。本変形例によっても、本実施形態の効果を得ることができる。また、樹脂材料４０の使用量を節約することができ、製造コストを抑えることができる。

図６は、図１に示す発振装置１００の第２の変形例を示す平面図である。図６に示すように、第２の変形例に係る発振装置１０４は、樹脂材料４０が圧電振動子１０の全周に渡って設けられていない点を除いて、発振装置１００と同様である。本変形例によっても、本実施形態の効果を得ることができる。また、樹脂材料４０の使用量を節約することができ、製造コストを抑えることができる。

図７は、図１に示す発振装置１００の第３の変形例を示す平面図である。図７に示すように、第３の変形例に係る発振装置１０６は、圧電振動子１０、振動部材２０、振動部材２２、支持部材３０が矩形を有する点を除いて、発振装置１００と同様である。本変形例によっても、本実施形態の効果を得ることができる。また、矩形の材料を使用することで、材料の加工が容易となり、製造コストを抑えることができる。

図８は、図１に示す発振装置１００の第４の変形例を示す平面図である。図８に示すように、第４の変形例に係る発振装置１０８は、振動部材２０、振動部材２２および支持部材３０が矩形を有する点を除いて、発振装置１００と同様である。本変形例によっても、本実施形態の効果を得ることができる。また、本変形例において、圧電振動子１０は円形を有している。このように、振動部材２０、２２や圧電振動子１０において異なる形状を有させることにより、設計自由度を向上することができる。

図９は、図１に示す発振装置１００の第５の変形例を示す斜視図である。図９に示すように、第５の変形例に係る発振装置は、圧電振動子１０が複数の圧電体６０と電極７０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、発振装置１００と同様の構成である。圧電体６０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。

本変形例によっても、本実施形態の効果を得ることができる。また、圧電振動子１０を、複数の圧電体６０と電極７０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１０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。

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．圧電振動子と、
前記圧電振動子の一面を拘束する第１の振動部材と、
前記圧電振動子の他面を拘束する第２の振動部材と、
前記第１の振動部材と前記第２の振動部材の縁を固定する支持部材と、
前記第１の振動部材と前記第２の振動部材の間において、前記圧電振動子の側面、前記第１の振動部材および前記第２の振動部材と接するように設けられた樹脂材料と、
を備える発振装置。
２．１．に記載の発振装置において、
前記発振装置は、屈曲型の振動をすることにより音波を発する発振装置。
３．１．または２．に記載の発振装置において、
前記樹脂材料は、前記圧電振動子の側面、前記第１の振動部材および前記第２の振動部材と連続的に接するように設けられている発振装置。
４．１．ないし３．いずれか１項に記載の発振装置において、
前記樹脂材料は、前記圧電振動子の側面の全周を覆っている発振装置。
５．１．ないし４．いずれか１項に記載の発振装置において、
前記樹脂材料は、前記圧電振動子、前記第１の振動部材、前記第２の振動部材および前記支持部材によって囲まれた空間を充填する発振装置。
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の振動部材および前記第２の振動部材は、電気伝導性を有している発振装置。
７．１．ないし６．いずれか１項に記載の発振装置において、
前記発振装置は音波センサの発振源である発振装置。
８．１．ないし６．のいずれか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
１２ 圧電体
１４ 上部電極
１６ 下部電極
２０ 振動部材
２２ 振動部材
３０ 支持部材
４０ 樹脂材料
５０ 信号生成部
５２ 制御部
６０ 圧電体
７０ 電極
１００ 発振装置
１０２ 発振装置
１０４ 発振装置
１０６ 発振装置
１０８ 発振装置

Claims (9)

1. 圧電振動子と、
   前記圧電振動子の一面を拘束する第１の振動部材と、
   前記圧電振動子の他面を拘束する第２の振動部材と、
   前記第１の振動部材と前記第２の振動部材の縁を固定する支持部材と、
   前記第１の振動部材と前記第２の振動部材の間において、前記圧電振動子の側面、前記第１の振動部材および前記第２の振動部材と接するように設けられた樹脂材料と、
   を備え、
   屈曲型の振動をすることにより音波を発する発振装置。
2. 請求項１に記載の発振装置において、
   前記第１の振動部材および前記第２の振動部材の厚さは、５〜５００μｍである発振装置。
3. 請求項１または２に記載の発振装置において、
   前記樹脂材料は、前記圧電振動子の側面、前記第１の振動部材および前記第２の振動部材と連続的に接するように設けられている発振装置。
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、
   前記樹脂材料は、前記圧電振動子の側面の全周を覆っている発振装置。
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、
   前記樹脂材料は、前記圧電振動子、前記第１の振動部材、前記第２の振動部材および前記支持部材によって囲まれた空間を充填する発振装置。
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の振動部材および前記第２の振動部材は、電気伝導性を有している発振装置。
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、
   前記樹脂材料は、前記圧電振動子、前記第１の振動部材、前記第２の振動部材および前記支持部材によって囲まれた空間の一部のみを充填する発振装置。
8. 請求項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振源である発振装置。
9. 請求項１ないし７のいずれか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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