JP5812009B2 - 発振装置および電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子を備える発振装置、および電子機器に関する。

近年、ＴＶ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、薄型でスタイリッシュな携帯電話の開発が活発化している。このため、携帯電話等に搭載される電気音響変換器においても、小型でかつ大音量の音響再生が可能であることが求められる。また、プライバシ−保護の観点から、特定位置にのみ音場を形成できる超指向性スピーカの開発が要求されている。超指向性のスピーカとして、変調された超音波を空気中の非線形状態により復調するパラメトリックスピーカが開発されている。

パラメトリックスピーカは、超音波振動子を単一の周波数により発振させる。このため、機械品質係数の高い構造とすることが好ましい。これにより、共振周波数近傍にエネルギを集中させ、高効率で音声を再生することができる。
現在、上述のような携帯電話として各種の提案がある（特許文献１）。

国際公開第２００７／０２６７３６号パンフレット

上述のように、発振装置の機械品質係数が高い場合、高効率な音声の再生が可能となる。
一方、発振装置の機械品質係数が高い場合には、次のような問題点が生じる。発振装置の機械品質係数が高い場合、製造段階において発振装置の共振周波数が少しばらつくと、発振装置が再生できる音圧レベルは著しく変化してしまう。このため、安定した特性を有する発振装置を製造するためには、製造条件の調整や検査などにおいて多大な工数が必要となる。従って、発振装置の機械品質係数が高い場合、発振装置の生産性が低下する可能性がある。

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、用途によって機械品質係数Ｑを調整することが可能な発振装置を提供するものである。

本発明によれば、第１圧電素子と、
前記第１圧電素子の一面を拘束し、かつ金属材料からなる第１振動部材と、
前記第１振動部材の外周部を保持する樹脂部材と、
第２圧電素子と、
前記第２圧電素子の一面を拘束し、平面視で前記第１振動部材および前記樹脂部材と重なっており、かつ金属材料からなる第２振動部材と、
前記樹脂部材および前記第２振動部材を支持する支持部材と、
を備え、
前記第１振動部材、前記樹脂部材および前記第２振動部材の少なくとも一つには、前記第１振動部材および前記樹脂部材と前記第２振動部材との間に位置する空間を、前記空間の外部へとつなぐ少なくとも一つの開口部が設けられている発振装置が提供される。

本発明によれば、上述の発振装置と、前記発振装置に音波を出力させる発振駆動部と、を備える電子機器が提供される。

本発明によれば、用途によって機械品質係数Ｑを調整することが可能な発振装置を提供することができる。

上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。

本実施形態に係る発振装置を示す模式的な縦断正面図である。 図１に示す発振装置を示す平面図である。 図１に示す発振装置を示す底面図である。 図１に示す発振装置の機械品質係数Ｑを示す特性図である。 図１に示す発振装置の第１変形例を示す平面図である。 図１に示す発振装置の第１変形例を示す底面図である。 図１に示す発振装置の第２変形例を示す底面図である。

本発明の実施の形態を、図面を参照して以下に説明する。図１は、本実施形態に係る発振装置１００を示す模式的な縦断正面図である。
本実施形態に係る発振装置１００は、図１に示すように、圧電素子１２１と、圧電素子１２１の一面を拘束し、かつ金属材料からなる振動部材１２２と、振動部材１２２の外周部を保持する樹脂部材１２３と、圧電素子１１１と、圧電素子１１１の一面を拘束し、平面視で振動部材１２２および樹脂部材１２３と重なっており、かつ金属材料からなる振動部材１１２と、樹脂部材１２３および振動部材１１２を支持する支持部材１４０と、を備える。振動部材１２２、樹脂部材１２３および振動部材１１２の少なくとも一つには、振動部材１２２および樹脂部材１２３と振動部材１１２との間に位置する空間１７０を、空間１７０の外部へとつなぐ少なくとも一つの開口部１５０が設けられている。
以下、本実施形態に係る発振装置１００の構成について詳細に説明する。

図３は、図１に示す発振装置１００を示す底面図である。図３は、圧電素子１２１、振動部材１２２、および樹脂部材１２３からなる振動子１２０の平面構造を示している。
図３に示すように、圧電素子１２１の平面形状は、例えば矩形である。なお、圧電素子１２１の平面形状は、これに限られず、例えば円形等であってもよい。振動部材１２２は、圧電素子１２１の一面を拘束している。振動部材１２２は、金属材料からなる。振動部材１２２の平面形状は、例えば矩形である。なお、振動部材１２２の平面形状は、これに限られず、例えば円形等であってもよい。

樹脂部材１２３は、振動部材１２２の外周部を保持している。樹脂部材１２３の平面形状は、例えば中心を含む領域に開口を有する矩形の環状である。振動部材１２２は、樹脂部材１２３の中心に設けられた開口を塞ぐように、樹脂部材１２３によって保持される。樹脂部材１２３は、樹脂材料により構成される。
支持部材１４０は、樹脂部材１２３の外周部を固定することにより、樹脂部材１２３を支持している。支持部材１４０は、例えば平面視で矩形となる筒状に設けられている。また、支持部材１４０は、例えば高剛性な金属等により構成される。

図２は、図１に示す発振装置１００を示す平面図である。図２は、圧電素子１１１、および振動部材１１２からなる振動子１１０の平面構造を示している。
図２に示すように、圧電素子１１１の平面形状は、例えば矩形である。なお、圧電素子１１１の平面形状は、これに限られず、例えば円形等であってもよい。
図２に示すように、振動部材１１２は、圧電素子１１１を拘束する台座部１１３と、台座部１１３を支持部材１４０に連結する梁部１１４と、からなる。また、振動部材１１２は、開口部１５０を有する。台座部１１３の平面形状は、例えば矩形である。なお、台座部１１３の平面形状は、これに限られず、例えば円形等であってもよい。梁部１１４は、台座部１１３の外周の一部を、支持部材１４０と連結する。これにより、台座部１１３を支持部材１４０に支持させる。また、台座部１１３と支持部材１４０との間の領域のうち梁部１１４が設けられていない部分が、開口部１５０となる。

図２に示すように、台座部１１３の平面形状は、矩形である。また、支持部材１４０は、平面視で矩形となる筒状に設けられている。そして、梁部１１４は、台座部１１３の四つの角部と、支持部材１４０の四つの角部と、を連結するＸ状に形成されている。このため、振動部材１１２には、平面視で台形となる四つの開口部１５０が形成されることとなる。

本実施形態に係る発振装置１００は、携帯電話機(図示せず)などの電子機器の一部として機能する。このため、発振装置１００を備える電子機器には、発振装置１００に音波を出力させる発振駆動部であるドライバ回路１６０が設けられる。ドライバ回路１６０は、リード線等を介して、発振装置１００が備える圧電素子１１１および圧電素子１２１に結線されている。
本実施形態において、振動子１１０および振動子１２０の発振周波数は、例えば２０ｋＨｚ以上である。振動子１１０および振動子１２０は、例えばパラメトリックスピーカ用に変調された超音波を出力する。なお、振動子１１０および振動子１２０は、例えば可聴域の周波数を有する音波を出力するように構成されていてもよい。

本実施形態に係る発振装置１００では、振動子１１０と振動子１２０が、ドライバ回路１６０に駆動され、パラメトリックスピーカ用に変調された超音波を出力する。
このとき、振動子１２０が振動子１１０側へ出力した超音波は、空間１７０から開口部１５０を介して空間１７０の外部（図１中上方）へ出力される。従って、振動子１２０から振動子１１０側（図１中上方）へ向けて出力された超音波により復調される音声と、振動子１１０から振動子１２０とは反対側（図１中上方）へ向けて出力された超音波により復調される音声は、互いに合成されることとなる。

振動子１１０は、図２に示すように、圧電素子１１１、および圧電素子１１１の一面を拘束し、かつ金属材料からなる振動部材１１２により構成されている。
一方、振動子１２０は、図３に示すように、圧電素子１２１、圧電素子１２１の一面を拘束し、かつ金属材料からなる振動部材１２２、および振動部材１２２を保持する樹脂部材１２３により構成されている。

このため、振動子１１０と振動子１２０では、図４に示すように、機械品質係数Ｑが相違する。上述のように、振動子１１０は、金属と圧電材料から構成される。このため、振動子１１０の機械品質係数Ｑは高い。これに対して、振動子１２０は、内部損失の大きい樹脂部材１２３を、振動時に応力が集中する端部に配置している。このため、振動子１２０の振動は、樹脂部材１２３から減衰を受ける。従って、振動子１２０の機械品質係数Ｑは、振動子１１０と比較して低い。
このように、本実施形態では、一つの発振装置１００に、互いに著しく異なる機械品質係数Ｑを有する振動子１１０および振動子１２０が設けられる。すなわち、本実施形態に係る発振装置１００は、図４に示すように、音圧レベルの周波数特性が互いに異なる振動子１１０と振動子１２０を備える。

従って、本実施形態では、互いに異なる機械品質係数Ｑを有する振動子１１０および振動子１２０から出力される音声が、互いに合成されることとなる。これにより、発振装置１００の機械品質係数Ｑを、見かけ上調整することが可能となる。
より具体的には、機械品質係数Ｑが高い振動子１１０では、図４に示すように、音圧レベルの周波数特性において、急峻なピークが見られる。一方で、機械品質係数Ｑが低い振動子１２０では、図４に示すように、音圧レベルの周波数特性は、振動子１１０と比較して平坦である。
振動子１１０と振動子１２０の音響が合成されると、その音響の音圧レベル周波数特性は平均的なものとなる。すなわち、発振装置１００の機械品質係数Ｑも、見かけ上、振動子１１０と振動子１２０との間の値を取ることとなる。
このようにして、本実施形態に係る発振装置１００の機械品質係数Ｑを、用途によって調整することが可能となる。

また、本実施形態では、音声を出力する段階において、振動子１１０と振動子１２０の出力比を調整することにより、発振装置の機械品質係数Ｑを調整することができる。すなわち、振動子１１０と振動子１２０の出力比を調整することで、発振装置１００から出力される音声の音圧レベル周波数特性を調整できる。これにより、発振装置１００の機械品質係数Ｑを、見かけ上調整することができる。

次に、本実施形態の効果を説明する。
本実施形態によれば、発振装置１００は、平面視で重なり、かつ機械品質係数Ｑが互いに異なる振動子１１０および振動子１２０を有する。また、振動子１１０を構成する振動部材１１２には、振動子１１０と振動子１２０に挟まれた空間１７０を、空間１７０の外部へつなぐ開口部１５０が設けられている。
このため、機械品質係数Ｑが互いに異なる二つの振動子から出力される音声を、互いに合成することができる。これにより、発振装置１００の機械品質係数Ｑを、見かけ上調整することが可能となる。従って、用途に応じて機械品質係数Ｑを調整することができる発振装置を提供することができる。
発振装置の機械品質係数Ｑを調整することにより、発振装置の生産性の低下を抑制しつつ、高効率な音声再生を実現することができる。

なお、本実施形態は、上記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。上記形態では、振動子１１０を構成する振動部材１１２に開口部１５０が形成されている構造を例示した。

図５は、図１に示す発振装置１００の第１変形例を示す平面図である。また、図６は、図１に示す発振装置１００の第１変形例を示す底面図である。本実施形態では、第１変形例に示す構造を有していてもよい。
第１変形例に係る発振装置１００では、振動部材１２２に開口部１５０が形成されている。第１変形例において、振動部材１２２は、図６に示すように、圧電素子１２１を拘束する台座部１３２と、台座部１３２を樹脂部材１２３に連結する梁部１３０と、からなる。
梁部１３０は、台座部１３２の外周の一部を、樹脂部材１２３と連結する。これにより、台座部１３２を樹脂部材１２３に保持させる。また、台座部１３２と樹脂部材１２３との間の領域のうち梁部１３０が設けられていない部分が、開口部１５０となる。
一方、第１変形例では、図５に示すように、振動部材１１２には開口部１５０は設けられない。

第１変形例においては、振動子１１０が振動子１２０側へ出力した超音波は、空間１７０から開口部１５０を介して空間１７０の外部へ出力される。従って、振動子１２０から振動子１１０とは反対側へ向けて出力された超音波により復調される音声と、振動子１１０から振動子１２０側へ向けて出力された超音波により復調される音声は、互いに合成されることとなる。
従って、上記形態と同様、発振装置の機械品質係数Ｑを調整することができる。

図７は、図１に示す発振装置１００の第２変形例を示す底面図である。本実施形態では、第２変形例に示す構造を有していてもよい。
第２変形例に係る発振装置１００では、樹脂部材１２３に開口部１５０が形成されている。第２変形例において、樹脂部材１２３は、図７に示すように、振動部材１２２を保持する台座部１３６と、台座部１３６を支持部材１４０に連結する梁部１３４と、からなる。
梁部１３４は、台座部１３６の外周の一部を、支持部材１４０と連結する。これにより、台座部１３６を支持部材１４０に支持させる。また、台座部１３６と支持部材１４０との間の領域のうち梁部１３４が設けられていない部分が、開口部１５０となる。
一方、第２変形例では、第１変形例と同様、振動部材１１２には開口部１５０は設けられない。
第２変形例によっても、第１変形例と同様、発振装置の機械品質係数Ｑを調整することができる。

なお、本実施形態では、振動部材１２２、樹脂部材１２３および振動部材１１２から選択される二つ以上の部材に、開口部１５０が設けられていてもよい。
これによっても、上記形態と同様に、発振装置１００から、振動子１１０から出力される超音波により復調される音声と振動子１２０から出力される超音波により復調される音声が合成された音響を再生することができる。

さらに、上記形態では振動子１１０および振動子１２０が、各々一個の圧電素子により振動部材の片面のみ拘束する、ユニモルフ構造の発振装置１００を例示した。しかし、振動子１１０および振動子１２０の少なくとも一方が、二個の圧電素子によって振動部材の上面と下面とを拘束する、バイモルフ構造の発振装置１００なども実施可能である(図示せず)。

また、圧電素子１１１および圧電素子１２１は、一個の圧電層からなってもよく、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、上記形態では発振装置１００にドライバ回路１６０が接続されている電子機器を例示した。しかし、このような発振装置１００と、発振装置１００にセンサ用超音波を出力させる発振駆動部と、測定対象物で反射したセンサ用超音波を検知する超音波検知部と、センサ用超音波が発振装置１００により出力されてから超音波検知部により検知されるまでの時間に基づいて、発振装置１００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。

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。

この出願は、２０１０年１１月１日に出願された日本出願特願２０１０−２４５６８１を基礎とする優先権を主張し、その開示の総てをここに取り込む。

Claims (9)

1. 第１圧電素子と、
   前記第１圧電素子の一面を拘束し、かつ金属材料からなる第１振動部材と、
   前記第１振動部材の外周部を保持する樹脂部材と、
   第２圧電素子と、
   前記第２圧電素子の一面を拘束し、平面視で前記第１振動部材および前記樹脂部材と重なっており、かつ金属材料からなる第２振動部材と、
   前記樹脂部材および前記第２振動部材を支持する支持部材と、
   を備え、
   前記第１振動部材、前記樹脂部材および前記第２振動部材の少なくとも一つには、前記第１振動部材および前記樹脂部材と前記第２振動部材との間に位置する空間を、前記空間の外部へとつなぐ少なくとも一つの開口部が設けられている発振装置。
2. 前記第１圧電素子、前記第１振動部材、および前記樹脂部材からなる第１振動子と、前記第２圧電素子および前記第２振動部材からなる第２振動子は、パラメトリックスピーカ用の変調波を出力する請求項１に記載の発振装置。
3. 前記第１振動部材は、前記開口部を有する請求項１または２に記載の発振装置。
4. 前記第１振動部材は、前記第１圧電素子を拘束する第１台座部と、前記第１台座部を前記支持部材に連結する第１梁部と、からなる請求項３に記載の発振装置。
5. 前記第２振動部材は、前記開口部を有する請求項１ないし４の何れか一項に記載の発振装置。
6. 前記第２振動部材は、前記第２圧電素子を拘束する第２台座部と、前記第２台座部を前記支持部材に連結する第２梁部と、からなる請求項５に記載の発振装置。
7. 前記樹脂部材は、前記開口部を有する請求項１ないし４の何れか一項に記載の発振装置。
8. 前記樹脂部材は、前記第１振動部材を保持する第３台座部と、前記第３台座部を前記支持部材に連結する第３梁部と、からなる請求項７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、
   前記発振装置に音波を出力させる発振駆動部と、
   を備える電子機器。

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