JP5939160B2 - 発振装置および電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、発振装置および電子機器に関する。

音楽再生、ハンズフリー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機の開発が活発化している。このような状況の中、電気音響変換器に対しては、小型・薄型でかつ高音質であることへの要求が強く、従来の動電型に代わる圧電型の薄型の電気音響変換器の開発が活発になされている。圧電型の電気音響変換器は圧電素子の伸縮運動を利用して音波を再生するものである。このため、磁石やボイスコイルから構成される動電型の電気音響変換器に比べて薄型化に有利である。

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）。

実開昭５８−０２８５００号公報 特開平０４−１７０８９７号公報 特開平０４−３６８０９９号公報

近年では防水構造の携帯電話機の需要が高まっており、携帯電話機用の電気音響変換器にも防水構造が要求されている。圧電型の電気音響変換器の駆動源となる圧電素子は、その上下の主面が電極材料により拘束された圧電体から構成される。通常の圧電型の電気音響変換器は、この圧電素子に振動部材が接合した構造であるため、振動部材と圧電素子とのいずれが音孔側に面する構造であっても、水分に対する耐性は低い。

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、防水構造の圧電型の発振装置、このような発振装置を利用した防水構造の電子機器、を提供するものである。

本発明の発振装置は、振動部材と、前記振動部材の一方の面に取り付けられた圧電素子と、を有する発振素子と、
防水性の材料により構成されているシート状の防水部材と、
前記防水部材と前記発振素子とが互いに対向するように、前記振動部材の外周部と前記防水部材の外周部とを保持している枠状の支持部材と、
前記発振素子と前記防水部材との互いの対向面どうしを部分的に連結する連結部材と、
を備える。

本発明の電子機器は、筐体と、
前記筐体に設けられた音孔と、
前記筐体内に設けられた発振装置と、
を備え、
前記発振装置は、
振動部材と、前記振動部材の一方の面に取り付けられた圧電素子と、を有する発振素子と、
防水性の材料により構成されているシート状の防水部材と、
前記防水部材と前記発振素子とが互いに対向するように、前記振動部材の外周部と前記防水部材の外周部とを保持している枠状の支持部材と、
前記発振素子と前記防水部材との互いの対向面どうしを部分的に連結する連結部材と、
を有し、
前記支持部材は、前記防水部材が前記音孔と対向する向きで、前記音孔を取り囲むように前記筐体の内面に接合されている。

本発明の発振装置においては、枠状の支持部材により外周部が支持されているシート状の防水部材へと、振動部材と圧電素子との少なくとも一方の振動が連結部材を介して伝達される。このため、発振する圧電素子または振動部材とともに防水部材が振動するので、この防水部材が超音波を発振することができる。この防水部材は枠状の支持部材により外周部が支持され、且つ、防水部材を基準とした一方の側に、振動部材や圧電素子が配置されているので、防水部材によって振動部材や圧電素子を防水することができる。

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縦断正面図である。 一の変形例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分解斜視図である。 電気音響変換器の構造を示す模式的な横断平面図である。 他の変形例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縦断正面図である。 さらに他の変形例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を図１を参照して以下に説明する。本実施の形態の電気音響変換器１００は、図１に示すように、振動部材１２０と、振動部材１２０の一方の面に取り付けられた圧電素子１１１と、を有する発振素子１１０を備える。電気音響変換器１００は、更に、防水性の材料により構成されているシート状の防水部材１４０を備える。電気音響変換器１００は、更に、防水部材１４０と発振素子１１０とが互いに対向するように、振動部材１２０の外周部と防水部材１４０の外周部とを保持している枠状の支持部材１３０を備える。電気音響変換器１００は、更に、発振素子１１０と防水部材１４０との互いの対向面どうしを部分的に連結する連結部材１５０を備える。

より詳細には、本実施の形態の電気音響変換器１００では、振動部材１２０と防水部材１４０とが互いに対向しており、連結部材１５０は、振動部材１２０と防水部材１４０とを相互に連結している。また、支持部材１３０は、防水部材１４０を基準として振動部材１２０とは反対側の方向へ突出している。支持部材１３０は、防水部材１４０が筐体１０１０の音孔１０１１と対向する向きで、音孔１０１１を取り囲むように筐体１０１０の内面に接合されている。

振動部材１２０は、その外周部が支持部材１３０の内周面に接合されることにより、支持部材１３０により保持されている。
防水部材１４０は、その外周部が支持部材１３０の内周面に接合されることにより、支持部材１３０により保持されている。例えば、防水部材１４０の外周部の全周が支持部材１３０の内周面に接合されている。ただし、防水部材１４０の外周部と支持部材１３０の内周面との間には、表面張力で防水性能が維持される程度（防水部材１４０の外周部と支持部材１３０の内周面との間の水密性を確保できる程度）の間隙が形成されていてもよい。また、本実施の形態の電気音響変換器１００では、複数の連結部材１５０が互いに離間して設けられている。
振動部材１２０は、その平面寸法が、圧電素子１１１の平面寸法よりも大きい。圧電素子１１１は、振動部材１２０の外周部を避けて配置されている。例えば、圧電素子１１１は、振動部材１２０の中央部に配置されている。
防水部材１４０の平面寸法は、振動部材１２０の平面寸法よりも大きくても良いし、振動部材１２０の平面寸法と同程度でも良い。

本実施の形態の電子機器１０００は、筐体１０１０と、筐体１０１０に設けられた音孔１０１１と、筐体１０１０内に設けられた電気音響変換器１００と、を備える。電気音響変換器１００は、振動部材１２０と、振動部材１２０の一方の面に取り付けられた圧電素子１１１と、を有する発振素子１１０を有する。電気音響変換器１００は、更に、防水性の材料により構成されているシート状の防水部材１４０と、防水部材１４０と発振素子１１０とが互いに対向するように、振動部材１２０の外周部と防水部材１４０の外周部とを保持している枠状の支持部材１３０と、発振素子１１０と防水部材１４０との互いの対向面どうしを部分的に連結する連結部材１５０と、を有する。支持部材１３０は、防水部材１４０が音孔１０１１と対向する向きで、音孔１０１１を取り囲むように筐体１０１０の内面に接合されている。
従って、振動部材１２０及び圧電素子１１１を含む発振素子１１０は、防水部材１４０よりも筐体１０１０の内側に位置することとなるので、防水部材１４０によって防水される。

また、本実施の形態の電子機器１０００は、電気音響変換器１００をパラメトリックスピーカとして駆動させる変調信号を圧電素子１１１に入力する発振駆動手段であるドライバ回路１６０を備える。

より具体的には、圧電素子１１１は、扁平な平板状に形成されており、電界の印加により伸縮運動する。振動部材１２０は、圧電素子１１１より大径で扁平に形成されており、圧電素子１１１の一方の面を拘束している。防水部材１４０は扁平で振動部材１２０と平行に位置している。振動部材１２０の一方の面に圧電素子１１１が拘束されているとともに、振動部材１２０の他方の面には連結部材１５０を介して防水部材１４０が連結されている。

支持部材１３０の一端部は、該一端部と筐体１０１０の内面との間の水密性が確保できるように接合されている。

本実施の形態の電気音響変換器１００では、圧電素子１１１、振動部材１２０、防水部材１４０及び支持部材１３０の平面形状は円形でも矩形でもよいが、例えば、正方形である。より詳細には、圧電素子１１１の表裏の面にはそれぞれ電極層１１２が形成されており、圧電素子１１１の外周部には絶縁層１１３が形成されている。電極層１１２、圧電素子１１１、絶縁層１１３及び振動部材１２０により発振素子１１０が形成されており、この発振素子１１０に、発振駆動部であるドライバ回路１６０が電気的に接続されている。

なお、圧電素子１１１は、圧電効果を有する材料であれば、無機材料、有機材料ともに特に限定されないが、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鉛（ＰＺＴ：lead Zirco-titanate）や、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）などの材料が使用できる。

また、圧電素子１１１の厚みは、特に限定されないが、１０μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。圧電素子１１１として、例えば、脆性材料であるセラミック材料の、厚み１０μｍ未満の薄膜を使用した場合、その機械強度の弱さから、取り扱い時に欠けや破損などが生じるため、取り扱いが困難となる。また、圧電素子１１１として、厚みが５００μｍを超えるセラミックを使用した場合は電気エネルギから機械エネルギに変換するエネルギ変換効率が著しく低下し、スピーカユニットとして充分な性能が得ることが困難である。

一般的に、電気信号の入力により電歪効果を発生させる圧電セラミックにおいては、エネルギ変換効率は電界強度に依存する。この電界強度は分極方向に対する厚み／入力電圧で表されることから、厚みの増加は必然的にエネルギ変換効率の低下を招いてしまう問題がある。本発明の圧電素子１１１には、電界を発生させるために、表裏の主面の各々に電極層１１２が形成されている。

また、電極層１１２の厚みは特に限定されないが、その厚みが１〜１００μｍであるのが好ましい。厚み１μｍ未満では、膜厚が薄いため、均一に成形できず、エネルギ変換効率が低下する可能性がある。また、電極層１１２の膜厚が１００μｍを超える場合は、製造上は特に問題はないが、電極層１１２が圧電素子１１１に対して拘束面となり、エネルギ変換効率を低下させてしまう課題がある。

振動部材１２０を構成する材料は、金属や樹脂など、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。また、振動部材１２０の厚みは、５〜１０００μｍであることが好ましい。振動部材１２０の厚みが５μｍ未満の場合、機械強度が弱く、拘束部材としての機能を損なうという問題点や、加工精度の低下により、製造ロット間で振動子の機械振動特性のばらつきが生じてしまう問題点がある。

また、連結部材１５０は、発振素子１１０とともに発振する振動部材１２０の振動を防水部材１４０に高効率に伝達する形状および配置となっている。例えば、連結部材１５０は、振動部材１２０と防水部材１４０とを複数箇所で連結する支柱状に形成されており、発振素子１１０の四隅外側と中央とに配列されている。

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ことにより、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。

本実施の形態の電気音響変換器１００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、発振素子１１０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、本実施の形態の電気音響変換器１００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。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。

上述のような構成において、本実施の形態の電気音響変換器１００においては、枠状の支持部材１３０により外周部が支持されているシート状の防水部材１４０へと、圧電素子１１１の振動が振動部材１２０から連結部材１５０を介して伝達される。

このため、発振する圧電素子１１１及び振動部材１２０とともに防水部材１４０が振動するので、この防水部材１４０が超音波を発振することができる。この防水部材１４０は枠状の支持部材１３０により外周部が支持され、且つ、防水部材１４０を基準とした一方の側（図１における下側）に、振動部材１２０や圧電素子１１１が配置されているので、防水部材１４０によって振動部材１２０や圧電素子１１１を防水することができる。

しかも、本実施の形態の電気音響変換器１００では、振動時に応力が集中する電気音響変換器１００の端部が、柔軟性に富む防水部材１４０により構成されている。すなわち、落下時の衝撃エネルギを防水部材１４０で吸収することができるため、落下強度は向上する。

さらに、本実施の形態の電気音響変換器１００では、圧電素子１１１の駆動力（振動）を、連結部材１５０を介して防水部材１４０に伝達させて、音波を発振する。ここでは、任意の形状の連結部材１５０により、振動を伝達（伝播）させることができる。圧電素子１１１や振動部材１２０の応力集中箇所のみに、伝達材としての連結部材１５０を配置することにより、振動時の余分な応力分散を回避でき、振動伝達効率が向上し、音圧レベルが増加する。

本構成の電気音響変換器１００は可聴帯域での発振だけでなく、超音波帯域の発振も可能である。すなわち、超音波を、音声の搬送波として利用するパラメトリックスピーカにも応用することが可能である。本構成では、振動部材１２０や防水部材１４０の剛性を適宜に設定することで、任意の基本共振周波数に調整できることから、容易に超音波用振動子を形成することができる。

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、上記形態では振動部材１２０の一方の面に圧電素子１１１が拘束されているとともに、振動部材１２０の他方の面に連結部材１５０を介して防水部材１４０が連結されていることを例示した。

しかし、図２および図３に発振装置として例示する電気音響変換器２００のように、圧電素子１１１の一方の面が振動部材１２０により拘束されているとともに、圧電素子１１１の他方の面が連結部材１５０を介して防水部材１４０に連結されていてもよい。

また、上記形態では、振動部材１２０と防水部材１４０とが互いに対向し、連結部材１５０は、振動部材１２０と防水部材１４０とを相互に連結していることを例示した。しかし、発振装置として図４に例示する電気音響変換器４００のように、圧電素子１１１（図４の上側の圧電素子１１１）と防水部材１４０とが互いに対向し、連結部材１５０は、圧電素子１１１（図４の上側の圧電素子１１１）と防水部材１４０とを相互に連結していても良い。

さらに、図４に発振装置として例示する電気音響変換器３００のように、振動部材１２０の一方の面に取り付けられている圧電素子１１１と、振動部材１２０の他方の面に取り付けられている第二圧電素子１１１と、を有する構造としても良い。この場合、電気音響変換器３００はバイモルフ構造のパラメトリックスピーカとして機能するので、その出力が増大することになる。

また、振動部材１２０の表面に発振素子１１０と連結部材１５０とが配列されており、この連結部材１５０が防水部材１４０の裏面に連結されていてもよい(図示せず)。

さらに、上記形態では圧電素子１１１として単層の圧電セラミックを想定したが、圧電素子は、複数の圧電セラミックと複数の電極層１１２とが積層された構造でもよい(図示せず)。

さらに、上記形態では、振動部材１２０が防水部材１４０に対向しており、連結部材１５０は、振動部材１２０と防水部材１４０とを連結していることを例示した。しかし、発振装置として図５に例示する電気音響変換器４００のように、圧電素子１１１を挟んで振動部材１２０とは逆側に位置し、圧電素子１１１に取り付けられている第二振動部材１２０を有してもよい。

また、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１６０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。

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。

上記実施形態は、以下の技術思想を包含するものである。
（１）
振動部材と、前記振動部材の一面に取り付けられた圧電素子とを有する発振素子と、
前記振動部材の外周部を保持しており、端部が前記発振素子よりも突出している支持部材と、
前記支持部材のうち前記発振素子よりも前記端部側に位置する部分に外周部が接合されており、防水性を有している材料から構成されているシート状の防水部材と、
前記発振素子のうち前記防水部材に対向している面の一部を前記防水部材に連結する連結部材と、
を備える発振装置。
（２）
上記（１）に記載の発振装置において、
前記発振素子は、前記振動部材が前記防水部材に対向しており、
前記連結部材は、前記振動部材と前記防水部材とを連結している発振装置。
（３）
上記（２）に記載の発振装置において、
前記圧電素子を介して前記振動部材とは逆側に位置し、前記圧電素子に取り付けられている第二振動部材を有する発振装置。
（４）
上記（１）に記載の発振装置において、
前記発振素子は、前記圧電素子が前記防水部材に対向しており、
前記連結部材は、前記圧電素子と前記防水部材とを連結している発振装置。
（５）
上記（４）に記載の発振装置において、
前記振動部材を介して前記圧電素子とは逆側に位置し、前記振動部材に取り付けられている第二圧電素子を有する発振装置。
（６）
上記（１）〜（５）のいずれか一つに記載の発振装置において、
前記支持部材は、前記振動部材とは逆側に位置する端部が、前記防水部材よりも突出している発振装置。
（７）
上記（１）〜（６）のいずれか一つに記載の発振装置において、
前記支持部材は、前記防水部材の外周部の全周に接合されている発振装置。
（８）
上記（１）〜（７）のいずれか一つに記載の発振装置において、
複数の前記連結部材が互いに離間して設けられている発振装置。
（９）
筐体と、
前記筐体に設けられた音孔と、
前記筐体内に、前記音孔と対向する位置に設けられた発振装置と、
を備え、
前記発振装置は、
振動部材と、
前記振動部材の一面に取り付けられた圧電素子と、
前記振動部材の他面に取り付けられ、平面形状が前記振動部材よりも大きく、防水性を有している材料から構成されているシート状の防水部材と、
前記防水部材の外周部に接合されている支持部材と、
を有し、
前記支持部材は、前記防水部材が前記音孔に対向する向きに、前記音孔を取り囲むように前記筐体の内面に接合されている電子機器。
（１０）
上記（９）に記載の電子機器において、
前記圧電素子に、前記発振装置をパラメトリックスピーカとして駆動させる変調信号を入力する発振駆動手段を備える電子機器。

この出願は、２０１０年１２月２８日に出願された日本出願特願２０１０−２９１８７３号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (10)

1. 振動部材と、前記振動部材の一方の面に取り付けられた圧電素子と、を有する発振素子と、
   防水性の材料により構成されているシート状の防水部材と、
   前記防水部材と前記発振素子とが互いに対向するように、前記振動部材の外周部と前記防水部材の外周部とを保持している枠状の支持部材と、
   前記発振素子と前記防水部材との互いの対向面どうしを連結し、互いに離間して配置された複数の連結部材と、
   を備える発振装置。
2. 請求項１に記載の発振装置において、
   前記振動部材と前記防水部材とが互いに対向し、
   前記連結部材は、前記振動部材と前記防水部材とを相互に連結している発振装置。
3. 請求項２に記載の発振装置において、
   前記圧電素子を挟んで前記振動部材とは逆側に位置し、前記圧電素子に取り付けられている第二振動部材を有する発振装置。
4. 請求項１に記載の発振装置において、
   前記圧電素子と前記防水部材とが互いに対向し、
   前記連結部材は、前記圧電素子と前記防水部材とを相互に連結している発振装置。
5. 請求項４に記載の発振装置において、
   前記振動部材の他方の面に取り付けられている第二圧電素子を有する発振装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の発振装置において、
   前記支持部材は、前記防水部材を基準として前記振動部材とは反対側の方向へ突出している発振装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の発振装置において、
   前記防水部材の外周部の全周が前記支持部材の内周面に接合されている発振装置。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の発振装置において、
   複数の前記連結部材が互いに離間して設けられている発振装置。
9. 筐体と、
   前記筐体に設けられた音孔と、
   前記筐体内に設けられた発振装置と、
   を備え、
   前記発振装置は、
   振動部材と、前記振動部材の一方の面に取り付けられた圧電素子と、を有する発振素子と、
   防水性の材料により構成されているシート状の防水部材と、
   前記防水部材と前記発振素子とが互いに対向するように、前記振動部材の外周部と前記防水部材の外周部とを保持している枠状の支持部材と、
   前記発振素子と前記防水部材との互いの対向面どうしを連結し、互いに離間して配置された複数の連結部材と、
   を有し、
   前記支持部材は、前記防水部材が前記音孔と対向する向きで、前記音孔を取り囲むように前記筐体の内面に接合されている電子機器。
10. 請求項９に記載の電子機器において、
    前記発振装置をパラメトリックスピーカとして駆動させる変調信号を前記圧電素子に入力する発振駆動手段を備える電子機器。

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